沈峰满，姜鑫，魏国，郑海燕，穆林

（东北大学  材料与冶金学院，辽宁沈阳  110004）

摘  要  钢铁行业CO2排放约占全球总排放量的8%，为了降低CO2排放量，发展以H2为还原剂的炼铁生产方式势在必行。针对富氢还原对烧结矿还原性及还原粉化的影响进行了试验研究和理论分析。研究结果表明：H2等量域代替CO时，H2体积分数0%增加到12%，烧结矿的RDI-3.15降低约1%~2%：H2等量增加，CO，CO2，N2含量等比例降低时，H2体积分数由0%增加到12%，烧结矿的RDI-3.15升高约1.5%~2.5%；H2体积分数从0%增加到12%.烧结矿还原度Ri由72.56%增加到94.97%。研究结果对于开发富氢还原工艺具有重要的理论参考价值。

关键词  CO2减排；富氢还原；低温还原粉化；还原性

钢铁工业CO2排放量约占全球总排放量的8%，钢铁企业要实现可持续发展，必须减少CO2排放量[1-3]。为降低CO2排放量，采用H2代替部分C或CO，发展以H2为还原剂的炼铁生产方式势在必行。随着冶炼技术的发展和环境保护意识的增强，富氢冶炼也将是未来高炉的发展方向[4-7]。同时，随着富氢还原气体（天然气、焦炉煤气、人造煤气）、废塑料及其他含氢燃料的喷出量的增加，H2含量显著提高，对铁矿石及焦炭的冶金性能产生影响[8-10]。本文通过热力学分析与实验研究考察了富氢还原气对烧结低温还原粉化性能、还原性等的影响和作用机制。

1 H2还原铁矿石的特点

1.1 还原势

由CO或H2还原铁氧化物的优势区域图（图1）可见，温度小于810℃时，H2的还原能力低于CO，在同一温度下还原出铁需要的H2浓度比CO要高；温度大于810℃时，H2的还原能力大于CO，在同一温度下还原出铁需要的H2浓度比CO要低，富氢还原具有优势。

1.2  还原产物的稳定性

由于水煤气反应CO2(g)+H2(g)=CO(g)+H2O(g)，ΔGθ=35635-30.77T，为吸热反应，因此，温度越高，越有利于反应向右进行。H2存在时，H2还原铁矿石反应的产物H2O比CO的还原产物CO2更稳定。

1.3 传热

当温度为298K～1823K时，H2的比热容Cp=27.37+3.33×103T，CO的比热容Cp=28.409+4.10×10-3T-0.46×105/T2。两者相差不大，但H2的热导系数（1000K时为0.064W/(m·K)），因此，采取富氢还原传热速度更快，加速了气固间对流换热，使还原反应进行更快。

1.4  动力学优势

H2分子尺寸（碰撞直径2.90×10-10m）小于CO分子尺寸（碰撞直径3.59×10-10m），H2O分子尺寸（碰撞直径2.90×10-10m）小于CO分子尺寸（碰撞直径3.87×10-10m）。1000K时，H2-H2O的互扩散系数为7.330cm2/s，CO-CO2的互扩散系数为1.342cm2/s。由于H2和H2O分子尺寸远小于CO和CO2分子尺寸，使得反应物和反应物更容易在铁矿石空隙内扩散至反应界面或者离开反应界面。由气固反应动力学模型可知，较高温度条件下扩散为反应的限制性环节，因此，用H2还原铁氧化物比CO还原更有动力学优势。

2   H2含量对烧结矿低温还原粉化性能的影响

本试验所采用烧结矿的化学成分和粒度分布见表1和表2。烧结试验所采用焦粉的固定焦炭质量分数为77.71%，灰分质量分数为19.08%，挥发分质量分数为2.41%。通过改变配碳量得到FeO含量不同的2种烧结矿（表3），作为还原试验用烧结矿，烧结矿粒度为10～12mm。为考察H2含量对烧结矿低温还原粉化性能的影响，本文以GB/T 1341-91的试验条件为基准，即CO体积分数为20%，CO2体积分数为20%，N2体积分数为6%。在此基础上，H2含量增加时，其他气体成分按照以下2种方式进行变化：1）方式Ⅰ，以中国国家标准为基础，用H2等量代替CO；1）方式Ⅱ，以中国国家标准为基础，当H2含量增加时，其他气体等比例降低。2种条件下，H2含量对烧结矿低温还原粉化性能（RDI-3.15）以及该试验条件下还原度（Ri）的影响粉呗如图2～5所示。

由图2可见，变化方式Ⅰ，即H2等量代替CO时，随着H2含量增加，烧结矿RDI-3.15逐渐降低。H2体积分数由0%增加到12%时，烧结矿A与烧结矿B的RDI-3.15降低约1%～2%。

由图3可见，变化方式Ⅱ，即H2含量增加，CO、CO2、N2含量等比例降低，随着H2含量增加，烧结矿的RDI-3.15逐渐增加。H2体积分数由0%增加到12%时，烧结矿A与烧结矿B的RDI-3.15升高约1.5%～2.5%。

为闸明富氢还原气体对铁矿石低温还原粉化性能的作用机制，本文对富氢还原气体的氧势进行了计算和分析。图6所示为低温条件下（500℃）不同H2含量的还原气体的平衡氧势。众所周知，低温条件下还原气体中H含量的变化对铁矿石还原的影响体现在气氛氧势发生了变化。图6中，A点表示中国国家标准铁矿石低温还原粉化试验（GB/T13241—91）的气氛点，即CO体积分数为20%，CO2体积分数为20%，N2体积分数为60%。由图6可见：

1）变化方式I时，H等量代替CO，随H2含量增加，CO含量降低。由图1可知，500℃时H的还原能力低于CO的还原能力，平衡氧势较高。因此，随H2含量增加，气氛的平衡氧势增加（图6），从而导致烧结矿还原度降低（图4），低温还原粉化率降低（图2）。

2）变化方式Ⅱ时，H含量增加，其他气体等比例减少。虽然500℃时H2的还原能力低于CO的还原能力，但随着H2含量的增加，还原性气体（CO+H）总量增加，使得气氛的平衡氧势降低（图6），从而导致烧结矿还原度增加（图5），低温还原粉化率增加（图3）。

3   H2含量对烧结矿900℃还原性的影响

烧结矿还原性能好坏是通过还原度来表示的，即以Fe3+状态为基准（假定铁矿石中的铁全部以Fe2O3形式存在，并把这些Fe2O3中的氧算作100%）还原一定时间后所达到的脱氧程度，以质量分数表示。其数值大小表明了从铁矿石中脱除与铁相结合的氧的难易程度。还原时间t=3h的还原度Ri，可用质量分数表示为：

式中：m0——试样经过干燥后的初始质量，g；

m1——试样在还原前升温至900℃时的质量，g；

mt——还原开始后t min时的试样质量，g；

ω1——试验前试样中FeO质量分数，%；

ω2——试验前试样中TFe质量分数，%。

为研究H2含量对烧结矿还原性能的影响，本研究以中国国家标准GB/T13241-91为基础（900℃，还原3h），进行了不同H2含量的还原气体对烧结矿还原性的影响试验。试验方案见表4，即在H2含量增加时，同比例降低其他气体含量，以此考察H2含量变化对烧结矿B还原性能的影响。

H2对烧结矿B还原度Ri，的影响如图7和图8所示。

由图可见：

1）烧结矿的还原度Ri，随H2含量的增加而增大。H2体积分数从0%增加到12%，烧结矿还原度Ri，由72.56%增加到94.97%。

2）随着还原时间的延长，烧结矿的还原度Ri，逐渐增大，还原度达到一定值后，增加超势逐渐平缓。

H2含量对烧结矿还原性能的影响主要有以下原因：

1）由图1可见，900℃时，H2的还原能力大于CO的还原能力。因此，H2的加入提高了气氛的还原势，使得烧结矿还原度增加。

2）根据表4的试验方案，H2含量增加时，同比例降低N2和CO的含量。即H2含量增加，还原气体（H2+CO）总量也增加，从而导致烧结矿还原度增加。

3）还原气中CO和H2浓度提高，便得界面还原气体浓度和平衡浓度差值增大，从而加快化学反应速度和扩散速度。

4   结论

通过试验研究，得到主要结论如下：

1）方式I，H2等量代替CO时，随着H2含量的增加，烧结矿RDI-3.I5逐渐降低。H2体积分数由0%增加到12%时，烧结矿的RDI-3.15降低约1%～2%。主要是由于随H2含量的增加，气氛的平衡氧势增加，从而导致烧结矿还原度降低，低温还原粉化率降低。

2）方式Ⅱ，随着H2含量的增加，CO，CO2，N2含量等比例降低时，烧结矿RDI-3.15逐渐增加。H2体积分数由0%增加到12%时，烧结矿的RDI-3.15升高约1.5%～2.5%。主要是由于随H2含量的增加，还原性气体（CO+H2）总量增加，使得气氛的平衡氧势降低，从而导致烧结矿还原度增加，低温还原粉化率增加。

3）烧结矿的还原度Ri随H2含量的增加而增大。H2体积分数由0%增加到12%时，烧结矿还原度Ri由72.56%增加到94.97%。这主要是由于H2的还原能力大于CO，而且还原性气体（CO+H2）总量增加所致。

5  参考文献

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