环境因子与单脉石组元对氢还原反应动力学调控机制与模型解析研究

In the whole process of hydrogen reduction of iron oxides, the kinetics and the reaction efficiency of iron oxides reduced by hydrogen are greatly influenced by the environmental factors on the proportion regulation of the control mechanism in each stage, and the different action mechanisms of the main gangue components. However, currently it is still unclear of the regulation mechanisms of environmental factors on the rate control mechanisms, and the influence rules of different gangue components on the reduction kinetics. Therefore, this project is focused on: 1) regulatory mechanism of the three main environmental factors such as reaction temperature, hydrogen partial pressure, and iron oxide porosity on the rate control mechanisms; and establishing a quantitative mathematical model to represent the relationship between the environmental factors and the appearance time and location of the turning points, so as to effectively regulate and optimize the proportion of the rate control stage and the appearance features of the turning points, and optimize the efficiency of the overall reaction. 2) The effects of three main gangues on the kinetics of hydrogen reduction are compared and analyzed. Based on the analysis of the phase transitions and microscopic scale changing of the single gangue component and iron oxide in different reduction stages, the micro-transformation mechanism and macro-kinetics factors are achieving coupling connection. This project is helpful to further broaden the basic theoretical system of the hydrogen metallurgy field, and provide theoretical and data support in actual production.

在氢气还原铁氧化物的全过程中，环境因子对各阶段控速限制环节所占比例的调控，以及主要脉石组元产生的不同作用机制，将极大程度影响氢还原铁氧化物动力学机制及反应整体进行效率，但环境因子对控速环节的调控机制以及不同脉石组元对氢还原动力学的影响规律尚不明确。基于此，本课题研究内容聚焦于：1）反应温度、氢气分压、铁氧化物孔隙度三个主要环境因子对控速限制环节的调控机制，建立环境因子与控速限制环节之间转折点出现时间与位置的定量化数学表征模型，从而有效调控控速限制环节所占比例与转折点出现时机，整体优化反应进行效率；2）对比研究三种主要脉石组元对氢还原反应动力学的影响机理，分析单脉石组元与铁氧化物在不同还原阶段的物相转变与微观尺度下的相互作用机制，以实现微观转变机制与宏观动力学要素的耦合联结。本课题的研究有利于进一步拓宽氢冶金领域基础理论体系，并为实际生产提供理论与数据支撑。

“双碳”需求背景下，需要对以氢代碳后氢气还原的相关基础理论进行研究与构建。然而在氢还原过程中，环境因子对氢还原反应动力学中不同控速限制机制的影响，以及氢还原过程中脉石组元与铁氧化物的相互作用规律尚不清楚。本项目取得的重要结果如下：.（1）虽然孔隙率和温度的增加对还原动力学都有积极的促进作用，但当一种条件变得更有利时，另一种条件的加速效应就会减弱。此外，孔隙率和温度分别在初始阶段和中后期对反应速率起主导作用。.（2）以往的活化能主要是指从反应开始到研究时刻范围内的平均活化能。然而，本研究提出的瞬时活化能是指特定反应时刻的活化能，因此可以定量地将反应过程分为几个动力学阶段。在不同的速率限制机制下，孔隙率变化对还原度占比有明显的影响。.（3）样品的比表面积、总孔体积、平均孔径与氢还原氧化铁的活化能呈负相关。三者对反应后期即扩散控速阶段影响最为明显。随着三者的增加，扩散控速阶段的活化能变化最大，化学反应控速环节次之，形核控诉环节最小。样品的比表面积、总孔体积、平均孔径都可以通过影响该反应的活化能来影响反应的进行，但对扩散控速环节影响最大，化学反应控速环节次之，形核控速环节最小。.（4）针对掺杂不同脉石组元的样品，即使反应条件一致，动力学三要素也呈现较大差别，具体体现为：10% Al2O3与20% Al2O3的控速机制均为形核控速，其活化能分别为0.36 kJ·mol-1、2.34 kJ·mol-1；10% SiO2与20% SiO2的控速机制均为形核控速，其活化能分别为2.24 kJ·mol-1、2.46 kJ·mol-1。随着脉石比例的提升，铁氧化物还原反应的活化能增大，说明反应壁垒增大，使得还原反应的壁垒提高。