焙烧温度与碳结构对钙碳球团抗压强度的影响

doi:10.19964/j.issn.1006-4990.2022-0645

摘要/Abstract

摘要：

电弧法生产电石的过程中，原料应具备一定的强度，保证产物一氧化碳顺利通过。为了提升两步法中钙碳球团的抗压强度，以混合均匀的氧化钙和贫瘦煤为原料，通过嵌样机在压力为8 MPa、时长为1 min条件下压制直径为15 mm、质量为2.5 g的钙碳球团，在温度为350~750 ℃时进行了焙烧，研究了在不同焙烧温度下碳结构对钙碳球团抗压强度的影响。结果表明：当温度为350~＜550 ℃时，煤发生分解和解聚反应，半焦缺陷碳结构相对数量增加，抗压强度随着温度的升高而减小；温度为550~＜650 ℃时，煤固化收缩成半焦，导致抗压强度升高，达到最大值为59.9 kPa；温度为650~750 ℃时，半焦发生缩聚反应，缺陷结构向有序性发展，发生石墨化，导致抗压强度降低。

关键词: 氧化钙, 贫瘦煤, 钙碳球团, 焙烧温度, 碳结构, 抗压强度

Abstract:

In the process of arc production of calcium carbide，the raw material should have a certain strength to ensure the smooth passage of the product carbon monoxide.In order to improve the compressive strength of calcium carbon pellets in the two-step method，calcium oxide-containing carbon pellets with diameter of 15 mm and mass of 2.5 g were pressed with evenly mixed calcium oxide and lean coal at a pressure of 8 MPa and a time of 1 min by an embedded prototype，and calcined at a temperature of 350~750 ℃.The influence of carbon structure on the compressive strength of calcium oxide-containing carbon pellets at different calcination temperatures was studied.The results showed that when the temperature was 350~＜550 ℃，the decomposition and de-polymerization of coal was occured，the relative number of carbon structures with semi-coke defects was increased，and the compressive strength was decreased with the increase of temperature.When the temperature was 550~＜650 ℃，the coal was solidified and contracted into semi-coke，resulting in an increase in compressive strength to a maximum of 59.9 kPa.When the temperature was 650~750 ℃，the polycondensation reaction of semi-coke was occured，and the defect structure was developed to order and graphitization was occured，resulting in the reduction of compressive strength.

Key words: calcium oxide, lean coal, calcium oxide-containing carbon pellets, calcination temperature, carbon structure, compressive strength

中图分类号:

TQ127.1

李强, 由晓敏, 佘雪峰, 姜泽毅, 薛庆国, 王静松. 焙烧温度与碳结构对钙碳球团抗压强度的影响[J]. 无机盐工业, 2023, 55(9): 43-49.

LI Qiang, YOU Xiaomin, SHE Xuefeng, JIANG Zeyi, XUE Qingguo, WANG Jingsong. Effect of calcination temperature and carbon structure on compressive strength of CaO-containing carbon pellets[J]. Inorganic Chemicals Industry, 2023, 55(9): 43-49.

图/表 12

表1

表2

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参考文献 28

1	辛采芬，钱新荣.电石乙炔制化工产品路线评述［J］.化学进展，1994，6（1）：62-84.
	XIN Caifen， QIAN Xinrong.Reviews on technical routes for chemicals production from carbide acetylene［J］.Progress in Chemistry，1994，6（1）：62-84.
2	李强，由晓敏，佘雪峰，等.电石制备工艺研究进展［J］.煤炭加工与综合利用，2021（12）：46-52，57.
	LI Qiang， YOU Xiaomin， SHE Xuefeng，et al.Research progress of calcium carbide preparation technology［J］.Coal Processing and Comprehensive Utilization，2021（12）：46-52，57.
3	李国栋.粉状焦炭和粉状氧化钙制备碳化钙新工艺的基础研究［D］.北京：北京化工大学，2011.
	LI Guodong.Basic research on the new process of preparing calcium carbide from powdered coke and powdered calcium oxide［D］.Beijing：Beijing University of Chemical Technology，2011.
4	LI Guodong， LIU Qingya， LIU Zhenyu.Kinetic behaviors of CaC₂ production from coke and CaO［J］.Industrial & Engineering Chemistry Research，2013，52（16）：5587-5592.
5	GONG Xuzhong， WANG Zhishuai， WANG Zhi，et al.Roles of impurities on sintering structure and thermal strength of CaO-containing carbon pellet and the CaO sintering kinetic analysis［J］.Powder Technology，2018，336：92-101.
6	GONG Xuzhong， ZHANG Tong， ZHANG Junqiang，et al.Recycling and utilization of calcium carbide slag-current status and new opportunities［J］.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2022，159：112133.
7	GONG Xuzhong， ZHANG Junqiang， WANG Zhi，et al.Development of calcium coke for CaC₂ production using calcium carbide slag and coking coal［J］.International Journal of Minerals，Metallurgy and Materials，2021，28（1）：76-87.
8	ZHANG Junqiang， WANG Zhishuai， LI Tong，et al.Preparation of CaO-containing carbon pellet from recycling of carbide slag：Effects of temperature and H₃PO₄ ［J］.Waste Management，2019，84：64-73.
9	YIN Shaowu， WANG Hongyu， WANG Li，et al.Influencing factors and evaluation system for carbon-calcium pellet performance in a pyrolysis furnace［J］.Energy，2021，214：118991.
10	YOU Xiaomin， SHE Xuefeng， WANG Jingsong，et al.Preparation of CaO-containing carbon pellets from coking coal and calcium oxide：Effects of temperature，pore distribution and carbon structure on compressive strength in pyrolysis furnace［J］.International Journal of Minerals，Metallurgy and Materials，2021，28（7）：1153-1163.
11	YOU Xiaomin， SHE Xuefeng， WANG Jingsong，et al.Preparation of pyrolyzed CaO-containing carbon pellets：Effect of temperature on pyrolysis behavior and structural evolution［J］.Journal of Analytical and Applied Pyrolysis，2022，168：105740.
12	MOREHEAD J T， CHALMOT G D.The manufauture of calcium carbide［J］.American Chemical Society，2002，18（4）：311-331.
13	SHENG Changdong.Char structure characterised by Raman spectroscopy and its correlations with combustion reactivity［J］.Fuel，2007，86（15）：2316-2324.
14	NING Xiaojun， LIANG Wang， ZHANG Jianliang，et al.Effect of ash on coal structure and combustibility［J］.International Journal of Minerals，Metallurgy，and Materials，2019，26（8）：973-982.
15	SONG Huijuan， LIU Guangrui， ZHANG Jinzhi，et al.Pyrolysis characteristics and kinetics of low rank coals by TG-FTIR meth-od［J］.Fuel Processing Technology，2017，156：454-460.
16	IBARRA J， MUÑOZ E， MOLINER R.FTIR study of the evolution of coal structure during the coalification process［J］.Organic Geochemistry，1996，24（6/7）：725-735.
17	ZODROW E L， MASTALERZ M， WERNER-ZWANZIGER U，et al.Medullosalean fusain trunk from the roof rocks of a coal seam：Insight from FTIR and NMR（Pennsylvanian Sydney Coalfield，Canada）［J］.International Journal of Coal Geology，2010，82（1/2）：116-124.
18	YOU Xiaomin， SHE Xuefeng， WANG Jingsong，et al.Coking Coal Macromolecular Structural Characteristic and Its Correlations with the Compressive Strength of CaO-Containing Carbon Pellets［C］//Characterization of Minerals，Metals，and Materials 2022.Cham：Springer，2022：177-191.
19	胡俊，程峰，刘祥春，等.Py-GC-MS分析神华煤热解产物煤焦油组成［J］.天然气化工（C1化学与化工），2020，45（4）：94-96，116.
	HU Jun， CHENG Feng， LIU Xiangchun，et al.Py-GC-MS analysis of coal tar composition of Shenhua coal pyrolysis product［J］.Natural Gas Chemical Industry，2020，45（4）：94-96，116.
20	李庆钊，林柏泉，赵长遂，等.基于傅里叶红外光谱的高温煤焦表面化学结构特性分析［J］.中国电机工程学报，2011，31（32）：46-52.
	LI Qingzhao， LIN Baiquan， ZHAO Changsui，et al.Chemical structure analysis of coal char surface based on fourier-transforminfrared spectrometer［J］.Proceedings of the CSEE，2011，31（32）：46-52.
21	陆云，边春杨，徐秀丽，等.各表征方法下煤焦微观结构的研究进展［J］.化工管理，2021（30）：6-8.
	LU Yun， BIAN Chunyang， XU Xiuli，et al.Research progress on microstructure characterization of coal with different characterization methods［J］.Chemical Enterprise Management，2021（30）：6-8.
22	SADEZKY A， MUCKENHUBER H， GROTHE H，et al.Raman microspectroscopy of soot and related carbonaceous materials：Spectral analysis and structural information［J］.Carbon，2005，43（8）：1731-1742.
23	WANG Meijun， ROBERTS D G， KOCHANEK M A，et al.Raman spectroscopic investigations into links between intrinsic reactivity and char chemical structure［J］.Energy & Fuels，2014，28（1）：285-290.
24	WANG Yajie， ZUO Haibin， ZHAO Jun，et al.Using HyperCoal to prepare metallurgical coal briquettes via hot-pressing［J］.International Journal of Minerals，Metallurgy，and Materials，2019，26（5）：547-554.
25	柳晓飞，尤静林，王媛媛，等.澳大利亚烟煤热解的拉曼光谱研究［J］.燃料化学学报，2014，42（3）：270-276.
	LIU Xiaofei， YOU Jinglin， WANG Yuanyuan，et al.Raman spectroscopic study on the pyrolysis of Australian bituminous coal［J］.Journal of Fuel Chemistry and Technology，2014，42（3）：270-276.
26	陈霞，徐艳梅，陆人春，等.淖毛湖煤及显微组分热解半焦微观结构分析1［J］.高校化学工程学报，2020，34（3）：831- 837.
	CHEN Xia， XU Yanmei， LU Renchun，et al.Microstructure analysis of char from pyrolysis of naomaohu coal and macerals［J］.Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities，2020，34（3）：831-837.
27	刘冬冬，高继慧，吴少华，等.热解过程煤焦微观结构变化的XRD和Raman表征［J］.哈尔滨工业大学学报，2016，48（7）：39-45.
	LIU Dongdong， GAO Jihui， WU Shaohua，et al.XRD and Raman characterization of microstructure changes of char during pyrolysis［J］.Journal of Harbin Institute of Technology，2016，48（7）：39-45.
28	孙庆雷，李文，李保庆.神木煤显微组分热解特性和热解动力学［J］.化工学报，2002，53（11）：1122-1127.
	SUN Qinglei， LI Wen， LI Baoqing.Pyrolysis of Shenmu coal macerals and kinetics analysis［J］.Journal of Chemical Industry and Engineering（China），2002，53（11）：1122-1127.

工业分析
w（M_ad）	w（A_d）	w（V_d）	w（FC_d）
1.04	10.57	12.93	76.5
元素分析
w（C_d）	w（H_d）	w（O_d）	w（N_d）	w（S_d）
80.43	3.85	3.45	1.29	1.28

焙烧温度/℃	元素分析/%
焙烧温度/℃	w（C）	w（S）	w（H）	w（O）	w（N）
350	46.52	0.36	2.83	2.73	0.86
450	46.35	0.25	2.34	2.98	0.84
550	45.14	0.19	2.15	4.36	0.80
650	44.86	0.16	1.94	5.01	0.75
750	44.35	0.11	1.73	5.57	0.74

波段名称	波段位置/cm^-1	振动模式	波段类型
G	1 580	理想石墨晶格的E_2g对称伸缩振动	sp²
D₁	1 350	A_1g对称性石墨晶格振动	sp²
D₂	1 720	无序石墨晶格结构	sp²
D₃	1 450~1 540	芳香环的半圆形呼吸；无定形碳结构	sp²，sp³
D₄	1 200~1 350	芳基-烷基醚；对位芳烃	sp³

温度/℃	A_D1	A_D3	I_D1 /I_G	I_G /I_all
350	22 520	16 500	0.441 92	0.495 46
450	26 150	21 020	0.457 01	0.479 1
550	32 590	25 580	0.481 03	0.469 48
650	24 730	19 950	0.485 47	0.469 39
750	15 620	16 800	0.461 72	0.465 35

[1]	史王芳, 张永胜. 混凝土基非金属硼掺杂富氮氮化碳降解NO _x 性能研究[J]. 无机盐工业, 2025, 57(3): 116-123.
[2]	程子扬, 陈国夫. 纳米SiO₂-水泥复合胶凝材料早期水化动力学研究[J]. 无机盐工业, 2024, 56(7): 80-87.
[3]	代红涛, 沈芳芳, 杨文涛. 利用垃圾焚烧渣制备陶瓷透水路面砖的试验研究[J]. 无机盐工业, 2024, 56(5): 121-127.
[4]	钱志慧, 朱琴, 马姣, 郭昱娇, 向明武, 郭俊明. 纳米级LiNi_0.05Mn_1.95O₄正极材料制备及电化学性能研究[J]. 无机盐工业, 2024, 56(4): 50-56.
[5]	王杰, 赵旭波, 汤勇, 覃玲意, 陈小鹏, 廖丹葵, 童张法, 王琳琳. 生石灰湿法消化制备高比表面积氢氧化钙及结构表征[J]. 无机盐工业, 2024, 56(12): 104-112.
[6]	钟彬扬, 梁玉兰, 陈志杰, 廖启华, 王金贵. 牡蛎壳微粉改性水泥基复合材料性能及微观结构研究[J]. 无机盐工业, 2024, 56(10): 135-140.
[7]	陈奇, 廖丹葵, 张庆年, 严金生, 黄煜, 陈小鹏, 童张法. 电导率法快捷高效测定生石灰活性度[J]. 无机盐工业, 2023, 55(9): 114-120.
[8]	姚勇, 黎石竹, 郑东晨, 曾庭华, 吴志超, 于驰, 刘法谦. 新型低碳排放脱硫剂纳米氢氧化钙的制备、评价及应用研究[J]. 无机盐工业, 2023, 55(4): 38-44.
[9]	熊爽, 严金生, 周洲, 周保弟, 陈小鹏, 童张法. 生石灰消化反应条件对氢氧化钙特性影响[J]. 无机盐工业, 2023, 55(12): 50-58.
[10]	杜光钢, 何童, 徐泽辉, 刘磊. 静爆剂中氧化钙在不同煅烧条件下的性能研究[J]. 无机盐工业, 2023, 55(10): 35-41.
[11]	刘越, 郑强, 邢佳斌, 邢润, 马亚丽, 贾松岩, 李雪. 石灰石干法制备高性能氢氧化钙的工艺及应用研究[J]. 无机盐工业, 2023, 55(10): 42-49.
[12]	陈晓庆, 周建安, 王怡, 韩娟, 王宝, 裴培炎. 转炉高温烟气中石灰石粉的分解特性研究[J]. 无机盐工业, 2023, 55(10): 70-77.
[13]	和文超,薛静,王伟. 含粉煤灰微珠混凝土的强度和徐变特性研究[J]. 无机盐工业, 2023, 55(1): 124-128.
[14]	刘应强,呙润华,刘喜杰. 硅灰、偏高岭土对矿渣-粉煤灰微珠胶凝材料性能的影响[J]. 无机盐工业, 2022, 54(6): 102-108.
[15]	付汝松,陆跃贤,安红芳,孔德文,付汝宾. 半水磷石膏固化原状磷石膏制备胶凝材料及性能研究[J]. 无机盐工业, 2022, 54(6): 109-114.

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