一种小颗粒焦炭气化反应性的测定方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于焦炭化工技术领域，特别涉及高炉用焦炭反应性的检测和分析。 技术背景
[0002] 焦炭是高炉炼铁必不可少的原料，是高炉冶炼过程的热量来源、还原剂、料柱骨架 和渗碳剂。焦炭气化反应（也称溶损反应）与铁矿石还原反应的配合作用决定了高炉冶炼 的效率。焦炭反应性的定量概念是：单位质量的试样在单位时间内经CO2反应后，碳的质量 损失。
[0003] 焦炭反应性的测试方很多，按照试样尺度可划分为：粉末状焦炭（通常在几十微 米以下）、小颗粒状焦炭（通常为3~6mm)和块状焦炭（通常> 19mm)。
[0004] 由于反应器（反应管或坩埚）需要与试样粒度和使用量相匹配，测试不同尺度焦 炭试样的反应装置互不通用。
[0005] 目前最常用的国标GB/T4000-2008采用的是23~25mm的块状焦炭。
[0006] GB/T4000-2008采用焦炭与CO2反应前后质量损失的百分数作为焦炭的反应性指 标CRI，但不能在反应进程中连续检测焦炭的溶损失重率（气化转化率）和溶损反应速率 (气化反应速率）。而且，该方法需要在20kg焦炭中，破碎、筛选、加工出200g试样，所需的 试样量较多。实验室中常通过测试小颗粒状和粉末状焦炭试样来表征焦炭的性能。
[0007] 国标GB/T220-2001适用于褐煤、烟煤、无烟煤及焦炭与CO2反应性的测定。该方法 用 3 ~6mm 的试样在各个温度下（800°C、850°C、90(rC、95(rC、100(rC、105(rC、110(rC )与 CO2发生气化反应，每个温度反应2. 5min，用奥氏气体分析器测试反应后气体的CO2浓度，根 据该结果计算试样在各温度下的二氧化碳还原率。该方法虽然可以检测颗粒状焦炭与二氧 化碳在各个温度下的二氧化碳还原率，但不能连续获得焦炭气化反应进程中气化反应转化 率和反应速率信息
[0008] 目前可以连续检测块状焦炭溶损反应失重率和溶损反应速率的方法有两种：一是 将反应器挂在或坐在电子天平上，以连续获得试样在反应过程中的重量变化信息。二是采 用气体在线分析仪连续检测反应后气体的一氧化碳（或二氧化碳）浓度，用该浓度间接估 计间接估计焦炭的反应速率。
[0009] 将反应器挂在或坐在电子天平上的方法，其试样的粒度和重量的要求与GB/ T4000-2008相同，不适于小颗粒小重量的试样，因为天平要承载整个反应器的重量，而且会 有基线漂移现象，很难保证小颗粒、小重量试样的测试精度。目前采用气体在线分析仪连 续检测反应后气体的方法只能根据一氧化碳或二氧化碳的浓度间接估计间接计焦炭的反 应速率，不能直接精确地读测出焦炭的反应速率和焦炭的气化转化率，而在一些科学实验 中有必要精确地采集焦炭的气化转化率和气化反应速率的数据。
[0010] 坩埚热天平法可以连续检测粉末状焦炭在反应过程中的重量变化，但该方法无法 将热电偶埋入试样中心，即无法精确控制试样的温度。另外，限于坩埚的容积，无法测量几 毫米粒度级别的焦炭颗粒。而在一些研究中需要避免焦炭中各微观组织发生分离，因此要 尽量避免细粉碎。
[0011] 综上所述，特别需要一种能连续检测小颗粒状焦炭与二氧化碳反应过程中焦炭气 化反应转化率和气化反应速率的测试装置和方法。
【发明内容】
[0012] 本发明的目的是提供一种小颗粒焦炭与二氧化碳气化反应性的测定方法和装置， 该装置通过程序计算将气体在线分析仪实时检测的尾气二氧化碳浓度数据转化为可以连 续读出的焦炭气化反应转化率和气化反应速率数据。
[0013] 本发明解决技术问题所采取的具体方式为：
[0014] -种颗粒状焦炭与二氧化碳气化反应的检测装置，该装置由反应气体净化系统、 气体流量控制装置、粒焦反应装置、反应后气体净化装置、反应后气体冷却器、二氧化碳在 线检测仪、数据采集及处理系统依此相连而成；其中粒焦反应装置包括：加热炉、内径为 18~22mm的刚玉反应管和控温热电偶，温度范围为室温~1300°C。控温系统与控温热电 偶相连，实验过程中粒度为3~6_的颗粒状焦炭置于反应管中，热电偶埋入试样中心，用 以控制实验过程中试样中心的温度。气体流量控制装置由电磁阀和质量流量计组成并与计 算机相连，可以根据实验需要，通过计算机切换气体和调节气体流量。数据采集及处理系统 用于采集和处理实验过程中试样温度和二氧化碳浓度信号，并根据四个参数：①尾气二氧 化碳浓度、②反应气体流量、③反应时间、④由标准试样测量的仪器参数C，计算并实时显示 焦炭气化反应转化率和气化反应速率。
[0015] 发明提供的一种小颗粒状焦炭与二氧化碳气化反应性的检测方法，包括以下步 骤：
[0016] (1)将20±0· 5g粒度为3~6mm的焦炭试样装入如权利要求1所述的反应管中， 控温热电偶埋在焦炭试样的中心位置；
[0017] (2)通入流量为500mL/min的氮气保护试样，以10°C /min的速率升温至1100°C， 到达指定温度后将氮气切换为流量为500mL/min二氧化碳；
[0018] (3)通入二氧化碳后，数据采集及处理系统将采集的尾气中的二氧化碳浓度数据 进行处理，实时显示焦炭气化反应转化率和气化反应速率。
[0019] 数据采集及处理系统根据尾气二氧化碳浓度计算并实时显示焦炭气化反应转化 率和气化反应速率的原理如下：
[0020] 焦炭试样在高温下与二氧化碳接触，发生碳素溶解损失反应（或称为焦炭的气化 反应）：
[0021] C+C02 = 2C0 (1)
[0022] 由于反应气体只有CO2，故生成的气体产物只有CO(忽略微量其他气体），因此尾 气中CO的浓度为：
[0023] ac〇=100-ac〇2, % (2) 式中，a 为尾气中CO的浓度，％ ; a ra2为检测仪显示的尾气中CO2的浓度，％。
[0024] 单位时间内，尾气中的CO浓度可表示为：
[0025]
(3)
[0026] 式中，V为单位时间内流入反应管的CO2反应气体体积，L ;νω2为单位时间内反应 消耗的CO2体积，L Jaj2为单位时间内反应生成的CO体积；L。
[0027] 根据化学计量关系可得：
[0028] Vco = 2 Vc02 (4)
[0029] 因此，可以通过（2)式计算出各单位时间生成一氧化碳的体积νω。
[0030] 根据克拉伯龙方程式可计算单位时间内生成的CO摩尔数：
[0031]
(5)
[0032] 式中，nra为单位时间生成一氧化碳的摩尔数，mol ;P为尾气中CO的分压，Pa ;R为 理想气体常数，J/mol K;T为尾气的热力学温度，K。
[0033] 由于P，T不便测量，而在反应过程中尾气的Ρ、Τ几乎保持不变，因此可设C为仪器 常数：
[0034]
(6)
[0035] C值可根据标准样品反应前后的质量损失计算生成的CO体积来确定。
[0036] 根据化学计量关系，焦炭试样在各单位时间内的碳素溶解损失量为：
[0037]
(7)
[0038] 式中，Hii为单位时间焦炭试样的碳素溶解损失量，g。
[0039] 焦炭试样在某时刻累计的碳素溶损量为：
[0040]
(8)
[0041] 式中，mt为t时刻焦炭试样的累计碳素溶损量，g。
[0042] 通过式（8)即可以