對焦炭熱性能影響因素的分析

關(guān)鍵詞：焦炭熱性能;影響因素;對策分析

0 引言

對于原料、煉焦溫度、堿金屬以及焦炭結(jié)構(gòu)等對焦炭熱性能均存在著不同程度的影響，根據(jù)具體分析，應(yīng)在適宜溫度和適量堿金屬含量的條件下，選擇煤變程度適中、灰分含量較低的煤[1]。

1 原料對焦炭熱性能的影響

1.1 煤變程度

煤按變質(zhì)程度由低到高可分為泥炭、褐煤、煙煤和無煙煤，其物理特征、化學(xué)組成和工藝性能等均有不同的呈現(xiàn)狀態(tài)。通過研究坩堝焦熱性能和揮發(fā)分與坩堝焦CRI值的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，煤鏡質(zhì)組的平均最大反射率與揮發(fā)分含量的增大使得坩堝焦的CRI值呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，即其反應(yīng)性可在某點(diǎn)取得最小值，此時(shí)焦炭的熱性能較好。對我廠焦炭反應(yīng)性、反應(yīng)后強(qiáng)度和配煤質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行了試驗(yàn)分析，結(jié)果表明，在配煤揮發(fā)分小于27%時(shí)，焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度都處在小于65%的較低水平，焦炭反應(yīng)性大于28%;在揮發(fā)分大于29%時(shí)，焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度基本處于大于65%的范圍內(nèi)，焦炭反應(yīng)性小于26%。由此可見，若使焦炭的反應(yīng)性較低、反應(yīng)后強(qiáng)度較高、熱性能最佳，應(yīng)把配煤揮發(fā)分控制在27%～29%。

1.2 灰分

煤中包含有一定的無機(jī)鹽和氧化物等無機(jī)礦物質(zhì)成分，這些經(jīng)過高溫處理后因不能燃燒而殘留下來的礦物質(zhì)被稱為灰分。焦炭的反應(yīng)性隨原料中灰分含量的增加而有所升高，并且當(dāng)灰分含量處在8.5%～9.5%時(shí)焦炭的反應(yīng)性處于較好水平。

2 煉焦溫度對焦炭熱性能的影響

在高溫下，焦炭和CO2之間的反應(yīng)是氣固相反應(yīng)，其反應(yīng)速率取決于化學(xué)反應(yīng)速率和氣體擴(kuò)散速率。反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型如下：碳（s）+二氧化碳（g）→二氧化碳（g）氣體通過氣相邊界層擴(kuò)散到固體焦炭表面，或通過反應(yīng)物外圍的灰層擴(kuò)散到反應(yīng)界面，在反應(yīng)界面發(fā)生氣固反應(yīng)。反應(yīng)是吸熱的，反應(yīng)速度會(huì)隨著煉焦溫度的升高和反應(yīng)界面的膨脹而增加，從而影響焦炭的熱性能。

3 堿金屬對焦炭熱性能的影響

根據(jù)宣鋼高爐堿害嚴(yán)重的問題，在焦炭表面吸附濃度不同的Na2CO3和K2CO3，在900～1200℃等距設(shè)定四個(gè)溫度點(diǎn)，分別測定焦炭的CRI值和CSR值。結(jié)果表明：升高溫度和增加焦炭中堿金屬濃度會(huì)引起焦炭的反應(yīng)后強(qiáng)度變差，反應(yīng)性變高。其中對焦炭進(jìn)行增堿處理，會(huì)發(fā)現(xiàn)增加含堿量對焦炭氣化反應(yīng)起促進(jìn)作用，所以焦炭反應(yīng)強(qiáng)度降低。

4 焦炭結(jié)構(gòu)對其焦炭熱性能的影響

4.1 顯微結(jié)構(gòu)

焦炭顯微組分對焦炭熱性能的影響與堿金屬的存在與否有關(guān)。在堿金屬不存在的情況下，焦炭溶損反應(yīng)中各向同性、絲炭和破片的反應(yīng)速度最高，其次是鑲嵌結(jié)構(gòu)。加堿侵蝕對焦炭各向同性結(jié)構(gòu)破壞作用較小，而對鑲嵌結(jié)構(gòu)和流動(dòng)結(jié)構(gòu)破壞作用較強(qiáng)。因此可得，焦炭的各向異性效應(yīng)強(qiáng)的焦炭熱性能影響較大。

4.2 氣孔結(jié)構(gòu)

焦炭屬于一種多孔材料，氣孔結(jié)構(gòu)參數(shù)也會(huì)影響其熱性能。焦炭與CO2反應(yīng)時(shí)，焦炭氣孔率會(huì)上升，大氣孔變多、氣孔數(shù)目減少。早期研究結(jié)果顯示，由于碳溶反應(yīng)的深入，焦炭各氣孔穿通，反應(yīng)的比表面積降低，氣孔率大于44%時(shí)，氣孔率增加，焦炭反應(yīng)性有所下降。

5 光學(xué)組織對表征溶損行為的綜合熱性能指標(biāo)的影響

顯示燃煤動(dòng)力行為的組合熱性能指標(biāo)是初始溫度Ti、平均溶損反應(yīng)速率CRR25和溶損反應(yīng)后強(qiáng)度CSR25。各向異性指標(biāo)OTI一般被視為光學(xué)組織特性的組合指標(biāo)。對幾種焦炭的組合熱性能指標(biāo)分析。Ti初始溫度、平均溶損反應(yīng)率CRR25和溶損反應(yīng)后強(qiáng)度CSR25與光學(xué)各向異性O(shè)TI之間的關(guān)系見圖1、圖2和圖3。

由于焦炭和CO2之間的溶解反應(yīng)是一個(gè)強(qiáng)吸熱過程，初始反應(yīng)溫度Ti對高爐蓄熱區(qū)的溫度有重要影響，從而影響高爐的熱平衡。具有中等光學(xué)各向異性的焦炭具有較低的初始反應(yīng)溫度（圖1），這有利于間接還原的發(fā)展，從而有利于高爐操作。然而，一些焦炭（J4）不符合這一規(guī)則，這可能與光學(xué)組織不能準(zhǔn)確描述所有焦炭的基質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)。眾所周知，光學(xué)結(jié)構(gòu)是根據(jù)焦炭碳的光學(xué)特性和形貌來表征微米尺度上的基體結(jié)構(gòu)，這具有一定的局限性，不能揭示形貌相似的碳的大分子結(jié)構(gòu)的差異，這可能是單個(gè)奇點(diǎn)存在的重要原因。這也可以從圖2中平均溶損速率CRR25和光學(xué)組織之間的關(guān)系中得到驗(yàn)證。圖3中的J4焦不是奇點(diǎn)，這表明通過光學(xué)組織對熱強(qiáng)度的描述相對準(zhǔn)確。

6 采用不同方法測得的焦炭熱性能對比研究

①等溫恒失重方法結(jié)果與國標(biāo)方法結(jié)果的對比分析。等溫恒失重方法采用的測試溫度與國標(biāo)方法一致，均是1100℃，差別在于溶損進(jìn)程的限定條件不同。國標(biāo)方法中溶損進(jìn)程的限定條件為2h，而等溫恒失重方法的限定條件為恒失重25%。由于等溫恒失重方法是按照高爐的物料平衡計(jì)算得到的，可靠性更強(qiáng);②非等溫恒失重方法結(jié)果與等溫恒失重方法結(jié)果的對比分析。非等溫恒失重方法采用的焦炭溶損量與等溫恒失重方法一致（均為25%），差別在于反應(yīng)的溫度條件不同。等溫恒失重方法參考國標(biāo)方法，采用的測試溫度為1100℃;而非等溫恒失重方法采用了模擬高爐中焦炭由低溫到高溫溶損的溫度制度，從高爐操作原理來講，后者的模擬性更強(qiáng)。

7 結(jié)束語

綜上所述，采用不同方法測得的焦炭反應(yīng)性各指標(biāo)之間具有一定的相關(guān)性，而反應(yīng)后強(qiáng)度各指標(biāo)之間的相關(guān)性較差，表明溶損進(jìn)程和反應(yīng)溫度對焦炭的熱強(qiáng)度影響較大。

參考文獻(xiàn)：

[1]程歡，劉連繼，梁英華，肖洪，陳鵬，郭瑞.光學(xué)組織對焦炭綜合熱性能的影響研究[J].鑄造技術(shù)，2019，40（12）：1261-1265.

作者簡介：

曹曉雯（1985- ），女，河北滄州人，工程師，現(xiàn)從事煤焦及焦化產(chǎn)品分析工作。