高铁煤泥直接还原铁精矿粉研究①

2020-03-25陈伟鹏庞雅丹陈晓丹赵增武武文斐

矿冶工程 2020年1期

关键词：金属化铁精矿无烟煤

陈伟鹏，庞雅丹，陈晓丹，赵增武，武文斐

（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）

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2 煤泥、无烟煤工业分析结果(质量分数)/%

表3 煤泥、无烟煤灰分分析结果(质量分数)/%

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：

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。

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

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。

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

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1 250 ℃，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。

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。