劉志立 王愛愛 趙健鑫
(華北理工大學(xué)以升創(chuàng)新教育基地,河北 唐山 063200)
影響焦炭熱性能最主要的因素之一是原料的性質(zhì),而煤變程度和灰分含量又是原料煤最主要的性質(zhì)。
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)[1]。
張代林[2]等研究了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)性可在某點取得最小值,此時焦炭的熱性能較好。
張文成[3]等對梅山焦炭反應(yīng)性、反應(yīng)后強度和配煤質(zhì)量指標(biāo)進行了試驗分析,結(jié)果表明,在配煤揮發(fā)分小于27%時,焦炭反應(yīng)后強度都處在小于65%的較低水平,焦炭反應(yīng)性大于28%;在揮發(fā)分大于29%時,焦炭反應(yīng)后強度基本處于大于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)后強度較高、熱性能最佳,應(yīng)把配煤揮發(fā)分控制在27%~29%。
煤中包含有一定的無機鹽和氧化物等無機礦物質(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[4]。陳啟厚[5]的研究表明,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%時焦炭的反應(yīng)性處于較好水平。
根據(jù)焦炭灰中的堿金屬對焦炭熱強度的催化作用,張文成[3]認為灰分對焦炭熱強度的影響較大,焦炭灰分含量過高時會引起焦炭熱強度顯著降低。
加熱速度的提高會使反應(yīng)速度和堿金屬在焦炭上的吸附速度均變快,反應(yīng)性提高,反應(yīng)后強度降低[6]。
韓曉楠[7]等通過測定在不同溫度下溶損反應(yīng)后的焦炭熱性能指標(biāo)來綜合評價焦炭的熱態(tài)性能。在900℃、1000℃、1100℃、1200℃的反應(yīng)溫度下測量四種工業(yè)焦炭溶損反應(yīng)后的CRI 值和CSR 值,實驗表明,低溫下4種焦炭的反應(yīng)速率較慢,CRI 值都較小;反應(yīng)溫度的升高,焦炭的反應(yīng)性、反應(yīng)速率和CRI 值均逐漸增大,而且反應(yīng)溫度越高焦炭CRI 值的增幅越大。這說明反應(yīng)溫度可較大程度上對焦炭的反應(yīng)性產(chǎn)生影響,在單一下溫度測得的焦炭熱性能數(shù)據(jù)不能全面地反映焦炭的熱態(tài)性能。
胡文佳[8]通過實驗發(fā)現(xiàn),終溫為500℃和600℃是焦炭氣孔結(jié)構(gòu)發(fā)展的關(guān)鍵階段。在950℃時,肥煤形成的氣孔結(jié)構(gòu)比氣煤、焦煤的氣孔結(jié)構(gòu)發(fā)達。
我國對于堿金屬對焦炭熱性能方面影響的研究始于上世紀80年代。呂桂雙等[9]根據(jù)宣鋼高爐堿害嚴重的問題,在焦炭表面吸附濃度不同的Na2CO3和K2CO3,在900~1200℃等距設(shè)定四個溫度點,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引起焦炭的反應(yīng)后強度變差,反應(yīng)性變高。
陳煥杰等[10]對焦炭進行增堿處理并分析堿金屬對焦炭冶金性能的影響,發(fā)現(xiàn)增加含堿量對焦炭氣化反應(yīng)起促進作用,焦炭反應(yīng)強度降低。
鄭朋超等[11]對此做了更為具體的定量分析。他們通過模擬高爐內(nèi)焦炭同時受K 和Na 蒸汽影響的實際情況,發(fā)現(xiàn)在K和Na 在不同比例條件下焦炭結(jié)構(gòu)和熱性能存在變化。結(jié)果表明,堿金屬的比例達到3%時就會破壞焦炭結(jié)構(gòu),而且隨著鉀蒸汽比例的提高,焦炭粉末也會增多。這表明鉀蒸汽對焦炭結(jié)構(gòu)造成了巨大破壞。當(dāng)K 和Na 的質(zhì)量比為3:7時,焦炭的反應(yīng)性最高,反應(yīng)后強度最低。
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)[12]。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)和流動結(jié)構(gòu)破壞作用較強。因此可得,焦炭的各向異性效應(yīng)強的焦炭熱性能就越好[13]。
焦炭屬于一種多孔材料,氣孔結(jié)構(gòu)參數(shù)也會影響其熱性能。焦炭與CO2反應(yīng)時,焦炭氣孔率會上升,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,氣孔率增加焦炭反應(yīng)性有所下降。
有關(guān)學(xué)者[14]也研究了焦炭氣孔的光學(xué)性質(zhì)與焦炭熱性能之間的關(guān)系。實驗發(fā)現(xiàn),提高焦炭各向異性程度會增強反應(yīng)后氣孔壁的減薄效果。
綜上所述,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)以上分析,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。