AMP含量對神府低發(fā)熱值煤(Ⅲ)制備的含鐵型焦氣化反應(yīng)起始溫度的影響

張龍龍,劉建國,王社斌,b

(太原理工大學(xué) a.材料科學(xué)與工程學(xué)院;b.新材料界面科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030024)

AMP含量對神府低發(fā)熱值煤(Ⅲ)制備的含鐵型焦氣化反應(yīng)起始溫度的影響

張龍龍a,劉建國a,王社斌a,b

(太原理工大學(xué) a.材料科學(xué)與工程學(xué)院;b.新材料界面科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030024)

為減少CO2排放量對人類生存和發(fā)展造成的不利影響,在前人研究的基礎(chǔ)上,以神府低發(fā)熱值煤(Ⅲ)和澳礦粉(AMP)為原料，以瀝青為粘結(jié)劑,用熱壓成型法制備出不同澳礦含量的含鐵型焦(CIC)。用SEM-EDS、X射線衍射儀和熱重分析儀測定含鐵型煤和CIC試樣的微觀組織、物相和氣化反應(yīng)起始溫度等,研究AMP含量對CIC化學(xué)性能的影響及其反應(yīng)機(jī)理。結(jié)果表明,CIC中的Fe原子量、氣孔數(shù)量和尺寸隨AMP含量增加而增加;CIC氣化起始溫度隨AMP含量增加而降低,從936.5 ℃逐漸降低到876.3 ℃。為高爐煉鐵實(shí)現(xiàn)節(jié)焦節(jié)能提供一定的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

含鐵型焦;氣化反應(yīng)起始溫度;Fe催化;CO2濃度

自20世紀(jì)50年代以來,工業(yè)革命造成的大量CO2使冰川面積縮小10%以上,極端氣候事件頻發(fā)，這些環(huán)境變化已給農(nóng)業(yè)、工業(yè)生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響。為此,在煉鐵高爐(占我國鋼鐵業(yè)能耗70%)中開發(fā)低碳還原技術(shù)[1]是《國家應(yīng)對氣候變化規(guī)劃(2014—2020年)》中的重大舉措。其次,在我國實(shí)現(xiàn)新型工業(yè)化過程中,粗鋼產(chǎn)量爆發(fā)性增加[2];綜合利用廉價(jià)資源和能源，用新工藝技術(shù)提高煉鐵行業(yè)的競爭力[3]，開發(fā)環(huán)境友好型鋼鐵生產(chǎn)工藝流程等,亦是近年來的研究熱點(diǎn)。

低碳還原技術(shù)是近期最有希望實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的應(yīng)用技術(shù)，其核心是“提高焦炭反應(yīng)性，降低高爐塊狀帶中煤氣流溫度和CO2濃度，降低煉鐵焦比”[1]。劉旭光等人[4]研究了煤與鐵礦石的反應(yīng)性,表明隨著煤階增加,煤中高活性碳結(jié)構(gòu)逐漸減少；Nomura,Kannari等人[5-6]研究表明,Fe催化和焦炭的中空泡狀結(jié)構(gòu)可提高焦炭反應(yīng)性；高反應(yīng)性焦炭在900℃發(fā)生氣化反應(yīng)(gasification reaction)生成CO,且隨其配比的增大,塊狀帶煤氣流中CO濃度增大(CO2濃度降低),含鐵爐料的還原勢增加[7]。2011年，日本學(xué)者Yamamoto等人[8]提出含鐵型焦(CIC)的新概念及其特征,并模擬計(jì)算出把101 kg/t的CIC裝入高爐后,焦炭氣化反應(yīng)起始溫度的降低量為150 ℃;用含30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))鐵礦粉(多孔鐵礦石)和高揮發(fā)分煤可制造出滿足高爐反應(yīng)性和強(qiáng)度要求的CIC[9]。綜合比較Kasai,Yamamoto,Higuchi[8,10-11]等人研究發(fā)現(xiàn),用不同種類、不同配比的煤和鐵礦石制造出的CIC,氣化反應(yīng)起始溫度降低150～270 ℃。原春陽、劉建國[12-13]等人模擬計(jì)算在高爐中分別加入100 kg/t由發(fā)熱值為22.9,20.9 MJ/kg的神府煤制備的CIC后,爐頂煤氣流中CO2濃度(體積分?jǐn)?shù))分別降低60.74%和22.99%,但對神府低發(fā)熱值(18.81 MJ/kg)煤(Ⅲ)制成的CIC研究還沒有涉及。

為此,本研究把神府低發(fā)熱值(18.81 MJ/kg)煤(Ⅲ)與澳礦粉AMP(Australian miner powder)按一定的配比混合、熱壓成型,后經(jīng)高溫焦化爐焦化,制備CIC試樣，測定CIC形貌特征、物相和氣化反應(yīng)起始溫度等,研究AMP含量對CIC氣化反應(yīng)起始溫度的影響及作用機(jī)理,并模擬計(jì)算若高爐裝入100 kg/t CIC時(shí),塊狀帶中CO2濃度隨煤氣流溫度的變化。為高爐煉鐵實(shí)現(xiàn)節(jié)焦節(jié)能提供一定的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)所用的澳礦粉、粘結(jié)劑和試樣制備的方法及其試樣形態(tài)見本研究室劉建國[13]等人的報(bào)道。神府低發(fā)熱值(e=18.81 MJ/kg)煤(Ⅲ),混合的瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%。含鐵型煤的配比如表1所示。

表1 含鐵型煤的組成

制備CIC裝置和實(shí)驗(yàn)方法、含鐵型煤和CIC試樣微觀結(jié)構(gòu)表征方法也與文獻(xiàn)[12-13]相同。為表征催化劑Fe對氣化反應(yīng)起始溫度的影響,取CIC粉10 mg,用HCT-1/2型熱重分析儀(氬氣氣氛)測定CIC的DSC曲線,測算和表征CIC的氣化反應(yīng)起始溫度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 AMP含量對含鐵型煤和CIC微觀組織影響

圖1為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%的AMP含鐵型煤及其CIC的SEM照片。從圖中可知,含鐵型煤(a)由黑色塊狀物(顆粒)煤、灰白色顆粒(粒徑約為10～30 μm)和縫隙(周圍有5～30 μm的裂紋)等組成；CIC(b)由不同形狀的C和C表面附著有白色小顆粒物，以及C-C顆粒之間的縫隙(約為10～50 μm)等組成。其中,灰色塊狀物C呈條、塊、棒和球狀;除球狀表面光滑外,其他形狀的C塊上均呈溝壑狀形貌。這與Murakmi等[14]、劉建國等[13]的焦化實(shí)驗(yàn)過程中形成的物相組織幾乎相同。從圖1-a、1-b兩照片可知,該縫隙約增大20 μm,這是含鐵型煤中所加的瀝青和煤中有機(jī)物在焦化反應(yīng)中揮發(fā)所殘留孔洞的擴(kuò)大所致，它將給CIC的強(qiáng)度帶來不利的影響。這一結(jié)果表明,實(shí)驗(yàn)過程中煤的液化、有機(jī)物揮發(fā)、Fe2O3的還原和結(jié)焦收縮等物理化學(xué)反應(yīng)決定含AMP的含鐵型煤與CIC微觀組織的變化。

圖2為不同AMP含量CIC的SEM照片,其中圖2(a-e)的AMP質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0，9%，14.6%，23.6%，38.2%。圖中白色箭頭所示點(diǎn)的成分為EDS半定量成分結(jié)果,如表2所示。從圖2中可知,盡管AMP含量逐漸增加,但照片中物相仍如圖2-b一樣,由灰色塊相C、白色小顆粒相和裂縫(孔洞)等組成。雖然焦化后的C塊呈不同形貌,但炭塊表面卻同樣附著白色顆粒物。在圖2-a中,白色顆粒是煤中灰分Ca的氧化物或硫化物(表2，a點(diǎn))，且多呈不規(guī)則形狀。圖2(b-e)中白色顆粒物主要為Fe原子和少量的灰分，且Fe原子多呈白色點(diǎn)球狀,灰分為不定形態(tài)(其各點(diǎn)成分如表2所示)。反復(fù)觀察、比較圖2可知,隨AMP含量的增加,Fe原子數(shù)量增多;盡管C塊呈不同形狀,但CIC中(表面)的孔洞數(shù)也隨AMP含量的增加而增加,其孔洞的平均直徑分別按0，0.5，5，10，20 μm的尺度依次增大。這與劉建國等人[13]的報(bào)道一致。白色顆粒Fe是在焦化過程中煤放出的CO、CH4、H2等氣體逐級還原AMP顆粒(Fe2O3)而形成[13];CIC中及其表面的孔洞、裂縫是瀝青和煤的有機(jī)物高溫?fù)]發(fā)及Fe2O3還原生成CO2和H2O氣體逸出而形成。由此可推測到,CIC上的0.5～20 μm溝壑、孔洞和裂縫等均可作為高爐塊狀帶中CIC氣化時(shí)CO2的擴(kuò)散通道和反應(yīng)界面,增加反應(yīng)表面積;形成的Fe原子,其催化作用減少氣化反應(yīng)活化能,進(jìn)而降低氣化反應(yīng)起始溫度。這都為提高高爐內(nèi)反應(yīng)效率奠定熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)條件。

a-0；b-9%；c-14.6%；d-23.6%;e-38.2%

2.2 含鐵型煤及CIC的物相-XRD表征

圖3為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23.6%的AMP的含鐵型煤的XRD圖譜，圖中可看出，它主要由C、Fe2O3、FeO(OH)和SiO2等相組成。其中FeO(OH)是Fe2O3在空氣中的水化物,除碳外,其余相均與AMP的組成相一樣。

圖3 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23.6%的AMP含鐵型煤的XRD圖譜

圖4為本研究制備的CIC之XRD圖譜，共有5條曲線。由圖可知,不含AMP的CIC主要由C和灰分CaS兩相,含AMP的CIC主要由C、Fe及鐵氧化物(少量)和煤中灰分CaS等相組成。這與表2的EDS檢測結(jié)果一致。與圖3相比,說明焦化過程中Fe2O3還原為Fe原子;少量的鐵氧化物和水化物是CIC冷卻時(shí)Fe原子在空氣中氧化和水化的結(jié)果。另外,比較各CIC的XRD譜線強(qiáng)度可知,其鐵峰強(qiáng)度值隨AMP含量的提高而增加，與劉建國、原春陽等人[12-13]的研究結(jié)果一致。這說明CIC中有催化劑Fe原子存在,且Fe峰強(qiáng)度值亦隨AMP含量而提高。由此可想到,在高爐的塊狀帶的CIC氣化反應(yīng)中,這些作為催化劑的Fe原子數(shù)量將是影響CIC氣化反應(yīng)起始溫度的重要因素。

a-0;b-9%;c-14.6%;d-23.6%;e-38.2%

2.3 AMP含量對CIC氣化反應(yīng)起始溫度的影響

圖5為10 mg試樣,在10 ℃/min升溫速度，0～1 000 ℃溫度范圍，氬氣氣氛等條件下,用HCT-1/2型熱重分析儀測定的無AMP的CIC的DSC曲線。由圖可知,在400～600 ℃的范圍內(nèi),DSC值隨溫度增加而上升,表明試樣中出現(xiàn)水分蒸發(fā)、有機(jī)物氣化(H2，CH4，C2H4，C2H6)和相變(煤軟化)等吸熱反應(yīng)[15]。當(dāng)溫度接近600 ℃時(shí),DSC值隨溫度增加而呈平臺狀,表明體系中有以上吸熱反應(yīng)和碳完全燃燒放熱反應(yīng)發(fā)生,且吸熱和放熱量大致相等。在600～900 ℃的區(qū)間內(nèi),隨著溫度的升高，DSC值下降,表示反應(yīng)體系既發(fā)生碳氧化(2C+O2=2CO,C+O2=CO2)放熱反應(yīng)，又發(fā)生有機(jī)物揮發(fā)(CH4，H2)等吸熱反應(yīng)[15],且放熱量大于吸熱量。在936 ℃時(shí)，DSC曲線突然出現(xiàn)強(qiáng)吸熱峰,表明體系中有CIC被CO2氣化(CO2+C=2CO)的強(qiáng)吸熱反應(yīng)發(fā)生，該吸熱峰對應(yīng)的溫度就是焦炭氣化反應(yīng)起始溫度。

圖5 無AMP CIC的DSC曲線

圖6為在800～1 000 ℃的高溫條件下,用HCT-1/2型熱重分析儀測定的不同含量AMP的CIC之DSC曲線。從中可知,當(dāng)溫度大于800 ℃,DSC值均隨溫度上升而呈下降趨勢,這說明體系內(nèi)發(fā)生以碳氧化和鐵礦石還原(FeO+CO=Fe+CO2，2C+O2=2CO)為主的放熱反應(yīng)。在900 ℃左右,DSC曲線都有急劇轉(zhuǎn)折點(diǎn)，并呈上升的趨勢。同樣,可用圖5的分析方法,得出a—e試樣的溫度測定值分別為936.5，924.6，913，898，876.3 ℃。這些測定數(shù)據(jù),與Masaaki NAITO、原和劉[12-13,16]等人的CIC氣化反應(yīng)起始溫度變化趨勢一致。它表明CIC氣化反應(yīng)起始溫度隨著CIC中AMP含量、即Fe原子數(shù)量的增加而降低。雖然本研究比Kasai，Yamamoto，Higuchi，原和劉[8,10-13]等人的測定值高,但仍顯示出氣化反應(yīng)起始溫度隨Fe原子數(shù)量的變化趨勢。因該降低絕對值受到煤巖組織的影響,與非焦煤的發(fā)熱值正相關(guān)，這與原和劉[12-13]等人的推論結(jié)果一致。這表明CIC氣化反應(yīng)起始溫度不僅受到CIC中彌散分布的Fe原子數(shù)量影響,也受到煤巖組織(發(fā)熱值)的影響。但在同一煤種(發(fā)熱值)的條件下,CIC氣化反應(yīng)起始溫度將受到圖2形貌中彌散分布于各CIC表面上的Fe原子數(shù)量影響。

圖6 不同含量AMP的CIC的DSC曲線

3 分析與討論

3.1 Fe峰強(qiáng)度值隨CIC中AMP含量的變化

以圖4中各CIC的Fe峰強(qiáng)度值為縱坐標(biāo),以AMP含量為橫坐標(biāo),作出Fe峰強(qiáng)度值隨AMP含量變化關(guān)系如圖7所示。從中可知,CIC中的Fe峰強(qiáng)度值隨AMP含量的增加而上升,這與由圖2觀察的白色點(diǎn)狀顆粒數(shù)量增多的現(xiàn)象一致。說明增加CIC中AMP含量,可提高其中的Fe原子數(shù)量。

圖7 Fe峰值隨CIC中AMP含量的變化

本研究的結(jié)焦過程為1 100 ℃,3 h。在該過程中,溫度大于700 ℃時(shí),體系中大量存在H2和CO等還原性氣體[15],它把含鐵型煤中的Fe2O3顆粒以逐級氣/固還原的方式還原成Fe原子,這進(jìn)一步驗(yàn)證了上述XRD分析測定結(jié)果。增加高爐中Fe的裝入量,達(dá)到節(jié)焦、節(jié)能。另外,在含鐵型煤焦化過程中煤中水分、有機(jī)物等氣化排出形成如圖2所示的氣孔和裂紋,因Fe2O3顆粒還原屬固/固相反應(yīng),還原產(chǎn)物Fe只能以原子狀態(tài)附著于氣孔和裂紋的表面，形成C-Fe原子短距離接觸的界面。隨著CIC中AMP的增加,該現(xiàn)象呈增加的趨勢。氣孔(裂紋)和小顆粒Fe原子比表面積大,可增加CIC氣化反應(yīng)界面面積和催化劑數(shù)量,并縮短C—Fe原子固/固相擴(kuò)散的距離,降低氣化反應(yīng)起始溫度,減少CO2排放量。

3.2 CIC氣化反應(yīng)起始溫度隨AMP含量和煤種的變化

圖8為用不同煤種制備的CIC氣化反應(yīng)起始溫度隨AMP含量的變化關(guān)系。其中：■為本研究測定結(jié)果(神府煤-Ⅲ,發(fā)熱值18.81 MJ/kg)；●為劉建國[13](神府煤-Ⅱ,發(fā)熱值20.9 MJ/kg)研究結(jié)果；▲為原春陽等人[12](神府煤-Ⅰ,發(fā)熱值22.9 MJ/Kg)測定結(jié)果。從中可知,隨AMP含量的增加,由不同發(fā)熱值煤制成的CIC,其氣化反應(yīng)起始溫度均有下降趨勢。且不含AMP的煤-Ⅰ(▲)、Ⅱ(●)和Ⅲ(■)的CIC氣化起始溫度分別為787.5，884.7，936.5 ℃;含38.2%AMP的CIC氣化反應(yīng)起始溫度分別665.3，803.2，876.3 ℃;煤-Ⅰ(▲)、Ⅱ(●)和Ⅲ(■)的CIC氣化起始溫度的降幅分別達(dá)122.2，81.5，60.2 ℃。這一結(jié)果說明,CIC氣化反應(yīng)起始溫度隨煤發(fā)熱值的增大而減小,CIC氣化起始溫度的降幅值隨煤發(fā)熱值的升高而增加。在煤種一定的條件下,它隨AMP含量增加而降低,這意味著在CIC中增加AMP量就是增加焦炭氣孔(裂紋)表面的Fe原子數(shù)量(催化劑量),可以說,它是通過增加Fe催化劑數(shù)量達(dá)到降低氣化反應(yīng)起始溫度和氣化反應(yīng)活化能的目的，這一結(jié)果與劉旭光、Kasai、Yamamoto、Higuchi等人[4,8,10-11]的結(jié)論一致。在表明煤種對CIC氣化反應(yīng)起始溫度影響的同時(shí),也定量測定出含鐵型煤中APM加入量對CIC氣化反應(yīng)起始溫度的影響值。從圖8的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可推測到,在煤種配比相同的條件下,用Fe催化手段是降低CIC氣化反應(yīng)起始溫度的有效手段。

圖8 不同煤種制備的CIC氣化反應(yīng)起始溫度隨AMP含量變化曲線

3.3 AMP含量對CIC氣化反應(yīng)活化能的影響

由圖2可知,CIC是一種多孔物質(zhì)。其氣化反應(yīng)是多孔固體的氣/固界面反應(yīng)。CIC的氣化反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)方程式如(1)式所示。反應(yīng)過程中包括氣體內(nèi)擴(kuò)散、外擴(kuò)散和界面化學(xué)反應(yīng)。由于CIC形成的孔徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于CO、CO2氣體分子擴(kuò)散自由程，因此,界面化學(xué)反應(yīng)是限制環(huán)節(jié)：

C(s)+CO2(g)=2CO(g)，

(1)

ΔG=A-BT，

(2)

ΔG=-RTlnK，

(3)

(4)

式中:K為表觀反應(yīng)速率常數(shù);E為表觀活化能,kJ/mol;R=8.314 J/(mol·K);A為前置因子。

由上述分析可知,氣化反應(yīng)起始溫度降低是因CIC中Fe原子數(shù)量增多(催化劑量增加)而使(1)式反應(yīng)的活化能降低。同劉建國[13]等人計(jì)算方法一樣,經(jīng)(1)-(4)式計(jì)算,可繪制出如圖9所示的lnK隨CIC氣化起始溫度T的變化關(guān)系直線,從每條直線的斜率可計(jì)算出CIC氣化反應(yīng)中活化能的變化。

圖9 lnK隨CIC氣化起始溫度T的變化關(guān)系

從圖9每條直線的斜率中可求出,當(dāng)AMP質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～38.2%時(shí),CIC氣化反應(yīng)的表觀活化能分別為206.82，204.79，202.80，200.24，196.53 kJ/mol;最大降幅為10.29 kJ/mol。這說明增加CIC中的AMP配比,就是增加Fe催化劑數(shù)量,從而降低CIC氣化反應(yīng)表觀活化能。這是因?yàn)镃-Fe短距離接觸,Fe原子更易侵入CIC中的石墨基平面之間,減小反應(yīng)所需能障;此外,Fe原子數(shù)量隨AMP配比增加而增多,Fe催化增強(qiáng)致使氣化反應(yīng)活化能降低。鑒于此猜測,若高爐使用該高反應(yīng)性(氣化反應(yīng)起始溫度低)CIC,可能提高高爐塊狀帶還原率,降低焦比和CO2排放量等。

3.4 CIC氣化起始溫度對高爐塊狀帶CO2濃度的影響

焦炭氣化反應(yīng)溫度均在高爐塊狀帶的溫度(800～1 400 ℃)范圍內(nèi)[17]，增加高爐入爐焦炭中CIC的配比,增加(1)式吸熱反應(yīng)的比率，可降低高爐塊狀帶的煤氣流溫度。這與Akito KASAI[18]等人的思路吻合。為此,與劉建國[13]等人的分析方法相同,利用公式(5)可求出煤氣流中CO2濃度隨塊狀帶溫度的變化曲線如圖10所示。

(5)

圖10 不同AMP含量CIC的CO2濃度隨塊狀帶溫度變化曲線

從圖10看出,隨AMP含量增加,CIC氣化反應(yīng)平衡曲線逐漸向左平移;T一定時(shí),φ(CO2)隨AMP含量增加而減小。若以無AMP的CIC為基準(zhǔn),在高爐裝入100 kg/t AMP(38.2%)的CIC時(shí),可計(jì)算出1 150,1 200,1 250 K的煤氣流中CO2含量將分別降低18.04%,16.85%,13.14%(體積分?jǐn)?shù))，即高爐塊狀帶(900 ℃左右)煤氣流中的CO2(體積分?jǐn)?shù))將降低16.85%左右。由此可知,高爐塊狀帶中的CIC,在提高塊狀帶中(1)式吸熱反應(yīng)比率,增加體系中CO2消耗量(提高CO含量)的同時(shí),會(huì)打破原塊狀帶中的CO/CO2平衡,增加(6)式和(7)式反應(yīng)的還原驅(qū)動(dòng)力,而降低煤氣流溫度和CO2排放量;并實(shí)現(xiàn)增加O/C、降低O/Fe和提高反應(yīng)效率和熱效率[7]的高爐操作。

Fe3O4+CO=3FeO+CO2，

(6)

FeO+CO=Fe+CO2.

(7)

另外，增加CIC配比也可提高入爐金屬化率,進(jìn)而降低焦比。這一切,都為改善高爐爐料結(jié)構(gòu)，提高高爐市場竟增力奠定基礎(chǔ)條件。

3.5 CIC對塊狀帶CO2濃度的影響

圖11 高爐裝入100 kg/t第5號試樣時(shí)，塊狀帶φ(CO2)隨溫度和CIC種類的變化

圖11為高爐裝入100 kg/t[8]、本研究制備的3種CIC(38.2%AMP)條件下,模擬計(jì)算出的CO2濃度隨塊狀帶溫度和CIC種類的變化曲線圖。其中，縱坐標(biāo)為■、●和▲表示3種的CIC的CO2濃度計(jì)算值,橫坐標(biāo)為高爐塊狀帶溫度。從中可知,隨著塊狀帶溫度的提高(距離軟熔帶越近),CO2濃度逐漸減小;在塊狀帶溫度≥1 400 K時(shí),CO2濃度幾乎為0%。在塊狀帶溫度≤1 400 K時(shí),隨溫度降低(離爐頂距離越近),CO2濃度呈拋物線形增加;且在塊狀帶溫度一定的條件下,CIC氣化反應(yīng)起始溫度越低,塊狀帶中CO2濃度越小。在塊狀帶(煤氣流)溫度為777 ℃的條件下,裝入本研究制備的3種CIC,其塊狀帶CO2(體積分?jǐn)?shù))分別為68.69%、47.01%，9.26%。Ariyama等人模擬計(jì)算出裝入普通焦炭的高爐,在777 ℃的塊狀帶等溫面上CO2(體積分?jǐn)?shù))為70%左右[17]。與之相比,其塊狀帶(777 ℃)CO2體積分?jǐn)?shù)分別降低了1.31%，60.74%，22.99%。這一結(jié)果表明,隨CIC氣化反應(yīng)起始溫度的降低,塊狀帶(煤氣流)CO2濃度減小。盡管如此,本研究用神府煤-Ⅲ制備的CIC利用氣化反應(yīng)降低的CO2體積分?jǐn)?shù)僅為1.31%,它很難作為高反應(yīng)性的焦炭在高爐中達(dá)到節(jié)能的效果。這是由于此煤發(fā)熱值不同、巖相組成不同所決定，表明只有合適的煤種才能制備出高爐煉鐵使用的CIC。

4 結(jié)論

1) 含鐵型煤主要由C、灰分、Fe2O3等相組成,含鐵型焦主要由多孔、多形狀的C、0.05～1 μm的白色Fe顆粒(附著于多孔C表面)和0.5～20 μm的氣孔等相組成;且C—Fe原子之間緊密接觸。

2) 隨AMP含量的增加,CIC中的氣孔數(shù)量增加,尺寸從0.5增大到20 μm;附著于氣孔表面的Fe原子密度增大。

3) 當(dāng)AMP質(zhì)量分?jǐn)?shù)為38.2%時(shí),用神府低發(fā)熱值(e=18.81MJ/kg)煤(Ⅲ)制備CIC比無AMP制備的CIC之氣化反應(yīng)起始溫度降低60.2 ℃,其活化能也降低10.29 kJ/mol。

4) 隨煤發(fā)熱值的增大,CIC氣化反應(yīng)起始溫度降低,CIC氣化起始溫度的降幅值增加。用發(fā)熱值為18.81 MJ/kg的神府煤-Ⅲ制備的CIC,不適宜作為高爐中使用的高反應(yīng)性焦炭。

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(編輯：龐富祥)

Influence of Australian Miner Powder Content on the StartingTemperature of Gasification Reaction of the CarbonIron Composite made of Shenfu coal-Ⅲ

ZHANG Longlonga,LIU Jianguoa,WANG Shebina,b

(a.CollegeofMaterialsScienceandEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China;b.KeyLabratoryofInterfaceScienceandEngineeringinAdvancedMaterials,MinistryofEducation,Taiyuan030024,China)

CO2emission has negative effects on human survival and development.Shenfu coal-Ⅲ and Australian miner powder (AMP) were mixed to fabricate carbon iron composite (CIC) by hot pressing.Then the effects of AMP content on properties of CIC,such as microstructure,phase,and starting temperature of CIC gasification reaction,were investigated by XRD,SEM-EDS and DSC.The results show that the fraction of Fe atoms and pores in CIC increased with the increase of AMP content.Owing to the catalytic effect of Fe on CIC,the starting temperature of gasification reaction dropped from 936.5℃ to 876.3℃.

carbon iron composite;gasification reaction temperature;catalytic effect of iron;CO2concentration

1007-9432(2015)06-0644-07

2015-04-23

國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題資助：鐵礦粉含量對含鐵型焦氣化反應(yīng)起始溫度的影響(KF13-06)

張龍龍(1988-),女,山西朔州人，碩士,主要從事含鐵型焦基礎(chǔ)研究,(E-mail)zhanglonglong0207@163.com, (Tel)18334705015

王社斌,男,教授,主要從事冶金理論及應(yīng)用研究,(E-mail)shebinwang@163.com

TF52;TF51

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.06.003