低CO2排放铁矿石直接还原用焦炉煤气改质研究

The construction of green metallurgy process model based on hydrogen reduction is an effective way to solve the high CO2 emission from iron and steel industry in the future. The resource of coke oven gas（COG）is rich in China, such as the reforming of COG to hydrogen-rich reducing gas, can solve the problem of source shortage gas-based direct reduction of iron ore. This project focuses on how to produce hydrogen-rich reducing gas and how to make the hydrogen-rich reducing gas in an appropriate H2/CO ratio, to more effectively reduce iron oxide etc. Then the thermodynamic analysis of the reforming of oxidizing gas after the reduction of iron ore and COG, Catalytic activity of different catalysts in the reactor, Reaction mechanism of the reforming of COG and oxidizing gas as well as Analysis of the processes involved in catalytic partial oxidation of hydrocarbon in COG to "control the activation" and "Choose transformation" rule were investigated. The interaction between catalyst and the catalytic reforming of COG will be clarified. A new catalyst for the reforming rector of COG will be developed. The selective modulation of partial oxidation of COG and mass energy transformation mechanism in the process of change will be proposed. The maximization the ability of reducing gas and the lowest energy consumption in the reforming process will be achieved. This project will provide the scientific basis for efficient and scale of rich hydrogen gas preparation process.

构建基于氢还原的绿色冶金工艺模型是未来解决钢铁工业高CO2排放的有效途径。我国焦炉煤气资源丰富，如将焦炉煤气进行改质，产生富氢还原气，可解决中国气基直接还原铁气源短缺问题。本项目围绕如何制取富氢还原气及如何使富氢还原气在合适的H2/CO比下更有效快速地还原铁矿石等方面，展开对铁矿石还原后气体与焦炉煤气的气气重整反应热力学、不同催化剂在反应器内的催化活性、还原后气体与焦炉煤气的催化重整反应机理以及焦炉煤气中碳氢化合物部分氧化所涉及催化过程的"控制活化"和"选择转化"规律等方面研究；阐明催化剂与焦炉煤气催化重整转化的相互关系，开发适用于重整反应器的新型催化剂；揭示焦炉煤气各组分部分氧化重整过程中的选择性调变规律和变换过程中的质能转化机理，实现还原气还原能力的最大化和重整过程能耗的最低化。本项目将为富氢还原气制备过程的高效和规模化提供科学依据。

我国钢铁行业CO2排放巨大，构建基于氢还原的绿色冶金工艺模型是未来解决钢铁工业高CO2排放的有效途径。我国焦炉煤气资源丰富，但实际利用数量和水平很低。利用焦炉煤气制取富氢还原气，产生的富氢还原气直接还原铁矿石，将是一条解决中国气基直接还原铁气源短缺的新路线。.铁矿石直接还原后气体主要为CO2和H2O(g)，因此还原后气体与焦炉煤气的重整反应即为焦炉煤气二氧化碳水蒸气重整反应（焦炉煤气双重整）。本项目对焦炉煤气双重整反应进行热力学分析。考察反应温度、(CO2+H2O)/CH4摩尔比和CO2/H2O摩尔比对重整反应影响。结果表明，最佳(CO2+H2O)/CH4摩尔比为1。低于此值时，甲烷过剩，易裂解产生积碳；高于此值时CO2和H2O过剩，易发生H2+CO2=H2O+CO反应，从而导致水蒸气转化率、氢产量下降。升高温度有利于重整反应进行。增大H2O/CO2摩尔比有利于提高氢气产量但不利于提高一氧化碳产量。.选取氧化镁、水滑石、铈锆固溶体和氧化铝四类强抗积碳性基体材料做载体，合成五类催化剂。考察焦炉煤气双重整反应活性，结果显示LiCeNi/Al2O3催化剂活性最好，Ru-HT次之，其次为NixMg1-xO，然后是LiLaNi/Al2O3最后是Ni/CexZr1-xO2。.研究CeO2修饰LiCeNi/γ-Al2O3催化剂物化性能，发现CeO2能抑制NiAl2O4相形成，提高Ni的分散度，增强活性金属与载体间相互作用，提高催化剂活性。测试其重整反应活性时，发现适量Ce有利提高催化剂活性，过量反而不利。在考察Ce范围内，Li5CeNi/Al2O3催化剂最优。.考察Li修饰LiLaNi/γ-Al2O3催化剂物化性能，发现Li不利于提高比表面积，其随Li含量的增大而减少。合成后只有NiAl2O4相，且其强度不随Li含量的改变而变化。焦炉煤气双重整反应发现适量Li有利于提高催化活性，Li过量反而降低其活性。.研究不同Sr含量SrNi/MgO 催化剂的物化性能，发现Sr能降低催化剂比表面积。合成后SrNi/MgO催化剂只含SrCO3、MgNiO或Mg0.4Ni0.6O相，且SrCO3相随Sr量增大而增强。考察其焦炉煤气双重整反应活性，发现Sr的添加不利于重整反应。但实验后的热重分析发现，Sr修饰NiO/MgO催化剂有极强的抗积碳性能，在考察Sr含量范围内均未发现有碳生成。