CO₂-H₂O混合气体与捣固焦和顶装焦深度反应影响

付晓微¹，路明²，何志军¹，庞清海²，杨立春³

(1. 辽宁科技大学材料与冶金学院， 辽宁 鞍山 114051；2. 鞍山钢铁集团有限公司大孤山球团厂， 辽宁 鞍山 114051；3. 山东泰山钢铁集团有限公司炼铁部， 山东 济南 271100)

摘要：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。

关键词：焦炭；CO₂-H₂O； 深度反应； 孔隙结构； 限制性环节

1 引言

钢铁工业为了实现“碳达峰、碳中和”需要开展全流程工序降碳减排工作，高炉富氢冶炼有利于碳减排，用富氢能源如焦炉煤气作为炼铁用反应气体是目前研究学者关注的热点问题。在富氢高炉炼铁中，焦炭仍为高炉中的唯一骨架，其质量会直接影响高炉是否顺行，从而影响企业的生产效益。富氢冶炼时在高炉中会产生大量的水蒸气，而焦炭与水蒸气会发生严重的溶损气化反应从而影响焦炭的质量，所以对水蒸气与焦炭气化溶损反应研究是至关重要的。

目前，为了掌握焦炭与CO₂-H₂O混合气体的气化反应过程，众多科研学者开展了大量研究工作。文献研究了焦炭颗粒粒度、水蒸气流量、反应温度对焦炭气化反应行为的影响，研究发现，增大水蒸气流量和提高反应温度都会加剧焦炭的气化溶损。文献对比了焦炭在水蒸气和CO₂气氛中的气化溶损行为，结果表明，焦炭在水蒸气气氛中具有更高的反应速率，焦炭与水蒸气发生气化起始温度相比CO₂气氛低50 ℃左右，焦炭与水蒸气反应后形成的气孔尺寸小且分布均匀。文献研究了温度对焦炭颗粒与CO₂-H₂O混合气体气化反应的影响规律，结果表明，在1 100～1 500 ℃温度下焦炭与CO₂气化反应可以扩散到颗粒内部，而与H₂O气化的焦炭则只表现出了与表面焦炭发生反应的倾向，并且焦炭与水蒸气的反应速率随反应温度的升高而显著加快。综上所述，当前对气化反应过程中焦炭颗粒径向溶损差异性的研究较少，针对CO₂-H₂O气体沿焦炭裂纹和气孔向内扩散发生深度反应的相关研究尚不充分，同时对顶装焦和捣固焦等焦炭在CO₂-H₂O气氛下溶损反应行为的差异性仍有待深入研究。

本文通过研究CO₂-H₂O混合气体气氛条件下水蒸气浓度对焦炭深度反应的影响，分析气化溶损过程中焦炭有机官能团和碳素结构的变化规律，利用未反应核动力学模型剖析焦炭气化反应过程中的限制性环节，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，可进一步掌握CO₂-H₂O混合气体与不同种类焦炭的气化反应过程及对焦炭质量的影响，从而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。

2 精选图表

3 结论

(1)捣固焦和顶装焦与CO₂-H₂O混合气体发生深度反应时限制性环节为界面化学反应，两种焦炭的气化反应性会随混合气体中水蒸气体积分数的增加而提高。

(2)随着水蒸气体积分数增加，焦炭边缘位置的溶损反应发生得更加激烈，但对中间位置和中心位置影响不大。捣固焦边缘位置的孔隙率占比要高于顶装焦，水蒸气的加入对捣固焦边缘位置处的焦炭的气化反应影响更为剧烈，导致捣固焦炭的反应后强度要低于顶装焦。

(3)随着水蒸气体积分数的增加，捣固焦与顶装焦的芳香度都有部分提高，反应后捣固焦的芳香烃的缩合程度相较于顶装焦更高，同时捣固焦官能团中甲基含量会随着混合气体中水蒸气体积分数的增加而降低。