[論文レビュー] A Laboratory Study of the Reduction of Iron Oxides by Hydrogen

Darcy E. Wagner, O. Devisme+2 more|ArXiv.org|Mar 19, 2008

Iron and Steelmaking Processes参考文献 9被引用数 48

ひとこと要約

本研究では、熱重量計、X線回折（XRD）、走査型および透過型電子顕微鏡（SEM/TEM）、および Mössbauer分光法を用いて、ヘマタイトからの水素還元による直接還元鉄（DRI）の生成を実験室で調査した。900 °Cまで反応速度の低下が認められず、3段階の明確な還元段階（ヘマタイト → マグネタイト → フェルスライト → 鉄）が確認された。また、通常の粉末はナノ粉末や焼結体よりも反応性が高く、より多孔質な最終構造に起因すると判明した。

ABSTRACT

To reduce the emission of greenhouse gases by the steel industry, particularly for ironmaking, the production of DRI (Direct Reduced Iron) using hydrogen as the reducing gas instead of carbon monoxide is being considered. In this context, the reduction of pure hematite by hydrogen was studied at the laboratory scale, varying the experimental conditions and observing the rate and the course of the reaction. All the reduction experiments were performed in a thermobalance and supplementary characterization methods were used like scanning and transmission electron microscopy, X-ray diffraction, and Mössbauer spectrometry. The influence of rising temperature in the range 550-900 degrees C is to accelerate the reaction; no slowing down was observed, contrary to some literature conclusions. A series of experiments consisted in interrupting the runs before complete conversion, thus enabling the characterization of partially reduced samples. Interpretation confirms the occurrence of three successive and rather separate reduction steps, through magnetite and wustite to iron, and illustrates a clear structural evolution of the samples. Finally, the influence of the sample type was revealed comparing a regular powder, a nanopowder and a sintered sample. The regular powder proved to be the most reactive despite its larger grain size, due to a more porous final structure.

研究の動機と目的

• 鉄鉱石溶融プロセスにおけるグリーンハウスガス排出を低減するため、水素を清浄な代替還元剤として評価すること。
• 制御された実験室条件下でヘマタイトの水素還元のkineticsおよび反応機構を理解すること。
• 複数の分析手法を用いて段階的還元中の構造的および相変化の進化を特徴づけること。
• 通常の粉末、ナノ粉末、焼結体の異なる鉄酸化物形態の反応性を比較すること。

提案手法

• 550–900 °Cで水素還元中の重量減少をモニタリングするために、熱重量計を用いた実験。
• X線回折（XRD）およびMössbauer分光法を用いて中間相の相転移を追跡。
• 走査型および透過型電子顕微鏡（SEM/TEM）を用いて微細構造の進化を分析。
• 部分還元の段階で還元反応を停止し、中間状態を特徴づけた。
• 通常の粉末、ナノ粉末、焼結体の3種類の試料を比較し、形態の反応性への影響を評価。
• 反応速度の温度依存性を評価するため、550 °Cから900 °Cへの温度上昇を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヘマタイトの水素還元は明確に段階的かつ逐次的に進行するのか？その段階は何か？
• RQ2 550–900 °Cの温度範囲で反応速度および還元度に影響を与える要因は何か？反応速度の低下は見られないか？
• RQ3 試料の形態（粉末、ナノ粉末、焼結体）が反応性に与える影響は何か？
• RQ4 還元過程における構造的および微細構造的変化は、相転移とどのように相関するか？
• RQ5 通常の粉末は粒子径が大きいにもかかわらず、ナノ粉末よりも反応性が高いのはなぜか？

主な発見

• 還元は3段階に明確に分けられる：ヘマタイト → マグネタイト → フェルスライト → 金属鉄。中間相の重なりは最小限に抑えられた。
• 550–900 °Cの温度範囲で反応速度の低下は観察されず、一部の先行研究とは対照的であった。
• 通常の粉末が最も高い反応性を示し、これは粒子径が大きくても、より多孔質な最終構造に起因するとされた。
• ナノ粉末および焼結体は反応性が低く、特に焼結体は最も遅い還元速度を示した。
• MössbauerおよびXRD分析により、マグネタイトおよびフェルスライトが中間相として形成されたことが確認された。
• 顕微鏡観察により、還元過程で孔の発達や粒子の粗大化といった顕著な構造的変化が観察された。