内配废塑料铁鳞直接还原的实验研究

论文摘要

我国是塑料生产和消耗大国，每年产生大量废弃塑料，对环境造成严重污染。将废弃塑料的处理和固体碳直接还原生产海绵铁的工艺相结合，进行废弃塑料冶金资源化利用，既可保护环境，又可有效地利用这一潜在资源，其经济效益之显著，社会效益之深远必将对我国经济、社会的可持续发展产生重大影响。本课题得到了国家自然科学基金和宝钢钢铁联合基金的资助(项目号№50174001)，工作的目的是研究内配废塑料铁鳞直接还原的机理和还原特性，探寻内配塑料对铁鳞直接还原的影响。作为基础研究，其结果为我国实现废弃塑料冶金资源化有重要意义。 实验建立类H(o|¨)gan(a|¨)s气—固直接还原体系，选取三种废塑料(键盘、光盘、饮料瓶)。通过正交实验获得影响金属化率的首要因素是还原温度，其次是还原时间和废塑料添加量。 铁鳞直接还原体系属于多孔的气—固反应体系，孔隙率以及孔隙的空间结构对体系的传热、气体扩散、界面化学反应都有直接影响。因此，本文对孔隙进行研究，铁鳞还原过程孔隙率生长符合热固结孔隙生长动力学方程，并利用分形理论对孔隙结构进行了初步研究。结果表明：与无内配碳相比，内配废光盘会提高孔隙的分形维数，即提高试样的孔隙率，并且对孔隙的空间结构有一定影响。 通过塑料颗粒微观还原实验，验证出内配塑料可以提高还原料柱的孔隙率，同时，试样微区成分分析表明，内配的废塑料在还原过程中会析出一定量的碳。 本文将铁鳞直接还原体系以“粒子模型”进行动力学拟合，并通过等温热重实验(TGA)得出还原过程前期处于界面化学反应控速阶段。随着反应进行，逐渐过渡到界面化学反应和气体内扩散混合控速阶段。计算还原反应的表观活化能，结果表明内配废塑料在一定程度上降低了反应的表观活化能，内配塑料对铁鳞还原起到催化剂的作用，加速了直接还原的反应速率。同时，废塑料热分解后在试样中残留的孔隙改善了体系内还原性气体的扩散条件，提高了金属化率。反应后期，界面化学反应和气体内扩散混合控速阶段中，界面化学反应的控速程度随塑料添加量的增加而增大。在本实验条件下，内配键盘、光盘和饮料瓶的量分别为2％、3％和4％时，试样金属化率分别最佳。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 文献综述
• 1.1 研究背景
• 1.2 铁粉生产现状概况
• 1.2.1 铁粉生产工艺简述
• 1.2.2 铁矿石直接还原概述
• 1.3 废弃塑料的利用及研究现状
• 1.3.1 废塑料来源
• 1.3.2 废弃塑料的处理方式
• 1.3.3 废弃塑料的冶金原料化研究
• 1.4 本工作研究内容
• 第二章 原料分析
• 2.1 引言
• 2.2 铁鳞及焦炭的原料分析
• 2.2.1 铁鳞的物理化学性能
• 2.2.2 焦炭的物理化学性能
• 2.3 塑料理化性能分析
• 2.3.1 塑料的成分分析
• 2.3.2 废弃塑料热重分析
• 2.3.3 塑料裂解碳分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 铁鳞还原反应影响因素实验研究
• 3.1 铁氧化物直接还原的热力学
• 3.2 影响还原过程的因素
• 3.2.1 固体反应物粒度的影响
• 3.2.2 还原剂的用量
• 3.2.3 直接还原的影响因素
• 3.3 铁氧化物直接还原的实验指标
• 3.4 内配塑料铁鳞还原还原率影响因素的实验研究
• 3.4.1 实验方法及装置
• 3.4.2 实验前期工作
• 3.4.3 正交实验
• 3.5 内配塑料的单因素影响实验
• 3.6 内配塑料对还原产物抗压强度的影响
• 3.7 本章小结
• 第四章 铁鳞直接还原孔隙率的研究
• 4.1 孔隙率数学模型
• 4.2 铁鳞直接还原孔隙率实验
• 4.2.1 实验设备
• 4.2.2 实验系统示意图
• 4.2.3 研究方法
• 4.3 实验数据处理及讨论
• 4.3.1 塑料添加量对孔隙率的影响
• 4.3.2 孔隙率与反应时间的关系
• 4.3.3 温度对孔隙率的影响
• 4.3.4 孔隙率对金属化率的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 内配塑料铁鳞还原动力学实验研究
• 5.1 气固相反应的基本机理
• 5.1.1 等温气-固相反应动力学模型
• 5.1.2 单个多孔颗粒发生一级可逆气-固反应动力学模型
• 5.1.3 铁氧化物直接还原的活化能评估
• 5.2 单品种固定量内配塑料铁鳞还原动力学研究
• 5.2.1 试验方法
• 5.2.2 实验结果
• 5.2.3 动力学分析
• 5.3 内配不同种类、不同量塑料的铁鳞还原等温热重实验
• 5.3.1 研究方法
• 5.3.2 实验结果及讨论
• 5.4 本章小结
• 第六章 塑料颗粒微区还原实验研究
• 6.1 分形结构中的布朗运动
• 6.2 分形维数的测定
• 6.2.1 研究方法
• 6.2.2 数据处理
• 6.2.3 讨论
• 6.3 塑料颗粒微区还原实验
• 6.3.1 研究方法
• 6.3.2 实验数据处理
• 6.3.3 讨论
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 在学研究成果