钒钛磁铁矿还原过程中煤热解-气化耦合动力学机制与工艺优化研究

为解决中国天然气短缺制约气基直接还原铁(DRI)技术发展的难题，研究人员创新性地研究了高挥发分烟煤(SH煤)热解-气化反应与钒钛磁铁矿(VTM)还原的耦合机制。通过TG-DSC热分析结合等转化率法，首次揭示了CO2 气氛下煤热解气化可显著降低VTM还原活化能(最低338 kJ/mol)，证实煤制合成气比原煤更高效还原VTM，为煤基DRI工艺的低碳化转型提供了理论支撑。

　　

在全球钢铁行业低碳转型的背景下，传统高炉炼铁工艺面临严峻的碳排放挑战。直接还原铁(DRI)技术作为无焦炭炼铁方案备受关注，但中国天然气资源匮乏的现实使煤基DRI成为主要选择。现有煤制气-DRI工艺存在高达52%的热能损失，成为制约该技术发展的瓶颈。与此同时，中国富产的钒钛磁铁矿(VTM)因其多金属共生特性，其高效还原机制尚不明确。针对这些关键问题，北京科技大学的研究团队在《Fuel》发表了一项突破性研究。

研究团队采用热重-差示扫描量热联用技术(TG-DSC)，结合热力学建模与动力学分析，系统考察了SH烟煤在1100°C下的热解特性及其与VTM还原的耦合过程。关键技术包括：(1)通过Ar/CO₂
双气氛对比实验分离热解与还原效应；(2)运用等转化率法计算四个耦合反应阶段的活化能；(3)采用Coats-Redfern法和Z(α)主图法确定动力学机制。实验样本采用四川攀枝花钢铁企业的VTM和某钢厂常用SH烟煤。

材料特性分析
VTM的X射线衍射显示其主要物相为Fe₃
O₄
、FeTiO₃
等复合氧化物。SH煤的工业分析显示其挥发分高达28%，为后续热解提供丰富气源。

热解产物分布
1100°C热解实验表明，SH煤产生19.3%焦炭、6.8%焦油和大量H₂
/CO混合气。热力学模型预测了不同温度下气固相平衡组成，为后续还原提供理论基础。

耦合反应动力学
TG-DSC曲线揭示：在Ar气氛下，VTM还原起始于450°C，"净还原"阶段(扣除热解失重)最大活化能达768 kJ/mol，受成核生长(Avrami-Erofeev)和扩散机制控制；735°C时煤焦开始气化，活化能随转化率升高从338 kJ/mol递减，符合成核与化学反应混合模型。CO₂
气氛下，气化产物使VTM还原速率显著提升，证实煤制合成气的还原效率优于原煤直接还原。

结论与意义
该研究首次定量解析了煤热解-气化与VTM还原的协同机制：(1)提出"净还原"概念，准确区分了热解失重与冶金还原的贡献；(2)证实CO₂
气化可降低42%还原活化能；(3)开发的耦合工艺模型可指导DRI反应器设计，利用粗煤气显热实现节能52%。这项工作不仅为VTM资源高效利用提供了新思路，更为中国特色的煤基低碳炼铁技术路线奠定了科学基础。研究获得国家自然科学基金(52374350)等多项支持，相关成果已应用于山东等地的工业试验项目。