微波加热煤基直接还原技术研究现状

 郑善举1,3，巨少华2,3，许磊2,3，郭胜惠2,3，刘建华2,3
1、昆明理工大学国土资源工程学院
2、昆明理工大学冶金与能源工程学院
3、微波能工程应用及装备技术国家地方联合工程实验室

 

        根据我国钢铁行业节能减排、绿色发展的要求，以及资源条件和能源政策的国情，开发和发展直接还原工艺具有重要的意义。然而现有煤基直接还原炼铁工艺、技术和设备尚存一些不足，在能耗、质量、成本和规模等方面与高炉相比还有不同程度的差距。从国内外煤基直接还原技术研究现状来看，新技术的开发仍然以几种成熟的炉型作为反应器，基于不同煤的特性，致力于还原物料在反应器内的还原行为以及工艺参数等基础研究。针对资源和能源的局限性，以及环境保护的需求，寻找新的能源或还原剂，以此来完全和部分代替传统化石燃料变的越来越现实可行。

        随着微波技术的发展，微波设备的微波功率得到了显著的提高，生产成本进一步降低。微波可以透入物质内部，改变了传统加热由表及里的概念，创造了快速升温的新技术，并且只对能吸收微波的材料直接加热，对一些可以反射或者透波材料则不进行加热。现今在食品、化工、建材、医药、陶瓷等很多行业中已经开发了大型工业微波设备。钢铁作为工业的主体，能量消耗比重大，环境污染严重，对创造和谐社会留下了极大的隐患，如果能够利用微波的快速、选择加热、热损耗低，高效节能无污染、操作简便，易于自动控制等优良特性，将有助于提高金属回收率，减少甚至消除焦炭的使用，可在一定程度上减少CO2的释放和降低环境污染，从而促进钢铁工业的绿色可持续发展。

1 微波加热煤基直接还原的发展现状

        微波加热煤基直接还原是利用煤碳等还原剂和铁氧化物对微波的良好吸收性能将铁氧化矿还原成金属铁，从而充分利用微波加热的优势，降低能耗，节约成本。

1.1国外研究发展现状

        微波高温加热技术自1968年提出以来，经过各国研究人员的大量研究得出对于一些有用矿物在微波作用下可以快速升温，而脉石矿物升温速度慢，由此认为与传统加热方法相比，微波加热具有更好的冶金性能[1-6]。

        微波在铁矿还原工艺方面的研究较晚，直到上世纪80年代末澳大利亚卧龙岗大学N.Standish等[7-8]首次在对铁矿球团进行直接还原实验时发现，相比传统加热方式微波加热克服了“冷中心”问题，还原过程中物相结构的改变可以提高微波加热速率，降低还原反应的活化能，反应的动力学条件更加优越。当温度达到1000 ℃以后，微波加热对于还原过程的作用效果要明显优于传统加热方式。

        2001~2012年期间，巴西圣保罗大学M.Mourao和E R.Castro等[9-12]对铁矿石微波加热碳热直接还原试验进行了研究，结果表明在内配碳球团中加入水泥可以加快升温速度。随着内配碳量越高，还原过程的升温和还原越快，铁矿球团微波加热还原较传统加热更具竞争力。在1200 °C以上进行内配碳球团微波加热直接还原时，由于碳的气化反应加剧，气体和热量的内扩散成为限制环节，以致于内配碳量对表观活化能的影响很大，碳的反应性也是重要的影响因素。分析认为微波加热可以克服传统加热过程由于对流、传导耗热慢的问题，能量利用率更髙。

        日本东京理工学院Ishizaki K [13-17]对磁铁矿内配碳球团微波加热直接还原进行了大量的研究，结果表明在等温（实验温度1350℃）微波加热条件下，内配碳球团中可以快速形成碳含量2%左右的生铁。由于铁氧化物和碳快速升温，而球团中的氧分压上升使得杂质氧化物得不到还原，最终保留在渣相中，有效实现了渣铁分离。当采用磁铁矿混合炭黑进行微波加热直接还原时，磁铁矿在650℃以下选择性的吸收微波，而炭黑在整个温度范围都能吸收微波，并且在微波加热作用下Fe3O4→FeO→Fe逐级还原。动力学研究结果指出，浮氏体向FeO转化比磁铁矿向浮氏体转化速度慢，而在FeO向Fe转化阶段主要受晶体结构缺陷的影响。

        美国密西根理工大学Hwang Jiaim-Yang等[18-24]提出了“微波一步炼钢法”，它是釆用铁矿石在全微波或微波联合其它加热手段的方式下进行还原-熔炼以获得低碳钢的方法。还原阶段可以在转底炉、回转窑和竖炉中完成，熔炼阶段在电弧炉中进行。由于还原物料在微波作用下自生热进行还原，还原反应活化能降低，使得反应温度下降和时间缩短，另外可以对反应后的高纯度气体和粉尘进行回收利用，实现高效、节能、环保和清洁生产的目的。研究认为该工艺流程短、能量利用率高，可节能30~50%。以微波加热代替传统加热，可以降低废气（CO2和SO2等）和废热排放，产品金属化率高，副产品少，适合在小型钢铁厂应用和发展。

        日本名古屋大学Yang等[25]对赤铁矿内配石墨碳球团微波加热直接还原机理进行了研究，结果表明在还原初始阶段以直接还原反应为主，随着温度升高，碳的气化反应加剧导致间接还原反应快速进行。由于赤铁矿颗粒和碳颗粒紧密接触，在微波的自生热作用下，还原反应加速进行。石墨颗粒尺寸的降低，温度的升高，以及气体的快速生成和扩散都可以提高还原反应。

        国外一些其它的研究包括：墨西哥Juan A.Aguilar等[26]对微波加热和传统加热铁矿球团煤基还原动力学进行了比较，结果表明当球团还原度不足40%时，传统加热和微波加热还原速率基本相同。

1.2 国内研究发展现状

        我国自2000年以来对微波加热铁矿还原方面进行了一系列研究。其中，太原理工大学、陈津等[27-36]对含碳铁矿/铬铁矿球团进行了大量微波加热还原研究，研究表明含碳球团进行微波加热还原时，碳等杂质的固溶可以促进铁连晶的形成，升温速度越快，含碳球团的强度提高越快，利用微波的快速加热特性是提髙含碳球团强度的有效途径。由于含碳球团具有很强吸收微波的能力及微波的体积加热特性，自焰性含碳球团在1200℃下也不会出现粘结现象。含碳铁矿粉在微波场中的升温速度比含碳球团快，升温速度的快慢与微波功率密度和物料介电常数成正比，与物料密度、比热容和质量成反比。

        含碳球团的还原与温度、溶剂、配煤比和煤粉粒度等有关，由于矿-煤颗粒内生热，消除了界面反应温度边界层，碳的气化反应和铁氧化物的还原反应加强，微波加热含碳球团还原过程不受碳的气化反应和气体扩散速度的限制，主要受物料的介电性质控制。利用微波对含碳铁矿粉/球团进行加热，可以加速还原反应，降低反应温度，原料适应性强，清洁生产，节能环保的同时可以提高能量利用率和产品生产率。

        重庆大学白晨光等[37-38]对含碳钒钛磁铁精矿粉进行微波加热还原研究，结果表明微波可以快速加热钒钛磁铁精矿粉，当微波功率1.0 kW，加热时间20min，100 g钒钛磁铁精矿可以被加热到1400 °C。粒度在0.2 mm以上时物料的升温速率要快。碱度越高升温速度越慢，碱度应该控制在2.0以下，另外，配煤量越大，还原效果越好。另外国内的其他研究工作者也对铁矿石在微波炉中的加热[39-40]，还原等特性[41]做了相关的研究。

        从铁矿石资源的利用现状和炼铁过程中对煤炭资源的要求来看，寻找一种新的方法,能够节省能源，代替焦炭，减少环境污染将对推进钢铁业的发展和社会的和谐具有重大的意义。正是基于这些目的，采用微波加热对铁矿石进行还原的研究越来越多，但都只是一些实验室的小型机理研究，未能进行规模性的生产。

2 煤基直接还原物料的升温特性

        微波加热是利用微波电磁场中物料的介电损耗和磁损耗使物料整体加热，需要加热的物料在微波场的作用下被加热利用的是介质损耗的原理。一般情况下，物料分子由于布朗运动，分子的排列杂乱无章并迅速变化，极性相互抵消，宏观上不呈现极性。而被置于微波发生器产生的电场中时，介质材料在微波电磁场的作用下会产生介质极化。在极化的过程中极性分子由原来的随机分布状态转向依照电场的极性排列取向。

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