碳溶反应过程焦炭气孔结构变化规律_王杰平.doc
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1、第 50 卷 第 11 期 钢 铁 Vol.50, No.11, p8-13 2 0 1 5 年 11 月 Iron and Steel November 2015 DOI: 10.13228/j.boyuan.issn0449-749x.20150068 碳溶 反应过程焦炭气孔结构变化规律 王杰平, 谢全安, 孙 章, 季 斌, 梁英华 (华北理工大学化学工程学院,河北 唐山 063009) 摘 要: 利用 焦炭反应性装置测定不同温度下焦炭的碳溶反应,采用比表面积及孔径分析仪、 SEM 表征焦炭的气孔 结构参数 ,分别利 用 BET 方程 和 BJH 法计算 焦炭的比表面 积、孔 体积和平均
2、孔 径,由吸 附等温线 计算 焦炭表面分形 特征变化,考察焦炭碳溶 反应过程中孔结构 的变化规律。研究表 明,随着 温度的升高,焦炭吸附曲线类型 由 I 类向 II 类吸附等 温线转变,比表面积 以及孔容均先 增加后减小, 2 10 nm 的孔径变化 明显。 1 000 之前焦 炭的溶损反应 过程主要受化学反应速率影响, 1 000 之后受扩散控制的主导性提高,不同焦炭的气孔结构变化影响了溶损反应行 为。分形维数与孔结构有一定的相关性,可以反映焦炭溶损过程气孔的变化。 关键词: 焦炭;碳溶反应;气孔结构;分形维数 文献标志码: A 文章编号: 0449-749X( 2015) 11-0008-
3、06 Pore structure development of coke during carbon solution loss reaction WANG Jie-ping, XIE Quan-an, SUN Zhang, JI Bin, LIANG Ying-hua ( College of Chemical Engineering, North China University of Science and Technology, Tangshan 063009, Hebei, China) Abstract: The carbon solution loss reaction at
4、different temperatures was studied by coke reactivity equipment. The pore structure parameters of coke were characterized by specific surface area and pore size analyzer and SEM analyzer. The spe- cific surface area, pore volume and average pore size of coke were calculated by BET equation and BJH m
5、ethod, then the variation of fractal characteristics were calculated by adsorption isotherms. Changes of coke pore structure in the carbon solution loss reaction were investigated. The results showed that the curve symptom of coke changes from type I to type II adsorption isotherm, the specific surf
6、ace area and pore volume increased initially and then decreased, and the pore diame- te r range of 2-10 nm varied apparently with temperature increa sing. Carbon solution loss r eaction of coke was mainly af- fected by the chemical reaction rate at temperature lower than 1 000 , while it was dominat
7、ed by coke diffusion control at higher than 1 000 , which was affected by pore structure of different cokes. There would be a certain correlation be- tween fractal dimension results and pore structure, which could reflect the pore development of coke in the solution loss reaction. Key words: coke; c
8、arbon solution loss reaction; pore structure; fractal dimension 焦炭作为高炉中至今无法取代的原材料之一, 1 100 ,且 CRI 只是在规定时间内焦炭的溶损量 3- 5 。 其评价指标备受关注,长期以来,国内外评价焦炭的 对此一些研究者 对焦炭的评价指标提出了质疑, 性质着重于宏观性质,目前比较成熟的标准有冷态 强度( M40、 M10)和热性 质( CRI、 CSR)。而以目 前人 们对 焦炭在 高炉 中碳溶 反应 条件的 理解 ,焦炭 的 CRI 的模拟性还存在一些不足,如高炉中碳溶反应 的温度为 900 1 300 ,焦炭
9、在高炉中各温度区升 温速 度也不 尽相 同,而 国标测 定反 应性的 温度 为 研究了等温和非等温条件下焦炭的失重率,认为不 同 温度下焦炭的溶损反应模式不同,结合反应动力 学研究了高炉中焦炭的溶损反应行为,完善焦炭的 评价指标。而焦炭溶损反应过程孔结构的变化直接 导致了焦炭溶损模式的不同,因此有必要研究焦炭 在溶损反应过程中孔结构的变化规律。 基金 项目: 国家自 然科学 基金委 员会 -神华集 团有限 公司煤 炭联合 基金资 助项 目( U1361212);华 北理工 大学 青年科 学研究 基金资 助项目 ( Z201304) 作者简介: 王杰平( 1988 ),女,硕士,助理 实验师;
10、E-mail: wangjieping_; 收稿日期: 2015-02-06 通讯作者: 梁英华( 1964 ),女,博士,教授; E-mail: 1-2 第 11 期 王杰平,等:碳溶反应过程焦炭气孔结构变化规律 9 另外,国标规定检测焦炭的 热性质采用块焦,然 而检测焦炭的比表面积及孔径参数大多利用粒焦或 粉焦 。粒焦所用焦炭粒度小,与高炉内焦炭的实 际情况有差距,粉焦则由于取样量少,容易造成取样 偏析及焦炭本身的孔结构遭到严重破坏,无法研究 焦炭孔结构对反应性的影响 。 本研究考虑到焦炭在高炉中碳溶反应过程的扩 散作用,将其粉碎到 13 15 mm,研究不同反应温度 下焦炭的反应性,测
11、定块焦的孔结构参数,引入分形 理论定量地描述焦炭孔结构,从微观上揭示焦炭溶损 反应过程,为建立焦炭科学评价指标提供理论基础。 1 试验部分 1. 1 焦炭样品 选取滦南东方焦化厂、唐山佳华焦化厂常规炼焦 工业焦炭( 1 号、 2 号),按照 GB/T 212 2008 测定焦炭 的常规指标(灰分、挥发分),利用图像分析法及氮气 吸附法测定焦炭的气孔结构参数,结果见表 1。 表 1 焦炭的性能指标 样品 工业分析 Table 1 Performance index of cokes 孔结构参数 2 1 1 1 号 2 号 Ad/% 13.15 12.74 Vad/% 1.14 0.95 气孔率
12、/% 53.60 59.80 比表面积 /(m g 0.16 0.25 ) 孔容 /(mLg 2.00 10 3 1.70 10 ) 平均孔径 /nm 50.76 26.70 1. 2 焦炭反应性测定 弃去泡焦、片状焦炭,将 1 号、 2 号焦炭制成粒度 为 13 15 mm 的块状焦炭。在 175 条件下用烘箱 烘干 2 h,利用自制的焦炭反应性装置,分别将焦炭 与 CO2 的反应温度设为 900、 950、 1 000、 1 050、 1 100、 1 150、 1 200 ,反应 1 h,以反应前后焦样失重的百 分率作为焦炭反应性指标。 1. 3 焦炭气孔结构测定 利用北京贝士德 3H-
13、2000PS1 型比表面 及孔径 分析仪,测定焦炭对氮气( 77 K)的等温吸附曲线,孔 径测量范围为 0.35 400 nm。不同反应温度后焦炭 的形貌变化特征用日本日立 S-4800 扫描电子显微 图 1 不同温度下焦炭的反应性 镜( SEM)进行检测。 Fig. 1 Coke reactivity at different temperatures 2 2. 1 结果与讨论 不同温度下焦炭的反应性 为全面了解高炉中焦炭的溶损反应过程,利用 必须考虑焦炭在各反应温度下气孔结构的变化。 2. 2 焦炭气孔结构参数 焦炭的溶损反应过程是气固两相反应,由基质 反应和气孔扩散共同影响,焦炭微观结构
14、的差异直 自制的可控温 装置测定不同温度下焦炭的反应性, 所得数据如图 1 所示。 由图 1 分析可知,随着温度的提高,焦炭的反应 性增大。在 1 050 之前, 1 号焦炭反应性大于 2 号, 与国标测试结果相符;在 1 050 之后,随 着温度 的 升 高, 2 号 焦 炭 反应 性 迅速 提 高, 1 100 1 150 时反应性明显大于 1 号焦炭,可见不同焦炭在低温 区和高温区受温度的影响反应性规律不同。考虑到 可能是两种焦炭本身的气孔结构差异导致的以上不 同,因此要全面认识焦炭在高炉中的溶损反应过程, 接影 响气体的扩散和反应,从而导致反应性不同,因 此,研究不同温度碳溶反应后焦炭
15、的孔结构,可对分 析焦炭的热性质提供理论参考。 2. 2. 1 吸附 /脱附等温曲线 对不同温度碳溶反应后的焦炭进行孔径分析, 两种焦炭的 N2吸附 /脱附过程如图 2 所示。 由图 2 可知,碳溶反应温度低时(小于 1 000 ), 两种焦炭均表现为 I 类吸附等温线 ,且迟滞环不明 显,表明在低温碳溶反应条件下孔结构类型为窄的 狭缝型,且微孔比较发达。随着温度的升高,低压状 6-7 8 3 10 钢 铁 第 50 卷 图 2 ( a) 1 号焦炭; ( b) 2 号焦炭。 不同反应温度后焦炭吸附 /脱附曲线 Fig. 2 Adsorption/desorption isotherms of
16、 coke at different reaction temperatures 态下 相同吸 附压 力对应 的吸 附量增 多,表 现出 了 由表 征微孔 吸附特 征的 I 类 吸附等 温线 向象征 着 具有 中孔和 大孔 吸附特 征的 II 类 吸附等 温线 转 变,且迟滞环比较明 显,说明其发生了毛细凝 聚现 象。 但两种焦炭不同反应温度后的吸附曲线类型及 吸附量存在差异,对于图 2 a)中 1 号焦炭,随着碳溶 反应 温度 升高( 900 1 050 ),即 焦炭 反 应性 从 3.26%到 27.82%时,在相同吸附压力下吸附量增加, 而 1 050 后随着温度继续升高,吸附量呈 减小
17、趋 势。对于图 2 b)中 2 号 焦炭,在相同 吸附压力下 吸 附量 也表现 出先 增加后 减少 的趋势 ,其吸 附量 在 1 000 以后明 显高于 1 号焦 炭。 2 号焦炭吸 附量 转折 点在 1 100 以后 ,结 合图 1 中两种焦 炭的反 应性可知, 2 号焦炭在 1 100 以后反应性突增,此 时吸附 量最大。可见吸 附量受温度和焦 炭本身的 影 响,因此 应考 虑不 同温度 碳溶 反应后 焦炭 内部 孔结构的差异。 2. 2. 2 焦炭孔径分布 利用 BET 方程计算不同温度反应后焦炭的比表 面积,利用 BJH 方法计算得到焦炭的孔体积和平均 孔径,结果见表 2。根据试验结果
18、,以孔径 d 为横坐 标,微分孔体积 dV 为纵坐标,得到焦炭的孔径分布 如图 3 所示。 表 2 不同反应温度后焦炭的孔结构参数 Table 2 反应温度 / 900 950 1 000 1 050 1 100 1 150 1 200 Pore structure parameters of coke at different reaction temperatures 比表面积 /(m g2 1) 孔容 /(mL g 1) 平均孔径 /nm 1 号焦炭 2 号焦炭 1 号焦炭 2 号焦炭 1 号焦炭 2 号焦炭 2.90 4.00 6.20 10 3 6.80 10 3 8.57 6.80
19、 7.27 7.44 14.60 10 3 13.10 10 3 8.03 7.09 11.28 23.11 14.70 10 22.40 10 5.21 3.88 27.15 40.37 32.80 10 3 34.90 10 3 4.83 3.46 21.00 46.28 23.00 10 3 45.80 10 3 4.38 3.96 18.57 25.58 24.90 10 3 35.40 10 3 5.36 5.54 19.70 21.95 26.40 10 33.10 10 5.36 6.03 由表 2 可以 看出,两 种焦炭 比表面 积、孔容 均 随着 反应温 度的 升高先 增加
20、后减小 ,对应 的平 均 孔径 先减 小 后增 加。 由图 3 可以 看出 ,两 种焦 炭 随着温度的升高, 2 10 nm 的孔体积变化增加,而 后 又逐 渐 减少 , 10 200 nm 的 孔 体积 变 化不 大 。 可以说随 着温度升高,焦炭的孔隙 由微孔向中孔、 大 孔 发 展,与 吸 附 曲 线 结 论一 致 。 从 图 3 可知 , 2 10 nm 的孔径 变化明 显,对比 表面 积的影 响较 大,可 重点考 虑 2 10 nm 的 孔径在 碳溶反应 过程 中的作用。 9 3 3 3 3 第 11 期 王杰平,等:碳溶反应过程焦炭气孔结构变化规律 11 图 3 ( a) 1 号焦
21、炭; ( b) 2 号焦炭。 不同反应温度后焦炭的 孔径分布 Fig. 3 Pore diameter distribution of coke at different reaction temperatures 1 号焦 炭 和 2 号 焦 炭反 应 温度 分 别为 1 050、 1 100 时,比表面积、孔容达到最大值,平均孔径相 对小。在相同 反应温度下, 2 号焦炭的比表面积及孔 容大于 1 号焦炭,说明 2 号焦炭 2 10 nm 的孔径更 加发达,图 3 数据与其一致。胡德生 等认为不同焦 炭在不同温度下的反应模式和速度不同,使得相同 反应 失重率 时焦 炭对应 的反 应后强 度
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