应用高温膨胀仪测量高温膨胀性能的实验改进

2019年3月第50卷第2期
燃料与化工Fuel＆Chemical Processes
·国外文献·
应用高温膨胀仪测量高温膨胀性能的实验改进
焦炭在高炉炼铁过程中起着多种作用，包括为高炉提供炉料支持和输送还原气体的通道。

高效气路通道是保证高炉性能的关键，因此焦炭须具有适当的粒度分布和足够的机械强度。

焦化过程中裂纹的形成决定了焦炭的大小和强度，焦炭裂纹是半焦由于收缩不均而产生的应变，应变的发展导致焦炭内部产生热应力，当热应力大于焦炭物理强度时，就会出现裂纹。

半焦凝固后的收缩行为是焦化过程中裂纹形成的重要参数，为检验半焦的收缩行为，通常采用高温膨胀仪来测量。

加拿大碳化研究协会与自然资源部能源技术中心冶金燃料实验室（MFL）开展合作研究，主要目的为测量焦炭裂纹的形成过程及其对焦炭质量（尺寸、形状、强度和稳定性）的影响。

MFL实验室购买了1台商用高温膨胀仪（HTD），用于研究半焦向焦炭转化过程中的收缩行为。

然而，HTD仪器的测量结果并不准确，对该仪器进行了诊断，发现HTD仪器的设计不适合在500 1000ħ范围内测量半焦的体积变化，因此MFL实验室对HTD 仪器及实验过程进行了优化，使其能得到可靠的测量结果。

（1）HTD的设计与运行
HTD仪器的设计与ASTM D5515—97（2010）标准中鲁尔膨胀计和奥亚膨胀计完全相同。

唯一的区别是HTD加热炉能将样品温度从330ħ提高至1000ħ，以检测超过再凝固温度（＞500ħ）后的收缩情况。

HTD仪器测试步骤如下。

试验煤样按规定方法制成一定规格的煤笔，将煤笔插入标准口径的膨胀管内，其上放置1个能在管内自由滑动的钢制活塞，将上述装置放入专用的电炉内，以3ħ/min的升温速度将样品温度从330ħ提高至1000ħ，记录活塞在整个加热过程中的垂直位移。

当温度从330ħ上升到500ħ时，活塞向下运动，然后迅速上升，这与煤笔熔融后释放挥发性物质导致快速膨胀相对应。

随着温度不断升高，超过再凝固温度后，样品转化为半焦。

预计随着温度进一步升高，半焦在转化为焦炭的过程中会发生收缩，然而，当温度从500ħ升至1000ħ时，仪器不能记录预期的收缩。

（2）仪器诊断
对HTD仪器进行综合诊断，以确定发生上述意外行为的原因。

①样品温度控制。

在长约330mm的膨胀管底部放置1支长为60mm的煤笔，控制样品温度，并沿膨胀管高向测量温度，在距膨胀管底部上方约100mm处，测量温度与设定温度相近，但膨胀管顶部温度比设定温度偏低，且设定温度越高，顶部温度与设定温度差值越大。

膨胀管顶部的冷却使热挥发性物质或焦油在上升过程中冷凝，浓缩在膨胀管内壁和活塞表面的焦油可能会阻碍活塞的自由运动。

仪器加热不均匀同时会引起膨胀管的不均匀膨胀。

在正常鲁尔膨胀过程中，温度变化仅从330ħ到510ħ，温度变化较小（180ħ），所以膨胀管的热膨胀对活塞位置影响不大。

但HTD仪器温度变化从330ħ至1000ħ，膨胀管的热膨胀会对测试有影响，因此需测试无样品时膨胀管的线性热膨胀。

②焦油凝结。

为进一步了解焦油冷凝对高温收缩的影响，对高温膨胀后的膨胀管、活塞进行分析。

在膨胀管和活塞上部观察到大量焦油沉积，焦油沉积导致膨胀管内部表面粗糙度增加，因此未能测量到高温段的收缩曲线可能是由于膨胀管顶部明显冷却造成的。

当活塞在运行过程中靠近膨胀管顶部时，膨胀管内壁与活塞之间的摩擦会阻碍活塞的自由运动。

（3）仪器优化
对HTD的膨胀管和活塞进行了改进，用更薄的陶瓷活塞代替原有的钢活塞，目的是使膨胀管与活塞的间隙增大。

此外，添加了1个导向器和1个弹簧，导向器使活塞在运行过程中保持垂直位置，可减少活塞和膨胀管之间的接触面积；弹簧使活塞受到向上的力，可克服活塞与膨胀管间的摩擦，弹簧始终保持活塞与试样顶部接触，保证活塞随试样长度的变化而运动。

对改进后的仪器进行了性能测试，测量了4种不同行为煤样的高温收缩。

修正后的仪器可检测到
36
DOI:10.16044/ki.rlyhg.2019.02.022
燃料与化工Fuel＆Chemical Processes
Mar．2019 Vol．50No．2
2个收缩煤样（不膨胀）在500ħ以上的收缩曲线，但未能检测到另2个膨胀煤样的高温收缩。

实验结果表明，HTD仪器只能检测煤样在煤转半焦过程中发生的高温收缩行为，在半焦到焦炭的转化过程中，仪器不能检测到收缩。

在半焦至焦炭阶段，样品处于固态，收缩发生在轴向和径向2个方向。

然而，活塞的运动只反映轴向的收缩，不能完全反映半焦试样的体积收缩。

（4）半焦实验
如上所述，检测高温收缩行为的能力取决于半焦形成时试样是否完全脱离膨胀管壁（径向），为解决此问题，制备了半焦笔，同时专为半焦笔设计了新型膨胀管，以测量半焦至焦炭阶段的高温收缩行为。

实验先应用鲁尔膨胀计，在1ħ/min的升温速率下样品温度升至550ħ，将煤笔转化为半焦笔，然后将半焦笔温度稳定在550ħ，并移入HTD膨胀管中，以1ħ/min的升温速率将温度升至1000ħ。

用该法测定了2个煤样的高温收缩曲线，每个煤样重复测量3次。

结果表明，实验优化后可成功获得半焦的收缩曲线，且具有较高的重复性。

同时结果显示，不同煤种的高温收缩曲线基本是相同的。

蔡明珠编译自《AISTech2017Proceedings
櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘
》（上接第56页）
鼓风机系统的稳定。

有些放散体系含较多的萘及易聚合的有机衍生物，此时有必要再设置洗油洗净系统，用于洗脱易堵塞管道的物质。

若放散气路程长，管道及设备压损较大，在放散气总管尾部还可设增压设备，如鼓风机等。

3维护建议
综上所述并结合部分焦化企业在日常生产中的经验，提出如下VOCs放散气回收系统的维护建议。

（1）放散气回收体系的主要监控项目是各放散点的压力和氧含量，通常这些数据稳定且不易受其他条件影响。

一旦运行中出现异常，应即刻根据压力及氧含量的变化趋势分析原因，找出故障源头，第一时间处理。

（2）适当调整放散气系统压力。

由于设备所贮物料种类、温度、压力不同，设备气相空间压力存在差异，同时不同逸散点到负压煤气系统的管道阻力各异，应在参考设计值的基础上根据现场实际情况，适当调整各逸散点的放散气出口压力。

（3）日常维护应重视系统的密封性，尤其是所有设备的预留口、人孔、观察孔、仪表接口及管道法兰等。

只有较高的系统密封性才能保证生产的安全。

（4）压力调节控制系统的仪表、呼吸阀和安全阀须按厂家要求做到定期检查或校正，确保此类核心设备的可靠与安全。

（5）放散气管道需定期分段清洗。

进行区域检修时，须设置管道盲板将区域之间进行隔离，以便清洗排空，另外须检查伴热与保温措施是否有效。

参考文献
［1］何秋生，王新明，赵利容，等．炼焦过程中挥发性有机物成分谱特征初步成分［J］．中国环境监测，2005，21（1）：61－64．
［2］陶凤君，付强，李晓旭，等．焦化工业废气治理技术综述［J］．燃料与化工，2018，49（3）：43－45．
［3］侯添，胡美权，朱灿朋，等．一种焦化脱硫再生塔尾气处理系统管道：中国，CN107763436A［P］．2017－11－30．
［4］钟继生．废气回收技术的开发与应用［J］．燃料与化工，2013，44（1）：58－60．
［5］颜长青，朱晓渊，袁绪璐．煤气精制槽区VOC废气治理研究与应用［J］．燃料与化工，2017，48（3）：60－61．
蔡明珠编辑
46。