废弃小龙虾壳增强赤铁矿团块机械强度与还原性的机理研究

为降低炼铁行业对焦炭的依赖并实现碳减排，研究人员创新性地利用富含生物质的废弃小龙虾壳(WCS)作为赤铁矿团块添加剂。通过焙烧与还原实验发现，WCS的添加显著提升了焙烧后团块的抗压强度（归因于分段气体释放形成的晶格桥接），同时其多孔结构促进还原气体扩散，改善还原性。该研究为工业废弃物资源化与低碳冶金提供了新思路。

　　

每年夏季，中国餐饮业消耗约85万吨小龙虾，产生大量废弃虾壳(WCS)。这些壳类废弃物若处理不当易滋生细菌，而传统焚烧方式又会产生CO₂和有毒气体。与此同时，占全球碳排放30%以上的钢铁工业正面临严峻减排压力，其中高炉炼铁环节贡献了钢铁生产70%的碳排放。如何将两类环境问题协同解决？北京科技大学的研究团队在《Biomass and Bioenergy》发表的研究给出了创新答案：将WCS作为生物质添加剂应用于赤铁矿团块生产，既实现废弃物高值化利用，又能提升冶金性能。

研究采用热重分析(TGA)、原位红外光谱和扫描电镜(SEM)等技术，对比了单一膨润土、单一WCS及复合添加剂对团块性能的影响。通过分阶段焙烧实验（干燥、预热、焙烧）测定抗压强度，并模拟高炉环境进行可视化还原实验，记录还原膨胀率与最终还原度。

关键结果

1. WCS对团块抗压强度的影响
   焙烧阶段，含1.5% WCS的团块抗压强度达最大值，比传统膨润土添加剂提高23%。SEM显示WCS热解释放的气体形成均匀孔隙，延长磁铁矿(Fe₃O₄)向赤铁矿(α-Fe₂O₃)氧化的时间，促进晶桥充分发育。

2. 复合添加剂的协同效应
   当WCS与膨润土以1:1比例复合添加时，干燥阶段强度提升40%，还原膨胀率控制在12%以内（低于高炉要求的15%阈值）。原位红外证实WCS在200-600°C分段释放含CH₄、CO的气体，持续产生还原氛围。

3. 还原性能优化机制
   WCS产生的孔隙使还原气体(H₂/CO)扩散速率提升17%，最终还原度达82%（比对照组高5%）。但过量WCS（>2%）会导致过度膨胀，说明需精准控制添加比例。

结论与意义
该研究首次揭示动物源生物质WCS的分段气化特性可同步优化冶金团块的机械强度与还原性：

• 环境层面：为餐厨垃圾资源化提供新途径，每吨WCS替代膨润土可减少0.3吨CO₂排放
• 工业价值：复合添加剂方案使团块强度满足高炉要求（>250N/球），且还原性优于传统工艺
• 方法论创新：提出的"分段气体释放-晶桥调控"机制可推广至其他含阶跃热解特性的生物质应用

研究团队Runpei Wei等指出，未来可探索WCS在氧化球团规模化生产的应用，其释放的含氮气体还可能抑制烧结过程NO_x生成，实现多重环境效益。这一成果为冶金行业"以废治污"提供了教科书级范例。