水蒸气对流化床中铁矿石氢还原反应的影响机制及热补偿策略研究

本文通过Aspen Plus平衡模型计算和微流化床实验，揭示了水蒸气(H2O(g))对全氢直接还原铁(DRI)的抑制作用机制。研究发现燃烧产生的H2O(g)会占据Fe-O化合物活性位点，显著抑制FeO→Fe阶段（活化能从37.85 kJ/mol升至52.07 kJ/mol），为氢氧燃烧热补偿工艺的优化提供了关键数据支撑。

　　

Highlight

本研究通过实验与模拟相结合，深入探讨了水蒸气在氢基直接还原铁过程中的关键作用。

样品制备

实验采用鞍钢集团提供的赤铁矿（Fe含量80.15 wt%，粒径33-88 μm），载气为99.999%高纯H₂和N₂。

装置与方法

如图1所示微流化床实验平台，可精确控制还原温度、流化速度和水蒸气含量（GOD值）。

氢燃烧供热对铁矿粉还原的影响

Aspen Plus建立的平衡模型（图2）显示：当燃烧产生的水蒸气含量（GOD）<14%时，升温对还原反应促进显著；但GOD>14%时，H₂O_(g)分压升高会通过"活性位点抢占"机制强烈抑制反应。

结论

1. 1.

   XRD证实H₂O_(g)对FeO→Fe阶段抑制最显著

2. 2.

   表观动力学分析显示添加5% H₂O_(g)会使活化能激增37.6%

3. 3.

   SEM显示高GOD（5-34%）会导致还原产物表面微孔减少而孔径增大