[01109590]基于生物质高值化利用的低碳冶金技术研究

目前钢铁行业存在优质焦煤资源短缺、环保要求日益提高、钢铁生产能耗居高不下等问题,发展基于生物质高值化利用的低碳冶金技术成为绿色炼铁的研究重点,而传统的以生物质或热解焦为还原剂的生物质碳基还原炼铁过程动力学条件苛刻、还原效率低,申请人创新性的提出了生物质气基还原炼铁新思路,通过生物质热化学转化技术制取富氢气体,作为高效还原剂,并针对致密结构球团气固还原多受固相内扩散的牵制这一制约环节,通过铁矿球团中添加生物质并预热改善球团孔隙结构,强化还原。该研究采用资源丰富且廉价易得的生物质替代煤和天然气等化石资源进行还原炼铁,降低了还原铁生产成本和改善产品品质的同时还能减少对环境的危害。 2015年申请人承担了国家自然科学青年基金和中国博士后科学基金面上一等资助,在上述项目的资助下,通过理论分析与实验研究,探明了铁矿——生物质复合球团预热过程中孔隙结构形成机理与调控机制;明确了生物质富氢气氛下多孔球团的还原型式、还原历程与逐段还原定向调控机制;采用逐渐还原法、热失重法和气体吸收法揭示多孔球团直接还原炼铁机理及动力学规律,成功解析还原气扩散机理,建立了适用于多孔球团还原的多阶段区域还原反应模型;采用动力学方程拟合加之对还原型式、还原速率和产物物相、化学组成等分析,从宏观和微观两个角度对比不同孔隙结构球团的直接还原反应行为,阐明了多孔球团强化还原作用机制。研究结果为建立生物质气基直接还原炼铁体系及基础理论奠定重要基础。 本项目的创新之处： （1） 科研思路上的创新：利用生物质作为造孔剂与铁矿粉混合制取复合球团,通过预热改善球团孔隙结构,增加扩散和反应界面,使还原反应在一定宽度的区域内发生,不受或少受固相内扩散速度的牵制; （2） 研究内容上的创新：研究内配生物质复合球团预热过程中孔隙结构形成机理及调控机制;探讨基于生物质气基直接还原的多孔球团炼铁机理及动力学规律; （3） 研究方法上的创新;通过研究还原各阶段球团孔隙结构特征的变化规律,建立有效扩散系数与孔隙结构特征参数间的函数关系,推测扩散机理,从理论层面上揭示多孔球团强化气固还原作用机制。 取得了以下成果： （1）探明了铁矿——生物质复合球团预热过程中孔隙结构形成机理;明确了生物质富氢气氛下多孔球团的还原型式、还原历程与逐段还原定向调控机制; （2）采用逐渐还原法、热失重法和气体吸收法成功揭示了多孔球团直接还原炼铁机理及动力学规律,解析了还原气扩散机理,并最终建立适用于多孔球团还原的多阶段区域还原反应模型; （3）采用动力学方程拟合加之对还原型式、还原速率和产物物相、化学组成等分析,从宏观和微观两个角度对比不同孔隙结构球团的直接还原反应行为,进而阐明多孔球团强化还原作用机制; （4） 发表SCI收录论文8篇,EI收录论文2篇,申请国家发明专利2项,授权1项。 上述研究结果为建立生物质气基直接还原炼铁体系及基础理论奠定重要基础,为生物质能的高值化利用以及钢铁行业“绿色”炼铁提供了一条新的科学思路。