提高焦炭熱反應準確率分析方法研究

李 海，王存月

（天津天鋼聯合特鋼有限公司，天津 301500）

目前，焦炭被人類廣泛的使用，需求呈現逐年上升的趨勢，不管是普通家庭用戶，還是工礦企業，焦炭始終在人們的生產活動中扮演著非常重要的角色并發揮重要的作用。在工業生產中，焦炭是一種材料，一能提供能量的源頭材料，同時，焦炭在相應的化學變化中還被當做還原劑使用。隨著科學技術的發展，科學家在研究焦炭的屬性是發現，焦炭的熱反應性與焦炭的熱反應強度之間存在反比例關系，即熱反應強度越低，熱反應性反而越高。

1 焦炭的化學成分

從物質的組成角度，用化學和物理方法分析研究，焦炭由非常復雜的化學成分組成，經過科學家的歸納總結，將這些復雜的化學成分分為兩個大的類別，其中之一是有機物，另外的部分是無機物。科學家通過定量分析，進一步發現，有機物是組成焦炭的主要成分，大概占到焦炭組成物的80%以上，無機物是組成焦炭的次要成分，約占焦炭組成物的20%左右，無機物主要指的是礦物質及微量元素。針對組成焦炭的有機物試驗發現，有機物中最多的成分是碳，碳也是焦炭可以燃燒產生能量的主要因素。因此對碳進行詳細研究，從定性的組成及定量的成分比例兩個方向研究，首先明確了組成碳的化學元素，分別是C、H、O、N、P、S；再次初步明確了各化學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%。從工業生產的角度，工程師們對焦炭的組成成分進行了大概分類，主要包括水分，灰分，揮發分，固定碳，通過定量研究，固定碳約占81%～86%，揮發分約占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分，當焦炭可燃基揮發分為0.7%～1.2%時，標志焦炭成熟[1]。

2 影響焦炭熱反應性的因素

從工業實踐中得出經驗，工業原料中焦煤的性質和冶煉焦炭過程所采用的技術條件和參數，是影響焦炭熱反應性的主要因素。冶煉焦炭的參數和技術條件：增加焦煤反應容器里裝進的焦煤比重8.2，使得焦煤反應容器冶煉時溫度高于1100攝氏度以上，加強焦煤反應容器里的壓強，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，最終實現增加焦炭密度至500kg/m3，從而降低了焦炭熱反應性。另外，以上這些措施條件也起到充當化學催化劑的作用，可以加快焦炭的化學反應。工業原料之中焦炭的性質：一定質量的焦煤在冶煉的過程中，反應性較低，當焦煤的量增加時，冶煉過程中的焦炭會產生異性組織，這個組織能明顯的降低焦炭的熱反應性，使得焦炭化學反應時間明顯變長，一般實驗數據顯示，化學反應時長增值2倍。此外，焦炭和空氣中的二氧化碳的化學反應，需要催化劑，而焦炭燃燒后的產物灰分很好的提供了所需的催化劑[2,3]。

3 試驗分析

3.1 試驗原理

通過破碎設備篩碎焦炭，選取23mm～25mm形狀為圓形的焦炭，用托盤稱取質量200g的焦炭粒，放入焦炭反應容器內，使溫度保持在1095攝氏度到1105攝氏度之間，同時，通入反應容器的二氧化碳流量應恒定在5L/min，經過2個小時的焦炭化學反應，然后出爐冷卻，通過焦炭化學反應中的質量損失百分數來反應焦炭反應性（CRI%），通過大于10mm 粒級焦炭質量占反應后焦炭質量百分數反應焦炭反應后強度(CSR%)。

3.2 提高焦炭熱態強度準確性分析

1.制樣工藝改進前后焦炭熱態強度準確性分析

在改進工藝之前，制樣是通過大顎式破碎機粉碎焦炭，人工按照23mm～25mm規格篩選樣品，同時進行手工修樣，樣品主要呈現塊狀樣品。工藝通過改進之后，制樣依靠焦炭制球機和磨球機，自動化實現球樣制樣。制得的樣品比對如下圖1。

圖1 工藝改進后樣品對比圖

通過對改進工藝前后的樣品進行比較發現：前工藝制的樣品粗糙，形狀不規則，大小不統一，樣品互換性較差。后工藝樣品大小均勻，形狀統一為球狀，而且機械自動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 反應溫度對焦炭熱態強度的影響

溫度是化學反應中的一個重要因素，同樣，在焦炭的化學反應中，溫度直接影響著焦炭熱態強度，也影響著焦炭反應性，試驗數據反應，溫度每變化2攝氏度，焦炭熱態強度變化1%左右，焦炭反應性變化0.8%左右，而且，焦炭熱態強度與溫度成反比，溫度越高，焦炭熱態強度越低。

3.4 恒溫區控溫精度試驗研究

國標對高溫下化學反應容器的恒溫區域規格及精度有所規定，其中，恒溫區域的長度要求大于100 mm，溫差不超過正負5攝氏度。所以，對反應容器恒溫區域的溫度控制非常關鍵，溫度變化越小，溫控精度越高，焦炭熱態強度的實驗結果就越準確。因此，選擇合適的反應容器就顯得非常重要，能對選擇的反應容器進行改進，就更有利于試驗。原有反應容器的加熱方式為單一的獨段加熱控溫，通過對反應容器加熱裝置進行改進，使其變更為三段加熱控溫，同時增加配置三個熱電偶，并使電偶末端對應的固定在恒溫區域的上中下三點。

通過以上改進，反應容器的溫差較小，使得控溫精度明顯提高，溫差不超過正負3攝氏度，嚴格控制在國標要求范圍內，甚至比國標要求還要更加嚴格。

3.5 焦炭控樣的制備及準確度試驗分析

經過制樣工藝和恒溫區域控制兩個方向的分析研究，目的是提高焦炭熱態強度的精確度，從而減少一定的重復性偏差，在試驗過程中，研究人員發現，加熱控溫裝置壽命即將到期或更換新加熱裝置時，恒溫區會出現溫度過高又或者溫度過低的不穩定現象，從而導致關鍵的實驗數據會出現異常的波動，目前這種現象比較難以控制，原因是一般企業沒有配備檢定測溫裝置，不能實時對反應容器加熱裝置進行有效的監測。為了改善以上不穩定現象對控溫精度的影響，研究人員自行研制了焦炭熱反應控樣，當異常現象發生時，可以通過控樣對設備的狀態進行校準，從而確保反應容器在同等的試驗條件下進行試驗分析。通過控樣監控的化學反應裝置運行狀態非常穩定，不管是更換裝置還是發生異常現象，反應裝置都在同一狀態下平穩運行。

通過以上分析研究，從焦炭樣品的制作工藝、化學反應裝置等過程的優化改進及對反應溫度和準確性的討論，得知4結論

（1）使用改進前的制樣工藝制樣，制樣的合格率是50%；使用改進后的制樣工藝制樣，制樣合格率為98%，制樣合格率增長48個百分點。

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

（3）通過將加熱方式為單一的獨段加熱控溫改為三段加熱控溫，以提高反應裝置恒溫區的溫控精度，改進前，溫差不超過正負5攝氏度，改進后，溫差不超過正負3攝氏度，個別試驗區域甚至不超過正負2攝氏度。

（4）當異常現象發生時，可以通過控樣對設備的狀態進行校準，從而確保反應容器在同等的試驗條件下進行試驗分析。通過控樣監控的化學反應裝置運行狀態非常穩定，不管是更換裝置還是發生異常現象，反應裝置都在同一狀態下平穩運行。