焦炭中的矿物质在碳素溶损反应中的催化机理研究

焦炭在高炉内的碳素溶损反应是其强度下降的主要因素之一，矿物质对焦炭的溶损反应具有明显的催化作用，焦炭中的矿物质主要来自于炼焦用煤，这些矿物质在炼焦和高炉环境的高温作用下所发生的结构和性质的变化将直接关系到焦炭的微观结构和碳素溶损反应程度，因此，研究焦炭中矿物结构的变化及其与碳的结合方式，以及煤中矿物质在成焦过程中对焦炭微晶结构、气孔壁光学组织、气孔结构的影响，对深入了解矿物质在焦炭碳素溶损反应中的催化作用机理具有重要意义。本课题旨在通过焦炭中不同矿物质的晶态结构以及与碳的结合状态研究，探讨矿物质对焦炭溶损反应的催化作用机理及其规律，在此基础上，考察不同矿物质在不同温度下的晶型变化规律，构建焦炭中的矿物质与碳结合的结构模型，用以指导配煤炼焦或对焦炭进行后续处理（如钝化），为生产出具有一定抗溶损反应能力的适合高炉冶炼要求的焦炭提供理论依据。

矿物质在炼焦过程的中间相形成、长大、融并、固化成焦炭的过程中，加大了中间相层片间的交联，妨碍各向异性碳的生成，影响焦炭的微观结构，进而从结构上影响焦炭的反应性能。本课题以不同变质程度的气煤、肥煤、焦煤、1/3焦煤以及这些单种煤焦炭、添加和吸附不同矿物质的单种煤焦炭、不同温度加热处理后的气煤固体产物为原料，采用低温灰化仪、X荧光、FTIR、XRD、SEM、EDS、XPS、QEMSCAN（650FEG）、光学显微镜、粒焦反应性测定仪、焦炭高温连续热失重测定仪、显微强度和结构强度仪等对煤、焦中的矿物种类和结构、以及焦炭光学显微组织、气孔结构、微观强度、粒焦反应性和微晶结构等进行了研究。结果表明，.（1）实验所用的气煤、肥煤、焦煤、1/3焦煤、瘦煤中的主要矿物质有粘土、石英、赤铁矿和二氧化钛等，含量较高的矿物质元素主要为Si、Al、Fe、Ca、Ti，而K、Na、P、Mg、Sr、Zn含量较少，Ga 、Y、Ba等元素在一些煤样中含量极少，这些矿物质在炼焦过程中均发生了晶态的变化，其中高岭石和伊利石由非晶相转化为晶相的莫来石，石英变化较小，方解石转化为氧化钙，黄铁矿转化为赤铁矿，而铁板钛矿未发生明显变化；且煤中矿物质在焦炭中呈聚集状态分布。.（2）外加矿物质使焦炭表面气孔变大，表面变“粗糙”，焦炭质量变差，焦炭微晶高度Lc变小、微晶的层间距d002增大、微晶层片直径La增大；焦炭（I+Mf+FF）增大、OTI值减小；FeCl3和 H3BO3对JM和1/3JM的影响比较明显，而CaCl2则对FM的影响比较大；H3BO3起负催化作用，NaCl、FeCl3、AlCl3和CaCl2起正催化作用。.（3）焦炭本征反应动力学模拟计算结果与实验数据吻合，采用均相模型，在添加和不添加碳酸钠催化剂下，反应活化能分别为92.74和101.39 kJ•mol-1；采用缩合模型，其对应的活化能为53.74和59.58 kJ•mol-1。.本课题的科学意义在于：（1）在进行炼焦配煤时，要尽量少用高灰分及黄铁矿和钙质含量高的煤，且炼焦煤细粒化、均匀化，以改善矿物质在焦炭中的分散性，减少焦炭裂纹。（2）对于反应性比较高的焦炭，可以通过喷洒硼酸溶液来降低其反应性，提高焦炭的热态性能。（3）开发了一种适用于复杂反应动力学的混合遗传算法。