催化剂对焦炭反应性的影响及机理研究

焦炭的热反应性能准确反映焦炭在高炉内抗溶损反应的能力,也能反映焦炭作为料柱骨架,承担负荷的能力大小。因此减小焦炭的反应损耗,特别是改善焦炭的热态性能已经成为炼铁界格外关注的研究课题。但现在的研究主要集中在找出对焦炭具有正负催化作用的物质,而对催化的机理研究相对较少。本实验在比较了几种常见物质对焦炭正负催化效果的基础上,找出了对焦炭具有负催化作用的硼酸和正催化作用的氧化钙,并对其催化作用的机理进行了分析。本文的研究内容主要有以下几个方面:(1)硼酸对焦炭具有最好的负催化效果,随着硼酸浓度的增大,负催化作用效果也增大。当硼酸浓度为3%时,焦炭的反应性可以降低5.85%,在实验条件下,浸泡硼酸时间的长短对焦炭的催化效果影响很小。(2)氧化钙对焦炭具有正催化效果,但各浓度范围对焦炭反应性的影响不同,在浓度小于1%时,反应性随浓度的变化较明显,但当浓度由1%增加到5%时,反应性增加得很小,当浓度为1%时,实验条件下,浸泡时间对氧化钙的催化作用影较小。(3)焦炭与CO2的反应即包括表面反应,也包括内部反应。本论文根据不同的控制步骤推导出相应的速率方程,再根据热分析所得到的实验数据代入方程,推得在1100℃下,反应为内扩散控制。由所得到的方程和数据,推导出该过程的动力学参数,即扩散系数Dε=1.5×10-9m2/s。(4)以焦炭和CO2的反应为基础,分析了硼酸抑制焦炭与CO2反应的机理。硼酸通过与碳网最边缘的碳原子接触,硼酸中原子将首先取代碳网最边缘的碳原子,防止发生溶损反应;然后再取代碳网次边缘的碳原子,从而改善焦炭结构,增强焦炭强度;同时,硼酸将碳网边缘碳原子全部取代后,由于硼酸的电负性强,在焦炭表面形成电负性离子,阻碍了CO络合物的形成,减少了焦炭的碳溶损失。使溶损反应性不断下降。(5)当加入氧化钙时,CaO和焦炭表面的活性碳原子结合生成两种类型含氧中间产物,平面半醌型含氧络合物Cf(Ca·O)和非平面含氧络合物C(Ca·O)Cf(Ca·O),这两种络合物较易分解,从而加速了反应,起到了正催化的作最后,对研究内容进行了总结,本实验得出的数据,对高炉实际生产具有指导意义,也为进一步对焦炭溶损反应进行研究提供了理论基础。

催化剂; 溶损反应; 差热-热重分析; 机理;

陈雯;

O643.36

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