小颗粒冶金焦炭气化反应性的检测方法

总第241期 2016年第1期 河北冶金 O 24l 2016，颗粒冶金焦炭气化反应性的检测方法 沈 杰，段 冲，郭 瑞，孙章 (华北理工大学化学工程学院，河北唐山063009) 摘要：通过检测粒度为36 1 100 到了该粒度级别焦炭气 化反应过程中反应模式的转变规律。根据该规律，得到与块焦反应性指数气化特征指标，即粒度36 10之间的平均反应速率V 。检测该 指标所需焦炭试样量极少，测试时间短，在某些情况下可以作为检测焦炭反应性的补充方法。 关键词：小颗粒；焦炭；反应性；检测方法 中图分类号： 文献标识码：A 文章编号：10065008(2016)01003903 013630j31 17220160 F 063009) n of of mm O2 100 oC，is of in of of tO of is a RI，ielo of mm 0 o be as a in 引言 焦炭作为高炉最重要的燃料，在炉内不仅提供 各物理和化学反应过程的热量，而且焦炭气化反应 产生的外它还是 生铁的渗炭剂。焦炭作为炉料的支撑骨架是其他燃 料所无法取代的。焦炭气化反应性历来都是冶金工 作者研究的重点。寻求一种简单、准确、有效的焦炭 反应性检验方法，不但对稳定焦炭质量、保障高炉生 产极为关键，而且对于焦炭性质的研究也有重要意 义。目前常用的检测焦炭反应性的方法是国标 40002008。该方法采用200 25 1 100 稿日期：20151109 作者简介：沈杰(1993一)，男，华北理工大学化学工程与工艺专业本 科在读，E35502819O，反应120 焦炭质量损失的百分率表 示焦炭反应性指数)。根据标准要求，该方 法需要在20 选出200 试样，所需的试样量较多，适用于工业焦炭的检测 和规模较大的试验。而对于在实验室中研究配煤炼 焦效果的千克级小规模炼焦试验并不适用。 除了小块焦炭之外，粒度更大或较小的不同尺 寸焦炭的气化反应性也被很多研究者采用 。莱芜 钢铁 发明了一种焦炭反应性的测定方法，首先将 焦炭破碎至74386 用热重分析仪连续测焦 炭试样与化反应过程的质量变化并绘制质 量一温度曲线。以焦炭的开始反应温度作为表征焦 炭反应性的指标，该方法虽然具有检测方便的优点， 但该方法使用内径14 16 只能测量粉末状的微米尺度焦炭试样。而微米级焦 39 总第241期 炭基本排除了焦炭孔结构中扩散的影响 ， 块状焦炭在与反应过程中存在明显的内扩 散作用，其反应性在很大程度上受自身孔结构的影 响。因此微米级焦炭的气化反应性与块状焦炭反应 性的相关性不十分明显。国标 2202001提 供了一种检测煤或焦炭的气化活性的方法。该方法 用36 00 50 900 50 000 050 100 反应5 气体分析仪测试反应后气体的浓度，根据测试结果计算各温度下的原率， 以此来评价煤或焦炭的反应性。但该方法无法得到 焦炭颗粒与气化反应速率，也无法得到与 本研究通过对多种焦炭试样在反应过程中反应 速率变化规律的分析，得到与国标标，从而提供一种检测少量、小粒度焦炭试样反应 性的方法，该方法在某些情况下可作为国标检测方 法的补充。 1 试验方法 11 试样 选择10种不同反应性的高炉焦炭作为实验样 品，其工业分析和热性质指标见表1。 表1 焦炭试样的工业分析和热性质 of 试样 工业分析 热性质 水分 灰分 挥发分固定碳 SR 1U Ub) bZ， )， I2试验装置 试验装置是在煤的活性仪的基础上改造而成的 粒焦反应性测试装置 。该仪器可以连续测量反应 后尾气中浓度并计算焦炭试样的气化反应 失重率和反应速率。 I3试验方法 40 (I)将焦炭试样破碎、筛分，称量，得到36 试样200 g，将试样装入内径20 (2)将反应管在加热炉内从室温加热至I 100 00 mL护试样，到 达1 100 改通入500 mLO ，与试样进行气化反应，通过气体分析装置检测 反应后气体中浓度并计算焦炭气化反应失 重率和反应速率。 (3)60 切断改通入N 保护试样，直至试样冷却。 2 结果与讨论 21 粒焦气化反应速率变化规律 焦炭气化反应速率一时间关系曲线如图1所 示。由于反应过程中焦炭剩余的碳素含量越来越 少，定义焦炭的碳素反应速率为1) c J 式中， 碳素反应速率，重)速率，c 。 以试样1为例，将碳素反应速率一焦炭气化反 应失重率作图，如图2所示。由图2可以看出：当反 应失重率小于3时，碳素反应速率迅速增加。这 是由于切断N 改通，反应气体通过外扩散 与焦炭接触并发生反应，控制模式由外扩散控制向 化学反应控制转变；反应失重率达到3之后，反应 速率逐渐下降，反应控制模式转入化学反应与内扩 散混合控制；反应失重率达到10以后，反应速率 变化较小，这是由于灰分层加厚，反应气体和气体产 物穿过灰分层变得困难，气化反应控制模式由混合 控制转人了内扩散控制。 三 g 图1 焦炭气化反应速率一时间关系曲线 of 6 8 3 3 2 8 9 8 5 3 6 6 2 9 9 8 8 5 5 5 5 6 4 6 5 5 1 8 l 9 5 2 9 9 9 4 5 3 l 9 1 9 8 l 3 3 3 3 2 3 1 2 3 6 2 5 3 1 3 7 O 5 2 2 4 6 6 6 2 O l 4 2 6 0 4 9 6 2 6 8 8 8 8 8 7 8 8 8 4 4 3 4 9 l 9 3 4 O 5 l O 5 4 2 l O 2 3 1 1 l 1 O 0 l 2 7 5 6 2 6 l 2 8 O 7 3 2 5 8 3 7 2 3 2 2 8 3 8 3 7 2 _- 8 7 7 8 8 9 4 6 3 6 4 0 0 2 O l l 5 O l O O O 0 O O O 1 2 3 4 5 6 7 8 9 河北冶金 2016年第1期 懈 谨 图2试样1的碳素反应速率一焦炭气化反应失重率 2 粒焦气化反应特征参数与上述分析可知，粒度为36 00 反应，失重率在3一10之间为化学反应与内扩 散混合控制；崔平 等的研究表明，粒度为20块焦炭在反应失重率为50之前均为化学反应 与内扩散混合控制。由于两者反应控制模式相同， 可以计算36 10过 程的平均反应速率(，3 )，以此来作为评价焦炭反 应性的指标。 计算得到的10种焦炭试样的 ，见表2。为 了验证，3 与国标反应性指标 ，3 与图3所示， 相关系数R 达到了0976 3。反应气体向焦炭内部 的扩散主要是通过几十微米以上气孑3 6 此测量得到的 指标 。与表2 焦炭气化反应失重率为310时的平均反应速率 0 3 一。与 3一l0 结论 通过对36 化反应 测试，得到了该粒度级别焦炭气化反应的规律。 (1)反应失重率310之间为化学反应与 内扩散混合控制模式，反应失重率达到10以后， 反应进入内扩散控制模式。 (2)反应失重率为310之间的平均速率 。与焦炭反应性指数参考文献 1姚昭章，郑明东炼焦学M北京：冶金工业出版社，2012：31 35 2莱芜钢铁股份有限公司，北京科技大学一种焦炭反应性测定 方法及测定装置：中国，2009102556124P20091209 3，et