CN103398918A - 一种块煤裂解后生成半焦的热性能测试方法及测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非焦块煤裂解后生成半焦的热性能测试方法，利用非焦块煤制取半焦；利用CO₂与还原性气体的混合气体进行半焦的气化反应并检测尾气成分，绘制反应时间—CO浓度曲线图；对气化后半焦进行转鼓试验，利用不同孔径筛子筛分转鼓后焦样；绘制各粒级质量百分数累积分布图；对各粒级质量百分数与权重进行加权求和得到反应后强度。测试装置主要包括电炉、温度控制柜、反应罐、烟气分析仪及计算机、储气罐及与之连通的干燥塔和流量计。本发明能够解决传统方法测试反应后强度低、粒度分布宽的半焦热性能时评价不准确及反应过程不详等问题，实现非焦块煤制取的半焦在还原性气氛条件下发生气化反应的热性能评价。

Description

一种块煤裂解后生成半焦的热性能测试方法及测试装置

技术领域

本发明属于非焦煤性能测试领域，特别是涉及一种块煤裂解后生成半焦的热性能测试方法以及测试装置。

  

背景技术

非高炉炼铁工艺如COREX（已实现工业化的熔融还原炼铁技术）和FINEX（直接用粉矿和非炼焦煤冶炼铁水的新工艺）的熔融气化炉可使用非炼焦块煤，块煤自气化炉顶部加入，在拱顶1000℃以上的高温区域发生快速裂解，脱除水分及挥发物，裂解后的煤粒沉积形成半焦床，风口前半焦在纯氧喷吹下产生大量还原性气体供竖炉进行铁矿石的预还原。下降的半焦与CO₂发生碳素溶解损失反应，以及半焦与炉料、炉壁之间的相对运动等行为引起半焦强度下降，导致大量焦粉产生，造成炉料透气性降低，严重影响工艺稳定顺行。因此，合理的块煤裂解后生成半焦的热性能测试方法对判断半焦热性能优劣至关重要。

国标GB220-1989规定了煤与CO₂反应性的测定方法，先将煤样干馏，去除挥发物，选取一定粒度的焦渣装入反应管中加热到一定温度，以一定流速通入CO₂与之反应，测定反应后气体中CO₂的含量，以被还原成CO的CO₂量占通入的CO₂量的百分数作为煤对CO₂的反应性指标。

国标GB/T 4000-2008规定焦炭反应后强度的检测，其方法是取23~25mm焦炭试样200g，在1100±5℃温度下与CO₂反应2h，以反应后焦炭损失的质量百分比作为反应性，反应后的焦炭经I型转鼓试验后，大于l0mm粒级焦炭占反应后焦炭的质量百分数，表示反应后强度。

中国专利号为201010251139.5公开的“一种高温环境下测试焦炭强度的方法”，包括选取实验焦样，配置好试验设备，开启电炉对焦样加热并通入CO₂反应，通过施压筛板对焦样恒速向下施压一定距离后停止加热冷却焦样，筛分剩余焦样，将粒径大于9.5mm焦样的质量与反应后半焦总质量的百分数作为反应后强度。

以上方法主要适用于炼焦煤经长时间炼制形成的焦炭，其强度高，承受炉料间撞击或摩擦后，主要沿裂纹产生大块焦和摩擦形成细焦粉。而对于非焦煤，将其瞬间放入气化炉后，块煤成焦时间短，生成的半焦强度差，气化反应后的半焦在与炉料相对运动或撞击过程中将产生各种粒度的焦块，若仅使用大于某粒级的测定值来衡量强度性能，则忽略了破碎后不同比例粒级的焦块表征不同的焦样强度。同时，现有焦炭反应性测定方法是在纯CO₂气氛下进行的，没有考虑反应环境中还原性气氛较强的因素，且仅测定了最终反应质量减少率表示反应性，没有体现反应过程中的变化情况，导致现有方法不能准确、全面评价半焦的热性能。

  

发明内容

本发明的目的是提供一种块煤裂解后生成半焦的热性能测试方法，能够解决传统方法测试反应后强度低、粒度分布宽的半焦热性能时评价不准确及反应过程不详等问题，实现非焦块煤制取的半焦在还原性气氛条件下发生气化反应的热性能评价，为非炼焦煤选煤过程提供更合理、全面的理论依据。

本发明还提供一种实现所述方法的块煤裂解后半焦热性能测试装置。

实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种块煤裂解后生成半焦的热性能测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）筛选粒径为25~30mm的干燥块煤2~3kg，将其封装于炼焦罐后快速置于温度为1000~1100℃的炼焦炉0.5~2h，取出后冷却至室温得到初始半焦试样；

2）对初始半焦试样进行整粒，筛选出粒径为23~25mm的块焦，取质量m=200±1g；

3）将质量为m的半焦试样放置于反应罐中的支架的透气片上，半焦试样中心埋放热电偶；

4）将反应罐密封放入电炉，开启电炉对半焦试样加热，升温速率为15~25℃/min，当半焦试样中心温度达到400±10℃时，对反应罐通入N₂保护，当炉温升至1000~1100℃时换通CO₂与还原性气体的混合气体，CO₂与还原性气体分别同时通入5~10L/min；当气流稳定后，开启与反应罐连通的烟气分析系统，记录烟气成分；

5）反应1~2h后，改通N₂保护，将反应罐从电炉中取出，冷却至室温；称量反应后半焦试样的质量为m₁，将m-m₁与m的百分比作为半焦气化反应失碳率；

6）对气化反应后的半焦试样进行I型转鼓测试，转速20r/min，总转数为600r；

7）对转鼓后半焦试样进行筛分，记录各粒级质量，计算各粒级质量占转鼓前半焦总质量的百分数；按＜1mm、1~4mm、4~7mm、7~10mm、10~13mm、13~16mm、16~19mm、＞19mm的粒级质量百分数的权重分别赋予0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1；

8）对步骤7）所得粒级质量百分数作累积分布图，并利用所述各粒级质量百分数x_i与权重f_i进行加权求和，得到反应后强度CSR=∑（f_i·x_i）；

9）对计算机系统记录的CO₂与CO浓度做归一处理，绘制反应时间—CO浓度曲线。

进一步，所述步骤1）中炼制半焦试样的炼焦罐壁的厚度为1~2mm，以保证块煤高温快速裂解。

进一步，所述步骤2）对初始半焦整粒，应当对大块焦进行破碎，手工将不规则焦块修整成颗粒状焦样，将23mm筛上物置于I型转鼓，以20r/min转50r，筛分出粒径为23~25mm焦块。

进一步，所述步骤4）中混合气体中的还原性气体为CO、H₂或CH₄。

进一步，烟气分析仪至少能够分析CO、CO₂、H₂、CH₄气体，测量范围至少超过预算的尾气浓度范围。

本发明还提供一种块煤裂解后生成半焦的热性能测试装置，其特征在于，包括反应罐，所述反应罐中底部设支架，支架上设有用于放置半焦试样的透气片，支架下方铺设高铝球；还包括与反应罐相连的CO₂储气瓶、还原性气体储气瓶和N₂储气瓶，所述CO₂储气瓶、还原性气体储气瓶和N₂储气瓶分别通过减压阀、干燥器、流量计连通反应罐；反应罐还连接烟气分析仪和计算机系统。

还包括用于对反应罐加热的电炉，电炉的加热元件电阻丝与温度控制柜相连。

进一步，所述CO₂储气瓶的出气口还连接有加热器。

进一步，所述反应罐与烟气分析仪的气路中还设有水洗塔和干燥塔除尘，经过水洗和干燥的烟气最终进入烟气分析仪。

进一步，所述高铝球的高度不小于10cm。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果： 

1、本发明方法利用非焦块煤制取半焦，利用CO₂与还原性气体的混合气体进行半焦的气化反应并检测尾气成分，绘制反应时间—CO浓度曲线图，能够实时监控气化反应发生中速率变化情况，方便快捷地获取详细的气化反应速率变化阶段，并能够进一步用于分析半焦比表面积、孔隙形貌等微观结构的变化情况。对气化后半焦进行转鼓试验，利用不同孔径筛子筛分转鼓后焦样；绘制各粒级质量百分数累积分布图；对各粒级质量百分数与权重进行加权求和得到反应后强度。通过非焦块煤制取的半焦在还原性气氛条件下发生气化反应的热性能评价，为非炼焦煤选煤过程提供更合理、全面的理论依据。

2、本发明的块煤裂解后生成半焦的热性能测试方法所获得的反应后强度，综合考虑了转鼓后各粒级焦块对反应后强度的影响，解决传统方法测试反应后强度低、粒度分布宽的半焦热性能时评价不准确的不足，更加精确地评价块焦的质量优劣，为选煤提供更合理的依据；该评价方法还能够广泛应用于强度较差的焦炭强度测定，具有广阔的应用前景。

3、本发明的块煤裂解后生成半焦的热性能测试装置结构简单、操作方便，能够利用CO₂与还原性气体的混合气体进行半焦的气化反应并检测尾气成分，实现半焦试样在还原气氛环境下的气化反应实验，真实模拟工艺过程中半焦的气化反应环境。

 

附图说明

图1为本发明块煤裂解后半焦热性能测试装置的结构示意图。

图2为实施例中气化反应烟气时间—CO浓度变化曲线图。

图3为实施例中各粒级质量百分比累计分布图。

  

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

实施例：参见图1~3，一种块煤裂解后生成半焦的热性能测试方法，针对3种煤样（1#、2#、3#）进行检测，3种煤均为COREX使用的非焦块煤。

具体的块煤裂解后生成半焦的热性能测试方法，包括以下步骤：

步骤1：筛选粒径为25~30mm的1#、2#、3#干燥块煤2~3kg，将其封装于炼焦罐后快速（炼焦罐放入炉子的时候速度尽量快些，放入炉子后以便高温裂解）置于温度为1000~1100℃的炼焦炉0.5~2h；炼焦炉温度适宜控制在1000℃，停留时间1h，取出后冷却至室温得到初始半焦，作为优选本实施例的试样；

步骤2：对初始半焦试样进行整粒，筛选出粒径为23~25mm的块焦，取质量m=200±1g；

步骤3：准备反应罐12，在罐底铺设高度不小于10cm的高铝球9，罐内设三角支架18，透气片17置于支架上，且三角支架18高度高于高铝球9，将质量为m的半焦试样10放置于反应罐中的支架的透气片17上，半焦试样中心埋放热电偶13；

步骤4：将反应罐12密封放入电炉8，开启电炉8对试样加热，升温速率为15~25℃/min，作为优选在本实施例中升温速率为15℃/min，当焦样中心温度达到400±10℃，对反应罐通入N₂保护，当炉温升至1000~1100℃时换通CO₂与还原性气体的混合气体，作为优选本实施例在炉温升至1050℃时换通CO₂，当气流稳定后，开启烟气分析系统，记录烟气成分；

步骤5：反应1~2h后，作为优选本实施例选取反应时间为2h，改通N₂保护，将反应罐从电炉中取出，冷却至室温，称量反应后半焦质量m₁，将m-m₁与m的百分比作为半焦气化反应失碳率；

步骤6：对气化反应后的半焦试样进行I型转鼓测试，转速20r/min，总转数为600r；

步骤7：对转鼓后半焦试样进行筛分，记录各粒级质量，计算各粒级质量占转鼓前半焦总质量的百分数；按＜1mm、1~4mm、4~7mm、7~10mm、10~13mm、13~16mm、16~19mm、＞19mm的粒级质量百分数的权重分别赋予0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1；

步骤8：对步骤7所得粒级质量百分数作累积分布图，并利用所述各粒级质量百分数x_i与权重f_i进行加权求和，得到反应后强度CSR=∑（f_i·x_i）；

步骤9：对计算机系统记录的CO₂与CO浓度做归一处理，绘制反应时间—CO浓度曲线。

在本实施例中炼制半焦的炼焦罐壁厚度应当在1~2mm，以保证块煤高温快速裂解。

对初始半焦整粒，应当对大块焦进行破碎，手工将不规则焦块修整成颗粒状焦样，将23mm筛上物置于I型转鼓，以20r/min转50r，筛分出粒径为23~25mm焦块。还原性气体为CO、H₂、CH₄或以上气体的混合气体，CO₂与还原性气体分别同时通入5~10L/min。

作为优选本实施例选用CO₂与CO流量均为5L/min；筛分半焦的筛子孔径为：1mm、4mm、7mm、10mm、13mm、16mm和19mm，对＜1mm、1~4mm、4~7mm、7~10mm、10~13mm、13~16mm、16~19mm、＞19mm粒级质量百分比的权重分别赋值0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1。

使用该半焦热性能测试方法可以获得大量信息。由图2可以看出，1#焦样反应性明显高于2#、3#焦样，且在45min时反应最剧烈，在100min后反应速率下降；表1显示2#、3#焦样的最终失碳率接近，但3#样在70min前反应速率高于2#样，而70min后反应速率明显下降，而传统检测方法忽略了以上重要信息。相比使用纯CO₂进行气化反应测试，本发明测试结果值降低，更符合反应实际情况。

利用传统测试焦炭反应性的方法对本实验统计粒径大于10mm的质量百分数，发现1#和2#试样强度接近，2#和3#试样强度相差较大。但利用本方法的加权和求得的强度值发现1#样强度大于2#样，3#样较2#样略小，结合表2及图3可以清晰看出，1#样转鼓后筛分粒度在16mm以上的质量明显多于2#试样，而2#试样主要集中在10~16mm，所以1#样性能优于2#样，即1#样强度值应当大于2#样；3#样粒径集中在7~13mm，虽然3#样大于10mm较少，但7~10mm所占质量比例大，在一定情况下，仍然可以在炉况较好的时候选择使用，即3#样强度测试值最佳为较2#样略低并非相差较大，本方法测试的结果更准确地反映了反应后强度性能。

表1  传统统计与本发明测试结果

测试项目	1#	2#	3#
				传统统计强度/%	60.73	60.01	50.42
发明计算强度/%	70.18	67.33	65.73
				传统测试反应性/%	41.86	32.43	31.87
发明测试失碳率/%	33.77	25.16	24.98

表2  转鼓后筛分各粒级百分比情况

编号	＜1mm	1~4mm	4~7mm	7~10mm	10~13mm	13~16mm	16~19mm	＞19mm
									1#	10.12	8.95	8.32	11.88	11.05	14.68	22.03	12.97
2#	8.63	7.89	10.21	13.26	24.11	14.89	12.77	8.24
									3#	7.32	9.11	10.1	23.05	17.55	14.89	11.68	6.3

以上实施例可以看出，本方法能够提供全面、准确的块煤裂解后生成半焦的热性能参数，为优化生产工艺提供理论指导。

参见图1所示，实现上述方法采用的块煤裂解后生成半焦的热性能测试装置，包括反应罐12，所述反应罐12中底部设支架18，支架18上设有用于放置半焦试样10的透气片17，支架18内部铺设高铝球9；还包括与反应罐12相连的CO₂储气瓶1、还原性气体储气瓶6和N₂储气瓶7，所述CO₂储气瓶1、还原性气体储气瓶6和N₂储气瓶7分别通过减压阀3、干燥器4、流量计5连通反应罐12；反应罐12还连接烟气分析仪15和计算机系统16。所述CO₂储气瓶1的出气口还连接有加热器2。反应罐12与烟气分析仪15的气路中还设有水洗塔20和干燥塔19除尘，经过水洗和干燥的烟气最终进入烟气分析仪。还包括用于对反应罐12加热的电炉8，电炉8的加热元件电阻丝11与温度控制柜14相连。

采用本发明块煤裂解后生成半焦的热性能测试装置，实现本发明的测试，具有操作方便的特点，能够利用CO₂与还原性气体的混合气体进行半焦的气化反应并检测尾气成分，实现半焦试样在还原气氛环境下的气化反应实验，真实模拟工艺过程中半焦的气化反应环境。而且，结构简单、设计合理，具有较强的实用性。

最后说明的是，上述实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种块煤裂解后生成半焦的热性能测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）筛选粒径为25~30mm的干燥块煤2~3kg，将其封装于炼焦罐后快速置于温度为1000~1100℃的炼焦炉0.5~2h，取出后冷却至室温得到初始半焦试样；

2）对初始半焦试样进行整粒，筛选出粒径为23~25mm的块焦，取质量m=200±1g；

3）将质量为m的半焦试样放置于反应罐中的支架的透气片上，半焦试样中心埋放热电偶；

4）将反应罐密封放入电炉，开启电炉对半焦试样加热，升温速率为15~25℃/min，当半焦试样中心温度达到400±10℃时，对反应罐通入N₂保护，当炉温升至1000~1100℃时换通CO₂与还原性气体的混合气体，CO₂与还原性气体分别同时通入5~10L/min；当气流稳定后，开启与反应罐连通的烟气分析系统，记录烟气成分；

5）反应1~2h后，改通N₂保护，将反应罐从电炉中取出，冷却至室温；称量反应后半焦试样的质量为m₁，将m-m₁与m的百分比作为半焦气化反应失碳率；

6）对气化反应后的半焦试样进行I型转鼓测试，转速20r/min，总转数为600r；

7）对转鼓后半焦试样进行筛分，记录各粒级质量，计算各粒级质量占转鼓前半焦总质量的百分数；按＜1mm、1~4mm、4~7mm、7~10mm、10~13mm、13~16mm、16~19mm、＞19mm的粒级质量百分数的权重分别赋予0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1；

8）对步骤7）所得粒级质量百分数作累积分布图，并利用所述各粒级质量百分数x_i与权重f_i进行加权求和，得到反应后强度CSR=∑（f_i·x_i）；

9）对计算机系统记录的CO₂与CO浓度做归一处理，绘制反应时间—CO浓度曲线。

2.根据权利要求1所述的块煤裂解后生成半焦的热性能测试方法，其特征在于：所述步骤1）中炼制半焦试样的炼焦罐壁的厚度为1~2mm，以保证块煤高温快速裂解。

3.根据权利要求1所述的块煤裂解后生成半焦的热性能测试方法，其特征在于：所述步骤2）对初始半焦整粒，应当对大块焦进行破碎，手工将不规则焦块修整成颗粒状焦样，将23mm筛上物置于I型转鼓，以20r/min转50r，筛分出粒径为23~25mm焦块。

4.根据权利要求1所述的块煤裂解后生成半焦的热性能测试方法，其特征在于：所述步骤4）中混合气体中的还原性气体为CO、H₂或CH₄。

5.根据权利要求1所述的块煤裂解后生成半焦的热性能测试方法，其特征在于：烟气分析仪至少能够分析CO、CO₂、H₂、CH₄气体，测量范围至少超过预算的尾气浓度范围。

6.一种块煤裂解后生成半焦的热性能测试装置，其特征在于，包括反应罐（12），所述反应罐（12）中底部设支架（18），支架（18）上设有用于放置半焦试样（10）的透气片（17），支架（18）下方铺设高铝球（9）；还包括与反应罐（12）相连的CO₂储气瓶（1）、还原性气体储气瓶（6）和N₂储气瓶（7），所述CO₂储气瓶（1）、还原性气体储气瓶（6）和N₂储气瓶（7）分别通过减压阀（3）、干燥器（4）、流量计（5）连通反应罐（12）；反应罐（12）还连接烟气分析仪（15）和计算机系统（16）；

还包括用于对反应罐（12）加热的电炉（8），电炉（8）的加热元件电阻丝（11）与温度控制柜（14）相连。

7.根据权利要求6所述块煤裂解后生成半焦的热性能测试装置，其特征在于，所述CO₂储气瓶（1）的出气口还连接有加热器（2）。

8.根据权利要求6所述块煤裂解后生成半焦的热性能测试装置，其特征在于，所述反应罐（12）与烟气分析仪（15）的气路中还设有水洗塔（20）和干燥塔（19）除尘，再经过干燥最终进入烟气分析仪。

9.根据权利要求6所述块煤裂解后生成半焦的热性能测试装置，其特征在于，所述高铝球（9）的高度不小于10cm。

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