Attepe demir cevherinin akışkan yatakta direkt indirgenmesi
Direct reduction of Attepe iron ore in a fluidized bed
Yazar: NESİBE ORT
Danışman: PROF. DR. SEDAT YÖRÜK
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2011
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Bu çalışma, Attepe demir cevherinin 600, 700 ve 800oC reaksiyon sıcaklıklarında N2, H2, H2O, CO ve CO2 içeren gaz karışımları kullanılarak, akışkan yatakta metalik demir veya wüstit basamağına kadar olan direkt indirgenme kinetiğinin aydınlatılması amacıyla gerçekleştirilmiştir.Demir cevherinin inert gaz akışı altında indirgenme sıcaklığına ısıtılması sırasında por yapısında meydana gelen değişimler TG, SEM, BET ve MIP analizleri yardımıyla incelenmiştir. Analizler, cevher bünyesindeki bağlı suyun 250-400oC aralığında dehidratasyonla uzaklaşması sonucu yapıda önemli miktarda küçük çaplı gözeneğin oluştuğunu, ancak sıcaklıktaki artışla beraber etkisini arttıran sinterleşmeden dolayı gözeneklerin birleşerek daha büyük çaplı gözeneklere dönüştüğünü ortaya koymuştur. Reaksiyon sıcaklığına ısıtma sırasında gözenek yapısında meydana gelen bu önemli yapısal değişimler, cevherin indirgenebilirliğini olumsuz yönde etkilemiştir.İndirgenme deneyleri sonucunda, Fe2O3'ün metalik demire kadar indirgenme prosesinin 2 evreden oluştuğu; 1. evrenin Fe2O3?FeO dönüşümünü içerdiği ve hızının wüstitin nükleasyonu tarafından kontrol edildiği belirlenmiştir. Wüstitin kararlı katı faz olduğu gaz bileşimi ve reaksiyon sıcaklığı şartlarında, metalik demir oluşumu termodinamiksel olarak mümkün olmadığından 2. evrenin, ilk evreden süregelen Fe2O3?FeO dönüşümünün devamı ile sınırlı kaldığı, bu şartlar altında reaksiyon ilerlemesinin elektronların ve ferroz iyonlarının katı faz difüzyonu ve reaksiyonlarıyla sağlandığı saptanmıştır. Metalik demirin kararlı katı faz olduğu reaksiyon şartlarında ise, partikülün dış yüzeyi poroz demir tabakası ile kaplı olduğundan indirgeme gazı FeO/Fe ara yüzeyine kadar ulaşabilmekte ve indirgenme prosesinin hızı bu ara yüzeydeki kimyasal reaksiyon tarafından kontrol edilmektedir. Yapı analizleri, indirgenmiş örneklere ait gözeneklerin artan indirgenme zamanı ve sıcaklığıyla genişleme eğiliminde olduğunu ortaya koymuştur. 800oC'de ve en yüksek indirgen konsantrasyonunda elde edilen maksimum indirgenme dereceleri CO, H2 ve bu iki indirgenin karışımları için sırasıyla %40, %90 ve %75 olarak gerçekleşmiştir.

Abstract:
A laboratory scale fluidized bed has been used to study the reduction over the temperature range 600oC to 800oC of particles of Attepe iron ore. A gas system has been built to enable any mixture of N2, H2, H2O, CO and CO2 to be used and thus to obtain either FeO or iron as product and to analyse the output gases.The details of the porosity formed both during the period when the ore is reaching the reduction temperature and during the reduction period itself have been elucidated by TG, SEM and BET analysis as well as MIP measurements. It was determined that, most of the fine pores produced by the removal of bound water at around 400oC was lost by increasing temperature. The above mentioned significant structural changes occured during the pre-heating period, adversely affected the reducibility of iron ore.The results showed that the reduction pattern of hematite consisted of 2 stages. The rate of the first region including Fe2O3?FeO conversion, was controlled by the nucleation of the wustite. At reaction conditions where wustite is stable, further reduction could be accompolished only by solid-state diffusion and reaction of electrons and ferrous ions. In this instance second stage of the reduction including the exact conversion of Fe2O3 to FeO was solid-state reaction and solid state diffusion controlled. However, if the reaction conditions were convenient for the formation of iron, a porous iron layer enabled to gas diffusion. Herewith the second stage of the reduction including the FeO?Fe conversion substantiated under the control of chemical reaction at FeO/Fe interface. The analyses showed that pores of reduced samples were tend to expand by increasing reduction time and temperature. Maximum reduction degree values obtained at 800oC and highest reductant gas concentration were detected as 40%, 90% and 75% respectively for CO, H2 and gas mixtures.