CN108398022B - 用于小规模生产焦炭及胶质层样品的实验焦炉及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于小规模生产焦炭及胶质层样品的实验焦炉及使用方法，实验焦炉，包括加热炉、反应器和胶质层取样器；所述加热炉由自外向内依次设置的炉壳、加热炉体、炭化室及顶部对开炉门组成，炭化室两端的加热炉体内分别设加热装置；用于盛装煤样的反应器置于炭化室内，分为主反应区和胶质层取样区，主反应区和胶质层取样区分别靠近加热炉体的2个加热端；胶质层取样区内可移动地设有胶质层取样器；反应器顶部设反应器上盖，反应器上盖设有气体出口、多个温度传感器及压力传感器。本发明能够利用实验焦炉准确模拟大型焦炉工况条件下，对单一煤种或配煤炼焦的胶质层样品及焦炭样品的制备；同时对胶质层可随时取样；结构简单，操作方便。

Description

用于小规模生产焦炭及胶质层样品的实验焦炉及使用方法

技术领域

本发明涉及炼焦实验技术领域，尤其涉及一种用于小规模生产焦炭及胶质层样品的实验焦炉。

背景技术

焦炭在冶金高炉内同时作为燃料、还原剂和渗炭剂，并起料柱骨架的作用。焦炭的质量对改善高炉效率及提高钢铁性能有重要影响。通过胶质层指数(胶质层最大厚度)能够较为准确地预测焦炭的质量。胶质层指数既反映煤的粘结能力又反映煤的结焦性能，也是区分烟煤分类的重要指标。胶质层指数可以比较直观地表征配合煤中胶质体的含量，胶质体含量过多或过少都会影响焦炭的质量。然而胶质层指数只能反映胶质体的含量，却不能反应胶质体的性质。

目前，煤焦化过程中胶质层的研究仅限于传统的测定胶质层指数(胶质层最大厚度)。传统的胶质层测定方法主要依据国标(GBT 479-2000)的规定进行。国标规定实验焦炉对装有煤样的煤杯采用的是单侧加热的方式，这样就使得不同规模的传统实验焦炉设计多为单侧加热方式。

采用单侧加热方式的实验焦炉生成的胶质层与工业炼焦过程中产生的胶质层有一定的偏差。在大型工业炼焦过程中，焦炉的加热方式采用的是面对面双侧加热的方式，在大型焦炉加热过程中煤的传热方式是由两侧向中间进行的。因此在双侧加热模式下生成的胶质层特性与在单侧加热模式下生成的胶质层特性会有明显的不同。在我国虽然有一部分实验焦炉采用了面对面双侧的加热方式，但向实验焦炉炭化室内装煤基本采用直接装煤或者将煤先装入盛煤箱中，然后连同盛煤箱一起放入其炭化室内的方式。这种装煤方式的局限性导致焦炉在加热过程中煤样无法随时取出。因此传统实验焦炉只适用于炼焦生产焦炭，而不能在炼焦过程中制备胶脂层样品。

此外，传统的实验焦炉具有不同规格(5-7公斤、20公斤、23公斤、40公斤及200公斤等)，其炭化室尺寸各不相同，有的与大型工业焦炉的炉墙宽度相差甚远。炭化室尺寸的差异将导致其炼焦工况条件与工业炼焦工况条件不符，很难实现对大型焦炉炼焦工况的准确模拟。因此该工况下生产的焦炭及胶质层的特性与实际工况生产的焦炭及胶质层特性相比有很大差距。

因此，传统的实验焦炉目前存在技术上的缺陷，无法实现在实验室条件下对工业焦炉炼焦条件的准确模拟，也不能够制备出工业炼焦工况条件下的焦炭和胶质层样品。要实现精确模拟大型焦炉炼焦工况条件下对焦炭样品及胶质层样品的制备，首先需对炭化室尺寸进行精确设计，满足大型焦炉的炼焦条件。其次对反应器进行特殊设计，使其能够实现对胶质层进行实时取样。

发明内容

本发明提供了一种用于小规模生产焦炭及胶质层样品的实验焦炉及使用方法，能够利用实验焦炉准确模拟大型焦炉工况条件下，对单一煤种或配煤炼焦的胶质层样品及焦炭样品的制备；同时对胶质层可随时取样；结构简单，操作方便。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

用于小规模生产焦炭及胶质层样品的实验焦炉，包括加热炉、反应器和胶质层取样器；所述加热炉由自外向内依次设置的炉壳、加热炉体、炭化室及顶部对开炉门组成，炭化室两端的加热炉体内分别设加热装置；用于盛装煤样的反应器置于炭化室内，分为主反应区和胶质层取样区，主反应区和胶质层取样区分别靠近加热炉体的2个加热端；胶质层取样区内可移动地设有胶质层取样器，胶质层取样器内部嵌有一个圆柱形石英管，圆柱形石英管水平设置，两端分别与胶质层取样区、主反应区连通；反应器顶部设反应器上盖，反应器上盖设有气体出口、多个温度传感器及压力传感器，温度传感器、压力传感器的信号输出端穿过加热炉炉顶后连接控制系统；气体出口与气体收集装置连接。

所述炭化室的长度与工业焦炉炭化室的宽度相等；反应器的外形尺寸与炭化室的内部尺寸相匹配。

所述加热炉体由耐火材料砌筑而成，包括两端的炉墙及两侧的炉墙，其中两端的炉墙内设加热装置，加热装置包括硅碳棒及温度控制器，多个硅碳棒在两端的炉墙内沿长向均匀设置，两端炉墙上的硅碳棒分别连接对应的温度控制器。

所述胶质层取样器的顶部设提手。

所述气体出口、多个温度传感器及压力传感器沿反应器上盖沿长向的中轴线设置，对应加热炉顶部设设对开炉门，对开炉门之间设有间隙，供气体出口、温度传感器及压力传感器穿出；所述控制系统包括AD数据转换器与计算机，温度传感器、压力传感器的输出端分别通过AD数据转换器连接计算机。

所述气体收集装置为气体取样袋。

所述加热炉的外侧设通风罩，通风罩的一侧设传感器接口，通风罩的顶部设尾气燃烧炉，尾气燃烧炉的顶部设通风管连接外部通风系统。

所述加热炉体的外围周向及加热炉体的底部分别设保温层。

所述实验焦炉的使用方法，包括：

1)实验焦炉炭化室两端的加热装置分别控制，同步按设定程序独立加热，炭化室的长度与工业焦炉的宽度相等，能够准确模拟工业焦炉的加热过程；

2)在反应器内装入煤样后，将反应器置于炭化室中，取样区与主反应区在反应器内部相通，确保在每次装煤样时主反应区与取样区中的煤样密度一致；

3)炭化室加热过程中，通过温度传感器和压力传感器对反应器中煤样的温度分布及压力变化进行实时监测；

4)通过反应器顶部的气体出口，能够对不同温度条件下产生的气体及挥发份进行采样；

5)胶质层取样器内的圆柱形石英管装煤密度与主反应区的装煤密度保持一致，利用胶质层取样器可随时对胶质层样品进行取样；

6)通过通风罩将炼焦过程中产生的煤气及挥发份收集，经尾气燃烧炉燃烧后再经通风系统排出。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明所述实验焦炉采用炭化室双端同步加热的方式，同时炭化室长度与大型工业焦炉的宽度尺寸一致，可以极为准确地模拟大型焦炉的加热过程；

2)反应器内的取样器与主反应区相通，确保在每次装煤样时主反应器与取样器中的煤样密度一致；取样器的两端分别朝向炭化室的2个加热端，保证煤样传热由两端向中间进行；

3)反应器的上盖中央沿长度方向分布有气体出口、多个温度传感器及压力传感器，能够实现在加热过程中对反应器中煤样的温度分布及压力变化进行实时测量和分析；

4)加热炉顶部的炉门采用对开方式，方便反应器或取样器进出，对开炉门之间留有间隙，方便反应器上的气体出口和温度、压力传感器穿出；

5)通过反应器顶部的气体出口，可连接气体取样袋，对不同温度条件下产生的气体及挥发份进行采样，并通过气相色谱进一步分析；

6)加热炉体外侧安装通风罩，通风罩上方连接尾气燃烧炉，并通过通风管连接通风系统，能够对炼焦过程中产生的煤气及挥发份进行燃烧后达标排放。

附图说明

图1a是本发明所述加热炉的主视图。

图1b是本发明所述加热炉的俯视图。

图2a是本发明所述反应器的主视图。

图2b是本发明所述反应器的俯视图。

图2c是本发明所述反应器的侧视图。

图3a是本发明所述通风罩及尾气燃烧炉的主视图。

图3b是本发明所述通风罩及尾气燃烧炉的主视图。

图4是不同时间内距加热端炉墙不同距离的煤样温度变化曲线。

图5是距加热端炉墙不同距离处煤层内部压力随时间的变化曲线。

图中：1.炭化室2.硅碳棒3.加热炉体4.温度控制器5.保温层6.反应器7.反应器上盖8.胶质层取样器9.圆柱形石英管10.通风管11.尾气燃烧炉12.通风罩13.传感器接口14.对开炉门15.主控制器

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

本发明所述用于小规模生产焦炭及胶质层样品的实验焦炉，包括加热炉、反应器6和胶质层取样器8；如图1a、1b所示，所述加热炉由自外向内依次设置的炉壳、加热炉体3、炭化室1及顶部对开炉门组成，炭化室1两端的加热炉体3内分别设加热装置；用于盛装煤样的反应器6置于炭化室1内，分为主反应区和胶质层取样区，主反应区和胶质层取样区分别靠近加热炉体3的2个加热端；胶质层取样区内可移动地设有胶质层取样器8(如图2a-2c所示)，胶质层取样器8内部嵌有一个圆柱形石英管9，圆柱形石英管9水平设置，两端分别与胶质层取样区、主反应区连通；反应器6顶部设反应器上盖7，反应器上盖7设有气体出口、多个温度传感器及压力传感器，温度传感器、压力传感器的信号输出端穿过加热炉炉顶后连接控制系统；气体出口与气体收集装置连接。

所述炭化室1的长度与工业焦炉炭化室的宽度相等；反应器6的外形尺寸与炭化室1的内部尺寸相匹配。

所述加热炉体3由耐火材料砌筑而成，包括两端的炉墙及两侧的炉墙，其中两端的炉墙内设加热装置，加热装置包括硅碳棒2及温度控制器4，多个硅碳棒2在两端的炉墙内沿长向均匀设置，两端炉墙上的硅碳棒2分别连接对应的温度控制器4。也可以采用如图1a所示结构，在加热炉体的正面中央设主控制器15，两端分别对应2组加热装置设有温度控制器4。

所述胶质层取样器8的顶部设提手。

所述气体出口、多个温度传感器及压力传感器沿反应器上盖7沿长向的中轴线设置，对应加热炉顶部设对开炉门，对开炉门之间设有间隙，供气体出口、温度传感器及压力传感器穿出；所述控制系统包括AD数据转换器与计算机，温度传感器、压力传感器的输出端分别通过AD数据转换器连接计算机。

所述气体收集装置为气体取样袋。

所述加热炉的外侧设通风罩12，如图3a、3b所示，通风罩12的一侧设传感器接口13，通风罩12的顶部设尾气燃烧炉11，尾气燃烧炉11的顶部设通风管10连接外部通风系统。

所述加热炉体3的外围周向及加热炉体3的底部分别设保温层5。

所述实验焦炉的使用方法，包括：

1)实验焦炉炭化室1两端的加热装置分别控制，同步按设定程序独立加热，炭化室1的长度与工业焦炉的宽度相等，能够准确模拟工业焦炉的加热过程；

2)在反应器6内装入煤样后，将反应器6置于炭化室1中，取样区与主反应区在反应器6内部相通，确保在每次装煤样时主反应区与取样区中的煤样密度一致；

3)炭化室1加热过程中，通过温度传感器和压力传感器对反应器6中煤样的温度分布及压力变化进行实时监测；

4)通过反应器6顶部的气体出口，能够对不同温度条件下产生的气体及挥发份进行采样；

5)胶质层取样器8内的圆柱形石英管9装煤密度与主反应区的装煤密度保持一致，利用胶质层取样器8可随时对胶质层样品进行取样；

6)通过通风罩12将炼焦过程中产生的煤气及挥发份收集，经尾气燃烧炉11燃烧后再经通风系统排出。

如图4所示，为本发明所述反应器6沿长度方向不同位置的煤层随温度的变化曲线。由图4可以看出，反应器6两端温度首先升至1000℃，反应器6中不同位置焦煤的温度随时间的增加而升高，并且在同一时间内焦煤温度随着与加热端距离的增大而降低。这表明焦化过程中传热是由加热炉体两个加热端向煤层中间进行。

如图5所示，为本发明所述反应器6沿长度方向不同位置的煤层内部气体压力变化曲线。图5显示煤层产生内部气体压力的时间随其离焦炉加热端距离的直接相关。距离加热端越远的煤层，其内部产生气体压力的时间沿长。图5同时还显示距离焦炉加热端150mm和200mm处煤层内部气体压力明显升高，表明加热过程中煤层内部挥发份气体由两端向中间流动。

以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

【实施例】

以下实施例中，分别利用本发明所述实验焦炉进行下列操作，向实验焦炉上装入的煤料为澳大利亚单一焦煤：

1)胶质层制备及测量；

将焦煤按一定的密度装入反应器6中，使胶质层取样器8中的煤样密度与反应器6其它部位的煤样密度相同，再将反应器6装入预先加热至800℃的炭化室1中。启动炭化室1两端的加热装置，待反应器6的温度升至400-500℃，将胶质层取样器8取出并置入由氮气隋性气氛保护的冷却器中进行冷却。

待胶质层取样器8冷却至室温，将之取出并利用Micro CT进行扫描，测得澳大利亚单一焦煤的胶质层厚度范围为10-21mm。

2.)焦炭内部的温度和气体压力测量；

反应器6中间沿长度方向设有多个温度传感器和压力传感器。将装好焦煤的反应器6置入炭化室1后，再将温度传感器和压力传感器的信号输出端通过数据转换器连接电脑，得到温度和压力的实时曲线，从而实现对焦化过程中焦煤内部的温度和压力的实时监测。

实验结果显示，澳大利亚单一焦煤在炼焦过程中，反应器6中心的温度可达到1000℃,由加热端炉墙到中心的内部气体压力范围为2-40KPa。

3.)焦炭的CSR和CRI指数测量；

反应器6由室温经过约10小时加热至1000℃后，停止加热并将反应器6取出，放置于氮气隋性气氛保护的冷却器中冷却至室温。将焦炭从反应器6中取出并进行焦炭反应后强度(CSR)及焦炭反应活性(CRI)测定。

测定结果显示，澳大利亚单一焦煤的CSR范围为50.1％～68.5％，CRI范围为21.7％～26.4％。该结果与40公斤级工业焦炉的测试结果非常接近，而且具有非常好的重复性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.用于小规模生产焦炭及胶质层样品的实验焦炉，其特征在于，包括加热炉、反应器和胶质层取样器；所述加热炉由自外向内依次设置的炉壳、加热炉体、炭化室及顶部对开炉门组成，炭化室两端的加热炉体内分别设加热装置；用于盛装煤样的反应器置于炭化室内，分为主反应区和胶质层取样区，主反应区和胶质层取样区分别靠近加热炉体的2个加热端；胶质层取样区内可移动地设有胶质层取样器，胶质层取样器内部嵌有一个圆柱形石英管，圆柱形石英管水平设置，两端分别与胶质层取样区、主反应区连通；反应器顶部设反应器上盖，反应器上盖设有气体出口、多个温度传感器及压力传感器，温度传感器、压力传感器的信号输出端穿过加热炉炉顶后连接控制系统；气体出口与气体收集装置连接。

2.根据权利要求1所述的用于小规模生产焦炭及胶质层样品的实验焦炉，其特征在于，所述炭化室的长度与工业焦炉炭化室的宽度相等；反应器的外形尺寸与炭化室的内部尺寸相匹配。

3.根据权利要求1所述的用于小规模生产焦炭及胶质层样品的实验焦炉，其特征在于，所述加热炉体由耐火材料砌筑而成，包括两端的炉墙及两侧的炉墙，其中两端的炉墙内设加热装置，加热装置包括硅碳棒及温度控制器，多个硅碳棒在两端的炉墙内沿长向均匀设置，两端炉墙上的硅碳棒分别连接对应的温度控制器。

4.根据权利要求1所述的用于小规模生产焦炭及胶质层样品的实验焦炉，其特征在于，所述胶质层取样器的顶部设提手。

5.根据权利要求1所述的用于小规模生产焦炭及胶质层样品的实验焦炉，其特征在于，所述气体出口、多个温度传感器及压力传感器沿反应器上盖沿长向的中轴线设置，对应加热炉顶部设对开炉门，对开炉门之间设有间隙，供气体出口、温度传感器及压力传感器穿出；所述控制系统包括AD数据转换器与计算机，温度传感器、压力传感器的输出端分别通过AD数据转换器连接计算机。

6.根据权利要求1所述的用于小规模生产焦炭及胶质层样品的实验焦炉，其特征在于，所述气体收集装置为气体取样袋。

7.根据权利要求1所述的用于小规模生产焦炭及胶质层样品的实验焦炉，其特征在于，所述加热炉的外侧设通风罩，通风罩的一侧设传感器接口，通风罩的顶部设尾气燃烧炉，尾气燃烧炉的顶部设通风管连接外部通风系统。

8.根据权利要求1所述的用于小规模生产焦炭及胶质层样品的实验焦炉，其特征在于，所述加热炉体的外围周向及加热炉体的底部分别设保温层。

9.如权利要求1所述实验焦炉的使用方法，其特征在于，包括：

1)实验焦炉炭化室两端的加热装置分别控制，同步按设定程序独立加热，炭化室的长度与工业焦炉的宽度相等，能够准确模拟工业焦炉的加热过程；

2)在反应器内装入煤样后，将反应器置于炭化室中，取样区与主反应区在反应器内部相通，确保在每次装煤样时主反应区与取样区中的煤样密度一致；

3)炭化室加热过程中，通过温度传感器和压力传感器对反应器中煤样的温度分布及压力变化进行实时监测；

4)通过反应器顶部的气体出口，能够对不同温度条件下产生的气体及挥发份进行采样；

5)胶质层取样器内的圆柱形石英管装煤密度与主反应区的装煤密度保持一致，利用胶质层取样器可随时对胶质层样品进行取样；

6)通过通风罩将炼焦过程中产生的煤气及挥发份收集，经尾气燃烧炉燃烧后再经通风系统排出。