用于研究水蒸气和二氧化碳条件下碱金属对焦炭反应性影响的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种用于研究水蒸气和二氧化碳条件下碱金属对焦炭反应性影响的装置及方法。实验装置包括加热系统、反应系统、称量系统、气体控制系统及水蒸气发生系统等。焦炭放置于吊篮后通过吊线悬挂在称重装置下面；石英管反应器内设有热电偶以及多孔板；氮气和二氧化碳流量由质量流量控制器控制，含碳酸钠或碳酸钾的水溶液输入电阻炉下部后气化，由蠕动泵精确控制水溶液流量，间接控制水蒸气流量。本发明专利技术优点在于将水蒸气、二氧化碳和碱金属同时应用到焦炭气化反应性实验，并通过蠕动泵实现水蒸气流量和反应气氛中碱金属含量的精确控制，进而实现二氧化碳和水蒸气混合气氛下焦炭气气化反应性的实验研究，并将焦炭使用量缩减至10g。

Device and Method for Studying the Effect of Alkali Metals on Coke Reactivity under Steam and Carbon Dioxide Conditions

The invention relates to a device and a method for studying the effect of alkali metals on coke reactivity under steam and carbon dioxide conditions. The experimental device includes heating system, reaction system, weighing system, gas control system and steam generation system. The coke is placed behind the hanging basket and suspended under the weighing device through the hanging wire; the quartz tube reactor is equipped with thermocouples and porous plates; the flow of nitrogen and carbon dioxide is controlled by the mass flow controller; the water solution containing sodium carbonate or potassium carbonate is fed into the lower part of the resistance furnace and gasified, and the flow of water solution is accurately controlled by the peristaltic pump, indirectly. Control steam flow. The invention has the advantages that water vapor, carbon dioxide and alkali metals are simultaneously applied to the reactivity experiment of coke gasification, and the precise control of water vapor flow rate and alkali metal content in reaction atmosphere is realized by a peristaltic pump, thereby realizing the experimental study of the reactivity of coke gasification under the mixed atmosphere of carbon dioxide and water vapor. Carbon use was reduced to 10 G.

【技术实现步骤摘要】
用于研究水蒸气和二氧化碳条件下碱金属对焦炭反应性影响的装置及方法
本专利技术涉及冶金工业炼铁领域，具体涉及一种用于研究水蒸气和二氧化碳条件下碱金属对焦炭反应性影响的装置及方法。
技术介绍
焦炭的反应性是指在一定温度下所焦炭与CO2发生气化反应的相对速率。随高炉喷煤技术广泛应用，高炉煤气中H2含量增加，间接还原产物水蒸气对焦炭反应性的影响不容忽视。研究一定比例的CO2和水蒸气混合气氛下焦炭气化反应性，是揭示焦炭在高炉内转化过程的主要内容。气化率是指单位时间内碳元素的气化程度，气化速率是指单位时间内气化率的变化值。研究CO2和水蒸气混合气氛下焦炭气化反应性，一般是通过气化率、气化速率等指标来表征焦炭的反应性。由于炼铁原料中含有一定碱金属，碱金属在高炉炼铁过程循环富集，加剧焦炭劣化问题引起重视。碱金属富集后焦炭反应性提高，但反应后强度相应降低，且易产生粉化。而目前关于CO2和水蒸气混合气体条件下碱金属对焦炭反应性影响的研究比较少，有待开发一种CO2混合气体条件下碱金属对焦炭反应性影响的实验方法。目前，焦炭气化反应性及反应后强度试验方法国标是2008年修定的GB/T4000-2008《焦炭反应性及反应后强度试验方法》。该标准从1983年开始制定，经过1996年和2008年两次修订，具备焦炭冶金性能检测的规范性和完善性，具有较高的稳定性和重现性。CN103940697A公开了一种高炉焦炭反应性测试方法。利用现有设备，通过得到不同温度下焦炭的失重率变化以及焦炭的气化反应起始温度，进而表征焦炭反应性。该法包括将选定测试焦炭试验研磨成细粉后进行连续升温并通入反应气体CO2，达到升温终点后，计算机处理采集数据。通过得到不同温度下焦炭的失重率变化及焦炭气化反应起始温度，进而表征焦炭反应性。该专利技术通过热重天平等设备，可以全面分析不同温度下焦炭与CO2反应性，对不同种类焦炭反应性做出真实、客观评价。CN103884617A公开了一种动态检测焦炭反应失重装置。其反应器通过挂钩悬挂在电炉内，挂钩悬挂在安装架上，安装架放置在电子秤上。焦炭和二氧化碳在反应器内反应，电炉使反应器内维持焦炭在高炉内反应所需要的温度，从而使该装置能够模拟高炉炉内焦炭反应的动态情况，实现对高炉用焦炭热态性能检测时反应的失重情况的动态检测。能够比较真实地反映出焦炭在高炉内的实际反应状况，直观地反映焦炭的变化规律，对高炉操作提供指导作用。CN102183477A公开了一种模拟测试碱金属对焦炭劣化影响的方法，通过将活性碳粉和碱金属碳酸盐粉末混合后装入刚玉坩埚，放置在高温反应容器的底部高铝球的上部，在刚玉坩埚上放置多孔透气刚玉垫圈，垫圈上方放置三根30～60mm高的耐高温刚玉支管，在刚玉支管上方再放置透气垫圈，透气垫圈上放置焦炭样品，在氩气气氛保护下将反应管内温度升至1100～1300℃，生成碱金属后穿过焦炭样品层，实验结束后对吸附碱金属焦炭进行分析。该方法实现了模拟1100～1300℃下焦炭上碱金属的吸附和劣化，给出了评价高温下焦炭抗碱金属危害能力的评价指标。CN201532344U公开了一种碱金属试样装置，包括供气系统、高温炉、反应管、失重分析仪，进气管与反应管底部连通，出气管在反应管上方。反应管底部放置碱金属发生器，由石墨坩埚和2个不锈钢网组成。本装置主要用于对焦炭进行碱金属试验研究，该装置解决了浸减法增加焦炭中碱金属含量的过程繁琐问题，对研究碱金属对焦炭热性能影响具有重要意义。CN106338591A公开了一种检测碱金属对焦炭反应性及反应后强度影响的装置，该技术方案是在炉体中心放置石墨坩埚，坩埚外有刚玉管，加热体采用硅钼棒，加热炉装有测温热电偶和测量炉膛温度的热电偶，并与温控仪相连。其中石墨坩埚分为上下两层，上层装炉料，下层装固体碳酸氢钠球团，实验过程可以源源不断提供钾蒸汽。该专利技术能够模拟高炉软熔带碱金属对焦炭反应性及反应后强度的影响过程，对指导生产起到至关重要的作用。CN104316429A公布了一种测试碱金属及锌蒸汽对焦炭破坏作用及性能影响的方法。通过将过量炭粉与碱金属碳酸盐或锌氧化物混匀，放入内部有台阶的石墨坩埚，在台阶上放置多孔刚玉垫片，垫片上放置焦炭样品。在1300℃金属蒸汽被焦炭吸收，通过对比大于23mm焦炭样品质量评价金属蒸汽侵蚀后焦炭的热态性能。该专利技术能够单独研究碱金属蒸汽对焦炭的直接破坏作用，并得到蒸汽量与焦炭性能关系，为高炉合理制定碱负荷和锌负荷提供量化依据。综上，针对现有技术中高炉软熔带上方CO2和水蒸气与焦炭发生的溶损反应，碱金属蒸汽在上升过程吸附在焦炭上并对焦炭反应性产生影响这一缺陷，提供一种新型的能够用于研究水蒸气和CO2条件下碱金属对焦炭反应性影响的方案尤为重要。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术旨在提供一种用于研究水蒸气和CO2条件下碱金属对焦炭反应性影响的装置及方法。采用本专利技术提供的装置和方法，可解决模拟高炉CO2和水蒸气混合气氛下碱金属蒸汽对焦炭反应性影响的问题，实现模拟高炉气氛条件下焦炭的气化反应，有效弥补了现有研究方法无法精确测量碱金属对焦炭反应影响问题；具体地，通过高精度天平测量反应过程样品失重量变化，可以精确表征反应气体条件和碱金属对焦炭反应性的影响规律，并可进行动力学分析。此外，采用本专利技术提供的技术方案可以将焦炭量使用量由以往的200g缩减至10g，提高了测量精度，避免已有常规方案反应焦炭的体积大所可能造成的局部反应不均匀现象。为此，本专利技术提供如下技术方案：第一方面，本专利技术提供一种用于研究碱金属对焦炭反应性影响的装置，包括气体控制系统、水蒸气发生系统、密封系统以及反应系统；反应系统包括电阻炉和反应器，且反应器位于电阻炉的内部；反应器的内部设置有焦炭试样放置器，且反应器的下端分别与气体控制系统、水蒸气发生系统的出气管密封连接；水蒸气发生系统包括碱金属前驱体的水溶液和导管；碱金属前驱体的水溶液通过导管与电阻炉连通；密封系统设置在反应系统的上方，用于使整个反应系统与外界隔绝。优选地，反应器优选石英管反应器，且石英管反应器中设置有测温热电偶，用于测量焦炭样品温度；优选将焦炭试样悬挂于靠近测温热电偶的工作端；更优选地，石英管反应器中还设置有多孔板，用于将通过电阻炉下端高温区气化得到的水蒸气进行整流，使得混合气体在石英管反应器横截面上均匀分布；多孔板更优选设置于石英管反应器的中下部，且多孔板上的孔径更优选为0.1mm。优选地，水蒸气发生系统中设置有蠕动泵；蠕动泵用于精确控制通过不锈钢管进入电阻炉的水溶液流量，并间接控制水蒸气流量；导管具体选用不锈钢管。优选地，气体控制系统包括CO2发生器、N2发生器和气体流量计；CO2发生器和N2发生器分别通过进气管与石英管反应器的下端连接。优选地，密封系统包括排气管、密封水槽和密封罩；密封罩内用于通保护性气体保护称重装置，且密封罩与密封水槽密闭连接；密封罩侧壁设置有排气管，优选还设置有保护气体进气管，且排气管更优选位于保护气进气管上方。优选地，还包括称量装置：称量装置包括电子天平和吊线，用于记录反应过程中试样的质量变化，电子天平与吊线的上方连接，吊线用于悬挂焦炭试样，并保证焦炭试样位于石英管反应器的中部，吊线的材质优选铁铬铝丝。优选地，反应系统还包括支撑装置，支撑装置位于本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于研究碱金属对焦炭反应性影响的装置，其特征在于：包括气体控制系统、水蒸气发生系统、密封系统以及反应系统；所述反应系统包括电阻炉和反应器，且所述反应器位于所述电阻炉的内部；所述反应器的内部设置有焦炭试样放置器，且所述反应器的下端分别与所述气体控制系统、所述水蒸气发生系统的出气管密封连接；所述水蒸气发生系统包括碱金属前驱体的水溶液和导管；所述碱金属前驱体的水溶液通过所述导管与电阻炉连通；所述密封系统设置在所述反应系统的上方，用于使整个反应系统与外界隔绝。

【技术特征摘要】
1.一种用于研究碱金属对焦炭反应性影响的装置，其特征在于：包括气体控制系统、水蒸气发生系统、密封系统以及反应系统；所述反应系统包括电阻炉和反应器，且所述反应器位于所述电阻炉的内部；所述反应器的内部设置有焦炭试样放置器，且所述反应器的下端分别与所述气体控制系统、所述水蒸气发生系统的出气管密封连接；所述水蒸气发生系统包括碱金属前驱体的水溶液和导管；所述碱金属前驱体的水溶液通过所述导管与电阻炉连通；所述密封系统设置在所述反应系统的上方，用于使整个反应系统与外界隔绝。2.根据权利要求1所述的用于研究碱金属对焦炭反应性影响的装置，其特征在于：所述反应器优选石英管反应器，且石英管反应器中设置有测温热电偶，用于测量焦炭样品温度；优选将焦炭试样悬挂于靠近所述测温热电偶的工作端；优选地，所述石英管反应器中还设置有多孔板，用于将通过电阻炉下端高温区气化得到的水蒸气进行整流，使得混合气体在石英管反应器横截面上均匀分布；所述多孔板更优选设置于石英管反应器的中下部，且所述多孔板上的孔径更优选为0.1mm。3.根据权利要求1所述的用于研究碱金属对焦炭反应性影响的装置，其特征在于：所述水蒸气发生系统中设置有蠕动泵；所述蠕动泵用于精确控制通过所述不锈钢管进入电阻炉的水溶液流量，并间接控制水蒸气流量；所述导管具体选用不锈钢管。4.根据权利要求1所述的用于研究碱金属对焦炭反应性影响的装置，其特征在于：所述气体控制系统包括CO2发生器、N2发生器和气体流量计；所述CO2发生器和N2发生器分别通过进气管与所述石英管反应器的下端连接。5.根据权利要求1所述的用于研究碱金属对焦炭反应性影响的装置，其特征在于：所述密封系统包括排气...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭文涛，赵增武，刘香君，王静松，
申请(专利权)人：内蒙古科技大学，
类型：发明
国别省市：内蒙古,15