一种快速确定煤系高岭岩粉体物料煅烧脱碳时间的方法与流程

本发明涉及测试分析技术领域，特别是涉及一种快速确定煤系高岭岩粉体物料煅烧脱碳时间的方法。

背景技术：

煤系高岭岩是以高岭石为主要成分的煤矸石，是我国特有的生产优质煅烧高岭土的资源。煤系高岭岩与煤矿伴生，在长期的地质演化过程中会在结构中渗入含量不等的煤，通常呈现灰黑色。在一定的条件下，对煤系高岭岩进行煅烧脱碳，再经过适当的除杂工艺，就可以制备出优质的煅烧高岭土类产品。通常煤系高岭岩都需要进行脱碳才能应用，因此完成脱碳反应所需要的时间(简称脱碳时间)是工艺设计和操作控制的重要依据。然而，由于脱碳时间受煤系高岭岩物性、粒度和煅烧方式等多种因素的影响，因此直接确定脱碳时间是非常困难的。在实际应用中，如果脱碳时间预计的不足，会导致脱碳不完全，产品质量不能达标；如果脱碳时间预计的过长，会导致过度煅烧，不仅增加成本，还会导致产品活性降低。因此，针对特定的煤系高岭岩原料，快速而准确地确定合理的脱碳时间对于工艺设计和生产控制至关重要。

确定脱碳时间通常采用实验的方法，通过设置一系列的煅烧温度和时间组合试验，再对煅烧产品进行碳含量分析，优选出适合的温度和时间组合参数。然而，该方法存在试验量大、对物料变化适用性差、分析周期长和效率低等局限。与之同时，该类试验的参数都是不连续的，而实际工艺中温度和时间都是连续变化的，严格意义上，采用该方法确定的温度和时间参数组合不一定是最合理的。如果原料性质波动较大，那么采用该方法无法快速完成实验，因此是无法及时指导生产参数调整的。

基于现有技术的上述不足和局限，十分有必要发明一种快速、准确、适用性广的煤系高岭岩粉体物料脱碳时间确定方法，为煤系高岭岩技术研究、工艺开发和生产控制提供参考依据和指导。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种快速确定煤系高岭岩粉体物料煅烧脱碳时间的方法，以解决上述现有技术存在的问题，快速、准确的确定煤系高岭岩粉体物料煅烧脱碳时间，该方法能够广泛应用于各种煤系高岭岩粉体物料的脱碳时间。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种快速确定煤系高岭岩粉体物料煅烧脱碳时间的方法，其特征在于：包括以下步骤：

s1，采用热分析-气相质谱分析联用系统，在线性升温条件下对待测的煤系高岭岩粉料样品进行试验，获得质谱数据，所述质谱数据为质谱粒子流强度随时间的变化数据；

s2，对所述s1中获得的质谱数据进行处理，获得反应转化率随时间的变化数据；

s3，对所述s2中获得的所述反应转化率随时间的变化数据进行动力学方程拟合，获得煤系高岭岩粉体物料脱碳反应的动力学方程；

s4，对所述s3中获得的动力学方程进行数学处理，转化为以时间为函数、以转化率和温度为变量的脱碳时间计算函数；

s5，根据温度、工艺脱碳转化率和所述s4得到的脱碳时间计算函数式，计算得到脱碳反应时间。

优选的，所述步骤s1中所述煤系高岭岩粉料样品粒度控制在200μm以下，所述质谱粒子质量数为44或者43。

优选的，所述步骤s1中线性升温速率控制在2.5℃/min～300℃/min，线性升温的温度上限为1100℃。

优选的，所述步骤s2中质谱数据处理步骤包括：

s21、对所述s1中获得的质谱数据进行运算，所述运算方法采用积分运算或者累积分布运算；

s22、对所述s21数据运算的结果须进行归一化处理。

优选的，所述步骤s3中动力学方程拟合分析采用线性升温的热分析动力学拟合方法，满足同时计算反应机理、活化能和指前因子的要求。

优选的，所述步骤s4中脱碳时间计算函数为：

t＝f(a,e,t)f(α)

式中，t表示脱碳时间；f为函数表达式，括号内为变量；a表示指前因子；e为活化能；t表示温度；α表示反应转化率。

优选的，所述步骤s5中温度为开氏温度。

本发明公开了以下技术效果：本发明采用热分析-气相质谱联用系统开展煤系高岭岩脱碳的热分析试验，以脱碳过程释放的co2气体产生的质谱粒子流数据对脱碳反应过程进行动力学拟合，得到表征反应转化率与温度和时间的动力学函数关系。再利用该函数关系，预测不同温度下的脱碳反应转化率随时间的变化关系，进而能够快速、准确地确定各种工艺下煤系高岭岩粉料的脱碳时间，并且本发明试验量小、对物料变化适用性强、分析周期短。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的快速确定煤系高岭岩粉体物料煅烧脱碳时间的流程示意图；

图2为本发明实施例中煤系高岭岩分解的m44粒子流强度随时间的变化曲线示意图，其中，1为每分钟10℃温度增幅时m44粒子流强度随时间的变化曲线，2为每分钟20℃温度增幅时m44粒子流强度随时间的变化曲线，3为每分钟30℃温度增幅时m44粒子流强度随时间的变化曲线，4为每分钟40℃温度增幅时m44粒子流强度随时间的变化曲线；

图3为本发明实施例中煤系高岭岩煤系高岭岩第一阶段反应的转化率曲线示意图；

图4为本发明实施例中煤系高岭岩煤系高岭岩第二阶段反应的转化率曲线示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供一种快速确定煤系高岭岩粉体物料煅烧脱碳时间的方法，本实施例以煤系高岭岩在700℃、750℃、800℃、850℃和900℃的等温条件下煅烧为例，确定完全脱碳时间的具体方法步骤如下：

步骤1，采用热分析-气相质谱分析联用系统，在10℃/min、20℃/min、30℃/min和40℃/min四个升温速率下进行热分析-质谱分析联用试验，获得质谱粒子流强度随时间的变化数据，根据质谱粒子流强度随时间的变化数据得到4条离子流曲线，如图2所示。本实施例中质谱粒子选择质量数为44(标记为m44)，图1中，每一条离子流曲线上都包括两个峰，表明该煤系高岭岩样品的co2的释放(脱碳)分为两个阶段，分别标记为第一阶段和第二阶段；

步骤2，对图2所示的4条m44离子流曲线数据，按照co2的释放(脱碳)两个阶段各自的温度范围分别进行积分运算或者累计分布运算，本实施例采用积分运算，对积分运算后的数据进行归一化处理，即累积的100％表示为1，每一个时间对应的累积结果表示当前反应进行的程度，即为转化率，根据处理后的数据得到不同阶段m44离子流的积分曲线，第一阶段见图3，第二阶段如图4所示。将图3和图4中的曲线导出为数据形式，得到4个升温速率下“转化率-时间”数据。

步骤3，对步骤2中获得的“转化率-时间”数据进行动力学方程拟合分析，获得煤系高岭岩粉体物料脱碳反应的动力学方程。所述的动力学拟合方法，采用热分析动力学适用于线性升温的分析方法，并且选择的方法须满足同时计算反应机理、活化能和指前因子的要求，具体拟合过程为：(1)选择动力学方法，假设并尝试各种机理函数形式，拟合得到活化能、指前因子和线性相关系数；(2)以线性相关系数为依据由大到小对不同机理函数的拟合结果进行排序，确定出最接近1的机理函数作为最佳机理函数；(3)根据最佳机理函数的拟合结果，将其对应的活化能、指前因子和机理函数代入动力学方程。

本实施例采用一般积分法和satava-sestak法，取两种方法计算结果的平均值作为最终结果，得到煤系高岭岩脱碳两个阶段对应的动力学方程如下(积分形式)：

式(1)为第一阶段脱碳反应动力学方程，式(2)为第二阶段脱碳反应动力学方程。

式(1)、(2)中，α为转化率，r为气体常数，t为温度，采用开氏温度，单位为k，t为脱碳反应时间，时间为s。

步骤4，将步骤3中获得的动力学方程进行数学处理，所述数学处理包括积分或者代数运算，转化为以时间为函数、以转化率和温度为变量的函数表达式，即脱碳时间计算公式：

式(3)表示第一阶段脱碳反应时间计算公式，式(4)表示第二阶段脱碳反应时间计算公式。

步骤5，将温度条件和工艺脱碳转化率代入步骤4得到的脱碳时间计算公式，计算得到时间，即为脱碳反应时间，本发明中的工艺脱碳转化率表示实际工艺所要求达到的脱碳转化率。本实施例中，煤系高岭岩脱碳分为两个阶段，完全脱碳时间实际上是完成第二阶段所需的时间，确定完全脱碳时间，转化率应设为1。如果工艺不需要完全脱碳，则需要按照实际情况确定达标对应的转化率。在步骤4中的第二阶段脱碳反应时间计算公式中，令α＝1.0，将t＝700℃转化为开氏温度，即将温度700加上273.15，将转化后的开氏温度代入式(4)中进行计算，得到煤系高岭岩在700℃下完全脱碳时间为：t＝236.68s。

按照与700℃同样的计算方法，依次将t＝750℃、800℃、850℃和900℃转化为开氏温度代入步骤四中的第二阶段脱碳反应时间计算公式，即式(4)中，得到750℃、800℃、850℃和900℃条件下煤系高岭岩完全脱碳时间分别为63.13s、19.05s、6.39s和2.36s。

采用热分析-红外联用的方法，在升温阶段采用快速升温方法再保持恒温，对本实施例中700℃、750℃和800℃三组“温度-时间”下的残碳量进行验证。结果表明，在700℃、750℃和800℃分别恒温煅烧237s、64s和19s后，逸出气体中co2的红外吸收强度基本降低到基线水平，证明本发明是可靠的。

本发明采用热分析-气相质谱联用系统开展煤系高岭岩脱碳的热分析试验，对脱碳反应过程进行动力学拟合，得到反应转化率与温度和时间的函数关系。再利用该函数关系，得到不同温度下转化率随时间的变化关系，进而能够确定各种工艺下煤系高岭岩粉料的脱碳时间。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。