氢气氛围下褐煤添加对赤铁矿还原行为的协同增效机制研究

本文创新性地探究了褐煤与H2协同还原赤铁矿的多相反应机制，通过TG-FTIR、XRD等技术揭示了350-700°C阶段煤热解挥发分抑制H2扩散，而>700°C阶段碳气化反应（Steam-carbon reaction）与H2协同显著提升还原速率（最高达27.14%）的动力学特征，为氢冶金（Hydrogen metallurgy）中解决气体分布不均问题提供了新思路。

　　

Highlight

在350-700°C区间，褐煤的水热解（Hydropyrolysis）过程会消耗H₂并释放大量挥发分，这些挥发分阻碍外部H₂向赤铁矿表面的扩散，导致整体还原速率降低。而当温度超过700°C后，水热解进入缩聚阶段，H₂成为主要挥发分，增加了反应界面的H₂浓度。与碳共同作用时，还原过程显著加速。在850°C以上，通过碳气化反应（Carbon gasification reaction）产生的CO和H₂进一步加快了还原速度。

Coal-only reduction

为确定最佳煤添加量，研究选取C/O摩尔比为0.25-1.25的样品进行测试。在N₂氛围40°C/min升温条件下，TG/DTG曲线显示：当C/O比≥0.75时，质量损失稳定在43%左右。结合XRD分析，表明此时褐煤的还原潜力已完全释放。

Conclusion

本研究通过多技术联用阐明了褐煤与H₂协同还原赤铁矿的三阶段机制：低温段（350-700°C）挥发分阻碍效应、中温段（>700°C）碳-H₂协同作用、高温段（>850°C）碳气化反应主导。褐煤添加使还原终止温度最高降低107°C，平均速率提升27.14%，SEM证实其可有效缓解铁晶须（Iron whiskers）的烧结现象。