木质纤维素生物质及其组分对天然赤铁矿粉的直接还原特性研究

本研究针对钢铁工业高碳排放问题，创新性地采用木质纤维素生物质（BW）及其组分（LIG/HEM/CEL）和烘焙改性产物（TBW）作为还原剂，在1200℃惰性气氛下实现Khumani铁矿（IOK）的逐级还原（Fe2 O3 →Fe3 O4 →FeO→Fe）。通过热重-逸出气联用技术（TGA-EGA）和X射线衍射（XRD）证实，生物炭固定碳是高温还原关键限制因素，且还原效能排序为LIG>TBW>CEL>BW>HEM，为碳中和目标下生物质炼钢提供了理论支撑。

　　

在全球碳中和背景下，钢铁行业作为碳排放大户面临严峻挑战。传统炼铁工艺依赖化石焦炭或天然气还原铁矿石，导致大量CO₂
排放。虽然氢能还原（H₂
）和混合气体（H₂
/CO）还原技术崭露头角，但成本与可持续性仍是瓶颈。此时，木质纤维素生物质（BW）因其零净排放特性进入视野——这种富含纤维素（CEL）、半纤维素（HEM）和木质素（LIG）的林业废弃物，经烘焙处理（TBW）后能显著提升能源密度。然而，生物质组分对天然铁矿还原的差异化机制尚不明确，特别是生物炭与铁氧化物（Fe₂
O₃
/Fe₃
O₄
）的高温反应动力学亟待解析。

针对这一科学问题，德国鲁尔大学波鸿分校工业化学实验室团队在《Fuel》发表研究，系统考察了BW、TBW及其三大组分对Khumani铁矿（IOK，90-200μm）的还原行为。研究人员采用热重分析（TGA）耦合逸出气检测（EGA）实时监测反应过程，结合X射线荧光（XRF）和X射线衍射（XRD）解析物相演变，首次揭示了生物质组分-铁矿还原的构效关系。

关键技术方法
实验选用IOK与生物质按不同配比混合，在氮气氛围中以10℃/min升温至1200℃。通过TGA记录质量变化，EGA分析CO/CO₂
释放；XRD判定Fe₂
O₃
→Fe₃
O₄
→FeO→Fe的转化路径；LECO仪器进行工业分析与元素检测。

研究结果

1. 微结构分析：XRD显示1:1配比下所有样品均完全转化为αFe，但SiO₂
   杂质残留。低温段（<600℃）生物质热解不受IOK影响，高温段生物炭成为主导还原剂。
2. 还原效能排序：木质素（LIG）因高芳构化碳结构展现最强还原性，效能序列为LIG>TBW（烘焙提升20%固定碳）>CEL>BW>HEM。
3. 反应机制：当O/C比<1时，固定碳作为限制性反应物驱动三步还原，伴随CO/CO₂
   释放，符合Fe₂
   O₃
   +3C/(2-α)→2Fe+3αCO/(2-α)的亚化学计量方程。

结论与意义
该研究证实生物质组分通过差异化热解-炭化路径影响铁矿还原：LIG的稠环结构提供持久还原力，而烘焙预处理（TBW）通过脱羟基提升碳利用率。突破性发现是600℃以上生物炭与IOK的固-固反应主导进程，这为设计生物质-铁矿共处理工艺提供了关键温度窗口。研究成果不仅为生物质炼钢技术路线选择（如优先选用高木质素废弃物）提供依据，更开创了通过组分调控优化还原工艺的新思路，对实现钢铁工业碳中和具有里程碑意义。