Quy trình kết hợp có hai sự thay đổi nổi bật so vơi quy trình truyền thống gồm thứ nhất kết hợp giai đoạn nung dolomit và hoàn
nguyên Mg thành một giai đoạn nung và hoàn nguyên liên tục trong ống hồn ngun chân khơng; thứ hai giai đoạn nung được thực hiện trong chân không và chia thành hai bước, bước một để phân hủy MgCO3, bước
hai để phân hủy CaCO3. So sánh quy trình kết hợp và quy trình Pidgeon truyền thống được đưa ra trong hình 4.60.
Hình 4.60. So sánh hai quy trình trong quy mơ thí nghiệm: (a) quy trình Pidgeon truyền thống, (b) quy trình kết hợp
Do vậy, quy trình kết hợp có một số ưu điểm so với quy trình Pidgeon truyền thống. Thứ nhất vì giai đoạn nung và giai đoạn hồn ngun được thực hiện trong cùng một ống hoàn nguyên, nên nhiệt độ để nung dolomit sẽ tiếp tục được sử dụng để hồn ngun Mg do đó năng lượng nhiệt khơng bị mất mát ra môi trường. Thứ hai thời gian cho giai đoạn kết hợp giảm đáng kể. Theo dữ liệu thực nghiệm, trong quy trình Pidgeon truyền thống, tổng thời gian chờ lị nung dolomit nguội và thời gian nâng nhiệt lị hồn ngun từ nhiệt độ phịng đến nhiệt hồn ngun kéo dài trong 6-7 giờ, trong khi quy trình kết hợp khơng cần chờ lị nung nguội, thời gian nâng nhiệt từ nhiệt độ nung đến nhiệt hoàn nguyên chỉ từ 0.5 – 1 giờ. Thứ ba, khí
CO2 tạo ra trong q trình nung có thể được thu hồi tập trung và xử lý mà khơng phải thải ra mơi trường như quy trình truyền thống.
Sản phẩm Mg hồn ngun từ quy trình kết hợp có dạng tinh thể với khả năng kết tinh tốt, trên bề mặt của các tinh thể Mg quan sát thấy có sự xuất hiện của các tạp chất nhỏ màu trắng là MgO tương tự như sản phẩm thu được từ quy trình Pidgeon truyền thống.
Do giai đoạn nung và hồn nguyên được kết hợp thành một giai đoạn thống nhất nên nhiệt độ nung ảnh hưởng lớn đến khả năng hoàn nguyên. Hiệu suất hoàn nguyên Mg đạt cao nhất 73.5 % khi nhiệt độ nung là 800 oC và giảm mạng xuống 32 % khi nung ở 1000 oC. Nguyên nhân được xác định là khi nung ở nhiệt độ cao khí CO2 thốt ra nhanh khiến độ xốp của phối liệu tăng làm giảm khả năng tiếp xúc của các chất phản ứng.
Hình 4.68. Phân tích XRD các mẫu phối liệu sau nung tại các nhiệt độ khác nhau
Phân tích XRD phối liệu sau khi hồn thành bước nung cho thấy các mẫu nung ở 900 và 1000 oC xuất hiện các pha Ca2SiO4 và một số đỉnh nhiễu xạ có cường độ yếu của SiC cũng được tìm thấy (hình 4.68). Như vậy ở nhiệt độ nung 1000 oC trong chân không 600 Pa đã xảy ra phản ứng giữa CO2 và fero silic tạo ra sản phẩm SiC làm tiêu tốn lượng chất hoàn nguyên. Như vậy độ xốp của phối liệu tăng và xảy ra phản ứng giữa fero silic và CO2 là hai nguyên nhân khiến bước nung ở 900 và 1000 oC làm hiệu suất hoàn nguyên giảm mạnh.
Mặc dù ở nhiệt độ nung 700 hay 800 oC, CO2 đã có phản ứng với fero silic nhưng tạo ra sản phẩm SiO2 dạng lớp màng bao bọc xung
quanh các hạt fero silic và ngăn phản ứng này tiếp tục diễn ra. Do vậy fero silic được bảo vệ để phản ứng hoàn nguyên. Khi nung ở nhiệt độ cao hơn là 900, 1000 oC lớp màng sản phẩm này bị phá vỡ do đó fero silic tiếp tục phản ứng với CO2 làm hao hụt chất hoàn nguyên. Cơ chế phản ứng này được đưa ra trong hình 4.70.
Hình 4.70. Cơ chế phản ứng giữa CO2 và fero silic trong giai đoạn nung phối liệu với áp suất chân không 600 Pa
Bảng 4.21. So sánh quy trình kết hợp, laser và vi sóng với quy trình truyền thống Thơng số Quy trình kết hợp Quy trình sử dụng laser Quy trình sử dụng vi sóng Nhiệt độ, oC 1250 4000 1100 Áp suất, Pa 600 104 2 Thời gian rút ngắn (%) 36.3 - - Năng lượng tiết kiệm (%) 10.2 82.1 84
Hiệu suất (%) 72.6 41 12
So sánh về hiệu quả năng lượng, quy trình kết hợp giảm được 10% điện năng tiêu thụ so với quy trình Pidgeon truyền thống trong điều kiện thí nghiệm, thấp hơn mức giảm của quy trình sử dụng laser hay vi sóng nhưng hiệu suất hồn ngun lại cao hơn nhiều và gần xấp xỉ hiệu suất 76 % của quy trình truyền thống (bảng 4.18).