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抑制溶损反应改善焦炭热性质

张群  
【摘要】:围绕焦炭溶损反应的研究前沿,采用改进的GMDH方法得到了焦炭溶损反应性的控制模型。以此模型指导配煤可炼制出符合高炉热性质要求的焦炭;提出采用负催化技术和化学气相沉积技术改善焦炭热性质的方法,并对其工艺条件、影响因素及机理进行了详细研究,提出工业实施的设想。 1.在总结国内外焦炭质量预测模型的基础上,采用了最新发展的GMDH方法作为数学模型的创建工具,以19种单种煤和64个配煤在SCO炉上的试验数据为基础,建立了适用于大生产焦炭的溶损反应性控制模型,并研究了焦炭热性质的影响因素及其作用大小,结果表明:与焦炭反应性(CRI)相关的主要因素是煤的矿物质的催化作用、煤的镜质组随机反射率、基氏流动度、惰性物含量以及型煤配比;与焦炭反应后强度(CSR)相关的主要因素为煤矿物质的催化指数、煤的挥发分、基氏流动度、惰性物含量以及型煤配比;煤质数据参数及其相互作用对煤的粘结性和焦炭热性质有较大影响,煤中矿物质与焦炭热性质也有密切关系;继而提出采用负催化剂和化学沉积气相技术抑制溶损反应,降低焦炭反应性,提高反应后强度的有效新途径。 2.进行了采用负催化剂抑制溶损反应改善焦炭热性质研究,考察了对焦炭溶损反应性具有负催化作用的物种和化学形态,结果表明:硼的化合物(H_3BO_3、B_2O_3)添加到煤中炼焦对焦炭质量影响具有双重性:一方面由于H_3BO_3、B_2O_3等硼的化合物对煤质的破粘作用,对焦炭的溶损反应性产生不利影响;另一方面,由于硼的添加,抑制了焦炭的溶损反应,使焦炭反应性降低,改善焦炭热性质。无论是单种煤还是配合煤,硼的负催化作用明显,焦炭热性质越差,硼对焦炭反应性的降低和反应后强度的增加作用越大;此外,将不同浓度的H_3BO_3水溶液直接喷洒到焦炭表面或将焦炭浸渍于该溶液中均起到改善焦炭热性质的效果,例如对于CRI为29.2%、CSR为57.5%的焦炭,在焦炭表面负载0.01%的硼即可使焦炭的CRI下降3个百分点、CSR升高4个百分点,且随着H_3BO_3浓度的增加效果将更加明显。这进一步证明了H_3BO_3对焦炭溶损反应具有负催化作用。 摘要 籍助于光学显微镜,XPS、工CP、SEM、XRD的分析结果表明:配煤加硼后焦 炭的各向异性增加,配煤中加入不同比例的硼后,焦炭中中等尺寸的光学各向异 性组织比例的增加与焦炭反应性下降呈较好的相关关系。硼的加入使焦炭溶损反 应的活化能升高,加入量越大,活化能升高越明显;硼以B203的形态存在于焦 炭中,硼在煤软化、熔融、固化及最后生成焦炭的过程中,能俘获煤热解生成的 氧,有利于煤加热时塑性的形成和发展,有利于各向异性组织的增长;硼可取代 焦炭碳层片的边缘碳原子而减少活性位的总数量,降低焦炭的溶损反应性;但硼 也可形成层间化合物,对胶质体的数量和性质产生不利影响,综合结果是:硼使 焦炭中等尺寸的各向异性组织的比例增加,晶格结构上表现为d002、L。增加,L。 减少。 3.化学气相沉积改善焦炭热性质的研究,采用甲烷化学气相沉积的方法在焦 炭内外表面进行热解炭的沉积,对焦炭的气孔结构以及气孔壁的碳结构进行修 整,以降低焦炭的反应性,提高焦炭的反应后强度。考察了温度,反应时间,流 率,CHI浓度等因素对改善焦炭热性质的效果,结果表明1000℃,511/场,4一6 小时为本实验条件下最佳的甲烷化学气相沉积条件。 用SEM、偏光显微镜对沉积前后焦炭的微观结构进行了观察,从微观角度证 明了热解炭沉积的效果,气相色谱分析甲烷裂解的尾气成分,发现含有甲烷、乙 烷、乙烯、丙烯、丁烯及C。、C:有机烃等,提出了甲烷裂解路径的假设及热解炭 沉积的机理。 利用TG一DTG对焦炭进行非等温热重分析,获得了甲烷化学气相沉积对焦炭 溶损反应动力学参数的作用规律,推导出焦炭溶损反应动力学方程,再次证明焦 炭的溶损反应为一级反应。


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