焦炭和无烟煤混合物的热性质研究

焦炭和无烟煤混合物的热性质研究

杨华

（内蒙古恒坤化工有限公司，内蒙古鄂尔多斯市016215）

摘要：无烟煤-CO2气化的起始反应温度低于焦炭，气化反应降低了反应气氛中CO2浓度，提高了焦炭的气化温度，减少了焦炭气化的损失，从而保护了焦炭。本文通过对焦炭与无烟煤混合物热性能的研究，发现焦炭的初始反应温度和强烈反应温度升高，焦炭的反应性降低，反应后焦炭的强度增加，表明无烟煤对焦炭的气化反应具有保护作用。

关键词：焦炭；无烟煤；热性质

一、相关概述

1、焦炭亦称“焦块”、“焦渣”，它是固体燃料的一种。由煤在约1000℃的高温条件下经干馏而获得。主要成分为固定碳，其次为灰分，所含挥发分和硫分均甚少。呈银灰色，具金属光泽。质硬而多孔。其发热量大多为26380～31400kJ/kg(6300～7500kcal/kg)。

2、无烟煤(anthracite)俗称白煤或红煤，是一种坚硬、致密且高光泽的煤矿品种，也是煤化程度最大的煤。在所有的煤品种中，尽管无烟煤的发热量较低，但碳含量最高，杂质含量最少。无烟煤固定碳含量高，挥发分产率低，密度大，硬度大，燃点高，燃烧时不冒烟。黑色坚硬，有金属光泽。以脂摩擦不致染污，断口成贝壳状，燃烧时火焰短而少烟。不结焦。一般含碳量在90%以上，挥发物在10%以下。无胶质层厚度。热值约6000-6500千卡/公斤。

二、实验原料与方法

1、实验原料。本次实验以二级冶金焦和无烟煤为样品，其基本性质见表1。

2、实验方法

1)焦炭反应性和开始反应温度、剧烈反应温度及气化反应率的测定。将(20士0.5)g粒度为3～6mm干燥后的焦样装入反应管中，当料层中心温度达到600℃时，按0.5L/min通入CO2反应气体，并以5℃/min速度升温。生成的气体用CO2红外线气体分析仪监控尾气浓度，以CO2浓度降低2％的温度作为开始反应温度；以CO2浓度下降至仅为0.5％的温度定义为剧烈反应温度。以反应前后焦样失重百分率作为焦炭的升温气化反应率。

2)气体进出口压降测定。反应过程中采用压差计测定气体进、出口压差变化，以观察料层的气阻情况。

三、结果与讨论

1、无烟煤对焦炭气化反应动力学的影响。为了探讨无烟煤对焦炭气化反应动力学参数的影响，实验时采用焦炭、无烟煤及无烟煤加焦炭作为样品，在950、1000、1050、1100℃下与CO2进行气化反应，反应时间控制为30、6O、90、120min，得到失重率与时间关系。不同温度下的焦炭、无烟煤及无烟煤加焦炭混合样的失重率在一定时间内与时间呈近似线性关系，其保持线性关系的反应时间分别为6O、3O和90min；在相同温度和反应时间下，无烟煤的失重率最高，焦炭失重率相对较低，而无烟煤加焦炭的混合样失重率最低；对同一样品，温度越高，失重率与时间关系偏离直线下移越提前，偏离程度越严重；在同一温度下，失重率越大的样品，其失重率与时间关系偏离直线越提前，偏离程度越严重。

此外，在同一温度下，无烟煤的反应速率比焦炭的反应速率大，混加无烟煤后焦炭的气化反应速率比不加无烟煤焦炭反应速率慢，而且焦炭的反应速率随着无烟煤添加量的增加而变慢。无烟煤气化反应表观活化能比焦炭低很多，即在一定浓度CO2存在下，无烟煤中C与CO2的反应速率远大于焦炭中碳，因此无烟煤优先与CO2发生反应，从而保护了焦炭。同时，添加无烟煤并未降低焦炭本身与CO2的反应能力，而是无烟煤的优先气化反应增大气化反应生成物浓度、降低了CO2浓度，使焦炭气化反应速率下降，抑制了焦炭的气化反应。焦炭表观活化能的降低会提高反应速率常数，导致反应速率的提高，使焦炭反应速率的下降受到限制。因此，单纯从保护焦炭的角度来看，无烟煤的添加量有一定的饱和度，达到此状态后，增大无烟煤添加量对焦炭的保护作用不再增加。

2、无烟煤添加量对焦炭升温气化率的研究。在2Og焦炭中添加不同量无烟煤，以5℃/min速度升温至1400℃，考察焦炭升温气化反应率与无烟煤添加量的关系，由其结果可知，焦炭的升温气化反应率随无烟煤添加量的增加而降低；当无烟煤增加到25％后，曲线变为平缓，焦炭升温气化反应率不再降低，说明此时无烟煤对焦炭的气化反应影响已不再明显，即达到饱和状态。

3、无烟煤对焦炭热性质的影响

1)无烟煤对焦炭反应性的影响。分别在1000、1050、1100℃下，对2Og焦样添加不同量无烟煤，反应12Omin后，测定焦炭与CO2反应性，在不同温度下添加无烟煤后焦炭反应性均有所降低，并且降低程度随无烟煤添加量增加而增大。由动力学分析可知：无烟煤气化反应表观活化能比焦炭低，优先于焦炭与CO2发生反应，使反应气氛中CO2的浓度下降(相对于不加无烟煤时)，同时产生CO，吸附于焦炭的孔隙表面，阻止CO2分子进一步进入焦炭气孔，在一定程度上减少了CO2分子与焦炭中碳反应机会，使焦炭反应性降低。但无烟煤增加到一定量后，曲线变为平缓，说明添加无烟煤对焦炭反应性的影响也是有限度的。

2)无烟煤对焦炭反应后强度的影响

①无烟煤在不同温度段对焦炭反应后强度的影响。在焦炭中添加不同量无烟煤，反应120min后，测定焦炭的反应后强度，在添加不同量无烟煤的情况下，焦炭反应后强度在不同温度下较不加无烟煤时均有不同程度的提高，其提高幅度随反应温度的增加而增大。说明反应温度越高，无烟煤的影响越明显。

②无烟煤在不同反应时间下对焦炭反应后强度的影响。在20g焦炭中添加15％无烟煤，在1100℃与CO2分别反应3O、60、120、150min，测定反应后强度，由其结果可知，在反应时间为30min时，在未加无烟煤情况下，焦炭气化时间短，强度破坏不太大；而加无烟煤时，无烟煤气化时间也较短，因此对焦炭强度影响不明显。当反应时间达到60min时，焦炭的强度遭到了较大破坏，反应后强度也急剧下降，所以添加无烟煤后，无烟煤的抑制作用相当明显(此时无烟煤气化反应程度较为剧烈，抑制焦炭气化反应的持续时间长)。当反应到120min后，无烟煤中的碳经过长时间剧烈气化而减少，抑制焦炭反应的能力下降，所以加15％无烟煤与不加无烟煤的焦炭反应后强度的差距呈现出减小的趋势。

四、结语

焦炭是高炉炼铁的三大原料之一，它在高炉中起着供碳、供热、还原和骨架的作用。近年来，为了加强高炉冶炼，采取了富氧喷吹或顶装粒煤等措施，降低了焦比，提高了高炉利用系数。

参考文献

[1]杨敏.无烟煤影响焦炭气化反应及热性能的研究[J].安徽工业大学，2014.

[2]龙世刚.焦炭气化反应温度及其对高炉冶炼影响的研究[J].钢铁，2014，25(07):1-5.