鋅對(duì)焦炭溶損反應(yīng)的催化機(jī)理研究.pdf

1、焦炭在高爐冶煉過(guò)程中起著發(fā)熱劑、還原劑、滲碳劑和料柱骨架等作用，是高爐生產(chǎn)無(wú)法替代的核心燃料。焦炭在高爐行程中由于機(jī)械破壞、熱應(yīng)力、溶損反應(yīng)和渣鐵侵蝕等其強(qiáng)度和粒度都在下降，且焦炭溶損反應(yīng)是導(dǎo)致其在高爐中下部碎裂和粉化的主要原因。鋅在高爐內(nèi)的循環(huán)富集及對(duì)高爐焦炭的危害已逐步得到證實(shí)，但其對(duì)焦炭熱態(tài)性能劣化的作用機(jī)制尚不明確。本文采用液相吸附法研究鋅在高溫下對(duì)焦炭溶損反應(yīng)的影響機(jī)理，通過(guò)主曲線擬合法探究鋅對(duì)焦炭氣化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型及參數(shù)的影

2、響規(guī)律，并結(jié)合XRD、BET、掃描電子顯微鏡和光學(xué)顯微鏡多維度分析了富鋅反應(yīng)后焦炭微晶結(jié)構(gòu)、孔結(jié)構(gòu)、顯微結(jié)構(gòu)和光學(xué)組織的演變特征。研究?jī)?nèi)容主要有以下幾個(gè)結(jié)論:
　　首先，焦炭反應(yīng)性研究發(fā)現(xiàn)鋅吸附于焦炭上對(duì)焦炭的氣化反應(yīng)具有催化作用，但不同溫度下催化效果差異較大。采用多濃度梯度定量解析富鋅量和催化作用的相關(guān)性，結(jié)果表明隨著鋅吸附量增多，催化作用加強(qiáng)，但加強(qiáng)的幅度會(huì)減小，且在Zn吸附量達(dá)到1.17％后，反應(yīng)性隨鋅量的增加而增加的趨勢(shì)并

3、不明顯，焦炭的催化作用可能存在極限值。
　　其次，采用非等溫方法研究了鋅對(duì)焦炭氣化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響規(guī)律。結(jié)果表明對(duì)于在不同升溫速率下的反應(yīng)，鋅對(duì)焦炭氣化反應(yīng)的影響規(guī)律一致，即隨著富鋅量的增加，焦炭氣化反應(yīng)逐漸向低溫區(qū)移動(dòng)，氣化反應(yīng)的劇烈程度增加，氣化反應(yīng)時(shí)間提前。采用主曲線擬合法分析了吸附鋅前后焦炭氣化反應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理函數(shù)，結(jié)果表明富鋅后焦炭氣化反應(yīng)過(guò)程滿(mǎn)足核收縮模型，并采用等轉(zhuǎn)化率法驗(yàn)證了曲線擬合法選用機(jī)理函數(shù)的準(zhǔn)確性。通過(guò)模型擬

4、合方法得到的動(dòng)力學(xué)參數(shù)發(fā)現(xiàn)，隨著鋅吸附量的增多，焦炭的表觀活化能明顯降低，但指前因子也逐漸減小，表明在鋅對(duì)焦炭氣化反應(yīng)催化中存在著動(dòng)力學(xué)補(bǔ)償效應(yīng)。
　　再次，本文從多個(gè)維度探究鋅對(duì)焦炭溶損反應(yīng)的作用機(jī)制，研究發(fā)現(xiàn)鋅對(duì)焦炭溶損反應(yīng)催化作用的本質(zhì)是鋅對(duì)焦炭碳結(jié)構(gòu)的催化具有選擇性，使原本反應(yīng)活性較低的各向異性的反應(yīng)性增大。與此同時(shí)，碳基質(zhì)的加速消耗使得焦炭微孔中大量的封閉孔被打開(kāi)，孔壁的坍塌使得部分微孔合并連通，從而為鋅蒸汽、CO2向焦

5、炭?jī)?nèi)部的擴(kuò)散和碳基質(zhì)與CO2的接觸提供有利條件，反應(yīng)被進(jìn)一步加劇。并且更為劇烈的宏觀孔連通使得焦炭孔壁變薄，孔徑不均勻度增大，焦炭?jī)?nèi)部猶如一個(gè)超級(jí)貫穿孔，形成較多裂紋和蜂窩狀洞室，焦炭強(qiáng)度大幅降低。
　　最后，鋅的催化機(jī)理可用電子循環(huán)接受理論來(lái)解釋?zhuān)彝ㄟ^(guò)Materials studio軟件的計(jì)算證明了電子循環(huán)接受理論在鋅對(duì)焦炭氣化反應(yīng)催化的適用性，即鋅對(duì)焦炭溶損反應(yīng)的催化作用主要?dú)w因于鋅促進(jìn)了電子的轉(zhuǎn)移，加速了酮基的分解。此外，