近日，材料学院鲁雄刚教授领导的“绿色冶金与先进制造”团队在《International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials》氢冶金专刊上发表了题为“Gasification of iron coke and cogasification behavior of iron coke and coke under simulated hydrogen-rich blast furnace condition”的文章，系统地研究了富氢条件下铁焦气化与铁焦与焦炭共气化行为，及铁焦对焦炭的保护机理。为氢冶金的应用提供了理论支撑。

为了早日实现“双碳”目标，氢冶金受到了越来越多的关注。氢冶金可以从根本上减少碳排放，并可提高矿石的还原速率。然而，目前高炉氢冶金也存在一些问题。氢气的加入会加剧炉料的低温还原粉化。随着还原气中氢气的增加，焦炭的熔损会加剧，强度下降。这是因为焦炭会和水蒸气发生气化反应等，且 H₂O 对焦炭造成的熔损大于 CO₂。所以如何提高焦炭的强度是氢冶金研究中要解决的问题。

铁焦在不同气氛下气化后的SEM照片(a) 40vol% H₂O + 60vol% CO₂ and (b) 100% CO₂

在富氢混合气体中，铁焦气化后表面为小孔与裂纹；而在二氧化碳气氛中，铁焦表面为大而深的孔洞。

铁焦在不同气氛气化后的CRI与CSR (a) 40wt% H₂O + 60wt% CO₂ and (b) 100% CO₂

随着铁矿粉含量的增加，制备的铁焦CRI增加，CSR降低。与纯CO₂气氛相比，40vol%H₂O+60vol%CO₂气氛中铁焦的CRI较高，CSR较低

为此，鲁雄刚教授团队研究了铁焦在CO₂和H₂O(g)+ CO₂气氛中的初始气化温度及其与焦炭的共气化反应机理。以焦煤和铁矿粉为主要原料，在实验室制备适用于富氢高炉气氛的铁焦。采用焦炭反应性(CRI)和反应后强度(CSR)测试了铁焦的性能，并通过SEM和XRD讨论了铁焦与焦炭气化过程中物相和形貌的演变。实验结果表明，在CO₂和H₂O(g)气氛下，随着铁矿粉含量的增加，铁焦的初始气化温度降低；在40vol%H₂O+60vol%CO₂气氛下，添加3wt%铁矿粉的铁焦CRI达到58.7%，CSR达到56.5%。焦炭在 CO₂和 H₂O 气氛中的初始气化温度分别为 839℃和 704℃，铁焦的初始气化温度随着铁矿石粉含量的增加而降低。由于CO₂和 H₂O的扩散方式的差异，H₂O 倾向于在铁焦表面反应，形成铁焦表面裂纹。而 CO₂则深入铁焦内部，形成大而深的孔洞。当铁焦和焦炭共气化时，随着铁焦添加量从 0 增加到 20%，焦炭的CSR 从 67.3%增加到 74.5%。而当铁焦添加量为 30%时，焦炭的 CSR 增加量减小。由于铁的催化作用，铁焦的反应能力大于焦炭，铁焦优先气化而导致CRI降低，铁焦和焦炭共气化时CSR增加。由于铁焦的反应性较高，铁焦更易于与 CO₂及 H₂O反应，从而减少了 CO₂及 H₂O 对焦炭的溶损，进而保护了焦炭。本文的研究成果将为高炉富氢冶金技术的研发提供理论支撑。

论文链接：https://doi.org/10.1007/s12613-022-2429-0