一种模拟在高炉环境下焦炭质量的评价装置及方法与流程

本发明涉及高炉炼铁、炼焦，具体涉及一种模拟在高炉环境下焦炭质量的评价装置及方法。

背景技术：

1、降低焦炭消耗是当前高炉炼铁过程中减少温室气体排放和能源消耗的关键方法之一。由于优质焦煤资源的短缺以及随着高炉工艺和操作的不断改进，高炉燃料和焦炭的消耗量不断减少，国内高炉燃料和焦炭消耗量不断减少，焦炭在高炉高温区的骨架作用更加明显。

2、目前国内针对焦炭热态性能的评价主要依据gb/t4000-2008焦炭反应性及反应后强度试验方法，该方法中规定焦炭在1100℃±5℃时与100％浓度二氧化碳反应2h，以焦炭质量损失的百分数表示焦炭反应性(cri)，反应后的焦炭经过i型转鼓试验后，以大于10mm粒级焦炭占反应后焦炭的质量分数表示焦炭反应后强度(csr)。

3、高炉中焦炭的劣化受到许多方面的影响，例如炉体材料对其挤压磨损的机械损伤、高温气体加热对焦炭引起的热应力损伤、焦炭中co2的溶解反应以及熔化区下方液态熔渣和铁对焦炭的侵蚀。机械损伤和化学反应侵蚀都会破坏焦炭的强度和尺寸，进一步影响高炉中的气体和液体渗透性。

4、从国内外现有的研究可以知道铁对焦炭反应性的催化作用是众所周知的，随着国内外对于高炉解剖研究的深入，人们对高炉内部反应分布有了更好的理解，并且证实高炉内在高温区(1000℃以上)含有大量的碱。

5、近年来，随着对高炉内焦炭熔损反应研究的深入，大量研究结果表明，焦炭在进入高炉后下行至风口前的过程中，对焦炭结构破坏最严重的是软融带的co2的碳溶反应，经过此部位后，焦炭被破坏的程度决定了整个高炉是否能够顺行。然而，随着国内外对高炉解剖结果分析，人们对高炉中碱金属的分布有了更好的了解并且证实高炉中的高温区(1000℃以上)有较高含量的碱金属元素，高炉内碱金属的存在是加剧焦炭碳素熔损反应的主要原因之一。国内外焦炭质量评价工作做了不少的研究，但是目前实验室装置不能真实模拟高炉内的环境。有些焦炭可能原始焦炭反应性不是太高，但是由于其对碱金属蒸气的抵抗能力比较强，导致其在高炉内高温区域的作用可能并不差。

6、申请号为cn202010472478.x的专利文件公开了模拟高炉高温段焦炭反应装置，但是该装置仅仅涉及高炉高温段液态渣铁滴落冲刷焦炭的情况，焦炭在高炉中不仅受到高温及液态渣铁的冲刷，而且通过高炉解剖可以得知，焦炭在高炉中受到碱金属气氛的影响，高炉内二氧化碳等气体的影响以及受到上方堆积物料的压力等多方面的环境因素的影响。

7、申请号为cn111401774a的专利文件提出焦炭质量的综合评价方法，该方法也仅仅只是利用目前现有灰分、硫分、m40、m10、反应后强度(csr)、反应性(cri)等指标通过数学关系式赋予每个参数一定的权重，但利用该方法没有脱离传统焦炭质量评价方法的范畴，而且权重选择依靠经验，没有相关数据支撑，切该关系式不能满足所有焦炭质量评价，有一定的局限性。

8、申请号为cn202211038519.x的专利文件公开的焦炭质量评价方法是通过反应性(cri)、反应后强度(csr)指标作为第一判断依据，其次将焦炭的灰分催化指数及焦炭光学组织含量分布，对焦炭质量进行判定。该方法并没有脱离传统的焦炭评价方法，并不能真实的反应焦炭在高炉内的反应环境，无法对其进行正确合理的评价。

9、申请号为cn202110613492.1的专利文件通过将周期内各焦炭试样的评价指标组成(冷态强度指标、热态强度指标)原始数据矩阵，通过对原始数据矩阵x进行标准化无量纲处理，依据标准化计算各指标的相关系数，构建相关系数矩阵r，利用spss软件求解得到前5个综合特性指标的表达式。

10、根据综合评价指标表达式，对焦炭质量波动进行客观评价分析。该方法也是建立在目前常规的冷态强度指标和热态强度指标的基础上，数据处理后利用spss分析软件进行相关表达式的求解，而后利用表达式计算，对焦炭质量进行评价。此种方法也未接近焦炭在高炉内真实的表现，不能接近实际情况对焦炭进行客观的评价。

11、申请号为cn202111081664.1的专利文件提出一种模拟高炉动态反应下焦炭劣化的评价方法，通过在反应过程中进行温度和二氧化碳浓度的动态控制，模拟焦炭在高炉的反应情况，但是焦炭在高炉中的不同区域真实情况并非只是受到温度和二氧化碳浓度变化这么简单。该方法并不能真实模拟焦炭在高炉内反应时的情况，故此并不能真实客观的评价焦炭质量的好坏。

12、综上所述，目前依据gb/t4000-2008的评价方法已经不能满足客观合理对焦炭真实质量进行评价，深入了解高炉中焦炭的行为从而对焦炭质量进行真实客观合理的评价显得越发的重要，因此需要一种能真实模拟高炉内环境的反应装置对焦炭的性能进行客观合理的评价。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种模拟在高炉环境下焦炭质量的评价装置及方法，装置能够模拟焦炭在高炉内所处的真实环境，焦炭不仅受到上部物料的静压力，且受到高炉内二氧化碳等气氛、碱金属气氛等条件，能够更加真实有效的评价焦炭的质量，能给出合理的指导焦炭正确应用的建议。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

3、一种模拟在高炉环境下焦炭质量的评价装置，包括反应炉体、反应管、器皿圆盘、升降装置、加压装置，所述反应管设置在反应炉体内，反应管的中部固定有带孔的筛板，所述反应管上下两端通过法兰将管体封闭，所述升降装置设置在反应管的下部，能够驱动器皿圆盘在反应管内上下移动，所述加压装置设置在反应管的上部，能够对放置于筛板上端的物料施加压力，反应管还设有进气口和出气口。

4、在所述反应炉体中，沿反应管纵向分为上下两段设置加热元件，上部加热元件用于对筛板上的物料加热，下部加热元件用于对器皿圆盘上的物料进行加热。所述反应炉体外侧为保温层，并且在炉壁内设有热电偶。

5、上段加热元件的加热温度为900℃-1600℃，下段加热元件的加热温度为700℃-1400℃。

6、还包括热电偶，所述热电偶从反应管的上端插入反应管中的物料中。

7、一种利用模拟在高炉环境下焦炭质量的评价装置对焦炭的测定方法，包括如下方法步骤：

8、1)将焦炭用颚式破碎机进行破碎，丢弃片装和条状的焦炭块，剩余焦炭人工磨制成直径23mm-25mm的颗粒状焦炭试样，将制好的颗粒状焦炭试样放入干燥箱，取出焦炭冷却至室温后称量待用，并将质量记为m，单位为g；

9、2)打开反应管下端的法兰，将活性炭粉及碳酸钠或者碳酸钾放置在能够升降的器皿圆盘上；

10、3)打开反应管上端的法兰，在反应管中部的筛板上铺设冷却至室温后的焦炭，关闭上端的法兰；

11、4)将测温热电偶通过设置在反应管中的热电偶套管，插入到筛板上的料层中心位置；

12、5)将反应器进气管、排气管分别和供气系统、排气系统连接，检查气路，保证严密；

13、6)上部加压装置施加压力为10±0.1kpa，并且对反应管上部进行加热，从室温升温至500℃，升温速率为5～8℃/min；当料层中心温度达到500±5℃时，以0.8±0.05l/min的流量通入氮气，保护焦炭防止其烧损；

14、从500℃升温至900℃时的升温速率为3～5℃/min，继续以0.8±0.05l/min的流量通氮气；

15、从900℃升温至1300℃时的升温速率为2～3℃/min，当筛板上的料层中心温度达到1300±5℃时，稳定10±0.5min切断氮气，改通二氧化碳，二氧化碳流量为5±0.1l/min；

16、7)继续升温反应管上部温度至1500±10℃，升温速率为2～3℃/min；维持温度在1500±10℃反应2±0.05h，停止加热，切断二氧化碳气路，改通氮气，流量控制在2±0.1l/min；

17、8)在反应管上部升温到300±10℃时，将装有活性炭粉及碳酸钠或者碳酸钾样品的器皿圆盘通过升降装置升高至距离中部筛板3±0.2cm处；反应管下部开始加热，从室温升温到1300±10℃，升温速率为5-8℃/min，维持反应管下部温度在1300±10℃，等待上部反应结束后，停止加热；

18、9)待装置冷却后将焦炭样品取出，称取反应后的焦炭质量，将其质量记为m1，单位为g，焦炭反应性cri按照以下公式(1)计算：

19、

20、焦炭的反应后强度(csr)按照公式(2)计算:

21、

22、其中：m2为反应后剩余焦炭转鼓后大于10mm粒级焦炭的质量，单位为g。

23、焦炭反应性和反应后强度均进行三次实验，试验结果取平行试验的算数平均值。

24、上述步骤1)的干燥温度为170～180℃，烘干时间为2±0.05h。

25、上述步骤2)中，碳酸钠纯度＞99.8％，碳酸钾纯度＞99.0％，活性炭粉为分析纯试样。

26、与现有的技术相比，本发明的有益效果是：

27、本发明模拟高炉环境下焦炭质量评价装置中上部加热元件和下部加热元件的温度分别单独控制。上部温度可调控范围为：0-1600℃，下部温度可调控范围在0-1400℃。此外本发明的模拟高炉环境下焦炭质量评价装置上部设置加压装置，模拟焦炭在高炉内受到上部物料的静压力作用。下部设置了可自动升降的装置，升降装置上放置可以装入活性炭粉和碳酸钠或者碳酸钾，为上部提供碱金属还原气氛。因此，本发明的模拟高炉环境的装置更贴近焦炭在高炉中真实的状态，高温、二氧化碳气氛、循环碱金属气氛以及受到料柱的压力。通过该装置反应后能更加真实客观合理的对焦炭质量进行评价，对实际生产具有较好的指导作用。