N2-CO-CO2-H2O气氛下K(g)对焦炭高温气化反应动力学的影响
兰臣臣1,2，张淑会1,2，刘然1,2，吕庆1,2，李福民1,2
(1. 华北理工大学冶金与能源学院， 河北 唐山 063210；2. 华北理工大学教育部现代冶金技术重点实验室, 河北 唐山 063210)
摘 要 ：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(De)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(ηi)和界面反应阻力(ηC)均逐渐增加，K(g)可以促进ηi和ηC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。
关 键 词 ：焦炭； 气化； K(g)； 反应阻力； 限制性环节
引 言
焦炭是高炉冶炼的重要原燃料之一，其在高炉冶炼过程中主要起发热剂、还原剂、渗碳剂和料柱骨架的作用。随着现代高炉的大型化，为保证高炉内料柱的透气性，对焦炭质量的要求越来越高，焦炭性质对高炉焦比、生产效率及铁水质量具有重要影响。焦炭的气化反应直接影响其在高炉内的性能，因此研究焦炭的气化反应特征尤为重要。为降低高炉内碳素消耗，一些高炉冶炼的新工艺不断被提出并得到应用，如氧气高炉、高炉喷吹煤造气、高炉喷吹焦炉煤气、高炉喷吹天然气等。这些工艺的提出均提高了高炉内H2的体积分数，不同程度地弱化了焦炭在高炉中作为发热剂、还原剂和渗碳剂的作用，同时降低了高炉内焦炭用量。这些新工艺可以使高炉炉腹煤气中H2的体积分数提高至14%~20%，而H2在还原铁矿石时产物为H2O，可以与焦炭发生剧烈的气化反应。目前人们对H2O与焦炭的反应做了大量研究，也得到了较为一致的结果。研究者指出，H2O更易与焦炭反应，在同一温度下焦炭和H2O之间的反应速率比和CO2之间的快2~4倍，H2O与焦炭反应的内扩散阻力远低于CO2与焦炭反应的内扩散阻力。高炉内碱金属对焦炭的气化反应也具有较强的催化作用。研究表明，碱金属在炉缸区域主要以硅酸盐形式存在，炉腹炉腰及炉身下部主要以单质蒸汽形式存在，炉身中上部主要以碳酸盐形式存在。而目前研究碱金属对焦炭气化反应的影响时，大多选择用K2CO3溶液浸泡焦炭的方法为焦炭提供碱金属，不能客观地反映高温区碱金属对焦炭的影响。同时，目前对焦炭的气化反应研究大多集中在1 173~1 373 K，而在高炉内软熔带的透气性最差，对焦炭的质量要求最高，同时焦炭的气化反应也最剧烈。本文研究1 413~1 773 K的温度区间内焦炭在N2-CO-CO2-H2O和N2-CO-CO2-H2O-K(g)两种气氛下的气化反应动力学特征，为高炉生产提供更加可靠的理论依据。
精 选 图 表
结 论
(1) 随着温度增加，焦炭的X明显增加，且增加幅度逐渐减小。K(g)对焦炭的气化反应具有较强的正催化作用。
(2) 随着温度的升高，De和k+均有较大幅度提高，且K(g)使得De和k+均升高。在该温度区间内，温度和K(g)对De的影响程度均高于对k+的影响程度。
(3) 随着X的不断增大，ηi和ηC均逐渐增大，K(g)可以促进ηi和ηC的降低。在N2-CO-CO2-H2O气氛下、1 413 K时，焦炭气化反应限制性环节随X的增大逐渐由界面反应转化为内扩散，而在1 473、1 573、1 673、1 773 K时，气化反应的限制性环节始终为界面反应。在N2-CO-CO2-H2O-K(g)气氛下，在1 413~1 773 K的温度区间内，气化反应的限制性环节始终为界面反应。
(4) 在1413~1773 K范围内，K(g)主要通过降低内扩散活化能，改善内扩散条件，促进焦炭的气化反应发生。
