含碳球团还原反应及其技术

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含碳球团还原反应及其技术

汪琦

(辽宁科技大学,辽宁鞍山114044)

摘要:对含碳球团的自还原反应和工艺中涉及的燃烧和氧化反应进行了论述,分析了煤的性质、氧化性气氛对含碳球团自还原性的影响;介绍并且评价了现有和正在研发的含碳球团

直接还原法和熔融还原法。

关键词:含碳球团;还原工艺;自还原性

中图分类号:TF124 文献标识码:A 文章编号:1006-4613(2009)04-0001-10

Reduction Reacti o n of Carbon-Conta i n ing Pellet and Its R educti o n Process

W ang Q i

(Sc ience and T echnology Un i v ersity of L iaon i n g,Ahshan114044,L iaon i n g,Ch i n a)

Abstract:Se lf reducti on reac ti ons o f carbon-conta i n i ng pe llet and combusti on and ox i d izi ng reac tions i nvo lved i n t he reducti on process are discussed,and effects of coa l properti es and ox i d izi ng

at m osphere on the self-reduc tion o f carbon-conta i n i ng pe llet are ana l y zed.Ex isti ng and be i ng de-

ve loped pro cesses o f t he direc t reduction and m elti ng reduc tion of carbon-conta i n i ng pellet are i ntro-

duced and t hen eva l uated.

K ey word s:ca rbon-contai n i ng pe ll et;reducti on process;self-reduction

含碳球团是指由含铁粉料配以固体还原剂(煤粉和焦粉等)和适当的粘结剂,经充分混合后经造球机造球或压球机压制而成的一种含碳含铁的小球或冷压块。含碳球团还原技术特点是含碳球团在使用时不需固结或冷固结,可以回收处理钢铁企业的废料,无论在经济上,还是在环保上都具有重要意义。可实现在1200~1300 温度下的快速还原;还原过程中产生的气体从球团内排出,能够抑制气相中氧化性气氛对球团的氧化作用,使含碳球团在氧化性气氛中能够还原,为在还原反应器内用高温烟气或直接燃烧还原过程中产生的可燃性气体提供还原耗热创造了条件。含碳球团还原技术受到越来越多的冶金工作者的重

汪琦,教授,博士生导师,现任辽宁科技大学材料科学与工程学院冶金系主任,辽宁省优秀专家,中国金属学会青年委员会委员,辽宁省金属学会理事,w angq i8822@s i na.co 。视。

本文对含碳球团自还原反应和在工艺中涉及的燃烧和氧化反应等进行了论述,并对鞍钢开发含碳球团还原技术提出了合理建议。

1 含碳球团还原过程中的化学反应

1.1 含碳球团自还原反应及其影响因素

1.1.1 含碳球团还原反应及其特点

由于含碳球团的碳在整个球团内均匀分布,当球团达到一定温度时,分布在球团内的无数碳粒与铁氧化物发生反应,因此球团内部的还原可以称为 自还原 。煤中挥发分占可燃基的10% ~40%,煤被加热到足够高温度时开始析出挥发分气体。挥发分中的可燃性气体除了一氧化碳和氢气外,主要是碳氢化合物,高温下碳氢化合物二次分解成碳和氢。因此,将铁矿粉和煤粉混合制成的含碳球团自还原过程极为复杂,它包括如下

1

反应:

煤热解时挥发分的析出和挥发分中碳氢化合物的裂解:

煤 C+挥发分(1)高分子碳氢化合物 低分子碳氢化合物+ C+H2(2)铁氧化物被挥发分中的CO和H2以及裂解产生的H2的间接还原、铁氧化物与气化反应产生的C O和H2的还原反应均为:

Fe x O y+C O/H2 Fe x O y-1+CO2/H2O(3)二氧化碳和水蒸汽与碳的气化反应:

CO2/H2O+C 2CO/(CO+H2)(4)反应(3)与(4)结合生成反应(5):

Fe x O y+C Fe x O y-1+C O(5)反应(4)与反应(5)结合,需借助碳气化反应的 直接还原 。

普通球团和含碳球团的还原差别在于,含碳球团自还原时产生的CO引起了球团内气体压力增加,促使CO的扩散,加速了球团的还原速率,使含碳球团的还原速率明显高于一般球团。研究结果表明[1-2],只有当含碳球团内固定碳物质的量与铁氧化物所含氧物质的量的比R 1,并在高温下(1200 以上)含碳球团才能快速还原,获得超过90%的金属化率。

1.1.2 煤的性质对 自还原 性的影响

配烟煤的含碳球团比配无烟煤的含碳球团还原反应速度快,其原因是烟煤的反应性比无烟煤的好,碳在还原铁氧化物时反应的活化能低[3-5],或是碳的还原作用开始温度降低和反应动力学常数前的指数因子大[6]。挥发分的还原作用主要是温度超过700 ,且工业分析的挥发分基本析出后,残留的挥发分中碳氢化合物裂解产生氢气和游离碳。烟煤工业分析的挥发分最高可占可燃基的20%~40%左右,是一些分子结构较小的分子,析出温度较低。在还原工艺中若析出的挥发分不能作燃料利用,则会引起煤耗的增加。无烟煤中的工业分析挥发分量比烟煤的少,只用煤作还原剂时,无烟煤的煤耗比烟煤的低。

1.1.3 气氛对 自还原 性的影响

早在1977年,M c Ada m[7]就报道了含碳球团在一定的二次燃烧气氛中进行还原。任志国等[2]在实验中发现含碳球团在空气中能还原出金属铁。杜挺等[2]进行的含碳球团在氧化性气氛中的还原实验发现,在1300 时含碳球团在两种氧化性气氛中(气相浓度比CO CO2=70和CO CO2=30)的 自还原 和 再氧化 特性为:反应前期,以 自还原 为主;反应中期,球团中含碳量明显减少,球团 自还原 和 再氧化 速度基本相等,球团在两种气氛中的金属化率分别达到80%和90%左右;反应后期,球团内的碳将近用完, 自还原 基本停止,球团以 再氧化 为主,金属化率迅速降至50%左右。影响含碳球团 自还原 和 再氧化 的因素为:气相中CO增加,含碳球团 自还原 和 再氧化 速度基本不变,但最高金属化率增加;球团直径增加,最高金属化率增加,但 再氧化 速度降低。

含碳球团在氧化性气氛中具有的这种 自还原 性是目前开发含碳球团直接还原工艺和熔融还原工艺的理论基础。因此,含碳球团还原反应还包括球团与氧化性气体之间的氧化反应和脱碳反应,从球团内排出的可燃性气体的燃烧反应等。

1.2 含碳球团自热还原

1.2.1 自热还原

Fe2O3的直接还原反应:

Fe2O3+3C=2Fe+3CO

H=456.4kJ/m o l(6)式中, H为焓变,kJ/m ol。

C素消耗为:

3 12

2 56

=0.3214kg(C)/kg(Fe)

但如果该直接还原所需要的热量由C素的不完全燃烧提供,那么:

C+1/2O2=CO

H0298=-451.48kJ/m o l(7)

每从Fe2O3直接还原1kgFe,不完全燃烧需耗C素为:

12

56

456.4

451.5

=0.2166kg(C)/kg(Fe)

则直接还原1kgFe还原剂和耗热累计消耗的C素量为:

0.3214+0.2166=0.5380kg(C)/kg(Fe)

直接还原产生大量的CO(3 22.4/2 56= 0.6m3),其燃烧热量为:

3CO+3/2O2=3CO2

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