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材料学院鲁雄刚教授团队在《International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials》上发表研究成果

创建时间:  2022年09月04日 11:07  樊建荣    浏览次数:


近日,材料学院鲁雄刚教授领导的“绿色冶金与先进制造”团队在《International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials》氢冶金专刊上发表了题为“Gasification of iron coke and cogasification behavior of iron coke and coke under simulated hydrogen-rich blast furnace condition”的文章,系统地研究了富氢条件下铁焦气化与铁焦与焦炭共气化行为,及铁焦对焦炭的保护机理。为氢冶金的应用提供了理论支撑。

为了早日实现“双碳”目标,氢冶金受到了越来越多的关注。氢冶金可以从根本上减少碳排放,并可提高矿石的还原速率。然而,目前高炉氢冶金也存在一些问题。氢气的加入会加剧炉料的低温还原粉化。随着还原气中氢气的增加,焦炭的熔损会加剧,强度下降。这是因为焦炭会和水蒸气发生气化反应等,且 H2O 对焦炭造成的熔损大于 CO2。所以如何提高焦炭的强度是氢冶金研究中要解决的问题。

铁焦在不同气氛下气化后的SEM照片(a) 40vol% H2O + 60vol% CO2 and (b) 100% CO2

在富氢混合气体中,铁焦气化后表面为小孔与裂纹;而在二氧化碳气氛中,铁焦表面为大而深的孔洞。

铁焦在不同气氛气化后的CRI与CSR (a) 40wt% H2O + 60wt% CO2 and (b) 100% CO2

随着铁矿粉含量的增加,制备的铁焦CRI增加,CSR降低。与纯CO2气氛相比,40vol%H2O+60vol%CO2气氛中铁焦的CRI较高,CSR较低

为此,鲁雄刚教授团队研究了铁焦在CO2和H2O(g)+ CO2气氛中的初始气化温度及其与焦炭的共气化反应机理。以焦煤和铁矿粉为主要原料,在实验室制备适用于富氢高炉气氛的铁焦。采用焦炭反应性(CRI)和反应后强度(CSR)测试了铁焦的性能,并通过SEM和XRD讨论了铁焦与焦炭气化过程中物相和形貌的演变。实验结果表明,在CO2和H2O(g)气氛下,随着铁矿粉含量的增加,铁焦的初始气化温度降低;在40vol%H2O+60vol%CO2气氛下,添加3wt%铁矿粉的铁焦CRI达到58.7%,CSR达到56.5%。焦炭在 CO2和 H2O 气氛中的初始气化温度分别为 839℃和 704℃,铁焦的初始气化温度随着铁矿石粉含量的增加而降低。由于CO2和 H2O的扩散方式的差异,H2O 倾向于在铁焦表面反应,形成铁焦表面裂纹。而 CO2则深入铁焦内部,形成大而深的孔洞。当铁焦和焦炭共气化时,随着铁焦添加量从 0 增加到 20%,焦炭的CSR 从 67.3%增加到 74.5%。而当铁焦添加量为 30%时,焦炭的 CSR 增加量减小。由于铁的催化作用,铁焦的反应能力大于焦炭,铁焦优先气化而导致CRI降低,铁焦和焦炭共气化时CSR增加。由于铁焦的反应性较高,铁焦更易于与 CO2及 H2O反应,从而减少了 CO2及 H2O 对焦炭的溶损,进而保护了焦炭。本文的研究成果将为高炉富氢冶金技术的研发提供理论支撑。

论文链接:https://doi.org/10.1007/s12613-022-2429-0







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