玉米秸秆水热炭直接还原钒钛磁铁矿的相组成演变与低碳冶金机制研究

为破解钢铁行业高碳排放难题并实现农业废弃物资源化利用，中国研究人员创新性地采用玉米秸秆水热炭(CSH)替代化石燃料参与钒钛磁铁矿(VTM)直接还原。通过调控碱度(R)和C/O比，结合Factsage7.2模拟、SEM-XRD-LSCM多尺度表征，揭示CSH促进铁氧化物还原(Fe2O3→Fe)及液相生成的机制，获得92%金属化率。该研究为生物质高值化利用和绿色冶金提供新范式。

　　

【研究背景】
钢铁工业作为碳排放大户，其传统高炉炼铁工艺依赖稀缺的焦煤资源，且产生大量有毒气体。尽管非高炉直接还原工艺能耗较低，但仍无法摆脱对化石燃料的依赖。与此同时，我国每年产生约9亿吨农作物秸秆，焚烧或堆肥处理造成资源浪费和环境污染。如何将生物质废弃物转化为冶金还原剂，成为实现"双碳"目标的关键突破口。

【研究设计与方法】
北京科技大学研究团队创新性地采用水热碳化(HTC)技术处理玉米秸秆，制备高热值(27.9MJ/kg)、低碱金属含量的水热炭(CSH)，通过调控碱度(R=CaO/SiO₂)和C/O摩尔比(1.0-1.3)，在1250℃下开展VTM直接还原实验。结合Factsage7.2热力学模拟、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、激光共聚焦显微镜(LSCM)等多尺度表征手段，系统分析矿相演变规律。

【主要结果】

1. 原料特性
   VTM主要含Fe₂O₃(45.21%)、TiO₂(12.37%)和SiO₂(4.25%)，CSH固定碳含量达58.6%，碱金属残留率<11%。

2. 热力学行为
   相图分析显示TiO₂-SiO₂-Al₂O₃-MgO体系存在6个共晶点，R=1.0时促进钙钛矿(CaTiO₃)和镁铝尖晶石(MgAl₂O₄)形成。

3. 碱度影响
   R=1.0时液相生成量最大，但过量(R>1.2)会导致硅酸二钙(2CaO·SiO₂)冷却裂纹，使抗压强度降低37%。

4. C/O比优化
   C/O=1.3时金属化率达92%，但过量CSH挥发会导致恶性膨胀，气相产物中检测到CO/CO₂体积比达2.8:1。

【结论与意义】
该研究首次证实CSH可替代无烟煤实现VTM高效还原，最佳工艺参数为R=1.0、C/O=1.3。通过HTC预处理有效解决了生物质碱金属富集难题，还原过程符合"界面化学反应-气相扩散"协同机制。发表于《Bioresource Technology》的这项成果，为钢铁冶金与农业废弃物的跨学科协同提供了关键技术支撑，预计每吨钢可减排CO₂ 0.15吨。研究团队Yingyi Zhang指出，该技术路线兼具经济可行性，未来可拓展至小麦秸秆等生物质资源化利用。