一種小顆粒焦炭氣化反應(yīng)性的測定方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于焦炭化工技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及高爐用焦炭反應(yīng)性的檢測和分析。 技術(shù)背景
[0002] 焦炭是高爐煉鐵必不可少的原料，是高爐冶煉過程的熱量來源、還原劑、料柱骨架 和滲碳劑。焦炭氣化反應(yīng)（也稱溶損反應(yīng)）與鐵礦石還原反應(yīng)的配合作用決定了高爐冶煉 的效率。焦炭反應(yīng)性的定量概念是：單位質(zhì)量的試樣在單位時間內(nèi)經(jīng)CO2反應(yīng)后，碳的質(zhì)量 損失。
[0003] 焦炭反應(yīng)性的測試方很多，按照試樣尺度可劃分為：粉末狀焦炭（通常在幾十微 米以下）、小顆粒狀焦炭（通常為3~6mm)和塊狀焦炭（通常> 19mm)。
[0004] 由于反應(yīng)器（反應(yīng)管或坩堝）需要與試樣粒度和使用量相匹配，測試不同尺度焦 炭試樣的反應(yīng)裝置互不通用。
[0005] 目前最常用的國標(biāo)GB/T4000-2008采用的是23~25mm的塊狀焦炭。
[0006] GB/T4000-2008采用焦炭與CO2反應(yīng)前后質(zhì)量損失的百分?jǐn)?shù)作為焦炭的反應(yīng)性指 標(biāo)CRI，但不能在反應(yīng)進(jìn)程中連續(xù)檢測焦炭的溶損失重率（氣化轉(zhuǎn)化率）和溶損反應(yīng)速率 (氣化反應(yīng)速率）。而且，該方法需要在20kg焦炭中，破碎、篩選、加工出200g試樣，所需的 試樣量較多。實(shí)驗(yàn)室中常通過測試小顆粒狀和粉末狀焦炭試樣來表征焦炭的性能。
[0007] 國標(biāo)GB/T220-2001適用于褐煤、煙煤、無煙煤及焦炭與CO2反應(yīng)性的測定。該方法 用 3 ~6mm 的試樣在各個溫度下（800°C、850°C、90(rC、95(rC、100(rC、105(rC、110(rC )與 CO2發(fā)生氣化反應(yīng)，每個溫度反應(yīng)2. 5min，用奧氏氣體分析器測試反應(yīng)后氣體的CO2濃度，根 據(jù)該結(jié)果計(jì)算試樣在各溫度下的二氧化碳還原率。該方法雖然可以檢測顆粒狀焦炭與二氧 化碳在各個溫度下的二氧化碳還原率，但不能連續(xù)獲得焦炭氣化反應(yīng)進(jìn)程中氣化反應(yīng)轉(zhuǎn)化 率和反應(yīng)速率信息
[0008] 目前可以連續(xù)檢測塊狀焦炭溶損反應(yīng)失重率和溶損反應(yīng)速率的方法有兩種：一是 將反應(yīng)器掛在或坐在電子天平上，以連續(xù)獲得試樣在反應(yīng)過程中的重量變化信息。二是采 用氣體在線分析儀連續(xù)檢測反應(yīng)后氣體的一氧化碳（或二氧化碳）濃度，用該濃度間接估 計(jì)間接估計(jì)焦炭的反應(yīng)速率。
[0009] 將反應(yīng)器掛在或坐在電子天平上的方法，其試樣的粒度和重量的要求與GB/ T4000-2008相同，不適于小顆粒小重量的試樣，因?yàn)樘炱揭休d整個反應(yīng)器的重量，而且會 有基線漂移現(xiàn)象，很難保證小顆粒、小重量試樣的測試精度。目前采用氣體在線分析儀連 續(xù)檢測反應(yīng)后氣體的方法只能根據(jù)一氧化碳或二氧化碳的濃度間接估計(jì)間接計(jì)焦炭的反 應(yīng)速率，不能直接精確地讀測出焦炭的反應(yīng)速率和焦炭的氣化轉(zhuǎn)化率，而在一些科學(xué)實(shí)驗(yàn) 中有必要精確地采集焦炭的氣化轉(zhuǎn)化率和氣化反應(yīng)速率的數(shù)據(jù)。
[0010] 坩堝熱天平法可以連續(xù)檢測粉末狀焦炭在反應(yīng)過程中的重量變化，但該方法無法 將熱電偶埋入試樣中心，即無法精確控制試樣的溫度。另外，限于坩堝的容積，無法測量幾 毫米粒度級別的焦炭顆粒。而在一些研究中需要避免焦炭中各微觀組織發(fā)生分離，因此要 盡量避免細(xì)粉碎。
[0011] 綜上所述，特別需要一種能連續(xù)檢測小顆粒狀焦炭與二氧化碳反應(yīng)過程中焦炭氣 化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和氣化反應(yīng)速率的測試裝置和方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明的目的是提供一種小顆粒焦炭與二氧化碳?xì)饣磻?yīng)性的測定方法和裝置， 該裝置通過程序計(jì)算將氣體在線分析儀實(shí)時檢測的尾氣二氧化碳濃度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可以連 續(xù)讀出的焦炭氣化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和氣化反應(yīng)速率數(shù)據(jù)。
[0013] 本發(fā)明解決技術(shù)問題所采取的具體方式為：
[0014] -種顆粒狀焦炭與二氧化碳?xì)饣磻?yīng)的檢測裝置，該裝置由反應(yīng)氣體凈化系統(tǒng)、 氣體流量控制裝置、粒焦反應(yīng)裝置、反應(yīng)后氣體凈化裝置、反應(yīng)后氣體冷卻器、二氧化碳在 線檢測儀、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)依此相連而成；其中粒焦反應(yīng)裝置包括：加熱爐、內(nèi)徑為 18~22mm的剛玉反應(yīng)管和控溫?zé)犭娕迹瑴囟确秶鸀槭覝貇1300°C?？販叵到y(tǒng)與控溫?zé)犭?偶相連，實(shí)驗(yàn)過程中粒度為3~6_的顆粒狀焦炭置于反應(yīng)管中，熱電偶埋入試樣中心，用 以控制實(shí)驗(yàn)過程中試樣中心的溫度。氣體流量控制裝置由電磁閥和質(zhì)量流量計(jì)組成并與計(jì) 算機(jī)相連，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，通過計(jì)算機(jī)切換氣體和調(diào)節(jié)氣體流量。數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng) 用于采集和處理實(shí)驗(yàn)過程中試樣溫度和二氧化碳濃度信號，并根據(jù)四個參數(shù)：①尾氣二氧 化碳濃度、②反應(yīng)氣體流量、③反應(yīng)時間、④由標(biāo)準(zhǔn)試樣測量的儀器參數(shù)C，計(jì)算并實(shí)時顯示 焦炭氣化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和氣化反應(yīng)速率。
[0015] 發(fā)明提供的一種小顆粒狀焦炭與二氧化碳?xì)饣磻?yīng)性的檢測方法，包括以下步 驟：
[0016] (1)將20±0· 5g粒度為3~6mm的焦炭試樣裝入如權(quán)利要求1所述的反應(yīng)管中， 控溫?zé)犭娕悸裨诮固吭嚇拥闹行奈恢茫?br>[0017] (2)通入流量為500mL/min的氮?dú)獗Ｗo(hù)試樣，以10°C /min的速率升溫至1100°C， 到達(dá)指定溫度后將氮?dú)馇袚Q為流量為500mL/min二氧化碳；
[0018] (3)通入二氧化碳后，數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)將采集的尾氣中的二氧化碳濃度數(shù)據(jù) 進(jìn)行處理，實(shí)時顯示焦炭氣化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和氣化反應(yīng)速率。
[0019] 數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)根據(jù)尾氣二氧化碳濃度計(jì)算并實(shí)時顯示焦炭氣化反應(yīng)轉(zhuǎn)化 率和氣化反應(yīng)速率的原理如下：
[0020] 焦炭試樣在高溫下與二氧化碳接觸，發(fā)生碳素溶解損失反應(yīng)（或稱為焦炭的氣化 反應(yīng)）：
[0021] C+C02 = 2C0 (1)
[0022] 由于反應(yīng)氣體只有CO2，故生成的氣體產(chǎn)物只有CO(忽略微量其他氣體），因此尾 氣中CO的濃度為：
[0023] ac〇=100-ac〇2, % (2) 式中，a 為尾氣中CO的濃度，％ ; a ra2為檢測儀顯示的尾氣中CO2的濃度，％。
[0024] 單位時間內(nèi)，尾氣中的CO濃度可表示為：
[0025]
(3)
[0026] 式中，V為單位時間內(nèi)流入反應(yīng)管的CO2反應(yīng)氣體體積，L ;νω2為單位時間內(nèi)反應(yīng) 消耗的CO2體積，L Jaj2為單位時間內(nèi)反應(yīng)生成的CO體積；L。
[0027] 根據(jù)化學(xué)計(jì)量關(guān)系可得：
[0028] Vco = 2 Vc02 (4)
[0029] 因此，可以通過（2)式計(jì)算出各單位時間生成一氧化碳的體積νω。
[0030] 根據(jù)克拉伯龍方程式可計(jì)算單位時間內(nèi)生成的CO摩爾數(shù)：
[0031]
(5)
[0032] 式中，nra為單位時間生成一氧化碳的摩爾數(shù)，mol ;P為尾氣中CO的分壓，Pa ;R為 理想氣體常數(shù)，J/mol K;T為尾氣的熱力學(xué)溫度，K。
[0033] 由于P，T不便測量，而在反應(yīng)過程中尾氣的Ρ、Τ幾乎保持不變，因此可設(shè)C為儀器 常數(shù)：
[0034]
(6)
[0035] C值可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)樣品反應(yīng)前后的質(zhì)量損失計(jì)算生成的CO體積來確定。
[0036] 根據(jù)化學(xué)計(jì)量關(guān)系，焦炭試樣在各單位時間內(nèi)的碳素溶解損失量為：
[0037]
(7)
[0038] 式中，Hii為單位時間焦炭試樣的碳素溶解損失量，g。
[0039] 焦炭試樣在某時刻累計(jì)的碳素溶損量為：
[0040]
(8)
[0041] 式中，mt為t時刻焦炭試樣的累計(jì)碳素溶損量，g。
[0042] 通過式（8)即可以