焦炭在H2O+CO2氣氛中的溶損反應(yīng)特性
竇明輝，孫洋，韓嘉偉，孫章，梁英華
(華北理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院， 河北 唐山 063210)
摘要：為了研究富氫高爐內(nèi)焦炭的溶損反應(yīng)特性，開發(fā)了連續(xù)進(jìn)水的全自動(dòng)焦炭反應(yīng)性測定裝置，分別利用CO2和N2載帶不同比例H2O(0%～30%)提供H2O+CO2(H2O和CO2混合氣體)和H2O+N2(H2O和N2混合氣體)的含水氣氛進(jìn)行焦炭溶損試驗(yàn)，通過紅外氣體分析儀實(shí)時(shí)記錄出口氣體中CO和H2的摩爾分?jǐn)?shù)，研究了焦炭在H2O+CO2氣氛下的溶損反應(yīng)過程以及碳溶反應(yīng)(C+CO2=2CO)和水煤氣反應(yīng)(C+H2O=CO+H2)的動(dòng)力學(xué)過程。研究表明，隨著H2O+CO2混合反應(yīng)氣氛中H2O比例的增加，焦炭的碳素溶損率和溶損速率均逐漸增大，而且水煤氣反應(yīng)的溶損速率逐漸變大、碳素溶損率逐漸升高，但是碳溶反應(yīng)的溶損速率則逐漸減小、碳素溶損率也逐漸降低，這說明H2O+CO2反應(yīng)氣氛中H2O和CO2同時(shí)與焦炭反應(yīng)存在顯著的競爭作用。通過分析碳素溶損率和水蒸氣含量線性關(guān)系的擬合斜率發(fā)現(xiàn)，焦炭在H2O+CO2混合反應(yīng)氣氛中發(fā)生的碳溶反應(yīng)和水煤氣反應(yīng)的斜率均小于單純單一氣氛下的碳溶反應(yīng)和水煤氣反應(yīng)的斜率，并提出基于斜率差值的抑制因子α表征H2O和CO2對(duì)碳溶反應(yīng)和水煤氣反應(yīng)互相影響程度，CO2對(duì)水煤氣反應(yīng)的抑制因子αCO2/H2O為0.253，H2O對(duì)碳溶反應(yīng)的抑制因子αH2O/CO2為0.179，αCO2/H2O為αH2O/CO2的1.41倍，CO2對(duì)水煤氣反應(yīng)的抑制程度強(qiáng)于H2O對(duì)碳溶反應(yīng)的抑制程度。
關(guān)鍵詞：焦炭； 溶損反應(yīng)； H2O+CO2氣氛； 競爭； 抑制因子
1 引言
中國提出將在2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的“雙碳”目標(biāo)，鋼鐵行業(yè)作為降低碳排放的重要戰(zhàn)場，在鋼鐵冶金流程中CO2排放所占比例高達(dá)80% 的高爐煉鐵系統(tǒng)更是肩負(fù)著鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排工作的艱巨任務(wù)。為了降低高爐煉鐵工段的CO2排放，國內(nèi)外提出使用高爐噴吹焦?fàn)t煤氣、煤造氣或天然氣等含氫物質(zhì)的富氫冶煉工藝，將H2作為還原劑和燃料應(yīng)用于實(shí)際的高爐生產(chǎn)。然而高爐富氫后含氫物質(zhì)燃燒以及氫氣還原鐵礦石會(huì)生成大量水蒸氣，H2O和CO2氣體會(huì)同時(shí)與焦炭發(fā)生復(fù)雜的氣固相反應(yīng)而消耗碳素，直接影響焦炭熱強(qiáng)度，進(jìn)而影響高爐的能耗、焦比以及產(chǎn)量等指標(biāo)。因此，研究焦炭在含H2O氣氛中的溶損反應(yīng)特性具有至關(guān)重要的意義。
近年來，研究者們對(duì)含H2O氣氛中焦炭的氣化行為進(jìn)行了大量的工作和研究。WANG Ping等對(duì)焦炭與H2O、CO2發(fā)生溶損反應(yīng)的起始反應(yīng)溫度和劇烈反應(yīng)溫度進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)焦炭與水反應(yīng)的起始反應(yīng)溫度和劇烈反應(yīng)溫度與CO2相比分別降低了37 ℃和125 ℃。XU Run-sheng等研究了焦炭與純H2O和純CO2氣化反應(yīng)后的性能，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，與H2O反應(yīng)的焦炭的反應(yīng)性迅速上升，反應(yīng)后強(qiáng)度急劇下降。CHANG Zhi-yu等在950～1 250 ℃溫度范圍內(nèi)對(duì)焦炭與H2O、CO2的氣化反應(yīng)行為進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，研究發(fā)現(xiàn)焦炭與水反應(yīng)的溶損速率約為與CO2反應(yīng)的1.3～6.5倍。GUO Wen-tao等研究發(fā)現(xiàn)，在反應(yīng)溫度大于1 173 K時(shí)，焦炭與H2O反應(yīng)均由化學(xué)反應(yīng)控制，焦炭與CO2反應(yīng)在溫度小于1 273 K時(shí)主要由界面化學(xué)反應(yīng)控制，隨著反應(yīng)溫度的升高逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w擴(kuò)散控制，這與其他研究資料中的結(jié)論一致。此外，為了更加準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)焦炭在富氫高爐內(nèi)的氣化反應(yīng)行為，研究者們還利用熱重等設(shè)備進(jìn)行了焦炭在水和CO2混合氣氛中發(fā)生溶損反應(yīng)的研究，Juho H等模擬了高爐條件下焦炭的氣化反應(yīng)行為和水蒸氣對(duì)反應(yīng)性的影響，結(jié)果表明，以CO2為唯一氣化組分的反應(yīng)性結(jié)果與含H2O氣氛中的反應(yīng)性結(jié)果沒有直接關(guān)聯(lián)，廣泛使用的用熱反應(yīng)性CRI 指標(biāo)估計(jì)焦炭在高爐內(nèi)的反應(yīng)性的方法并不完全準(zhǔn)確。李家新等利用自制的高溫氣固反應(yīng)裝置研究了焦炭在H2O-CO2混合氣體中的溶損行為，焦炭的溶損反應(yīng)速率隨著水蒸氣含量的增加而加快。趙晴晴等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)混合氣體中H2O∶CO2的體積比為5∶5和7∶3時(shí)，水與CO2氣體具有交互作用。WANG Wei 等在900～1 100 ℃條件下進(jìn)行了焦炭在含水(0～5%)氣氛中的氣化試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度低于1 000 ℃ 時(shí)水對(duì)焦炭的反應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)度影響較小，而溫度達(dá)到1 100 ℃，焦炭的反應(yīng)性迅速增大，反應(yīng)后強(qiáng)度急劇下降。綜上所述，已有的工作進(jìn)行了大量焦炭在純H2O氣氛中發(fā)生氣化反應(yīng)的基礎(chǔ)性研究，雖然模擬了富氫高爐內(nèi)的氣體環(huán)境，在混合氣氛中研究了焦炭與水和CO2的共氣化反應(yīng)，但也僅是分析焦炭的整體反應(yīng)速率和熱態(tài)性能，而不能準(zhǔn)確辨析碳溶反應(yīng)和水煤氣反應(yīng)的溶損動(dòng)力學(xué)過程。
因此，本文利用自主研發(fā)的連續(xù)進(jìn)水全自動(dòng)焦炭反應(yīng)性測定裝置，在CO2氣氛中載帶H2O進(jìn)行焦炭溶損試驗(yàn)，研究焦炭在H2O+CO2(H2O和CO2混合氣體)氣氛中的氣化反應(yīng)過程，分析混合氣氛中焦炭與H2O(CO2)發(fā)生氣化反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特性，為加深認(rèn)識(shí)焦炭在富氫高爐內(nèi)的氣化反應(yīng)過程提供試驗(yàn)基礎(chǔ)和理論依據(jù)。
2 精選圖表
3 結(jié)論
(1)開發(fā)了配有連續(xù)注射泵和紅外氣體(CO2、CO和H2)分析儀的全自動(dòng)粒焦動(dòng)態(tài)反應(yīng)性測定儀，通過連續(xù)記錄尾氣中CO和H2的含量確定了焦炭在H2O+CO2氣氛下碳素溶損反應(yīng)的總?cè)軗p速率、碳溶反應(yīng)速率和水煤氣反應(yīng)速率。
(2)隨著水蒸氣含量的增加，焦炭的碳素溶損率逐漸增大，兩種含水氣氛中焦炭的總?cè)軗p速率均隨著水蒸氣比例的增加而逐漸增大。隨著H2O+CO2氣氛中H2O含量的增加，水煤氣反應(yīng)速率逐漸變大、碳素溶損率逐漸升高，碳溶反應(yīng)速率則逐漸減小、碳素溶損率逐漸降低，H2O與CO2存在競爭的相互作用。
(3)提出了H2O+CO2氣氛中CO2對(duì)水煤氣反應(yīng)的抑制因子αCO2/H2O和H2O對(duì)C+CO2反應(yīng)的抑制因子αH2O/CO2，分別為 0.253和 0.179，CO2對(duì)水煤氣反應(yīng)的抑制程度強(qiáng)于H2O對(duì)碳溶反應(yīng)的抑制程度。
