CO2-H2O混合氣體與搗固焦和頂裝焦深度反應(yīng)影響
付曉微1，路明2，何志軍1，龐清海2，楊立春3
(1. 遼寧科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院， 遼寧 鞍山 114051；2. 鞍山鋼鐵集團(tuán)有限公司大孤山球團(tuán)廠， 遼寧 鞍山 114051；3. 山東泰山鋼鐵集團(tuán)有限公司煉鐵部， 山東 濟(jì)南 271100)
摘要：由于全球氣候變暖，CO2的減排逐漸成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。鋼鐵工業(yè)作為CO2排放大戶，需要嚴(yán)格控制其CO2的排放量，富氫煉鐵由于具有降低碳排放的特點(diǎn)，已經(jīng)成為冶金工藝未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，但富氫燃料的使用會(huì)在高爐內(nèi)產(chǎn)生大量水蒸氣，所以研究高爐中不同種類焦炭與CO2-H2O混合氣體在氣化溶損反應(yīng)下的變化至關(guān)重要，可以為高爐富氫冶煉條件下焦炭的選擇和質(zhì)量的控制提供理論依據(jù)。通過(guò)研究不同含量CO2-H2O氣體通入管式爐中與搗固焦和頂裝焦發(fā)生深度氣化溶損反應(yīng)，分析CO2-H2O混合氣體中水蒸氣含量變化產(chǎn)生的氣化反應(yīng)溶損差異、焦炭有機(jī)官能團(tuán)和碳素結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律以及利用未反應(yīng)核模型分析氣化反應(yīng)過(guò)程中限制性環(huán)節(jié)。研究結(jié)果表明，兩種焦炭氣化反應(yīng)的限制性環(huán)節(jié)為界面化學(xué)反應(yīng)，通過(guò)對(duì)比頂裝焦和搗固焦顆粒氣化溶損過(guò)程中邊緣、中間、中心隙結(jié)構(gòu)和相對(duì)密度上的差異發(fā)現(xiàn)，隨著CO2-H2O混合氣體中水蒸氣含量的增加，兩種焦炭表面溶損反應(yīng)較其他兩部分更加嚴(yán)重，出現(xiàn)了明顯的開(kāi)孔現(xiàn)象，并且搗固焦的內(nèi)部開(kāi)裂情況更加嚴(yán)重。結(jié)合FT-IR分析可知，水蒸氣能夠加劇氣化反應(yīng)過(guò)程中頂裝焦和搗固焦結(jié)構(gòu)內(nèi)脂肪族官能團(tuán)和甲基的消耗，從而導(dǎo)致兩種焦炭的芳香度升高，同時(shí)反應(yīng)后搗固焦樣品中芳香烴的縮合程度增加。
關(guān)鍵詞：焦炭；CO2-H2O； 深度反應(yīng)； 孔隙結(jié)構(gòu)； 限制性環(huán)節(jié)
1 引言
鋼鐵工業(yè)為了實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”需要開(kāi)展全流程工序降碳減排工作，高爐富氫冶煉有利于碳減排，用富氫能源如焦?fàn)t煤氣作為煉鐵用反應(yīng)氣體是目前研究學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。在富氫高爐煉鐵中，焦炭仍為高爐中的唯一骨架，其質(zhì)量會(huì)直接影響高爐是否順行，從而影響企業(yè)的生產(chǎn)效益。富氫冶煉時(shí)在高爐中會(huì)產(chǎn)生大量的水蒸氣，而焦炭與水蒸氣會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的溶損氣化反應(yīng)從而影響焦炭的質(zhì)量，所以對(duì)水蒸氣與焦炭氣化溶損反應(yīng)研究是至關(guān)重要的。
目前，為了掌握焦炭與CO2-H2O混合氣體的氣化反應(yīng)過(guò)程，眾多科研學(xué)者開(kāi)展了大量研究工作。文獻(xiàn)研究了焦炭顆粒粒度、水蒸氣流量、反應(yīng)溫度對(duì)焦炭氣化反應(yīng)行為的影響，研究發(fā)現(xiàn)，增大水蒸氣流量和提高反應(yīng)溫度都會(huì)加劇焦炭的氣化溶損。文獻(xiàn)對(duì)比了焦炭在水蒸氣和CO2氣氛中的氣化溶損行為，結(jié)果表明，焦炭在水蒸氣氣氛中具有更高的反應(yīng)速率，焦炭與水蒸氣發(fā)生氣化起始溫度相比CO2氣氛低50 ℃左右，焦炭與水蒸氣反應(yīng)后形成的氣孔尺寸小且分布均勻。文獻(xiàn)研究了溫度對(duì)焦炭顆粒與CO2-H2O混合氣體氣化反應(yīng)的影響規(guī)律，結(jié)果表明，在1 100～1 500 ℃溫度下焦炭與CO2氣化反應(yīng)可以擴(kuò)散到顆粒內(nèi)部，而與H2O氣化的焦炭則只表現(xiàn)出了與表面焦炭發(fā)生反應(yīng)的傾向，并且焦炭與水蒸氣的反應(yīng)速率隨反應(yīng)溫度的升高而顯著加快。綜上所述，當(dāng)前對(duì)氣化反應(yīng)過(guò)程中焦炭顆粒徑向溶損差異性的研究較少，針對(duì)CO2-H2O氣體沿焦炭裂紋和氣孔向內(nèi)擴(kuò)散發(fā)生深度反應(yīng)的相關(guān)研究尚不充分，同時(shí)對(duì)頂裝焦和搗固焦等焦炭在CO2-H2O氣氛下溶損反應(yīng)行為的差異性仍有待深入研究。
本文通過(guò)研究CO2-H2O混合氣體氣氛條件下水蒸氣濃度對(duì)焦炭深度反應(yīng)的影響，分析氣化溶損過(guò)程中焦炭有機(jī)官能團(tuán)和碳素結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，利用未反應(yīng)核動(dòng)力學(xué)模型剖析焦炭氣化反應(yīng)過(guò)程中的限制性環(huán)節(jié)，對(duì)比頂裝焦和搗固焦顆粒氣化溶損過(guò)程中邊緣、中間、中心隙結(jié)構(gòu)和相對(duì)密度上的差異，可進(jìn)一步掌握CO2-H2O混合氣體與不同種類焦炭的氣化反應(yīng)過(guò)程及對(duì)焦炭質(zhì)量的影響，從而為高爐富氫冶煉條件下焦炭的選擇和質(zhì)量的控制提供理論依據(jù)。
2 精選圖表
3 結(jié)論
(1)搗固焦和頂裝焦與CO2-H2O混合氣體發(fā)生深度反應(yīng)時(shí)限制性環(huán)節(jié)為界面化學(xué)反應(yīng)，兩種焦炭的氣化反應(yīng)性會(huì)隨混合氣體中水蒸氣體積分?jǐn)?shù)的增加而提高。
(2)隨著水蒸氣體積分?jǐn)?shù)增加，焦炭邊緣位置的溶損反應(yīng)發(fā)生得更加激烈，但對(duì)中間位置和中心位置影響不大。搗固焦邊緣位置的孔隙率占比要高于頂裝焦，水蒸氣的加入對(duì)搗固焦邊緣位置處的焦炭的氣化反應(yīng)影響更為劇烈，導(dǎo)致?lián)v固焦炭的反應(yīng)后強(qiáng)度要低于頂裝焦。
(3)隨著水蒸氣體積分?jǐn)?shù)的增加，搗固焦與頂裝焦的芳香度都有部分提高，反應(yīng)后搗固焦的芳香烴的縮合程度相較于頂裝焦更高，同時(shí)搗固焦官能團(tuán)中甲基含量會(huì)隨著混合氣體中水蒸氣體積分?jǐn)?shù)的增加而降低。
