提高焦炭热反应准确率分析方法研究

李 海，王存月

（天津天钢联合特钢有限公司，天津 301500）

目前，焦炭被人类广泛的使用，需求呈现逐年上升的趋势，不管是普通家庭用户，还是工矿企业，焦炭始终在人们的生产活动中扮演着非常重要的角色并发挥重要的作用。在工业生产中，焦炭是一种材料，一能提供能量的源头材料，同时，焦炭在相应的化学变化中还被当做还原剂使用。随着科学技术的发展，科学家在研究焦炭的属性是发现，焦炭的热反应性与焦炭的热反应强度之间存在反比例关系，即热反应强度越低，热反应性反而越高。

1 焦炭的化学成分

从物质的组成角度，用化学和物理方法分析研究，焦炭由非常复杂的化学成分组成，经过科学家的归纳总结，将这些复杂的化学成分分为两个大的类别，其中之一是有机物，另外的部分是无机物。科学家通过定量分析，进一步发现，有机物是组成焦炭的主要成分，大概占到焦炭组成物的80%以上，无机物是组成焦炭的次要成分，约占焦炭组成物的20%左右，无机物主要指的是矿物质及微量元素。针对组成焦炭的有机物试验发现，有机物中最多的成分是碳，碳也是焦炭可以燃烧产生能量的主要因素。因此对碳进行详细研究，从定性的组成及定量的成分比例两个方向研究，首先明确了组成碳的化学元素，分别是C、H、O、N、P、S；再次初步明确了各化学元素占碳组成元素的比例，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%。从工业生产的角度，工程师们对焦炭的组成成分进行了大概分类，主要包括水分，灰分，挥发分，固定碳，通过定量研究，固定碳约占81%～86%，挥发分约占2%～7%，灰分约占11%～19%，水分约占2%～6%。焦炭是否成熟，主要参考可燃基挥发分，当焦炭可燃基挥发分为0.7%～1.2%时，标志焦炭成熟[1]。

2 影响焦炭热反应性的因素

从工业实践中得出经验，工业原料中焦煤的性质和冶炼焦炭过程所采用的技术条件和参数，是影响焦炭热反应性的主要因素。冶炼焦炭的参数和技术条件：增加焦煤反应容器里装进的焦煤比重8.2，使得焦煤反应容器冶炼时温度高于1100摄氏度以上，加强焦煤反应容器里的压强，采用这些措施的目的是使焦炭更多的吸收空气中的氧气，增加焦炭与氧气的接触面积，让焦炭被氧气充分填满，最终实现增加焦炭密度至500kg/m3，从而降低了焦炭热反应性。另外，以上这些措施条件也起到充当化学催化剂的作用，可以加快焦炭的化学反应。工业原料之中焦炭的性质：一定质量的焦煤在冶炼的过程中，反应性较低，当焦煤的量增加时，冶炼过程中的焦炭会产生异性组织，这个组织能明显的降低焦炭的热反应性，使得焦炭化学反应时间明显变长，一般实验数据显示，化学反应时长增值2倍。此外，焦炭和空气中的二氧化碳的化学反应，需要催化剂，而焦炭燃烧后的产物灰分很好的提供了所需的催化剂[2,3]。

3 试验分析

3.1 试验原理

通过破碎设备筛碎焦炭，选取23mm～25mm形状为圆形的焦炭，用托盘称取质量200g的焦炭粒，放入焦炭反应容器内，使温度保持在1095摄氏度到1105摄氏度之间，同时，通入反应容器的二氧化碳流量应恒定在5L/min，经过2个小时的焦炭化学反应，然后出炉冷却，通过焦炭化学反应中的质量损失百分数来反应焦炭反应性（CRI%），通过大于10mm 粒级焦炭质量占反应后焦炭质量百分数反应焦炭反应后强度(CSR%)。

3.2 提高焦炭热态强度准确性分析

1.制样工艺改进前后焦炭热态强度准确性分析

在改进工艺之前，制样是通过大颚式破碎机粉碎焦炭，人工按照23mm～25mm规格筛选样品，同时进行手工修样，样品主要呈现块状样品。工艺通过改进之后，制样依靠焦炭制球机和磨球机，自动化实现球样制样。制得的样品比对如下图1。

图1 工艺改进后样品对比图

通过对改进工艺前后的样品进行比较发现：前工艺制的样品粗糙，形状不规则，大小不统一，样品互换性较差。后工艺样品大小均匀，形状统一为球状，而且机械自动化修选样效率和精确度高。更重要的，后工艺制得的样品合格率由原来的50%提升到了98%。

3.3 反应温度对焦炭热态强度的影响

温度是化学反应中的一个重要因素，同样，在焦炭的化学反应中，温度直接影响着焦炭热态强度，也影响着焦炭反应性，试验数据反应，温度每变化2摄氏度，焦炭热态强度变化1%左右，焦炭反应性变化0.8%左右，而且，焦炭热态强度与温度成反比，温度越高，焦炭热态强度越低。

3.4 恒温区控温精度试验研究

国标对高温下化学反应容器的恒温区域规格及精度有所规定，其中，恒温区域的长度要求大于100 mm，温差不超过正负5摄氏度。所以，对反应容器恒温区域的温度控制非常关键，温度变化越小，温控精度越高，焦炭热态强度的实验结果就越准确。因此，选择合适的反应容器就显得非常重要，能对选择的反应容器进行改进，就更有利于试验。原有反应容器的加热方式为单一的独段加热控温，通过对反应容器加热装置进行改进，使其变更为三段加热控温，同时增加配置三个热电偶，并使电偶末端对应的固定在恒温区域的上中下三点。

通过以上改进，反应容器的温差较小，使得控温精度明显提高，温差不超过正负3摄氏度，严格控制在国标要求范围内，甚至比国标要求还要更加严格。

3.5 焦炭控样的制备及准确度试验分析

经过制样工艺和恒温区域控制两个方向的分析研究，目的是提高焦炭热态强度的精确度，从而减少一定的重复性偏差，在试验过程中，研究人员发现，加热控温装置寿命即将到期或更换新加热装置时，恒温区会出现温度过高又或者温度过低的不稳定现象，从而导致关键的实验数据会出现异常的波动，目前这种现象比较难以控制，原因是一般企业没有配备检定测温装置，不能实时对反应容器加热装置进行有效的监测。为了改善以上不稳定现象对控温精度的影响，研究人员自行研制了焦炭热反应控样，当异常现象发生时，可以通过控样对设备的状态进行校准，从而确保反应容器在同等的试验条件下进行试验分析。通过控样监控的化学反应装置运行状态非常稳定，不管是更换装置还是发生异常现象，反应装置都在同一状态下平稳运行。

通过以上分析研究，从焦炭样品的制作工艺、化学反应装置等过程的优化改进及对反应温度和准确性的讨论，得知4结论

（1）使用改进前的制样工艺制样，制样的合格率是50%；使用改进后的制样工艺制样，制样合格率为98%，制样合格率增长48个百分点。

（2）焦炭热态强度与温度成反比，温度越高，焦炭热态强度越低，温度每变化2摄氏度，焦炭热态强度变化1%左右，焦炭反应性变化0.8%左右。

（3）通过将加热方式为单一的独段加热控温改为三段加热控温，以提高反应装置恒温区的温控精度，改进前，温差不超过正负5摄氏度，改进后，温差不超过正负3摄氏度，个别试验区域甚至不超过正负2摄氏度。

（4）当异常现象发生时，可以通过控样对设备的状态进行校准，从而确保反应容器在同等的试验条件下进行试验分析。通过控样监控的化学反应装置运行状态非常稳定，不管是更换装置还是发生异常现象，反应装置都在同一状态下平稳运行。