微波场中碳热还原含铁原料基础及小规模试验研究

近年,全球都致力于减少温室气体排放和降低能源消耗,这引起了钢铁从业者在科学和工业上对直接还原铁技术研究的热潮。直接还原铁是通过从固态含铁原料中去除氧而产生的。基于我国煤炭资源丰富、天然气资源短缺的特点,煤基直接还原技术是发展方向。利用微波加热设备投资少、占地小、易于安装、控制和移动的特点,将微波加热技术应用到直接还原铁技术,能实现移动工厂的生产方式,在减排降耗的同时,也为快速占领、小规模开采资源,缩减运输成本带来便利。本文以铁精矿和氧化铁皮混合料作为含铁原料,无烟煤作为还原剂,采用微波加热,开展了碳热还原含铁原料的基础研究和小规模试验研究。本文的主要研究内容如下:1.研究了铁精矿、氧化铁皮、无烟煤在微波场中的升温特性和介电特性,获得微波场中物料升温速率变化情况及随着温度的升高,氧化铁皮、无烟煤配比对介电特性影响的规律;随着温度的升高,微波在料层中穿透深度的变化趋势总体是降低的,微波穿透混合料层深度范围为2.15cm~75.99cm,为微波还原小规模试验设备的设计提供了依据。2.开展了微波加热还原含碳铁原料过程研究,铁氧化物的还原仍然遵循Fe_2O_3→Fe_3O_4→FeO→Fe的还原顺序,且物料的主要还原反应在750℃~900℃这个温度范围;通过动力学研究得到常规加热温度在800℃~950℃,反应分数为6.94%~24.73%,反应表观活化能为155.66kJ/mol,而微波加热温度在600℃~750℃时反应分数已达33.61%~45.22%,反应表观活化能为58.33kJ/mol,与常规加热的表观活化能相比显著降低,所以微波加热能加快反应速率,降低反应表观活化能。3.系统开展了微波场中碳热还原铁原料工艺研究,得到还原温度、还原时间、煤粉配比、氧化铁皮配比和脱硫剂配比对还原产物品位和金属化率影响规律,当铁精矿∶氧化铁皮=40∶60,煤粉配比22%的混合料在还原温度1100℃,还原时间60min条件下能得到铁品位为78.36%,金属化率为96.65%的产物,为小规模试验研究提供了重要的工艺参数。4.对微波场中碳热还原铁原料的小规模试验设备主要组成部分进行了分析和设计,加工了一套小规模试验设备,该设备的特点在于微波源分别分布在腔体上侧和下侧,还原前段微波从腔体下侧加热,还原后段微波从腔体上侧加热。5.系统开展了微波加热获得直接还原铁的小规模试验。首先通过静态小规模试验,掌握物料在设备腔体内的升温情况,获得适宜的料层高度、还原时间、还原剂用量;然后通过动态小规模试验,在铁精矿∶氧化铁皮=40∶60,煤粉配比25%,还原温度1100℃,料层高度为40mm,同时加热还原6盘混合料的试验条件下,得到铁品位为91.40%,金属化率为92.76%的直接还原铁,还原工艺周期为375min,还原工艺时间缩短了91.1%,微波能热效率为75.39%。此外制定了合理的微波还原操作制度,为微波加热生产直接还原铁的进一步工业化提供了重要参考。