ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ВІДНОВЛЕННЯ ОКСИДІВ ЗАЛІЗА ВИСОКОТЕМПЕРАТУРНИМ ВОДЕНЬВМІСНИМ ГАЗОМ У ЕЛЕКТРОТЕРМІЧНОМУ ПСЕВДОЗРІДЖЕНОМУ ШАРІ
DOI:
https://doi.org/10.18372/0370-2197.3(100).17898Ключові слова:
воднева металургія, високотемпературний воденьвмісний газ, оксиди заліза, відновлення, електротермічний псевдзріджений шар, піроліз, природний газАнотація
Воднева металургія включає заміну вуглецевого відновника на водневий. Одним з перспективних можливостей використання водню у металургії є відновлення залізнорудних окатишів (котунів) які складаються з оксидів заліза. Однак виникає проблема нагріву воденьвмісного газу до температури відновлення. Одним з можливих вирішень даної проблеми є використання електротермічного псевдозрідженого шару. Метою статті було визначення принципової можливості відновлення оксидів заліза у вигляді залізнорудних окатишей високотемпературним воденьвмісним газом в електротермічному псевдозрідженому шарі. Авторами розглянуто генерацію водню шляхом піролізу природного газу. Проведені термодинамічні розрахунки процесу відновлення оксидів заліза одержаним воднем вказують на оптимальний діапазон температур процесу: 900…1500 К. Для дослідження даного процесу створена лабораторна установка з електротермічним псевдозрідженим шаром з комбінованим способом нагрівання. Дана установка розділена на дві реакційні зони. У першій природний газ розкладається на водень і піровуглець. Піровуглець, який є цінним матеріалом, залишається у першій реакційній зоні. Утворений водень з високою температурою потрапляє у другу реакційну зону де відновлює залізнорудні окатиші. Під час проведення процесу відновлення залізних окатишей високотемпературним воденьвмісним газом не було виявлено полум’я що супроводжує процес утворення водню піролізом вуглеводнів. Спостерігалося виділення водяної пари на виході з реактору. Це означає, що утворений водень реагував з залізними окатишами та відновлював їх до чистого заліза. Мікроструктура поверхні вихідного залізного окатишу більш темніша та матова, а мікроструктура поверхні обробленого залізного окатишу має світліший колір та блискучу поверхню, яка характерна для чистих металів. Це додатково свідчить про принципову можливість відновлення залізного окатишу до чистого заліза високотемпературним воднем утвореним шляхом піролізу природного газу в електротермічному псевдозрідженому шарі. Результати досліджень можуть бути застосовані в енергетичній галузі, транспортній галузі, зокрема при експлуатації космічних апаратів. Результати статті можуть бути застосовані в практиці енергетиками, експертами хіммотологами,а також науковцями, що займаються розробкою новітніх технологій отримання водню.
Посилання
IEA, Explore Energy Data by Category, Indicator, Country or Region [2020-05-22]. https://www.iaa.rgg/
P. Zhao and P.L. (2018). Dong, Carbon emission cannot be ignored in future of Chinese steel industry, Iron Steel, No. 8, p. 1.
J.K. Sung, M.R. Kang, and S.O. Min, (2017). Addition of cerium and yttrium to ferritic steel weld metal to improve hydrogen trapping efficiency, Int. J. Miner. Metall. Mater., No. 4, p. 415. doi: 10.1007/s12613-017-1422-5.
J.Z Song, Z.Y. Zhao, X. Zhao, R.D. Fu, and S.M. Han, (2017). Hydrogen storage properties of MgH2 co-catalyzed by LaH3 and NbH, Int. J. Miner. Metall. Mater. No. 10, p. 1183. doi: 10.1007/s12613-017-1509-z.
K.D. Xu, G.C. Jiang, and J.L. Xu., (1999). Theoretical analysis of steel production process in 21th century, [in] The 125th Xiangshan Scientific Conference Proceeding, Beijing, p. 31.
K.D. Xu., (2022) National natural science foundation of China, [in] National Natural Science Foundation Proceeding, Shanghai.
Y. Gan, The 21th century is the Age of Hydrogen [2020-05-22]. http://www.sohu.com/a/238747317_655347.
R.R. Wang, J.L. Zhang, Y.R. Liu, A.Y. Zheng, Z.J. Liu, X.L. Liu, and Z.G. Li., (2018). Thermal performance and reduction kinetic analysis of cold-bonded pellets with CO and H2 mixtures, Int. J. Miner. Metall. Mater. No. 7, p. 752. doi: 10.1007/s12613-018-1623-6.
C. Feng, M.S. Chu, J. Tang, and Z.G. Liu, (2018). Effects of smelting parameters on the slag/metal separation behaviors of Hongge vanadium-bearing titanomagnetite metallized pellets obtained from the gas-based direct reduction process, Int. J. Miner. Metall. Mater. No. 6, p. 609. doi: 10.1007/s12613-018-1608-5.
J. Tang, M.S Chu, F. Li, Y.T. Tang, Z.G. Liu, and X.X. Xue, (2015). Reduction mechanism of high chromium vanadium-titanium magnetite pellet by H2–CO–CO2 gas mixtures, Int. J. Miner. Metall. Mater. No. 6, p. 562. doi: 10.1007/s12613-015-1108-9.
T.L. Guo, M.S. Chu, Z.G. Liu, J. Tang, and J.I. Yagi., (2013). Mathematical modeling and exergy analysis of blast furnace operation with natural gas injection, Steel Res. Int. No. 4, p. 333. doi: 10.1002/srin.201200172.
H.T. Wang, M.S. Chu, T.L. Guo, W. Zhao, C. Feng, Z.G. Liu, and J. Tang., (2016). Mathematical simulation on blast furnace operation of coke oven gas injection in combination with top gas recycling, Steel Res. Int. No. 5, p. 539. doi: 10.1002/srin.201500372.
T. Ariyama, (2019). Perspective toward long-term global goal for carbon dioxide mitigation in steel industry, Tetsu-to-Hagané, No. 6, p. 567. doi: 10.2355/tetsutohagane.TETSU-2019-008.
Jue Tang, Man-sheng Chu, Feng Li, Cong Feng, Zheng-gen Liu & Yu-sheng Zhou, (2020). Development and progress on hydrogen metallurgy. International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials volume. P. 713–723. https://doi.org/10.1007/s12613-020-2021-4.
M. Abdul Quader, Shamsuddin Ahmed, Raja Ariffin Raja Ghazilla, Shameem Ahmed, Mahidzal Dahari, (2015). A comprehensive review on energy efficient CO2 breakthrough technologies for sustainable green iron and steel manufacturing. Renewable and Sustainable Energy Reviews. Volume 50, P. 594-614. https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.05.026.
C. Bataille, M. Åhman, K. Neuhoff, L.J. Nilsson, M. Fischedick, S. Lechtenböhmer, B. Solano-Rodriquez, A. Denis-Ryan, S. Stiebert, H. Waisman, O. Sartor, and S. Rahbar, (2018). A review of technology and policy deep decarbonization pathway options for making energy-intensive industry production consistent with the Paris Agreement, Journal of Cleaner Production, Volume 187. P. 960-973/ doi: 10.1016/j.jclepro.2018.03.107
Semeyko K.V., Ilyenko B.K., Sydorenko N.A. (2019). Application of electrothermal fluidized bed technology for implementation of high-temperature technological processes (Overview), Energy technology and resource saving. No. 1. – P.35–44. DOI: 10.3307/etars.1.2019.03
Semeyko K.V. (2019). Study of the process of obtaining hydrogen by pyrolysis of hydrocarbon gases in an electrothermal fluidized bed, Energy strategy. No. 5 (71). P. 45–48.
Stalemate. 134616 Ukraine, IPC (2019.01) C01B 3/00, C01B 2/06 (2006.01). The method of obtaining hydrogen / K.V. Simeyko, B.I. Bondarenko, O.P. Kozhan, V.M. Dmitriev, V.S. Ryabchuk, M.A. Sydorenko, Ya.O. Ivachkin, O.V. Marasin; applicant and patent owner: Gas Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine. – No. u 2018 12786. application 22.12.2018; published 04/25/2019, Bul. No. 10. – 4p.
Stalemate. 146598 Ukraine, IPC C23C16/26. The method of obtaining pyrocarbon / K.V. Simeyko, V.O. Borodulya, S.Yu. Sayenko, K.V. Lobach, O.P. Kozhan, V.M. Dmitriev M.A. Sydorenko, Ya.O. Ivachkin, O.V. Marasin, S.S. Kustovskyi, R.E. Chumak; applicant and patent owner: Gas Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine. – No. u 202006806; statement 22.10.2020; published 03/04/2021, Bul. No. 9/202 – 4 p.
Stalemate. 146599 Ukraine, IPC C23C16/26. The method of obtaining pyrographite / K.V. Simeyko, V.O. Borodulya, S.Yu. Sayenko, K.V. Lobach, O.P. Kozhan, V.M. Dmitriev, M.A. Sydorenko, Ya.O. Iachkin, O.V. Marasin, I.O. Pisarenko, V.S. Ryabchuk; applicant and patent owner: Gas Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine. – No. u202006807; statement 22.10.2020; published 03/03/2021. Bul. No. 9/2021. - 5 s.
Stalemate. 117157 Ukraine, IPC B01J 8/18(2006.01), B01J 8/42(2006.01), B01J 19/14(2006.01), C01B 33/021(2006.01), C01B 33/021(2006.01), C30B 25/10(2006. 01 ), C30B 28/14(2006.01), C30B 31/12(2006.01). Reactor for high-temperature processes in a fluidized bed / K.V. Simeyko, B.I. Bondarenko, O.P. Kozhan, V.M. Dmitriev; applicant and patent owner: Gas Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine. – No. a201506499; statement 07/01/2015; published 26.06.2017, Bul. No. 12. – 8 p.
