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高铁煤泥直接还原铁精矿粉研究 ① 陈伟鹏1, 庞雅丹1, 陈晓丹2, 赵增武1, 武文斐1 (1.内蒙古科技大学 能源与环境学院, 内蒙古 包头 014010; 2.北京华源泰盟节能设备有限公司,北京 100000) 摘 要 采用煤泥还原白云鄂博铁精矿粉,研究了配碳比、还原时间、还原温度对铁精矿粉金属化率的影响。 实验结果表明煤泥还 原铁精矿粉的最佳实验条件为配碳比 1.2、还原温度 1 250 ℃、还原时间 30 min,此条件下金属化率达 87.74%。 该工艺可实现煤泥 的高效清洁利用。 关键词 煤泥; 直接还原; 铁精矿; 金属化率 中图分类号 TD989;TF09文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2020.01.019 文章编号 0253-6099(2020)01-0081-04 Direct Reduction of Iron Concentrate Powder from Coal Slime with High Iron Content CHEN Wei-peng1, PANG Ya-dan1, CHEN Xiao-dan2, ZHAO Zeng-wu1, WU Wen-fei1 (1.School of Energy and Environment, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, Inner Mongolia, China; 2.Beijing Huayuantaimeng Energy-saving Equipment Co Ltd, Beijing 100000, China) Abstract Coal slime was used in the reduction of Bayan Obo iron concentrate powder, and the effects of different carbon ratio, reduction time and reduction temperature on the metallization rate of iron concentrate powder were investigated. The results show that the reduction of iron concentrate powder with coal slime under the following optimal experimental conditions, including carbon ratio of 1.2, reduction temperature of 1 250 ℃, and reduction time of 30 min, can result in the metallization rate reaching 87.74%. It is concluded that this process can achieve the efficient and clean utilization of coal slime. Key words coal slime; direct reduction; iron concentrate; metallization rate 煤泥作为煤炭洗选加工的副产品,在实际生产过 程中利用率不高[1-5]。 本文以高铁煤泥为还原剂,研 究不同温度、不同还原时间、不同配碳比下煤泥还原铁 精矿粉的行为,并与常用还原剂无烟煤作对比,为煤泥 高效清洁利用提供一条新的路径。 1 实 验 1.1 实验原料 实验用白云鄂博铁精矿粉主要化学成分如表 1 所 示。 高铁煤泥产自内蒙古包头地区神东集团,其主要 化学成分如表 2 所示。 煤泥、无烟煤的灰分分析结果 见表 3。 实验用铁精矿粉及煤泥粒径均为-48 μm。 表 1 铁精矿粉主要化学成分质量分数 / TFeFeOSiO2K2ONa2OCaOMgOSF 66.1026.901.990.140.121.561.130.560.35 表 2 煤泥、无烟煤工业分析结果质量分数 / 类别固定碳水分挥发分灰分 煤泥57.534.8421.3216.31 无烟煤75.611.858.6713.78 表 3 煤泥、无烟煤灰分分析结果质量分数 / 类别SiO2Al2O3Fe2O3CaOK2OPS 煤泥39.4825.2928.592.501.780.011.22 无烟煤50.3331.103.125.461.470.020.98 ①收稿日期 2019-07-29 基金项目 国家自然科学基金(51764046);内蒙古自治区应用技术研究与开发基金(20130310);内蒙古自治区创新团队计划(NMGIRT1406) 作者简介 陈伟鹏(1974-),男,内蒙古包头人,硕士,副教授,主要研究方向为高效洁净燃烧和固体废弃物综合利用。 第 40 卷第 1 期 2020 年 02 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.40 №1 February 2020 ChaoXing 1.2 实验设备 实验使用的设备主要包括 769YP-30T 型压片机、 DZF-6020 型电热烘干箱、VTL1600/80X1000 管式电 阻炉、JSM - 6510 电子扫描显微镜 (SEM)、帕纳科 X′pert Powder X 射线衍射仪(XRD)、YXQM-2L 立式 行星式球磨机。 1.3 实验过程 实验前将原材料在烘干箱中 120 ℃下烘干 2 h,依 据不同的碳氧摩尔比,将铁精矿粉、煤泥、无烟煤按照相 应的要求进行配料。 配好的混合粉末在球磨机中真空 条件下混合 4 h 后取出,使用压片机以单轴压力 8 MPa 压制成球团。 管式加热炉以 10 ℃ / min 升温至还原温 度后,将反应球团放入加热炉内进行还原实验,实验过 程中持续通入保护气氛 N2,流通量为100 mL/ min。 还 原反应结束后取出还原产物,用煤粉迅速掩盖,冷却至 室温,通过计算铁含量获取还原产物的金属化率。 使 用 SEM 对含碳球团进行显微组织结构分析及能谱分 析,使用 XRD 对还原产物进行物相分析。 2 实验结果及讨论 2.1 煤泥还原铁精矿粉的热力学分析 煤泥还原铁精矿过程中,发生以下反应 C + CO2■■■2CO ΔG = 172 130 - 177.46T(1) 3Fe2O3 + C 2Fe3O4+ CO ΔG = 120 000 - 218.46T(2) Fe3O4 + C 3FeO + CO ΔG = 207 510 - 217.62T(3) FeO + CFe + CO ΔG = 158 970 - 160.25T(4) 1 4 Fe3O4 + C 3 4 Fe + CO ΔG = 171 100 - 174.50T(5) 式中 T 为反应温度,K;ΔG 为反应自由能,J/ mol。 从 式(1) ~(5)可知,铁精矿粉的还原反应在 280 ℃ (标 准状况下)开始进行,280~656 ℃下可将 Fe2O3还原至 Fe3O4,656~710 ℃ 下可将 Fe3O4还原至 FeO,当反应 温度超过 710 ℃时,可获得还原金属铁。 高温下碳的 气化反应很快,尤其在 1 000 ℃ 以上产生的还原性气 体 CO 的体积分数近乎 100%,所以碳的气化反应决定 了本实验中直接还原反应气体产物的成分[6-8]。 从反应式(1) ~(5)可知,在碳过量及高温条件下 铁精矿粉的还原会发生 Boudouard 反应[9],并产生大 量 CO,反应过程表现为铁氧化物的逐级反应,从高价 氧化物向低价氧化物的逐级转化,可以将铁精矿粉还 原过程表示为 Fe2O3→ Fe3O4→ FeO → Fe[10-11]。 2.2 温度对直接还原效果的影响 固定配碳比 1.2,还原时间 30 min,还原温度取 1 100~1 300 ℃之间的 6 个温度节点,将煤泥样品按温 度节点标记为 1~6,将无烟煤样品标记为 A~F。 还原 温度对金属化率的影响见图 1。 温度/℃ 93 90 87 84 81 78 110011501200125013001350 金属化率/ ■ ● ■ ● ■ ● ■ ● ■ ● ■ ● 无烟煤 煤泥 ■ ● 图 1 还原温度对球团金属化率的影响 由图 1 可见,煤泥球团与无烟煤球团的金属化率 均随温度升高而显著提高,当还原温度超过 1 250 ℃ 以后,2 种球团的金属化率曲线趋于平缓。 对 1 250 ℃下的样品 4 和样品 D 进行了 SEM 观 察,结果如图 2 所示。 由图 2 可知,在 1 250 ℃下,2 种 还原剂的还原铁析出情况大致相同,还原铁明显析出 并连接成片;由于同等配碳比下煤泥带入的灰分比无 烟煤量高,因此海绵铁聚集效果更佳。 图 2 1 250 ℃下 2 种球团的 SEM 图 (a) 样品 4; (b) 样品 D 由式(1) ~(5)可知,含碳球团的直接还原反应是 吸热反应,温度升高将提高还原反应速率。 无烟煤及 煤泥灰分中均有一定比例 SiO2,在温度超过900 ℃时, SiO2与铁精矿粉中的 FeO 生成难还原的硅酸盐,影响 金属化率的提高[12-14];温度升至 1 200 ℃以后硅酸盐 对金属化率的影响增加,样品中出现熔断现象,含碳球 团内部气孔阻塞还原性物质不易扩散,影响反应的进 28矿 冶 工 程第 40 卷 ChaoXing 行。 样品 D 的直接还原效果更佳,但煤泥灰分含量 低,因此 2 种还原剂的金属化率接近;在还原温度到达 1 250 ℃以前,煤泥球团的金属化率提高速率相对无烟 煤球团快,煤泥中含有的挥发分比例较高,促进还原反 应进行;在 1 250 ℃以后挥发分对还原作用变小,因此 无烟煤金属化率相对煤泥略高。 从经济上讲,煤泥价 格远低于无烟煤,还原铁精矿粉成本明显降低。 2.3 配碳比对直接还原效果的影响 还原反应温度 1 250 ℃,还原时间 30 min,改变配 碳比 1.0~1.5 进行含碳球团还原实验,将煤泥球团样品 按配碳比节点标记为 7~12,无烟煤球团标记为 G~ L。 图 3 为配碳比对球团直接还原的影响结果。 配碳比 96 93 90 87 84 81 78 1.01.11.21.31.41.5 金属化率/ ■ ● ■ ● ■ ● ■ ● ■ ● ■ ● 无烟煤 煤泥 ■ ● 图 3 配碳比对球团直接还原的影响 由图 3 可知,在配碳比小于 1.2 时,煤泥和无烟煤 含碳球团金属化率均随配碳比增大呈上升趋势。 配碳 比 1.2 时,无烟煤球团金属化率高达 90.2%,煤泥球团 达到 89.7%。 当配碳比高于 1.2 时,无烟煤球团的金 属化率增长缓慢,煤泥球团的金属化率开始下降。 图 4 为配碳比 1.2 的样品 9 和样品 I 的 SEM 微观 形貌分析图。 图 4 配碳比 1.2 下 2 种还原剂球团的 SEM 图 (a) 样品 9; (b) 样品 I 当配碳比低于 1.2 时,含碳球团内部发生反应所 产生的还原性气体有限,导致气-固反应相对缓慢,2 种还原剂球团的金属化率均不高。 随着配碳量增加, Boudouard 反应的进行,含碳球团内部所产生的还原性 气体逐渐增加,金属化率上升。 当配碳比高于 1.2 时, 煤泥球团金属化率呈下降趋势,这是因为煤泥自身含 有过多灰分,大量灰分的存在阻塞了含碳球团中的反 应空隙,阻止了还原性气体的扩散,使灰分中铁氧化物 还原效率降低[15-18]。 由图 3 可知,在配碳比高于 1.2 时,无烟煤金属化率增长缓慢,证明灰分会影响还原反 应的进行。 由图 4 可知,2 种还原剂海绵铁聚集情况接近,海 绵铁连接成片,还原铁聚集效果好。 在配碳量高于 1.2 后增加了回收还原铁的技术难度。 2 种还原剂在配碳 比 1.2 下,回收还原铁的技术难度相差不大,但煤泥还 原成本低,对环境保护价值也更高。 2.4 还原时间对直接还原效果的影响 还原温度1250 ℃,配碳比1.2,还原时间10~40 min, 按照反应时间节点对煤泥球团实验样品标号为 13~19, 无烟煤球团标号为 M~S,结果如图 5 所示。 还原时间/min 93 89 85 81 77 73 10152025303540 金属化率/ ■ ● ■ ● ■ ● ■ ● ■ ● ■ ● ■ ● 无烟煤 煤泥 ■ ● 图 5 还原时间对球团金属化率的影响 由图 5 可知,当还原时间在 0 ~ 30 min 之间时,2 种球团的金属化率随着时间增加而提高;30 min 之后, 煤泥球团金属化率开始下降,无烟煤球团金属化率增 长缓慢。 由此可知,选用还原时间为 30 min,可减少还 原时间,提高还原效率,降低还原成本。 2.5 优化实验条件 根据高铁煤泥单因素实验,得出最佳实验条件为 配碳比 1.2,还原温度 1 250 ℃,还原时间 30 min。 在 此实验条件下,球团金属化率达 87.74%。 图 6 为最佳实验条件下煤泥球团 SEM 及能谱分 析图。 由图可见,金属铁开始聚集并连接成片,还原铁 与渣相边缘清晰。 根据能谱分析,未还原铁氧化物中 含有硅元素,结合上述实验,证明还原过程中有硅酸盐 存在可能。 根据渣相能谱分析可知,在渣相中已不存 在铁氧化物。 图 7 为煤泥球团最佳实验条件下所得样 品 XRD 分析结果。 由图 7 可知,在较佳工况下铁精矿 38第 1 期陈伟鹏等 高铁煤泥直接还原铁精矿粉研究 ChaoXing 粉还原相对进行彻底,达到反应平衡状态,还原物以铁 相为主。 结合图 6 分析可知,在最佳实验条件下还原 产物以海绵铁为主,铁氧化物峰值较低,含量较少,考 虑到煤泥本身特性,做还原剂将造成少量铁氧化物未 还原,相比无烟煤及其它优质煤,煤泥用作还原剂还原 铁精矿粉更具经济价值。 图 6 最佳实验条件下煤泥球团 SEM 及能谱分析图 30204060507080 2 / θ Fe Fe 3O4 ◆ ◆ ★ ★ ◆ ★ 图 7 煤泥球团最佳实验条件下的 XRD 图 3 结 论 1) 煤泥作为还原剂还原铁精矿粉相比无烟煤更 具经济价值,为煤泥的高效清洁利用提供了可行方案。 2) 煤泥还原铁精矿粉的最佳实验条件为配碳比 1.2、还原温度 1 250 ℃、还原时间 30 min,此时金属化 率高达 87.74%。 参考文献 [1] 李 宁,雷宏彬,田忠文,等. 煤泥资源化利用关键技术研究分析[J]. 煤炭工程, 2011(12)100-105. 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