半焦孔隙结构特征及气化反应的实验研究

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钢铁企业作为高能耗,高污染行业的代表,节能降耗提高经济效益是企业生存和发展的必由之路。焦炭作为高炉炼铁不可缺少的原料,因其价格昂贵,一直是炼钢成本居高不下的主要因素之一;为了降低成本,提高经济效益,寻找替代焦碳的替代燃料刻不容缓。半焦由于反应性好,价格低廉,而且物化特性与焦炭相似,可用于替代焦炭的研究。在高炉的软熔带,焦炭不可避免的会发生熔损反应,降低了焦炭的强度,造成了高炉炉况恶化,且增大了焦比,使成本升高;本文希望利用半焦来替代软熔带因熔损反应损失的部分焦炭,降低焦比,提高经济效益。利用压汞法和低温氮气吸附法对半焦和焦炭的孔隙结构、孔表面积、孔体积等物化特性进行了对比研究,结果表明:半焦和焦炭内部孔隙结构呈“墨水瓶”状或网络状发杂结构;大孔和中孔的体积决定了两种煤焦孔体积的大小,小孔和微孔的孔表面积决定了两种煤焦孔表面积的大小;且半焦的孔表面积和总孔体积分别是焦炭的5倍多和2倍多,充分说明半焦的孔隙结构比焦炭发达。利用STA449F3热重分析仪分析了粒度大小、CO2气体流量大小以及升温速率的快慢对半焦和焦炭气化反应的影响。研究结果表明:粒度越小半焦的气化反应温度越低,气化反应越快;半焦的失重高于焦炭,但粒度对半焦和焦炭的反应性影响不大;半焦的气化过程分为挥发分的析出和固定碳的气化两个阶段,焦炭只有固定碳气化过程,且挥发分的析出温度不受实验条件变化的影响,由其本身性质决定,且都在900℃左右时析出速率最大,且粒度越小速率越大;随着气体流量变化,在90ml/min时,起始反应温度,挥发分析出速率及固定碳的气化分别达到最大和最小,呈“状变化;升温速率对两种煤焦的气化反应性影响较大,升温速越快,气化反应温度越高,且在气化反应后期会出现反应滞后现象,导致出现双峰。通过FWO法和等转化率微分法求得半焦气化反应活化能分别为(145.91±32)kJ/mol和(149.21±7)kJ/mol,两算法求得结果较为吻合;求得挥发分析出活化能为(5.5±1)kJ/mol。利用Malek法推断半焦气化反应动力学方程,半焦中挥发分析出对气化反应过程的影响不考虑,只考虑固定碳气化过程,则气化反应符合J-M-A方程描述的机理,即随机成核和随后生长。
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