高炉散料层内半焦和低质焦炭气化和燃烧反应过程动力学的研究

Based on the background of highly efficient and reasonable use of domestic coal resources after the enlargement of blast furnaces, the research methods at home and abroad on the macrokinetics of combustion and gasification processes of semi-coke and inferior coke have been investigated. It has been found that the previous researches were mainly based on a single particle or a simulative single particle, thus the existing research methods couldn't fully tackling the complex situations in scattered-charge bed of blast furnace. Taking the unsteady gasification and combustion process of semi-coke and inferior coke in scattered-charge bed of blast furnace into account, a fundamental research project is proposed as follow: To rebuild a new model under different conditions so that the different processes of gaseous diffusion, convective mass transfer and chemical reaction in scattered-charge bed of blast furnace could be satisfied. The different sectional models are used to investigate the mechanism of the reaction process and to obtain the kinetic parameters of every part. During the previous investigation on macrokinetics mechanism of using CO to reduce a single sinter particle, it is found that the kinetic parameters obtained by the sectional models can tally better with the actual situations. Moreover, it is of well universality.According to different circumstances,the model build by means of sectional models could tally better with the actual situation.So,the sectional models were more suitable to study the macrokinetics of combustion and gasification processes of semi-coke and inferior coke in scattered-charge bed of blast furnace. The research methods of sectional models and the criterion of determining the rate-controlling step can be popularized to a more extensive the macrokinetics mechanism of gas-solid reaction.

以高炉大型化后高效、合理地应用国内煤炭资源为背景，全面的分析了国内外半焦和低质焦炭气化和燃烧过程动力学的研究方法，发现研究对象主要是以单一颗粒或拟单一颗粒的条件为基础的，这些方法不能充分反映出高炉散料层内的复杂情况。申请者针对高炉散料层内半焦和低质焦炭非稳态气化和燃烧反应过程提出了基础研究课题：按不同条件，建立满足高炉散料层内不同气体扩散、对流传质和化学反应的模型，用不同模型进行分段处理的新方法研究其机理，以得出各环节的动力学参数。申请者通过CO还原单一烧结矿颗粒反应过程动力学机理的前期研究，发现分段模型方法得到的反应过程动力学参数与实际更为吻合，且有较好的普适性。分段模型方法根据不同情况所建立的相应不同模型与实际情况更为接近，所以，更适合对高炉散料层半焦和低质焦炭气化和燃烧反应过程动力学的研究。分段模型的研究方法和确定反应过程控制环节的标准，可推广应用到更为广泛的气、固反应过程动力学中。

为我国高炉大型化后，高效、合理地应用国内外煤炭资源，对高炉内半焦和低质焦炭的反应过程进行了相关的基础研究。采用分段尝试法分别研究了在不同条件下，煤热解、焦油析出，半焦和低质焦炭气化，半焦燃烧，高炉内的含铁原料(烧结矿和球团矿)还原等反应过程动力学。通过对不同的分子扩散、对流传质和化学反应模型的尝试，分别确定了各反应过程动力学中化学反应控速区间的反应速度常数和扩散过程控速的传质系数，给出不同控制环节中活化能随温度变化的关系式，为合理使用半焦提供可靠的依据。分段尝试法定量给出了反应过程中不同控制环节的时间转换点，可在模拟反应过程时准确地应用到不同的控速环节。.根据在非等温条件下，由热重分析法测定煤粉热解试验结果，采用分段尝试法确定了其热解反应初期为一级界面化学反应控速，中期为生成物固体体积不变的内扩散控速，后期为生成物固体体积收缩的内扩散控速，进而得到了相应的动力学参数。此外，采用吊式高温炉对大颗粒煤也进行了热解试验，并用分段尝试法求得了相应的动力学参数。.考虑到煤在高温焦油析出过程要从室温非稳态升温到所要求温度，而之后在要求的温度下进行恒温干馏。由分段尝试法确定出煤在高温下焦油析出前期为一个逐渐缩小的未反应核非稳态扩散过程，中期为多颗粒的一级球状化学反应过程，后期为分子扩散的反Jander扩散过程。.对不同比例半焦粉和煤粉燃烧过程，同样进行了相关的实验室研究，对其结果也都采用了分段尝试法确定了各自的相关动力学参数，根据其活化能变化提出了高炉喷吹煤粉添加适宜半焦的比例。采用分段尝试法研究了半焦和低质焦炭在不同条件下的气化反应过程动力学，为合理使用半焦提供依据。.由烧结矿和球团矿的还原反应的试验，对比了分段尝试法和冶金物理化学研究反应过程动力学所得动力学参数的差别，可以确定分段尝试法是一种研究反应过程动力学全新方法，它可作为冶金反应工程学中独立研究反应过程动力学的方法，进而完善冶金反应工程学自身的体系。