将生物质废弃物添加到高硅含量的铁矿石中，以制备金属化球团：工艺优化与还原机制

《Powder Technology》：Adding biomass waste into high silica iron ore to make metalized agglomerates: Process optimization and reduction mechanism

　　

陈兵|杨雅婷|王强|袁亚强|詹文龙|何志军|刘志辉

辽宁科技大学材料与冶金学院，中国辽宁省鞍山市114051

摘要

鉴于资源稀缺和严格的环境法规，有效利用高挥发性生物质来减少高硅低品位铁矿石有助于生产高质量的冶金球团，并推动钢铁行业的绿色转型。本研究将生物质和煤炭混合到磁铁矿精矿中，压制成球团，并在高温下烧结以制备高冶金率的球团。探讨了碳氧比（C/O）、生物质比例以及还原条件对球团质量的影响。结果表明，随着碳氧比和生物质添加量的增加，冶金率和抗压强度先升高后下降。具体而言，在碳氧比为1且生物质添加量为40%时，分别使用木屑、玉米芯和棉 Straw 制备的球团的冶金率为84.07%、88.75%和84.58%，其中玉米芯的球团具有最高的抗压强度和最低的孔隙率，整体表现最佳。随着还原温度的升高和保温时间的延长，冶金率显著提高。氧化铁逐渐转化为金属铁，改善了金属相的连续性和均匀性，并增强了颗粒间的结合力。由于玉米芯含有较高的固定碳和发达的孔隙结构，其改善效果最为显著。最佳条件为温度1200°C、保温时间50分钟、碳氧比为1以及生物质添加量为40%，此时三种生物质都表现出良好的还原效果，其中玉米芯的冶金率最高，达到了88.75%。本研究为生物质资源与冶金还原工艺的结合提供了技术支持。

引言

在“双碳”目标的背景下，随着冶金行业融入国家碳市场，追求绿色和可持续发展已成为钢铁企业的重要任务[1],[2],[3]。目前的高产量加剧了铁矿石资源的短缺以及化石燃料所带来的环境压力，亟需开发新的、绿色且适用的炼铁材料[4],[5],[6],[7]。冶金球团的制备是一种通过还原铁矿石粉末来生产金属铁的新工艺，具有流程简化、铁含量高的优点，有助于提高高炉产能、减少焦炭消耗和渣量、实现高效低消耗冶炼[8],[9]。中国拥有丰富的硅酸盐铁矿石资源，储量超过550亿吨。然而，较高的SiO₂含量容易导致渣质恶化并增加冶炼过程中的能源消耗。有效利用这些资源有助于减少对进口的依赖[10]。作为一种碳中性能源，生物质在替代煤炭的应用中具有显著的减排潜力[11],[12],[13]。用生物质部分替代煤炭焦炭用于高硅铁矿石的冶金球团生产，是一种可行的策略，可以缓解钢铁行业的铁矿石短缺和环境压力，从而促进更可持续和稳定的发展[14]。

目前，关于冶金球团的研究主要集中在传统的高品位铁矿石资源上。陈等人[15]证明，将30%的直接还原冶金球团加入高炉料中，可使焦炭比例降低11–17%，每吨热金属的二氧化碳排放量减少117–169千克，并提高生产效率16%–25%。王等人[16]探索了使用核桃壳和荞麦壳作为传统无烟煤和焦炭粉的替代还原剂来制备赤铁矿粉冶金球团的方法。他们的研究发现，生物质作为还原剂可以产生协同效应，既能提高直接还原铁的产量，又能降低NO_x的排放。邱等人[17]研究了利用生物质热解气体作为还原剂进行悬浮磁化还原从铁尾矿中回收铁的过程，重点关注了工艺优化、相变、微观结构演变和热解气体行为。结果表明，研磨-磁选工艺的铁回收率为93.32%。Jaiswal等人[18]采用还原焙烧和磁选结合的方法从铁矿石中回收铁，使用生物质和生物炭替代煤炭。实验表明，在最佳条件下，可以获得品位为72.93%、回收率为77.34%的铁精矿。广泛使用生物质能源和低品位铁矿石作为传统能源的替代品对于实现清洁生产和减少碳排放至关重要。葛等人[19]开发了一种利用生物质热解气体从锌浸出残渣中回收锌和铁的清洁工艺，发现木质生物质相比秸秆类生物质具有更好的还原性能。袁等人[20]研究了使用竹炭、秸秆纤维和木炭部分替代无烟煤和石墨作为还原剂对球团性能的影响，发现秸秆纤维是最有效的化石燃料替代品。虽然已有大量关于使用生物质制备传统铁矿石细粉冶金球团的研究，但关于将生物质与高硅铁矿石结合制备高炉冶金球团的研究较少。

本研究以高硅铁矿石为原料，旨在通过将生物质同时作为还原剂和能源来提高资源利用效率。选择了三种生物质（木屑（WB）、玉米芯（CB）和棉 Straw（CSB），在相同条件下对其进行高温还原试验，分析还原温度、时间、碳氧比（C/O）和生物质比例对球团冶金率的影响，并确定影响球团质量的关键因素。系统研究了不同还原参数下冶金球团中功能团和相结构的变化。本研究阐明了生物质与高硅铁矿石细粉混合产物的耦合还原机制，并建立了低碳炼铁用冶金球团的最佳工艺方案。

节选内容

原材料基本特性分析

本研究使用的高硅矿物粉末来自一家磁铁矿生产公司，其主要成分是Fe₃O₄，SiO₂是主要脉石成分，还含有Al₂O₃、CaO、MgO、TiO₂等杂质（详见表1）。所使用的三种生物质（WB、CB、CSB）以及烟煤均来自中国北方城市。实验中对生物质和煤炭进行了工业和元素分析

碳氧比对冶金球团质量的影响

为了评估还原过程中冶金球团质量的变化，本研究探讨了碳氧比（C/O）对金属铁（MFe）、总铁（TFe）和冶金率的影响。实验在1200°C的温度下进行，生物质添加量为40%，反应持续时间为50分钟。结果数据如图3所示

结论

• (1)
  碳氧比（C/O）和加入的生物质量是影响生物质还原过程中所得冶金球团性能的关键因素。随着这两个因素的增加，冶金率和抗压强度最初会上升，随后下降，而孔隙率则表现出相反的趋势。在碳氧比为1且生物质添加量为40%时，使用木屑（WB）、玉米芯（CB）和棉 Straw（CSB）制备的球团的冶金率分别为84.07%、88.75%和84.58%。

CRediT作者贡献声明

陈兵：软件开发、概念构思、初稿撰写。杨雅婷：方法设计、数据分析。王强：验证、监督。袁亚强：监督、概念构思、撰写及审稿。詹文龙：项目管理、实验研究。何志军：资源协调、实验研究。刘志辉：验证、资金申请、撰写及审稿。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

中国宝武低碳冶金创新基金会（BWLCF202308）和国家自然科学基金（项目编号52374339、52474359）的财政支持。