Nhận xét kết quả hoàn nguyên quặng viên 15, 10 và 5mm

Hình 4.1, Hình 4.3 và Hình 4.5 biểu thị sự ảnh hưởng của thời gian hoàn nguyên đến mức độ hoàn nguyên tại các nhiệt độ 850, 950 và 1050°C đối với quặng viên Ma- nhê-tít kích thước 15, 10 và 5mm. Từ đồ thị cho thấy, tăng thời gian hoàn nguyên, mức độ hoàn nguyên tăng ở tất cả 3 chế độ nhiệt độ. Nhìn chung, trong giai đoạn đầu tốc độ hoàn nguyên tăng nhanh trong 45 phút đầu, có thể đạt tới mức độ hoàn nguyên 7080%, và sau đó tốc độ hoàn nguyên giảm do hình thành chất hoàn nguyên rắn ở điểm tiếp xúc bề mặt quặng viên sẽ tạo ra khí CO/CO2. Khí CO2 tạo ra sẽ kết hợp với chất hoàn nguyên

56

rắn và chuyển hóa thành khí CO. Khí CO sẽ khuếch tán vào quặng viên tham gia vào phản ứng hoàn nguyên ô-xýt sắt. Tốc độ hoàn nguyên cao hơn trong giai đoạn 45 phút đầu được nhóm nghiên cứu [17] cho là đóng góp của cả ảnh hưởng của trở kháng nhỏ hơn của dòng khí hoàn nguyên vào trong viên quặng sắt và đóng góp đáng kể của chất bốc thoát ra của than. Chất bốc thoát ra từ than sẽ được chuyển hóa hoàn toàn thành H2, H2O và CO trong giai đoạn đầu của hoàn nguyên. Chính khí H2 và CO này sẽ tăng cường quá trình làm tăng tốc độ hoàn nguyên. Khi tiếp tiếp tục tăng thời gian hoàn nguyên, độ dày của lớp Fe kim loại tăng và tạo trở kháng cao hơn đối với quá trình khuếch tán C và khí hoàn nguyên vào bề mặt ô-xýt sắt chưa phản ứng. Điều này giải thích vì sao tốc độ hoàn nguyên giảm ở giai đoạn sau của cả 3 chế độ nhiệt độ đã cho.

Từ phân tích trên chỉ ra quá trình hoàn nguyên ban đầu nhanh sau đó chậm xuống ở giai đoạn sau. Điều này được giải thích là do sự hình thành lớp kim loại đặc phía ngoài ô-xýt sắt chưa phản ứng, mức độ hoàn nguyên được tăng cường khi tăng nhiệt độ hoàn nguyên. Mức độ hoàn nguyên tại các nhiệt độ 850, 950 và 1050°C dừng lại ở các giá trị tương ứng lần lượt là 43.94, 78.66 và 84.75% đối với quặng viên 15mm; 55.81%, 78.84%, 84.91% đối với quặng viên 10mm; 73.26%, 78.22%, 85.62% đối với quặng viên 5mm. Giá trị mức độ hoàn nguyên thấp ở 850°C có thể giải thích là do hiệu ứng xúc tác của lớp kim loại mới hình thành đến tốc độ hoàn nguyên. Ảnh hưởng rõ rệt nhất của nhiệt độ quan sát được trong 60 phút đầu, khi nhiệt độ tăng, lớp kim loại hình thành ban đầu sẽ phát triển hơn nữa trong quá trình hoàn nguyên sẽ dấn đến mức độ hoàn nguyên cao hơn ở các nhiệt độ cao hơn.

Các kết quả của chúng tôi nhận được cũng tương đồng với các kết quả của công trình [13], được nêu như trong Bảng 4.8.

57

Bảng 4.8. Ảnh hưởng của nhi t độ và thời gian hoàn ngu ên đến mức độ hoàn nguyên [13]

Như vậy, ta có thể tóm tắt các kết quả như sau:

(a) Ảnh hưởng của thời gian hoàn nguyên

Hình 4.1, Hình 4.3 và Hình 4.5 đã chỉ ra sự tăng mức độ hoàn nguyên, %R, theo thời gian hoàn nguyên. Điều này có thể giải thích dựa trên 2 phản ứng chính xảy ra trong quá trình thí nghiệm:

- Phản ứng khí hóa của than bột: Các-bon có mặt trong than phản ứng trước tiên với ô-xy được hấp thụ trên bề mặt để tạo ra CO2

C + O2 = CO2

- Khí CO2 phản ứng với Các-bon khi nhiệt độ phản ứng đạt 8501050 C, tại đó CO2 không ổn định và tạo ra CO

CO2 + C = 2CO Khí CO này hoàn nguyên ô-xýt sắt trong quặng viên.

Hoàn nguyên ô-xýt sắt: Fe3O4 bị hoàn nguyên theo 2 bước bởi khí CO và tạo ra CO2. Khí CO2 sinh ra lại chuyển thành CO và quá trình hoàn nguyên tiếp tục cho đến khi toàn bộ ô-xýt sắt bị hoàn nguyên hoặc thí nghiệm bị dừng lại do quá dư thừa các-bon. Điều này thấy rất rõ từ hình Hình 4.1, Hình 4.3 và Hình 4.5 khi %R tiếp tăng theo thời gian hoàn nguyên đến trên 80%R trong 90 phút khi hoàn nguyên ở 1050 C.

58

(b) Tốc độ hoàn nguyên quặng sắt.

Tốc độ hoàn nguyên (dR/dt) được tính toán từng khoảng thời gian được cho trong

Bảng 4.9. Nhìn chung tốc độ hoàn nguyên giảm dần theo thời gian hoàn nguyên ở nhiệt độ xác định. Tăng nhiệt độ hoàn nguyên cũng làm tăng tốc độ hoàn nguyên. Tốc độ hoàn nguyên cao trong giai đoạn đầu, loại bỏ 3.42%/min ô-xy. Tốc độ giản dần đến 0.71% min-1 khi hoàn nguyên kết thúc ở 85% khi hoàn nguyên quặng viên 15 mm ở 1050°C trong 120 min.

Bảng 4.9. Tốc độ hoàn nguyên dR/dt, %/min, tại các chế độ hoàn nguyên

Mẫu 15 mm 10 mm 5 mm Thời gian, min 850°C 950°C 1050°C 850°C 950°C 1050°C 850°C 950°C 1050°C 15 1.39 2.87 3.42 2.23 2.55 3.64 2.22 2.90 4.05 30 0.82 1.78 1.84 1.29 1.89 2.01 1.86 2.12 2.27 45 0.65 1.24 1.40 0.89 1.28 1.49 1.39 1.42 1.70 60 0.62 1.13 1.24 0.70 1.12 1.30 1.12 1.12 1.38 90 0.44 0.75 0.87 0.52 0.81 0.90 0.79 0.85 0.93 120 0.37 0.66 0.71 0.47 0.66 0.71 0.61 0.65 0.71