提高焦炭熱反應(yīng)準(zhǔn)確率分析方法研究

李 海，王存月

（天津天鋼聯(lián)合特鋼有限公司，天津 301500）

目前，焦炭被人類廣泛的使用，需求呈現(xiàn)逐年上升的趨勢(shì)，不管是普通家庭用戶，還是工礦企業(yè)，焦炭始終在人們的生產(chǎn)活動(dòng)中扮演著非常重要的角色并發(fā)揮重要的作用。在工業(yè)生產(chǎn)中，焦炭是一種材料，一能提供能量的源頭材料，同時(shí)，焦炭在相應(yīng)的化學(xué)變化中還被當(dāng)做還原劑使用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家在研究焦炭的屬性是發(fā)現(xiàn)，焦炭的熱反應(yīng)性與焦炭的熱反應(yīng)強(qiáng)度之間存在反比例關(guān)系，即熱反應(yīng)強(qiáng)度越低，熱反應(yīng)性反而越高。

1 焦炭的化學(xué)成分

從物質(zhì)的組成角度，用化學(xué)和物理方法分析研究，焦炭由非常復(fù)雜的化學(xué)成分組成，經(jīng)過科學(xué)家的歸納總結(jié)，將這些復(fù)雜的化學(xué)成分分為兩個(gè)大的類別，其中之一是有機(jī)物，另外的部分是無機(jī)物?？茖W(xué)家通過定量分析，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，有機(jī)物是組成焦炭的主要成分，大概占到焦炭組成物的80%以上，無機(jī)物是組成焦炭的次要成分，約占焦炭組成物的20%左右，無機(jī)物主要指的是礦物質(zhì)及微量元素。針對(duì)組成焦炭的有機(jī)物試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，有機(jī)物中最多的成分是碳，碳也是焦炭可以燃燒產(chǎn)生能量的主要因素。因此對(duì)碳進(jìn)行詳細(xì)研究，從定性的組成及定量的成分比例兩個(gè)方向研究，首先明確了組成碳的化學(xué)元素，分別是C、H、O、N、P、S；再次初步明確了各化學(xué)元素占碳組成元素的比例，C 81%～86%，H 1.0%～1.3%，O 0.3%～0.8%， N 0.4%～0.8%，S 0.8%～1.1%，P 0.02%～0.30%。從工業(yè)生產(chǎn)的角度，工程師們對(duì)焦炭的組成成分進(jìn)行了大概分類，主要包括水分，灰分，揮發(fā)分，固定碳，通過定量研究，固定碳約占81%～86%，揮發(fā)分約占2%～7%，灰分約占11%～19%，水分約占2%～6%。焦炭是否成熟，主要參考可燃基揮發(fā)分，當(dāng)焦炭可燃基揮發(fā)分為0.7%～1.2%時(shí)，標(biāo)志焦炭成熟[1]。

2 影響焦炭熱反應(yīng)性的因素

從工業(yè)實(shí)踐中得出經(jīng)驗(yàn)，工業(yè)原料中焦煤的性質(zhì)和冶煉焦炭過程所采用的技術(shù)條件和參數(shù)，是影響焦炭熱反應(yīng)性的主要因素。冶煉焦炭的參數(shù)和技術(shù)條件：增加焦煤反應(yīng)容器里裝進(jìn)的焦煤比重8.2，使得焦煤反應(yīng)容器冶煉時(shí)溫度高于1100攝氏度以上，加強(qiáng)焦煤反應(yīng)容器里的壓強(qiáng)，采用這些措施的目的是使焦炭更多的吸收空氣中的氧氣，增加焦炭與氧氣的接觸面積，讓焦炭被氧氣充分填滿，最終實(shí)現(xiàn)增加焦炭密度至500kg/m3，從而降低了焦炭熱反應(yīng)性。另外，以上這些措施條件也起到充當(dāng)化學(xué)催化劑的作用，可以加快焦炭的化學(xué)反應(yīng)。工業(yè)原料之中焦炭的性質(zhì)：一定質(zhì)量的焦煤在冶煉的過程中，反應(yīng)性較低，當(dāng)焦煤的量增加時(shí)，冶煉過程中的焦炭會(huì)產(chǎn)生異性組織，這個(gè)組織能明顯的降低焦炭的熱反應(yīng)性，使得焦炭化學(xué)反應(yīng)時(shí)間明顯變長，一般實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，化學(xué)反應(yīng)時(shí)長增值2倍。此外，焦炭和空氣中的二氧化碳的化學(xué)反應(yīng)，需要催化劑，而焦炭燃燒后的產(chǎn)物灰分很好的提供了所需的催化劑[2,3]。

3 試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)原理

通過破碎設(shè)備篩碎焦炭，選取23mm～25mm形狀為圓形的焦炭，用托盤稱取質(zhì)量200g的焦炭粒，放入焦炭反應(yīng)容器內(nèi)，使溫度保持在1095攝氏度到1105攝氏度之間，同時(shí)，通入反應(yīng)容器的二氧化碳流量應(yīng)恒定在5L/min，經(jīng)過2個(gè)小時(shí)的焦炭化學(xué)反應(yīng)，然后出爐冷卻，通過焦炭化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量損失百分?jǐn)?shù)來反應(yīng)焦炭反應(yīng)性（CRI%），通過大于10mm 粒級(jí)焦炭質(zhì)量占反應(yīng)后焦炭質(zhì)量百分?jǐn)?shù)反應(yīng)焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度(CSR%)。

3.2 提高焦炭熱態(tài)強(qiáng)度準(zhǔn)確性分析

1.制樣工藝改進(jìn)前后焦炭熱態(tài)強(qiáng)度準(zhǔn)確性分析

在改進(jìn)工藝之前，制樣是通過大顎式破碎機(jī)粉碎焦炭，人工按照23mm～25mm規(guī)格篩選樣品，同時(shí)進(jìn)行手工修樣，樣品主要呈現(xiàn)塊狀樣品。工藝通過改進(jìn)之后，制樣依靠焦炭制球機(jī)和磨球機(jī)，自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)球樣制樣。制得的樣品比對(duì)如下圖1。

圖1 工藝改進(jìn)后樣品對(duì)比圖

通過對(duì)改進(jìn)工藝前后的樣品進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)：前工藝制的樣品粗糙，形狀不規(guī)則，大小不統(tǒng)一，樣品互換性較差。后工藝樣品大小均勻，形狀統(tǒng)一為球狀，而且機(jī)械自動(dòng)化修選樣效率和精確度高。更重要的，后工藝制得的樣品合格率由原來的50%提升到了98%。

3.3 反應(yīng)溫度對(duì)焦炭熱態(tài)強(qiáng)度的影響

溫度是化學(xué)反應(yīng)中的一個(gè)重要因素，同樣，在焦炭的化學(xué)反應(yīng)中，溫度直接影響著焦炭熱態(tài)強(qiáng)度，也影響著焦炭反應(yīng)性，試驗(yàn)數(shù)據(jù)反應(yīng)，溫度每變化2攝氏度，焦炭熱態(tài)強(qiáng)度變化1%左右，焦炭反應(yīng)性變化0.8%左右，而且，焦炭熱態(tài)強(qiáng)度與溫度成反比，溫度越高，焦炭熱態(tài)強(qiáng)度越低。

3.4 恒溫區(qū)控溫精度試驗(yàn)研究

國標(biāo)對(duì)高溫下化學(xué)反應(yīng)容器的恒溫區(qū)域規(guī)格及精度有所規(guī)定，其中，恒溫區(qū)域的長度要求大于100 mm，溫差不超過正負(fù)5攝氏度。所以，對(duì)反應(yīng)容器恒溫區(qū)域的溫度控制非常關(guān)鍵，溫度變化越小，溫控精度越高，焦炭熱態(tài)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果就越準(zhǔn)確。因此，選擇合適的反應(yīng)容器就顯得非常重要，能對(duì)選擇的反應(yīng)容器進(jìn)行改進(jìn)，就更有利于試驗(yàn)。原有反應(yīng)容器的加熱方式為單一的獨(dú)段加熱控溫，通過對(duì)反應(yīng)容器加熱裝置進(jìn)行改進(jìn)，使其變更為三段加熱控溫，同時(shí)增加配置三個(gè)熱電偶，并使電偶末端對(duì)應(yīng)的固定在恒溫區(qū)域的上中下三點(diǎn)。

通過以上改進(jìn)，反應(yīng)容器的溫差較小，使得控溫精度明顯提高，溫差不超過正負(fù)3攝氏度，嚴(yán)格控制在國標(biāo)要求范圍內(nèi)，甚至比國標(biāo)要求還要更加嚴(yán)格。

3.5 焦炭控樣的制備及準(zhǔn)確度試驗(yàn)分析

經(jīng)過制樣工藝和恒溫區(qū)域控制兩個(gè)方向的分析研究，目的是提高焦炭熱態(tài)強(qiáng)度的精確度，從而減少一定的重復(fù)性偏差，在試驗(yàn)過程中，研究人員發(fā)現(xiàn)，加熱控溫裝置壽命即將到期或更換新加熱裝置時(shí)，恒溫區(qū)會(huì)出現(xiàn)溫度過高又或者溫度過低的不穩(wěn)定現(xiàn)象，從而導(dǎo)致關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)異常的波動(dòng)，目前這種現(xiàn)象比較難以控制，原因是一般企業(yè)沒有配備檢定測(cè)溫裝置，不能實(shí)時(shí)對(duì)反應(yīng)容器加熱裝置進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)。為了改善以上不穩(wěn)定現(xiàn)象對(duì)控溫精度的影響，研究人員自行研制了焦炭熱反應(yīng)控樣，當(dāng)異?，F(xiàn)象發(fā)生時(shí)，可以通過控樣對(duì)設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行校準(zhǔn)，從而確保反應(yīng)容器在同等的試驗(yàn)條件下進(jìn)行試驗(yàn)分析。通過控樣監(jiān)控的化學(xué)反應(yīng)裝置運(yùn)行狀態(tài)非常穩(wěn)定，不管是更換裝置還是發(fā)生異常現(xiàn)象，反應(yīng)裝置都在同一狀態(tài)下平穩(wěn)運(yùn)行。

通過以上分析研究，從焦炭樣品的制作工藝、化學(xué)反應(yīng)裝置等過程的優(yōu)化改進(jìn)及對(duì)反應(yīng)溫度和準(zhǔn)確性的討論，得知4結(jié)論

（1）使用改進(jìn)前的制樣工藝制樣，制樣的合格率是50%；使用改進(jìn)后的制樣工藝制樣，制樣合格率為98%，制樣合格率增長48個(gè)百分點(diǎn)。

（2）焦炭熱態(tài)強(qiáng)度與溫度成反比，溫度越高，焦炭熱態(tài)強(qiáng)度越低，溫度每變化2攝氏度，焦炭熱態(tài)強(qiáng)度變化1%左右，焦炭反應(yīng)性變化0.8%左右。

（3）通過將加熱方式為單一的獨(dú)段加熱控溫改為三段加熱控溫，以提高反應(yīng)裝置恒溫區(qū)的溫控精度，改進(jìn)前，溫差不超過正負(fù)5攝氏度，改進(jìn)后，溫差不超過正負(fù)3攝氏度，個(gè)別試驗(yàn)區(qū)域甚至不超過正負(fù)2攝氏度。

（4）當(dāng)異?，F(xiàn)象發(fā)生時(shí)，可以通過控樣對(duì)設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行校準(zhǔn)，從而確保反應(yīng)容器在同等的試驗(yàn)條件下進(jìn)行試驗(yàn)分析。通過控樣監(jiān)控的化學(xué)反應(yīng)裝置運(yùn)行狀態(tài)非常穩(wěn)定，不管是更換裝置還是發(fā)生異?，F(xiàn)象，反應(yīng)裝置都在同一狀態(tài)下平穩(wěn)運(yùn)行。