Hvordan Ilmenitt Reduksjon med Hydrogengass Endres ved Introduksjon av Vanndamp

Abstract

I dette prosjektet ble det gjennomført to forsøk. Begge forsøkene ble gjort for å undersøke reduksjonen av ilmenitt ved 900°C. Startproduktet var for-oksidert sandilmenitt fra Mosambik. Test 1 brukte 100% hydrogengass i innstrøm, mens Test 2 hadde en blanding mellom hydrogen og vanndamp bestående av henholdsvis 95 og 5%. Forsøkene ble gjennomført i en vertikal retortovn med termogravimetrisk analyse (TGA). Volumstrømmen ble satt til 8 l/min. Den totale konverteringen til Test 1 og 2 etter reduksjonsperioden ble henholdsvis 103 og 57%.

Reaksjonsforløpet til Test 1 så ut som forventet i henhold til forsøk gjort tidligere. Det første trinnet, reduksjonen av pseudobrokitt, hadde en veldig høy reakjsonsrate. Det andre trinnet, reduksjonen av ilmenitt, hadde en avtagende reaksjonsrate, før det siste trinnet, reduksjonen av titandioksid.

Test 2 så ut til å ha samme reaksjonsrate for reduksjonen av pseudobrokitt som Test 1. For det andre trinnet i reduksjonen var det en betydelig forskjell i reaksjonsrate. Den var lavere og mer konstant enn Test 1. To mulige årsaker er forklart i diskusjonen. Den første var en endring i drivkraft for reaksjonen. Ved å introdusere vanndamp i innstrøm vil man nærme seg likevektskomposisjonen for gassfasen slik at drivkraften for å danne produktgass blir lavere. Dette kan resultere i en lavere reaksjonsrate. Den andre årsaken har grunnlag i konverteringskurvens lineæritet. Dette tydet på en endring i hastighetsbestemmende trinn og det ble antatt at diffusjon gjennom gassdiffusjonssjiktet hadde blitt hastighetsbestemmende. Ut fra forklaringer av krympende kjernemodellen vil dette trinnet ha en konstant motstand over hele reduksjonsperioden og derfor føre til en lineær konverteringskurve.

En XRD-analyse ble gjennomført på sluttproduktene. Test 1 viste til store mengder jern og titandioksid. Det ble også funnet mindre mengder ilmenitt, selv om konverteringsgraden kom over 100%. Grunnen til en konverteringsgrad over 100% vil være reduksjon av titandioksid, men om det er Magnèli-faser som har blitt dannet eller om det er ikke-støkiometrisk rutil var vanskelig å påstå. Test 2 hadde mindre jern i sluttproduktet og det ble funnet større mengder ilmenitt. Det var ikke en overraskelse ettersom den kun hadde en konvertering på 57%. Det ble også funnet titandioksid i prøven, men ingen tegn på at lavere titanoksider hadde blitt dannet. På grunn av den lave forurensningskonsentrasjonen i prøvene ble det heller ikke observert en stabilisering av M3O5-fasen.

For å kunne sammenligne det eksperimentelle hydrogenforbruket, metalliseringen og konverteringsgraden med teoretiske verdier ble det satt opp massebalanser. Den teoretiske ble satt opp ved hjelp av reaksjonsgraden til reduksjonen av henholdsvis pseudobrokitt og ilmenitt, mens den eksperimentelle massebalansen ble satt opp ved å benytte massetapet fra forsøkene. Ved å først se på reduksjonen av pseudobrokitt. Her ble det ikke sett noe avvik mellom den teoretiske og den eksperimentelle massebalansen og ved total konvertering av pseudobrokitt var H2 forbruket 0,54 mol. Dette ble tatt med videre for det totale forbruket. For reduksjonen av ilmenitt til jern og titandioksid var de eksperimentelle verdiene større enn de teoretiske, dette kan komme av titandioksid reduksjon eller andre reduksjoner som ikke er tatt i betraktning av fytskjema. En konklusjon som kan bli tatt med videre fra denne sammenligningen er at ved en introduksjon av vanndamp ble hydrogengassen brukt mindre efektivt enn når det ikke var vanndamp tilstedet. Hva dette betyr fra et industrielt synspunkt er vanskelig å si, men det vil være av interesse å forske videre på kostnaden knyttet til integreringen av hydrogengass i industrien noe som massebalanser kan bidra med.

During this project two experiments were conducted. Both of the experiments were on the reduction of ilmenite at 900°C, with a start product of pre-oxidized sand ilmenite from Mozambique. Test 1 used 100% hydrogen gas and Test 2 used a mixture of 95% hydrogen and 5% water vapour. The experiments were conducted in a vertical retort furnace with thermogravimetric analysis(TGA) and the total gas flow was through the furnace was set to 8 l/min. The total conversion for Test 1 was 103% while Test 2 only came to 57%.

For Test 1 the conversion curve was as expected compared to similar experiments. For the first step of the reaction, pseudobrookite gets reduced. The reaction rate was observed to be fast, while the second stage, where ilmenite gets reduced, an descending reaction rate was observed. The last step of the reaction is the reduction of titanium dioxide to lower oxides.

For the frst step of the reduction Test 2 appeared to have the same reduction rate as in Test 1. For the second step in the reduction process there was a big difference. Two possible causes are discussed. The first was a change in the driving force behind the reaction. By introducing water vapour in the inlet, the gas composition will get closer to the equilibrium composition of the reaction. This will result in a lower potential to create products, which can show up as a lower reaction rate. The other possible cause, or a combination of the two, might be a change in the rate determining step. By looking at the linearity of the conversion curve, the diffusion through the gas layer surrounding the pellets was assumed to be the new rate determining step. The theory behind the shrinking core model suggests that this step has a constant resistance, which results in a constant reaction rate and a linear conversion curve.

XRD-analysis was conducted on the final products. Test 1 showed large amounts of iron and titanium oxides. The analysis found small amounts of ilmenite even though the conversion got over 100%. The reason behind the conversion going above 100% is due to the reduction of titanium oxides. It was inconclusive if there are Magnèli-phases present or non-stoichiometric titanium dioxide. Test 2 had less iron in the final product and greater amounts of ilmenite. This came as no surprise since the conversion degree only got to 57%. Titanium dioxide amounts were less than Test 1 and lower titanium oxides were not found. A stabilisation of the M3O5-phase was not found. This was due to the impurity concentration being fairly low.

To compare the experimental values found for hydrogen usage, metallisation and conversion degree with theoretical, mass balances were calculated. The theoretical mass balance was calculated using the reaction degree for the reduction of pseudobrookite and ilmenite accordingly, while the experimental values were calculated using the mass loss recorded during the experiments. If we first take a look at the reduction of pseudobrookite. For this reduction there wasn't any deviation from the theoretical values and when total conversion of pseudobrookite was reached hydrogen usage was found to be 0.54 mol for both values. The reduction of ilmenite, the hydrogen usage was a little higher than theoretical values. The reduction of titanium dioxide would explain why this would be the case. A conclusion that can be drawn from the mass balances is that the introducing of water vapour will lead to a less effective use of hydrogen. What this will mean from an industrial standpoint is diffcult to conclude. Further studies are needed, and discussions about the cost of integrating hydrogen into the industry should be held and the mass balances created could help the discussion along.