CO2和H2O对焦炭强度及微观结构的影响

高炉喷吹富氢燃料是减少碳排放的有效措施之一,但喷吹富氢燃料产生的H₂O会造成焦炭的劣化。对比分析了不同温度下焦炭与CO₂和H₂O反应过程中,焦炭强度、两者的交互作用及微观结构的变化。分析结果表明:与H₂O反应溶损率SLR约为与CO₂反应SLR的2～5倍,温度升高,二者SLRR差距缩小;焦炭反应后强度CSRR随着温度的升高而降低,且SLR与CSR呈现负相关性;当H₂O/CO₂>1时,焦炭与C0₂-H₂O反应产生明显的交互作用;无论是焦炭与CO₂还是与H₂O发生溶损反应,微观形貌均表现为边缘部位溶损更严重;相比与CO₂反应,焦炭与H₂O反应在边缘更为剧烈,但内部气孔破坏较小。     

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。     

N2-CO-CO2-H2O气氛下K(g)对焦炭高温气化反应动力学的影响

为了掌握高温区碱金属对焦炭气化过程的影响,在N₂-CO-CO₂-H₂O和N₂-CO-CO₂-H₂O-K_(g)气氛下,利用热失重法分别研究了焦炭在1 413~1 773 K的气化反应特征。结果显示,K_(g)对焦炭的气化反应具有较强的正催化作用,可以显著提高有效内扩散系数(D_e)和界面反应速率常数(k₊),降低内扩散活化能与界面反应活化能,且K_(g)对内扩散的影响程度高于对界面反应的影响。随着反应率的增加,内扩散阻力(η_i)和界面反应阻力(η_C)均逐渐增加,K_(g)可以促进η_i和η_C降低。在N₂-CO-CO₂-H₂O气氛、1 413 K时,气化反应的限制性环节逐渐由界面反应转为内扩散;而在1 473、1 573、1 673和1 773 K时其限制性环节始终为界面反应。在N₂-CO-CO₂-H₂O-K_(g)气氛下,气化反应的限制性环节始终为界面反应。     

N2-CO-CO2-H2O气氛下K(g)对焦炭高温气化反应动力学的影响

为了掌握高温区碱金属对焦炭气化过程的影响,在N₂-CO-CO₂-H₂O和N₂-CO-CO₂-H₂O-K_(g)气氛下,利用热失重法分别研究了焦炭在1 413~1 773 K的气化反应特征。结果显示,K_(g)对焦炭的气化反应具有较强的正催化作用,可以显著提高有效内扩散系数(D_e)和界面反应速率常数(k₊),降低内扩散活化能与界面反应活化能,且K_(g)对内扩散的影响程度高于对界面反应的影响。随着反应率的增加,内扩散阻力(η_i)和界面反应阻力(η_C)均逐渐增加,K_(g)可以促进η_i和η_C降低。在N₂-CO-CO₂-H₂O气氛、1 413 K时,气化反应的限制性环节逐渐由界面反应转为内扩散;而在1 473、1 573、1 673和1 773 K时其限制性环节始终为界面反应。在N₂-CO-CO₂-H₂O-K_(g)气氛下,气化反应的限制性环节始终为界面反应。     

高炉内H2体积分数对焦炭气化反应的影响

 为了明确高炉富氢冶炼条件下焦炭的气化行为,利用高温模拟试验研究了高炉内φ(H₂)对焦炭气化反应和孔隙结构的影响,得到了不同φ(H₂)下矿石的还原与焦炭气化反应的关系、焦炭气化最严重的温度区间及焦炭微观孔隙结构的变化。研究结果表明,矿石的还原度和焦炭的失重率在升温过程中都逐渐增加。随着φ(H₂)的增加,焦炭的气化率增加幅度最大的温度区间逐渐向低温区移动,主要由于随着φ(H₂)的增加,矿石的还原反应逐渐趋向于在低温区进行,使得其在高温区产生的可供焦炭气化反应的CO₂和H₂O的总量降低;φ(H₂)由5%增加至10%时,焦炭的气化率增加幅度最大;随着φ(H₂)的增加,焦炭的平均壁厚逐渐降低,孔隙率、比表面积及总孔容都逐渐增加;焦炭大孔所占比例逐渐增加,焦炭气孔壁的薄壁结构所占比例逐渐增加。     

CO2和H2O气氛下Fe-C合金薄带脱碳对比

 为了对CO₂和H₂O两种气氛的脱碳效果进行对比,将碳质量分数约为4.2%的Fe-C合金薄带分别在两种气氛中进行脱碳处理。通过热力学分析结合试验保证碳被脱除且铁不氧化的气氛条件分别为:Ar-CO-CO₂(气体流量为850 mL/min,CO的体积分数为25%,$P_{CO_2}$/(P_CO+$P_{CO_2}$)为0.26),Ar-H₂-H₂O(气体流量为500 mL/min,H₂体积分数为15%,水浴温度为313 K)。当脱碳温度为1 413 K时,Ar-H₂-H₂O气氛下,脱碳时间为50 min时,脱碳后的平均碳质量分数为0.6%,Ar-CO-CO₂气氛下,脱碳时间为70 min时,脱碳后的平均碳质量分数为0.92%。当脱碳时间相同时,Ar-H₂-H₂O的脱碳效果优于Ar-CO-CO₂的脱碳效果,由于随着脱碳反应的进行薄带表面与氧化气体反应达到平衡,Ar-H₂-H₂O反应平衡时薄带的碳活度要低于Ar-CO-CO₂气氛条件的碳活度,导致Ar-H₂-H₂O气氛条件下薄带的碳浓度梯度高于Ar-CO-CO₂气氛条件,进而导致Ar-H₂-H₂O气氛条件的扩散通量大,脱碳效果好。     

低碱度含FeO渣热分解H2O/CO2制取H2/CO

以转炉钢渣为原料,通过高温重熔获得不同碱度渣样并开展H₂O/CO₂氧化试验,在获得H₂/CO气体能源的同时改善渣样磁性,提升渣综合利用率。试验结果表明,随着碱度增加,析出主要物相从橄榄石到镁蔷薇辉石最终向硅酸二钙转变,与此同时,固溶在其中的RO相逐渐溶出。相同亚铁含量下,高碱度渣样能够大幅度改善氧化反应效率,碱度1.83渣样最高产气量为H₂ (32.3 cm3/g)、CO (22.1 cm3/g),反应率分别达到了83.7%、57%,碱度1.13的渣样反应率分别仅为 40.5%、32%。氧化后的渣样磁选效率均有提高,碱度2.13渣样从14.85%增加到78.75%。     

含碳高硅矿球团在H2-H2O-N2和CO-CO2-N2气氛下还原过程研究

针对高炉炼铁节能减排的新要求,在H₂-H₂O-N₂和CO-CO₂-N₂气氛下研究碳复合团块的反应行为。通过化学分析法、X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜-能谱(SEM-EDS)分析了复合团块的成分、矿相及微观形貌,对CO-CO₂-N₂和H₂-H₂O-N₂气氛下碳复合团块的还原行为进行了分析,并建立了复合团块反应动力学模型。结果表明,在1 073、1 173、1 273、1 373 K温度下,复合团块在H₂-H₂O-N₂气氛下的还原度和碳气化率均高于CO-CO₂-N₂气氛。对2种气氛下含碳团块在1 273 K时的反应过程进行分析,XRD图谱表明,在H₂-H₂O-N₂气氛下反应20 min后,团块中...     

孔隙结构特征对焦炭高温抗拉强度的影响

采用压汞仪测量焦炭与CO₂或H₂O反应后的孔隙结构特征,研究孔隙率、平均孔径、比表面积及孔径分布对焦炭高温抗拉强度的影响规律.焦炭孔隙率和平均孔径随反应率升高而增加.平均孔径小于30μm时气化反应以造孔为主,比表面积随反应率升高先增后减,大于30μm时以扩孔为主,随反应率升高而减小.与CO₂相比,H₂O反应后焦炭平均孔径小,比表面积大,抗拉强度高.焦炭抗拉强度随孔隙率和平均孔径增加而降低,平均孔径小于30μm时抗拉强度随比表面积增加而降低,大于30μm时随比表面积减小而降低.焦炭中小孔数量越多抗拉强度越高,大孔数量越多抗拉强度越低.相同反应率下,H₂O反应后焦炭中小孔数量增加,比表面积大,有利于保护气孔壁结构,抑制高温抗拉强度的降低.      

高炉富CO2鼓风的煤气量及热平衡综合分析

为了探析高炉富CO₂条件下炉缸煤气量及热量损失,本文通过计算不同富CO₂率鼓风的炉缸煤气量,明确了炉缸煤气量各成分随富CO₂率的变化规律,在此基础上,根据CO₂+C=2CO的吸热反应,分析了富CO₂鼓风对燃料比、理论燃烧温度、冶炼强度及热平衡的影响。结果表明,按照1 kg燃烧碳量计算,鼓风CO₂含量提升1%（需要鼓风中带入0.0434 m³的CO₂）,炉缸煤气量中CO提高0.0868 m³,N₂下降0.1251 m³,总煤气量下降0.0817 m³。同时,带入的0.0434 m³的CO₂,其分解热量为306.20 kJ。     

气体非等摩尔扩散对焦炭溶损反应的影响

焦炭作为重要的炼铁原料,其热态性能的优劣备受关注.而同一种焦炭使用不同热性质评价体系(CRI、CSR、CRR25、CSR25)得到的结果可能完全不同,根源在于对焦炭溶损反应机理的认知不够深入全面.焦炭发生溶损反应过程中,气体非等摩尔扩散这一因素常常被忽略,导致对焦炭溶损反应机理的认知出现偏差.为了能够更加清晰全面地了解...     

关于直接还原铁工艺及还原气制备的若干思考

优化改良氢基直接还原铁制备工艺是中国发展实施碳减排的有效途径之一,随着碳减排和碳中和的积极推进,氢基直接还原铁工艺必将有较大的发展.从含铁原料、还原气制备参数选择和能源保障等三方面讨论分析了有关氢基气体直接还原铁工艺中存在的难点问题,尤其针对还原气制备参数的选择问题,创新性地提出了确定制备氢基还原气体工艺参数的图解法....     

不同晶相MnO2催化剂的NH3-SCO反应性能

以柴油车尾气净化过程中氨逃逸的治理为背景,采用水热合成法制备了不同晶相(α-,β-和δ-)MnO₂、并考察晶相结构对低温氨气选择性催化氧化(NH₃-SCO)反应性能的影响;并运用多种手段,如X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、氮气低温吸-脱附、X射线光电子能谱(XPS)、氢气程序升温还原(H2-TPR)、氧气程序升温脱附(O₂-TPD)、氨气程序升温脱附(NH₃-TPD)等对催化剂的组织结构、化学状态和氧化还原性能进行表征。研究结果发现MnO₂的晶相结构和隧道结构与氨气选择性催化氧化反应性能密切相关。具有独特的[2×2]隧道结构的α-MnO₂具有最佳的反应性能,NH3可在175℃实现全转化且N₂选择性为94%,其在120℃时的反应速率是具有层状结构δ-MnO₂的12倍。α-MnO₂表面具有较高的Mn³⁺/Mn⁴⁺比有利于催化剂氧化还原性能的提高和对氧的活化,丰富的酸中心和酸量有助于对NH3吸附和活化;二者的共同作用使得该催化剂具有良好的反应性能。     

焦炭与烧结矿在耦合反应过程中的溶损特性

为了研究高炉冶炼中焦炭的溶损行为,选用2种不同反应性的焦炭考察焦炭与烧结矿在不同温度下的耦合反应,研究不同温度下焦炭溶损与烧结矿还原的关系。研究结果表明,焦炭溶损和烧结矿还原的耦合反应随着反应温度的升高逐渐加剧,且焦炭反应性提高有利于烧结矿的还原。焦炭溶损率与烧结矿还原度呈正线性相关性,焦炭反应性(CRI)与拟合曲线的斜率k呈反比,而与截距b呈正比,截距可以表征焦炭对烧结矿的初始还原能力。耦合反应后焦炭的光学各向异性指数OTI增大、平均孔径和气孔率大幅增大,反应性较大的焦炭易于在焦炭表面溶损,反应后的孔径较大;而反应性较小的焦炭在反应过程中CO₂气体易于扩散至焦炭内部均匀溶蚀各级气孔。