脱灰生物质焦的催化气化反应及动力学

利用扫描电镜-能谱仪及热重分析仪研究了添加钾盐催化剂的脱灰生物质焦的物理结构、化学成分及其与CO₂的气化反应,并分别采用均相模型和收缩未反应核模型对实验数据进行处理,得到动力学参数.研究发现钾盐对脱灰生物质焦-CO₂气化反应有明显催化作用,可提高整体反应速率,并减少反应时间.随着钾盐的增加(质量分数在0%~4%的范围内),附着在生物质焦表面的富钾催化点增多,催化作用逐渐增大,反应的活化能逐渐降低.由于(脱灰)生物质焦的灰分含量很低,与未反应核模型相比,均相模型更适合于描述生物质焦-CO₂的气化反应过程.     

锌对捣固焦和顶装焦气化反应的催化作用

采用液相吸附法研究了不同温度、富锌量等条件对捣固焦和顶装焦气化反应的影响,并结合XRD、扫描电子显微镜和光学显微镜对比分析了锌对2种焦炭气化反应后的微晶结构、显微结构、孔结构的影响。研究结果表明,升高温度和增大富锌量均能使焦炭反应性增大,反应后焦炭强度减小。反应温度低于1 000℃时,锌对焦炭气化反应的影响较小,而在1 100℃时,2种焦炭的反应率随富锌浓度的增大快速增大,且富锌后顶装焦的反应率比捣固焦高约1%~2%。XRD分析表明,锌对焦炭有序化微晶气化反应的催化作用大于无序化微晶,从而导致气化反应后焦炭微晶片层的堆积高度减小,石墨化程度降低。结合扫描电子显微镜和光学显微全景图发现,锌在催化焦炭气化反应过程中孔壁变薄甚至消失,孔面积和孔直径增大,孔的贯穿连通程度加大,为锌蒸气的渗透和气化反应的动力学提供有利条件,导致反应进一步被加剧,但捣固焦较致密的孔结构使其在气化反应中具有优于顶装焦的抗锌催化能力。     

碱金属对焦炭气化反应的催化作用及其对铁氧化物还原的影响

为模拟高炉特点研究碱金属对焦炭气化反应的催化作用,在400～1450℃连续长温条件下,通入N_2和CO_2混合气,对弱粘结煤焦炭与强粘结煤焦炭进行了增碱焦和原焦的气化反应对比实验。结果表明,在本实验条件下,增碱焦的气化反应开始温度比原焦降低100℃左右。反应气体中CO_2消失温度(即反应激烈进行温度)降低约200℃。同时发现,强粘结煤焦炭的气化反应开始温度比弱粘结煤焦炭的约高50～100℃。而反应激烈进行温度相差不大。结合实验结果,本文还初步分析了气化反应开始温度与CO_2消失温度的降低对铁氧化物还原的影响。     

分段尝试法研究半焦/CO2气化反应过程动力学

为了深入了解半焦与CO₂的气化反应过程动力学,本文通过不同升温速率下的非等温实验,确定在不同阶段下富鼎半焦与CO₂的气化机理.采用分段尝试法研究富鼎半焦与CO₂气化反应过程动力学,确定反应过程前期与后期的机理函数分别为f(α)=(1-α)[1-ψln(1-α)]1/2和f(α)=(3/2)[(1-α)-1/3-1]-1,从而建立相应动力学模型,计算反应过程不同阶段的动力学参数.通过对不同阶段的动力学模型进行数据拟合,实验数据与模型吻合较好,相关系数都大于0.98.最后,根据求得的动力学参数,确定不同升温速率下活化能的补偿效应,即活化能与指前因子的关系式.      

非等温热重分析研究碳气化动力学

利用Labsys同步热分析仪以非等温热重分析研究了碳气化反应动力学,考察了升温速率对碳气化反应的影响.在非等温热重分析中,Doyle和Gorbatchev近似函数都可以模拟碳气化反应过程.通过对比这两个函数拟合实验数据的相关系数,确定在使用非等温热重分析研究碳气化反应动力学时,使用Gorbatchev函数是求取反应动力学参数的较好方法.结果表明:活化能和指前因子都随着升温速率的增加而减小.活化能和指前因子之间有着较好的线性关系,碳气化反应过程中存在着动力学补偿效应.     

CO2-H2O混合气体与捣固焦和顶装焦深度反应影响

 由于全球气候变暖,CO₂的减排逐渐成为人们关注的热点。钢铁工业作为CO₂排放大户,需要严格控制其CO₂的排放量,富氢炼铁由于具有降低碳排放的特点,已经成为冶金工艺未来发展趋势,但富氢燃料的使用会在高炉内产生大量水蒸气,所以研究高炉中不同种类焦炭与CO₂-H₂O混合气体在气化溶损反应下的变化至关重要,可以为高炉富氢冶炼条件下焦炭的选择和质量的控制提供理论依据。通过研究不同含量CO₂-H₂O气体通入管式炉中与捣固焦和顶装焦发生深度气化溶损反应,分析CO₂-H₂O混合气体中水蒸气含量变化产生的气化反应溶损差异、焦炭有机官能团和碳素结构的变化规律以及利用未反应核模型分析气化反应过程中限制性环节。研究结果表明,两种焦炭气化反应的限制性环节为界面化学反应,通过对比顶装焦和捣固焦颗粒气化溶损过程中边缘、中间、中心隙结构和相对密度上的差异发现,随着CO₂-H₂O混合气体中水蒸气含量的增加,两种焦炭表面溶损反应较其他两部分更加严重,出现了明显的开孔现象,并且捣固焦的内部开裂情况更加严重。结合FT-IR分析可知,水蒸气能够加剧气化反应过程中顶装焦和捣固焦结构内脂肪族官能团和甲基的消耗,从而导致两种焦炭的芳香度升高,同时反应后捣固焦样品中芳香烃的缩合程度增加。     

生物质焦与煤共气化特性研究

本文利用非等温热重分析法研究了生物质焦与煤的共气化特性,探讨了生物质焦与煤共气化反应特征温度的变化情况,并分别运用Doyle和Coats-Redfern近似函数计算了反应动力学参数.采用Doyle法计算时,相关系数R2值比Coats-Redfern法更大,因此Doyle法计算结果更合理.采用Doyle法计算出：生物质焦的气化反应活化能为134.97 kJ/mol,烟煤和无烟煤分别是197.85 kJ/mol和171.36 kJ/mol.随着无烟煤、烟煤中生物质焦掺混的比例增加,反应活化能不断下降.研究结果表明：生物质焦可以促进两种煤的气化反应,降低煤的最终反应温度和气化反应活化能.     

钢渣配煤对焦炭溶损反应动力学的影响

将1%转炉钢渣配入吕家坨焦煤中制备焦炭,采用自制的粒焦反应性装置研究了900~1 200℃下所得焦炭的溶损反应过程。结果表明,在碳素溶损率30%时,焦炭的溶损速率基本保持恒定;而在碳素溶损率30%时,溶损速率则逐渐减小。钢渣的配入增加了焦炭的溶损反应速率,而且溶损温度越高,焦炭溶损速率增幅越大。用随机孔模型描述了焦炭的溶损反应动力学过程,求得焦炭和添加1%钢渣后焦炭的溶损反应的表观活化能分别为133.76 k J/mol和121.51 k J/mol。     

高炉中粗粒煤的燃烧及反应行为

为了确立粗粒煤喷吹技术,用两种模型实验,调查了粒径为３５０￣４５０μｍ粒煤的高温分解、燃烧、气化和蓄积行为。一种是竖塔型反应炉,称作燃烧模型;另一种是高炉型反应炉,称作热模型。在燃烧模型实验中,粗粒煤在燃烧中分裂变为细粒。因此,粗粒煤的燃烧率比粒径为５０μｍ的煤粉低１０％。相对于焦炭而言,热模型下部的粗粒未燃炭优先气化,未燃炭在模型内蓄积和从顶部逸出均少。在室兰厂２号高炉实施了喷吹１５０ｋｇ／ｔ粗     

小颗粒冶金焦炭气化反应性的检测方法

通过检测粒度为3~6 mm焦炭与CO_2在1 100℃下的气化反应进程,得到了该粒度级别焦炭气化反应过程中反应模式的转变规律。根据该规律,得到与块焦反应性指数CRI高度相关的小颗粒焦炭的气化特征指标,即粒度3~6 mm焦炭气化反应失重率3%~10%之间的平均反应速率V_(3-10)。检测该指标所需焦炭试样量极少,测试时间短,在某些情况下可以作为检测焦炭反应性的补充方法。