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催化剂对焦炭反应性的影响及机理研究

作　者: 耿家锐
导　师: 陈雯
学　校: 昆明理工大学
专　业: 冶金物理化学
关键词: 催化剂溶损反应差热-热重分析机理
分类号: O643.36
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
第一章文献综述  10-20
  1.1 引言  10
  1.2 焦炭的性质  10-12
    1.2.1 焦炭的组成  11
    1.2.2 焦炭的物理性质  11-12
    1.2.3 焦炭实用价值指标  12
  1.3 我国焦炭生产现状  12-14
    1.3.1 产量分析  12-13
    1.3.2 产能分析  13-14
  1.4 国内外焦炭质量比较  14-15
    1.4.1 主要质量指标比较  14-15
    1.4.2 焦炭实际质量  15
  1.5 焦炭在高炉各部分的行为  15-16
    1.5.1 焦炭在块状带的行为  15
    1.5.2 焦炭在软熔带的行为  15
    1.5.3 焦炭在滴落带的行为  15-16
    1.5.4 焦炭在风口回旋区的行为  16
  1.6 焦炭在高炉中的反应  16-18
    1.6.1 低温时的反应  16-17
    1.6.2 间接还原反应  17
    1.6.3 直接还原反应  17
    1.6.4 焦炭在高炉中的其它反应  17-18
  1.7 冶金焦炭在高炉中的劣化过程和劣化因素  18-20
    1.7.1 焦炭在高炉中的劣化过程  18
    1.7.2 焦炭在高炉中的劣化因素  18-20
第二章焦炭热反应性  20-30
  2.1 焦炭反应性和反应后强度的关系研究  20
  2.2 高炉焦炭溶损反应  20-21
  2.3 焦炭热反应性的影响因素  21-23
    2.3.1 煤化程度的影响  21
    2.3.2 煤中灰分的影响  21-22
    2.3.3 焦炭微观结构的影响  22-23
  2.4 焦炭溶损反应的相关理论  23-24
    2.4.1 气-固相反应的动力学  23
    2.4.2 气体在多孔介质中的扩散  23-24
  2.5 焦炭溶损反应的基本过程  24-25
  2.6 焦碳溶损反应的催化效应与负催化作用  25
  2.7 焦炭质量研究的最新进展  25-26
  2.8 课题提出的背景和意义  26-30
    2.8.1 课题背景  26-27
    2.8.2 课题意义  27-30
第三章焦炭反应性影响试验  30-40
  3.1 本实验所用焦炭的性质  30-31
    3.1.1 焦炭的工业分析  30
    3.1.2 焦炭气孔率及视密度的测定  30-31
  3.2 焦炭反应性实验方法  31-33
    3.2.1 试样的制备  31
    3.2.2 试验设备  31-32
    3.2.3 试验程序  32-33
    3.2.4 试验结果计算  33
  3.3 石墨对焦炭反应性的影响  33-34
  3.4 其它几种物质对焦炭反应性的影响  34-36
    3.4.1 实验结果分析  34-36
  3.5 浸泡时间对焦炭反应性的影响  36-38
    3.5.1 试样的制取  36
    3.5.2 实验结果及讨论  36-38
  3.6 不同浓度的硼酸及氧化钙对焦炭反应性的影响  38-40
    3.6.1 不同浓度的硼酸对焦炭反应性的影响  38-39
    3.6.2 不同浓度的氧化钙对焦炭反应性的影响  39-40
第四章焦炭气化反应动力学研究  40-54
  4.1 焦炭差热-热重分析  40-44
    4.1.1 差热-热重分析的基本原理  40-41
    4.1.2 差热-热重分析图  41-42
    4.1.3 各试样在CO_2气氛下热分析结果  42-44
  4.2 焦碳与CO_2反应的宏观机理  44-46
  4.3 焦炭气化反应过程分析  46-49
    4.3.1 气化反应速率公式的推导  46-49
  4.4 焦炭气化反应动力学分析  49-50
    4.4.1 界面化学反应控制时  49
    4.4.2 内扩散控制时  49
    4.4.3 外扩散控制时  49-50
    4.4.4 混合控制时  50
  4.5 实验温度下,焦炭气化反应动力学分析  50-51
  4.6 动力学参数的计算  51-54
第五章硼酸及氧化钙对焦碳溶损反应机理研究  54-64
  5.1 硼酸抑制焦碳溶损反应动力学研究  54-56
  5.2 硼酸对焦炭作用机理研究  56-59
    5.2.1 硼酸的物理作用  56-57
    5.2.2 硼酸抑制焦炭溶损反应的化学作用  57-59
  5.3 氧化钙对焦炭溶损反应机理  59-64
    5.3.1 CaO对焦炭催化机理  60-64
第六章结论  64-66
致谢  66-68
参考文献  68-70
附录A  70

催化剂对焦炭反应性的影响及机理研究

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