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第 55 卷 第 9 期2023 年 9 月Vol.55 No.9Sept.，2023无机盐工业INORGANIC CHEMICALS INDUSTRY焙烧温度与碳结构对钙碳球团抗压强度的影响李强1，由晓敏1，佘雪峰1，姜泽毅2，薛庆国1，王静松1（1.北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083；2.北京科技大学能源与环境工程学院，北京 100083）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350750 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350550 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550650 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650750 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；抗压强度中图分类号：TQ127.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4990（2023）09-0043-07Effect of calcination temperature and carbon structure on compressive strength of CaO-containing carbon pelletsLI Qiang1，YOU Xiaomin1，SHE Xuefeng1，JIANG Zeyi2，XUE Qingguo1，WANG Jingsong1（1.State Key Laboratory of Advanced Metallurgy，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；2.School of Energy and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China）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 twostep method，calcium oxidecontaining 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 350750.The influence of carbon structure on the compressive strength of calcium oxidecontaining carbon pellets at different calcination temperatures was studied.The results showed that when the temperature was 350550，the decomposition and depolymerization of coal was occured，the relative number of carbon structures with semicoke defects was increased，and the compressive strength was decreased with the increase of temperature.When the temperature was 550650，the coal was solidified and contracted into semicoke，resulting in an increase in compressive strength to a maximum of 59.9 kPa.When the temperature was 650750，the polycondensation reaction of semicoke 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 oxidecontaining carbon pellets；calcination temperature；carbon structure；compressive strength电石（CaC2）是由焦炭和CaO在2 200 以上反应生成的。电石是生产乙炔和乙炔衍生产品所需的 研究与开发 引用格式：李强，由晓敏，佘雪峰，等.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（09）：43-49.Citation：LI Qiang，YOU Xiaomin，SHE Xuefeng，et al.Effect of calcination temperature and carbon structure on compressive strength of CaO-containing carbon pellets J.Inorganic Chemicals Industry，2023，55（09）：43-49.基金项目：国家重点研发计划项目（2018YFB0605903）。收稿日期：2022-11-01作者简介：李强（1996），男，硕士研究生，研究方向为化工；E-mail：。通讯作者：佘雪峰（1978），男，博士，教授，从事能源高效转化与链接方面的研究；E-mail：。Doi:10.19964/j.issn.1006-4990.2022-0645 无机盐工业第 55 卷第 9 期重要化学品，包括如氯乙烯、乙烯基乙酸和1，4-丁基乙二醇1-6。因此，电石曾被认为是“有机合成之母”。中国是世界第一电石生产大国，2021年电石年产能已增至约2 825万t。目前，中国基本上使用电弧法作为电石生产的主要工艺。该工艺主要将块状（530 mm）焦炭和氧化钙的混合物加入电炉，并在电弧产生高温（2 000 以上）条件下反应，生成的CO气体从炉体上部排出，熔融态的CaC2由炉底排出，冷却破碎后得到成品2。该方法的缺点：一是反应需要极高的反应温度（2 200）；二是反应时间长；三是能耗高（每吨碳化钙约耗电3 250 kWh）4。因此，用散装焦炭和散装石灰制备电石的传统工艺面临巨大挑战。研究表明两种材料充分接触将提高两种材料的接触面积，提高CaO的传质速率，从而提高反应速率7。为了提高氧化钙与炭的接触面积，粉状混合原料球团被广泛开发。ZHANG等8提出了一种基于回收电石渣和粉炭制备含CaO的钙碳球团新型电石生产工艺。GONG等5通过炼焦煤和电石渣的共热解，开发了一种用于电石生产的氧热工艺的钙焦。YIN等9和YOU等10-11都提出了一种包括两步法的电石生产新工艺，YIN等9使用混合石灰粉和煤粉（焦炭粉）在添加黏结剂的情况下，造球并在预热热解炉中热解含氧化钙的钙碳球团，然后将钙碳球团置于电弧炉中以生产电石。YOU等10-11提出直接以粉状炼焦煤和氧化钙为原料，制备含氧化钙的钙碳球团。在电弧炉的移动床反应器中生成电石需要具有良好透气性的高强度钙碳球团，保证反应产生的CO气体能够顺利通过，避免“崩床”等问题的出现12。在电石生产新工艺中，钙碳球团炉内强度（电弧炉）主要取决于钙碳球团在预热热解炉中的热解。目前，对预热热解炉中钙碳球团强度变化机理的研究很少，尤其是强度变化与煤焦结构变化的相关性研究更少。因此，本文重点研究了钙碳球团在预热热解炉阶段不同热解温度下碳结构对抗压强度的影响，以确定获得电石生产所需的高强度热解钙碳球团的最佳焙烧温度。本文以混合均匀的贫瘦煤和氧化钙（均为粉状）为原料，通过嵌样机制备了钙碳球团，并在不同温度下进行焙烧。其抗压强度主要取决于焙烧温度以及碳结构的变化。因此，本文分析和比较了不同焙烧温度下钙碳球团中煤的碳结构变化，研究了碳结构变化与抗压强度之间的相关性。1实验1.1实验原料实验采用一钢铁厂收集的分析级CaO（质量分数99.0%）和贫瘦煤为原料，将其在105 下干燥12 h，并置于密封袋中。贫瘦煤的元素分析和工业分析如表1所示。贫瘦煤中灰分的化学成分如表2所示。1.2实验部分1.2.1实验仪器采用 WRT-124 型热重分析仪，升温速率为10/min，测定了钙碳球团在加热过程中的失重率；采用D8 DISCOVER 型X 射线衍射仪，测试条件为40 kV、Cu靶、K辐射，在585的2范围内以3/min的扫描速率对钙碳球团的物相组成进行测量；采用VERTEX 70型傅里叶变换红外光谱仪（ATR-FTIR），波数范围为4004 000 cm1，分辨率为4 cm1，将样品（2 mg）和干燥的KBr（100 mg）一起研磨并混合均匀，对钙碳球团样品的化学结构变化进行了表征；采用 Thermo Scientific DXR 型拉曼光谱（Raman）分析，扫描范围为503 500 cm-1，对钙碳球团样品的碳结构变化进行了表征。1.2.2钙碳球团的制备与焙烧为了去除材料中的水分，煤在105 下干燥12 h。本研究中材料（贫瘦煤和氧化钙）的混合比例基于先前提出的技术，以确保在随后的电石炉中形成足够的电石反应2-3。将混合物置于不锈钢模具中，通过嵌样机（XQ-5）在8 MPa的压力下单轴压制1 min，表1煤样的元素和工业分析Table 1Result of elemental and proximateanalysis of coal samples%工业分析w（Mad）1.04元素分析w（Cd）80.43w（Ad）10.57w（Hd）3.85 w（Vd）12.93 w（Od）3.45w（FCd）76.5w（Nd）1.29w（Sd）1.28注：M代表水分；V代表挥发分；FC代表固定碳；A代表灰分；下角标中ad代表空气干燥基；d代表干燥基。表2贫瘦煤中灰分的化学成分Table 2Chemical compositions of lean ash%w（CaO）5.34w（SiO2）42.05w（Al2O3）34.96w（TiO2）1.46w（Fe2O3）7.66w（MgO）0.93w（Na2O）1.10w（其他）3.07 442023 年 9 月李强等：焙烧温度与碳结构对钙碳球团抗压强度的影响制成钙碳球团；球团直径为15 mm、质量为2.5 g，为保证生球的冷强度，综合考虑前期实验结果，确定了钙碳球团的料粒度、压块压力、压块时间和压块尺寸。图1为钙碳球团热解装置示意图，使用冷却速率可控的管式炉及加热直径为