近日🐜，材料學院魯雄剛教授領導的“綠色冶金與先進製造”團隊在《International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials》氫冶金專刊上發表了題為“Gasification of iron coke and cogasification behavior of iron coke and coke under simulated hydrogen-rich blast furnace condition”的文章🌹🍅，系統地研究了富氫條件下鐵焦氣化與鐵焦與焦炭共氣化行為，及鐵焦對焦炭的保護機理。為氫冶金的應用提供了理論支撐😉。

為了早日實現“雙碳”目標👴，氫冶金受到了越來越多的關註。氫冶金可以從根本上減少碳排放，並可提高礦石的還原速率。然而❔，目前高爐氫冶金也存在一些問題。氫氣的加入會加劇爐料的低溫還原粉化。隨著還原氣中氫氣的增加，焦炭的熔損會加劇，強度下降。這是因為焦炭會和水蒸氣發生氣化反應等，且 H₂O 對焦炭造成的熔損大於 CO₂。所以如何提高焦炭的強度是氫冶金研究中要解決的問題👝🚴‍♀️。

鐵焦在不同氣氛下氣化後的SEM照片(a) 40vol% H₂O + 60vol% CO₂and (b) 100% CO₂

在富氫混合氣體中🤲🏼💓，鐵焦氣化後表面為小孔與裂紋；而在二氧化碳氣氛中，鐵焦表面為大而深的孔洞。

鐵焦在不同氣氛氣化後的CRI與CSR (a) 40wt% H₂O + 60wt% CO₂and (b) 100% CO₂

隨著鐵礦粉含量的增加🥌，製備的鐵焦CRI增加♠️𓀁，CSR降低🖲🤹🏻‍♂️。與純CO₂氣氛相比🤷🏿‍♀️，40vol%H₂O+60vol%CO₂氣氛中鐵焦的CRI較高，CSR較低

為此⛩，魯雄剛教授團隊研究了鐵焦在CO₂和H₂O(g)+ CO₂氣氛中的初始氣化溫度及其與焦炭的共氣化反應機理🦋。以焦煤和鐵礦粉為主要原料，在實驗室製備適用於富氫高爐氣氛的鐵焦。采用焦炭反應性(CRI)和反應後強度(CSR)測試了鐵焦的性能🤾，並通過SEM和XRD討論了鐵焦與焦炭氣化過程中物相和形貌的演變🚳。實驗結果表明🔰，在CO₂和H₂O(g)氣氛下，隨著鐵礦粉含量的增加，鐵焦的初始氣化溫度降低；在40vol%H₂O+60vol%CO₂氣氛下👵🏻，添加3wt%鐵礦粉的鐵焦CRI達到58.7%，CSR達到56.5%👆🏿。焦炭在 CO₂和 H₂O 氣氛中的初始氣化溫度分別為 839℃和 704℃，鐵焦的初始氣化溫度隨著鐵礦石粉含量的增加而降低。由於CO₂和 H₂O的擴散方式的差異🐛，H₂O 傾向於在鐵焦表面反應，形成鐵焦表面裂紋🥧。而 CO₂則深入鐵焦內部👫，形成大而深的孔洞。當鐵焦和焦炭共氣化時，隨著鐵焦添加量從 0 增加到 20%🤽，焦炭的CSR 從 67.3%增加到 74.5%。而當鐵焦添加量為 30%時🖐🏻，焦炭的 CSR 增加量減小🤬。由於鐵的催化作用，鐵焦的反應能力大於焦炭，鐵焦優先氣化而導致CRI降低▶️，鐵焦和焦炭共氣化時CSR增加👩‍💼。由於鐵焦的反應性較高，鐵焦更易於與 CO₂及 H₂O反應👎🏼，從而減少了 CO₂及 H₂O 對焦炭的溶損🗾，進而保護了焦炭。本文的研究成果將為高爐富氫冶金技術的研發提供理論支撐💹🦽。

論文鏈接：https://doi.org/10.1007/s12613-022-2429-0