兰州理工大学杜雪岩教授、李晋琳同学《JOM》：

煤基氢碳耦合还原富铁镍渣的反应级数研究

【研究背景】

本研究背景聚焦于冶金还原过程的动力学研究，尤其是碳热还原技术在铁、镍等金属提取中的广泛应用。现有研究多关注反应速率常数和活化能，而对反应级数的探讨相对不足，常简化为1级处理。随着绿色冶金发展，H₂作为还原剂受到重视，研究表明H₂替代CO可显著提高还原速率和金属化率，降低碳排放。煤基氢碳耦合还原工艺利用煤热解释放的H₂和CO作为还原剂，不仅提升还原效率，还实现气体循环利用，具有良好应用前景。针对富铁镍渣的还原过程，已有研究探讨了不同阶段的活化能，但对反应级数的研究仍较缺乏。因此，本文旨在通过渣系实验确定FeO在氢碳耦合还原中的反应级数，并通过实际镍渣还原实验验证，填补该领域动力学参数的数据空白，为后续研究提供理论依据。

【研究亮点】

1.反应级数测定的创新方法：采用微分法定量确定了新型煤基氢碳耦合还原过程中FeO的反应级数，并通过富铁镍渣的还原实验验证了该方法的有效性。

2.非经典反应行为的发现：在1200°C条件下，煤基氢碳耦合还原FeO的反应级数测定为1.63，显著偏离了传统冶金过程中反应级数为1的经典假设。此外，反应级数呈现出随温度升高而降低的趋势。

3.环境与能源意义：煤基氢谈耦合还原工艺能够实现氢和碳的循环利用，为传统冶金还原技术提供了一种可持续、节能且环境友好的替代方案。

【实验流程】

1.配渣实验

根据富铁镍渣的化学成分，配渣配比为FeO:SiO₂:MgO:CaO =50.72:37.35:10.66:1.27。结合FeO-H₂-CO三元体系等温优势区图和广汇煤分析，掺煤量为27%。将富铁镍渣和广汇煤破碎至粒径小于74μm，原料按照配渣:广汇煤:粘结剂（膨润土）:调质剂（无水碳酸钠）=100:27:2:4的比例混合均匀后加入适量水，制备直径为12-15mm的球团，进行等温还原焙烧实验，取还原球团进行化学分析。

2.富铁镍渣还原实验

原料按照富铁镍渣:广汇煤:粘结剂（膨润土）:调质剂（无水碳酸钠）=100:27:2:4的比例混合均匀后加入适量水，制备直径为12-15mm的球团。等温还原焙烧过程与配渣实验一致。

机理图

【结论】

采用微分法分析FeO快速还原阶段并计算得到煤基氢-碳耦合还原FeO过程的反应级数，通过富铁镍渣的还原实验验证了反应级数n的可靠性。反应级数随着温度的变化而变化，还原温度从1200 ℃升至1300 ℃，反应级数由1.63降至1.33，反应速率常数由0.031增至0.16，煤基氢碳耦合还原富铁镍渣的动力学方程：ln{k/[k]}=(-40.35 kJ/mol)/RT+23.83。

【论文链接】

DOI: 10.1007/s11837-025-08100-9