CN103233088A - 一种非真空条件下清洗积碳的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于冶金工业炼铁领域。一种在非真空条件下清洗积碳的方法，可应用于氧气高炉炼铁工艺中产生的积碳清洗技术。具体过程为：根据氧气高炉的工艺特点设计煤气成分，首先使用电阻加热炉(3)升温，小石英管（5）被加热到700℃后通入煤气，其中装有石英棉(4)用来吸附析出的碳，同时使用蓄水槽(6)封住大石英管(2)的下端防止漏气，在电子天平(1)外部设有密封罩(10)，并通入高纯N2使废气从气体出口(9)排出。5个小时实验后，拿出小石英管(5)观察和记录析碳现象，然后继续放入小石英管(5)，在700℃焙烧20～30分钟后拿出观察并记录结果，发现由于进入了冷空气在650℃～750℃清洗效果较好。
Description
技术领域
本发明应用碳与氧气的反应特性在非真空条件下清洗氧气高炉煤气流输送中的积碳，属于冶金技术领域。
背景技术
由于节能环保的政策指引下，氧气高炉技术的开发势在必行。然而在氧气高炉煤气加热和输送条件下，产生的析碳反应是氧气高炉技术基础开发的问题之一。
在温度升高过程中，CO常会发生化学反应生成极少量炭黑，这一过程常称为析碳反应。在生产实践中，析炭危害具体表现如下:炭黑吸附在输送管道内表面,堵塞输送管道，影响高炉炼铁过程中煤气流的输送；影响传热,使局部反应区产生过热而缩短热风炉或输送管道的寿命。增加管道输送阻力，影响生产。
在氧气高炉工艺条件下，热风炉对煤气进行加热，并达到一定温度后输送到高炉内进行炼铁生产，在此过程中，煤气在热风炉的管道以及输送到高炉的管道中都会产生析碳现象，严重情况下会影响正常的生产操作，危害严重。
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现有的解决高炉积碳的方法主要是通过使沉积碳得到充分的搅动，使沉积碳燃烧更为充分，增加裂解效率,有效减少沉积碳的数量。但是，主要以搅动为主且外设装置比较多，成本偏高，操作过程相对比较复杂，并且都是属于发明的一种装置，而本发明还消除积碳的一种方法，简便可靠，且成本较低以及危险性小，同时通入清洗积碳的气体可根据实际情况进行调整，灵活性强。
发明内容
本发明的目的在于提出一种新的工艺采用650℃～750℃的空气清洗管道中的积碳技术，以减少管道中的积碳对设备的继续使用的危害，尤其是在氧气高炉的工艺条件下热风炉对煤气的预热以及预热后输送到高炉过程的管道中，甚至于可以推广到所有产生积碳的现象的工艺中,提高氧气高炉工艺条件下的煤气不断预热效率以及管道输送效率，提高生产率，减少对设备的损害等作用。
本发明的另一目的是提供一种消除高炉积碳的测试装置。
本发明的技术方案如下：
一种消除高炉积碳的测试装置，包括大石英管、电阻加热炉、石英棉、小石英管，其特征在于：电阻加热炉起加热作用，大石英管（2）位于电阻加热炉（3）内部并与电阻加热炉（3）紧紧连接。小石英管（5）被铁铬铝丝（8）垂直悬吊于大石英管（2）的内部；小石英管（5）内部填充石英棉（4），石英棉（4）的作用是吸附析出的碳颗粒。
优选的，还包括保护气进口（11）和气体出口（9），保护气进口（11）位于整个测试装置上部，用来通入保护气体；气体出口（9）位于电子天平（1）和电阻加热炉（3）的中间部位的大石英管（2）两侧，用以排出大石英管（2）内部的所有气体，大石英管（2）内部的气体包括反应煤气和保护气体氮气。
优选的，所述消除高炉积碳的测试装置还包括电子天平（1），电子天平（1）位于大石英管（2）和小石英管（5）上部，用于和铁铬铝丝连接悬吊小石英管并记录实验数据。
优选的，所述消除高炉积碳的测试装置还包括密封罩(10)，密封罩（10）位于电子天平（1）的外部，用于密封电子天平，防止气体泄漏。电子天平（1）位于大石英管（2）和小石英管（5）上部的密封罩(10)内。
优选的，保护气进口（11）位于在密封罩（10）的侧面。所述保护气体为氮气或。
优选的，所述消除高炉积碳的测试装置还包括水槽（6），水槽(6)位于大石英管(2)的下端，用于封住大石英管(2)的下端防止漏气。
优选的，所述消除高炉积碳的测试装置还包括硅胶管（7），硅胶管（7）位于小石英管（5）的下端，并与小石英管（5）的下端相连接，用于通入发生析碳反应的氧气高炉煤气。
一种非真空条件下清洗积碳的方法，包括下列步骤：
1）将装有石英棉(4)的小石英管(5)放入电阻加热炉(3)中，安好水槽(6)、硅胶管(7)，打开电源开始升温，经硅胶管（7）和保护气进口（11）同时通入保护气体，
2）升温，待温度升至650～750℃后，停止经硅胶管（7）通入的保护气体，保护气进口（11）持续通入保护气体，同时经硅胶管（7）通入氧气高炉煤气进行析碳反应，氧气高炉煤气发生析碳反应，积碳吸附在石英棉(4)中，析碳反应生成的气体以及经保护气进口（11）通入的保护气体全部通过气体出口（9）排出系统，3～5个小时后关掉氧气高炉煤气并经硅胶管（7）通入保护气体保护降温至400～500℃，同时保护气进口（11）持续通入保护气体，
3）取出小石英管(5)记录析碳情况；
4）然后再次放入相同恒温带并升温至650～750℃，撤出水槽(6)、硅胶管(7)，由于大石英管内部的高温促使冷空气迅速从大石英管（2）的底端进入，使得空气与小石英管（5）中的积碳在650～750℃焙烧20～30分钟；空气中的O2和小石英管(4)中的积碳进行反应并生成气体全部从气体出口（9）排出，
5）拿出小石英管(5)记录清洗后的情况。
优选的，步骤1）和2）中所述保护气体为氮气或氩气。
优选的，步骤1）中通入保护气体保护20-30分钟。
优选的，步骤2）所述的氧气高炉煤气的成分范围为：CO：55%～65%%、H2：10%～20%、CO2：0～10%、N2：5～35%，体积比。氧气高炉煤气的气流量为1.5～3.5L/min。
更优选的，步骤2）所述的氧气高炉煤气的成分范围为：CO：59%～62%%、H2：14%～18%、CO2：3～6%、N2：14～22%，体积比。氧气高炉煤气的气流量为2～3L/min。
更优选的，氧气高炉的煤气成分，CO：61%、H2:16%、CO2：5%、N2：18%。实验中的煤气流量为2L/min。
根据以上测试的内容和步骤可以将清洗积碳的方法应用到实际的高炉炼铁中，尤其是CO和H2浓度较高的氧气高炉。在连续生产作业之后，高炉炼铁工艺的设备和管道中所产生的积碳可以通过通入O2或者CO2，与积碳在650～750℃的情况下进行反应达到清洗的目的，在相同的温度条件下为了节约成本和降低危险性也完全可以通入空气对积碳进行清洗。方法简单易操作，且成本低，可行性和灵活性高。
本发明的优点在于：
1.本发明应用碳在650℃～750℃范围内在空气不流通的情况下和空气中的氧进行强烈反应生成气体排出装置，具有设备简单、投资低、效率高、操作方便，工艺条件容易操作等优点。
2.装入小石英管的石英棉除了具有耐高温不变形、在达到1700℃的条件下才减重等有点外，还具有易于促进碳颗粒的吸附，易于达到清洗积碳的效果等。
3.采用电阻炉加热，可以准确控制石英管温度，有利于控制影响煤气流在流动过程中形成的析碳。
4.整个工艺都在高纯氮气的保护下进行，采用石英材质套管，减少了外界对石英棉的污染和影响，所以应用普通CO气体就可以产生析碳的效果，大大降低的成本。
5.由于本发明是采用了非真空条件下(即空气即可的情况)，所以使得设备简化，方便对石英管施加各种外界场(电场等)，而且由于石英管处于高温段，冷空气会从大石英管底端不断灌入，所以空气条件也可不用使用附加设备，使得设备简单易操作。
附图说明
图1为本发明设备结构示意图
其中：1、电子天平，2、大石英管，3、电阻加热炉，4、石英棉，5、小石英管，6、水槽，7、硅胶管，8、铁铬铝丝，9、气体出口，10、密封罩，11、保护气进口
图2为实验温度在700℃，氧气高炉煤气流量为3L/min时积碳前后和清洗积碳的图例：分别分为积碳前、积碳后和清洗积碳后
图3为实验温度在650℃，氧气高炉煤气流量为2L/min时积碳前后和清洗积碳的图例：分别分为积碳前、积碳后和清洗积碳后
具体实施方式
析碳反应都是可逆的，平衡常数式分别为：
CO+H2=C+H2O↑ΔH298K=-131.47kJ·mol-1
2CO=C+CO2↑ΔH298K=-172.5kJ·mol-1
CO在低温出现分解（2CO=C+CO2）实验证实，该反应受温度、气体压力等因素的影响。当CO的分解反应达到平衡时，气相中含有大量CO2，这是CO分解沉积热力学基础。
此反应对输送管道过程甚至高炉冶炼过程都有不利影响：在高炉中渗入炉身砖衬中可能会产生膨胀而破坏炉衬，渗入炉料可能使炉料破碎，在管道中会产生粉末阻碍煤气流的正常输送以及增加管道热阻阻碍传热。
通过析碳反应吉布斯自由能和平衡常数之间的理论计算可知，温度在200℃～700℃下ΔrGm Θ均小于零，说明CO的析碳可能性相当大。当温度达到700℃时，ΔrGm Θ几乎接近为零，而温度进一步升高ΔrGm Θ≥0，析碳反应就不满足热力学放热反应的条件，高于900℃平衡气相几乎单独由CO组成，因此不可能存在碳的沉积。所以析碳的温度范围根据热力学为200℃～700℃的范围，而300℃是动力学理论最低条件，低于此温度不满足动力学条件，析碳反应也不会发生，所以析碳反应的最终温度范围为400℃～700℃。
为实现以上目的，关键是要针对氧气高炉煤气成分进行选取，选取煤气成分的原则是根据氧气高炉工艺的理论计算得出，并根据测试的主要目的采取风口循环的煤气参数进行实验,即CO：61%、H2:16%、CO2：5%、N2：18%。
本发明的工艺方法为：图1为实验清洗氧气高炉条件下积碳的设备示意图。首先根据氧气高炉工艺理论选择气氛条件，而后将装有石英棉4的小石英管5放入管式电阻炉3中，垂直悬吊在电子天平1下。打开电源开始升温，并通入氮气保护后，待温度升至700℃后，通入氧气高炉煤气进行析碳反应，5个小时后关掉气氛并通入氮气保护降温至500℃，取出小石英管5记录析碳情况然后再次放入相同恒温带并升温至700℃，继续在此温度下焙烧20～30分钟后拿出小石英管5记录清洗后的情况。
实施例1
一种消除高炉积碳的测试装置，包括大石英管、电阻加热炉、石英棉、小石英管，其特征在于：电阻加热炉则起加热作用，大石英管2位于电阻加热炉3内部并紧紧连接。小石英管5被铁铬铝丝9垂直悬吊于大石英管2的内部；小石英管5内部填充石英棉4，作用是吸附析出的碳颗粒。
优选的，还包括气体出口9和保护气进口11，气体出口9位于电子天平1和电阻加热炉3的中间部位的大石英管2两侧，用以排出大石英管2内部的所有气体，包括反应煤气和保护气体N2。保护气进口11位于整个测试装置上部，在密封罩10的侧面，用来通入保护气体氮气
优选的，所述消除高炉积碳的测试装置还包括电子天平1，电子天平1位于大石英管2和小石英管5上部的密封罩10内，用于和铁铬铝丝连接悬吊小石英管并记录实验数据。
所述消除高炉积碳的测试装置还包括水槽6，水槽6位于大石英管2的下端，用于封住大石英管2的下端防止漏气。
所述消除高炉积碳的测试装置还包括硅胶管7，硅胶管7位于小石英管5的下端，并与小石英管5的下端相连接，用于通入发生析碳反应的氧气高炉煤气。
一种非真空条件下清洗积碳的方法，包括下列步骤：
1）将装有石英棉4的小石英管5放入电阻加热炉3中，安好水槽6、硅胶管7，打开电源开始升温，经硅胶管7和保护气进口11同时通入氮气保护，
2）待温度升至650～750℃后，停止经硅胶管7通入的氮气，保护气进口11通入的氮气不停止，同时经硅胶管7通入氧气高炉煤气进行析碳反应，氧气高炉煤气发生析碳反应，积碳吸附在石英棉4中，析碳反应生成的气体以及经保护气进口11通入的氮气全部通过气体出口9排出系统，3～5个小时后关掉氧气高炉煤气并通入氮气保护降温至400～500℃，同时保护气进口11通入的氮气不停止，所述的氧气高炉煤气范围为：CO：55%～65%%、H2：10%～20%、CO2：0～10%、N2：5～35%。
3）取出小石英管(5)记录析碳情况
4）然后再次放入相同恒温带并升温至650～750℃，撤出水槽6、硅胶管7，由于大石英管内部的高温促使冷空气迅速从大石英管2的底端进入，使得空气与小石英管5中的积碳在650～750℃焙烧20～30分钟；空气中的O2和小石英管4中的积碳进行反应并生成气体全部从气体出口9排出；
5）拿出小石英管(5)记录清洗后的情况。
为了观察清洗积碳的效果。实验前需要记录下小石英管的效果，然后将小石英管内塞进8g石英棉，并一起垂直悬挂在电阻加热炉中大石英管的700℃恒温带。
将硅胶管（7）与小石英管（5）底端安装好并放好水槽（6），水槽中的水面位置需要超过大石英管（2）底端低于小石英管（5），打开电源开始升温至700℃，同时并经硅胶管（7）通入氮气保护20-30分钟。
为了更加清楚地观察清洗积碳的效果，选取CO：H2=2:1的混合气体(流量为2L/min)情况进行观察(氧气高炉煤气积碳清洗情况相同)，通过流量计通入气体，调试流量计到相应流量。并且在密封罩10上端保护气进气口11通入5L/min的氮气，可以压住煤气流并防止煤气流聚集在密封罩10中并使其顺利从大石英管上部气体出口9排气，在700℃温度下5个小时后撤出水槽6和硅胶管7并取出小石英管5记录析碳效果，然后将小石英管5再次放入大石英管2中，大石英管2中的高温会使底端周边冷空气从大石英管2底端迅速进入大石英管2，新的冷空气通过小石英管5，使得空气中的氧与积碳反应并起到清洗积碳的效果，20～30分钟之后取出小石英管5记录清洗后的称重情况。图2是记录清洗积碳过程中3次小石英管的重量变化，由图中可以看出使用加热空气对清洗积碳效果良好，并且说明清洗方法稳定可靠，并且反复测量发现加热的空气温度在650℃～750℃范围内清洗效果显著。
实施例2
其它同实施例1，不同之处在于：实验温度通过电阻加热炉3加热到650℃，经硅胶管7通入的氧气高炉煤气流量设定为3L/min，图3是记录清洗积碳过程中3次小石英管的重量变化，由图中可以看出使用加热空气对清洗积碳效果良好，并且说明清洗方法稳定可靠，并且反复测量发现加热的空气温度在650℃～750℃范围内清洗效果显著。
Claims (11)
1.一种消除高炉积碳的测试装置，包括大石英管、电阻加热炉、石英棉、小石英管，其特征在于：电阻加热炉起加热作用，大石英管（2）位于电阻加热炉（3）内部并与电阻加热炉（3）紧紧连接；小石英管（5）被铁铬铝丝（8）垂直悬吊于大石英管（2）的内部；小石英管（5）内部填充石英棉（4），石英棉（4）的作用是吸附析出的碳颗粒。
2.如权利要求1所述的消除高炉积碳的测试装置，其特征在于，所述的消除高炉积碳的测试装置还包括保护气进口（11）和气体出口（9），保护气进口（11）位于整个测试装置上部，用来通入保护气体；气体出口（9）位于电子天平（1）和电阻加热炉（3）的中间部位的大石英管（2）两侧，用以排出大石英管（2）内部的气体。
3.如权利要求1或2所述的消除高炉积碳的测试装置，其特征在于，所述消除高炉积碳的测试装置还包括电子天平（1），电子天平（1）位于大石英管（2）和小石英管（5）上部，用于和铁铬铝丝连接悬吊小石英管并记录实验数据。
4.如权利要求1～3任一项所述的消除高炉积碳的测试装置，其特征在于，所述消除高炉积碳的测试装置还包括密封罩(10)，密封罩（10）位于电子天平（1）的外部，用于密封电子天平，防止气体泄漏。
5.如权利要求4所述的消除高炉积碳的测试装置，其特征在于，保护气进口（11）位于在密封罩（10）的侧面；所述保护气体为氮气或氩气。
6.如权利要求1所述的消除高炉积碳的测试装置，其特征在于，所述消除高炉积碳的测试装置还包括水槽（6），水槽(6)位于大石英管(2)的下端，用于封住大石英管(2)的下端防止漏气。
7.如权利要求1所述的消除高炉积碳的测试装置，其特征在于，所述消除高炉积碳的测试装置还包括硅胶管（7），硅胶管（7）位于小石英管（5）的下端，并与小石英管（5）的下端相连接，用于通入发生析碳反应的氧气高炉煤气。
8.一种非真空条件下清洗积碳的方法，包括下列步骤：
1）将装有石英棉(4)的小石英管(5)放入电阻加热炉(3)中，安好水槽(6)、硅胶管(7)，打开电源开始升温，经硅胶管（7）和保护气进口（11）同时通入保护气体，
2）升温，待温度升至650～750℃后，停止经硅胶管（7）通入的保护气体，保护气进口（11）持续通入保护气体，同时经硅胶管（7）通入氧气高炉煤气进行析碳反应，氧气高炉煤气发生析碳反应，积碳吸附在石英棉(4)中，析碳反应生成的气体以及经保护气进口（11）通入的保护气体全部通过气体出口（9）排出系统，3～5个小时后关掉氧气高炉煤气并经硅胶管（7）通入保护气体保护降温至400～500℃，同时保护气进口（11）持续通入保护气体，
3）取出小石英管(5)记录析碳情况；
4）然后再次放入相同恒温带并升温至650～750℃，撤出水槽(6)、硅胶管(7)，由于大石英管内部的高温促使冷空气迅速从大石英管（2）的底端进入，使得空气与小石英管（5）中的积碳在650～750℃焙烧20～30分钟；空气中的O2和小石英管(4)中的积碳进行反应并生成气体全部从气体出口（9）排出，
5）拿出小石英管(5)记录清洗后的情况。
9.如权利要求8所述的非真空条件下清洗积碳的方法，其特征在于，步骤1）和2）中所述保护气体为氮气或氩气；步骤1）中通入保护气体保护20-30分钟。
10.如权利要求8或9所述的非真空条件下清洗积碳的方法，其特征在于，步骤2）所述的氧气高炉煤气的成分范围为：CO：55%～65%%、H2：10%～20%、CO2：0～10%、N2：5～35%，体积比；氧气高炉煤气的气流量为1.5～3.5L/min。
11.如权利要求10所述的非真空条件下清洗积碳的方法，其特征在于，步骤2）所述的氧气高炉煤气的成分范围为：CO：59%～62%%、H2：14%～18%、CO2：3～6%、N2：14～22%，体积比。氧气高炉煤气的气流量为2～3L/min。
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