N2-CO-CO2-H2O氣氛下K(g)對焦炭高溫氣化反應動力學的影響
蘭臣臣1,2，張淑會1,2，劉然1,2，呂慶1,2，李福民1,2
(1. 華北理工大學冶金與能源學院， 河北 唐山 063210；2. 華北理工大學教育部現代冶金技術重點實驗室, 河北 唐山 063210)
摘 要 ：為了掌握高溫區(qū)堿金屬對焦炭氣化過程的影響，在N2-CO-CO2-H2O和N2-CO-CO2-H2O-K(g)氣氛下，利用熱失重法分別研究了焦炭在1 413~1 773 K的氣化反應特征。結果顯示，K(g)對焦炭的氣化反應具有較強的正催化作用，可以顯著提高有效內擴散系數(De)和界面反應速率常數(k+)，降低內擴散活化能與界面反應活化能，且K(g)對內擴散的影響程度高于對界面反應的影響。隨著反應率的增加，內擴散阻力(ηi)和界面反應阻力(ηC)均逐漸增加，K(g)可以促進ηi和ηC降低。在N2-CO-CO2-H2O氣氛、1 413 K時，氣化反應的限制性環(huán)節(jié)逐漸由界面反應轉為內擴散；而在1 473、1 573、1 673和1 773 K時其限制性環(huán)節(jié)始終為界面反應。在N2-CO-CO2-H2O-K(g)氣氛下，氣化反應的限制性環(huán)節(jié)始終為界面反應。
關 鍵 詞 ：焦炭； 氣化； K(g)； 反應阻力； 限制性環(huán)節(jié)
引 言
焦炭是高爐冶煉的重要原燃料之一，其在高爐冶煉過程中主要起發(fā)熱劑、還原劑、滲碳劑和料柱骨架的作用。隨著現代高爐的大型化，為保證高爐內料柱的透氣性，對焦炭質量的要求越來越高，焦炭性質對高爐焦比、生產效率及鐵水質量具有重要影響。焦炭的氣化反應直接影響其在高爐內的性能，因此研究焦炭的氣化反應特征尤為重要。為降低高爐內碳素消耗，一些高爐冶煉的新工藝不斷被提出并得到應用，如氧氣高爐、高爐噴吹煤造氣、高爐噴吹焦爐煤氣、高爐噴吹天然氣等。這些工藝的提出均提高了高爐內H2的體積分數，不同程度地弱化了焦炭在高爐中作為發(fā)熱劑、還原劑和滲碳劑的作用，同時降低了高爐內焦炭用量。這些新工藝可以使高爐爐腹煤氣中H2的體積分數提高至14%~20%，而H2在還原鐵礦石時產物為H2O，可以與焦炭發(fā)生劇烈的氣化反應。目前人們對H2O與焦炭的反應做了大量研究，也得到了較為一致的結果。研究者指出，H2O更易與焦炭反應，在同一溫度下焦炭和H2O之間的反應速率比和CO2之間的快2~4倍，H2O與焦炭反應的內擴散阻力遠低于CO2與焦炭反應的內擴散阻力。高爐內堿金屬對焦炭的氣化反應也具有較強的催化作用。研究表明，堿金屬在爐缸區(qū)域主要以硅酸鹽形式存在，爐腹爐腰及爐身下部主要以單質蒸汽形式存在，爐身中上部主要以碳酸鹽形式存在。而目前研究堿金屬對焦炭氣化反應的影響時，大多選擇用K2CO3溶液浸泡焦炭的方法為焦炭提供堿金屬，不能客觀地反映高溫區(qū)堿金屬對焦炭的影響。同時，目前對焦炭的氣化反應研究大多集中在1 173~1 373 K，而在高爐內軟熔帶的透氣性最差，對焦炭的質量要求最高，同時焦炭的氣化反應也最劇烈。本文研究1 413~1 773 K的溫度區(qū)間內焦炭在N2-CO-CO2-H2O和N2-CO-CO2-H2O-K(g)兩種氣氛下的氣化反應動力學特征，為高爐生產提供更加可靠的理論依據。
精 選 圖 表
結 論
(1) 隨著溫度增加，焦炭的X明顯增加，且增加幅度逐漸減小。K(g)對焦炭的氣化反應具有較強的正催化作用。
(2) 隨著溫度的升高，De和k+均有較大幅度提高，且K(g)使得De和k+均升高。在該溫度區(qū)間內，溫度和K(g)對De的影響程度均高于對k+的影響程度。
(3) 隨著X的不斷增大，ηi和ηC均逐漸增大，K(g)可以促進ηi和ηC的降低。在N2-CO-CO2-H2O氣氛下、1 413 K時，焦炭氣化反應限制性環(huán)節(jié)隨X的增大逐漸由界面反應轉化為內擴散，而在1 473、1 573、1 673、1 773 K時，氣化反應的限制性環(huán)節(jié)始終為界面反應。在N2-CO-CO2-H2O-K(g)氣氛下，在1 413~1 773 K的溫度區(qū)間內，氣化反應的限制性環(huán)節(jié)始終為界面反應。
(4) 在1413~1773 K范圍內，K(g)主要通過降低內擴散活化能，改善內擴散條件，促進焦炭的氣化反應發(fā)生。
