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reactivity of coke
简介
焦炭与二氧化碳、氧和水蒸气等进行化学反应的能力。它是评价焦炭质量的重要指标。焦炭在高炉炼铁、铸造化铁和固定床气化过程中，都要与CO2、O2和水蒸气发生化学反应：
C+O2→CO2+393.3kJ/mol
C+0.5O2→CO+110.4kJ/mol
C+CO2→2CO-172. 5kJ/mol
C+H2O→CO+H2-131.3kJ/mol
由于焦炭与O2和H2O的反应有与CO2反应相类似的规律，大多数国家都用焦炭与CO2间的反应特性评定焦炭反应性。很早以前，有些国家曾用焦炭与空气的氧化反应特性(或称燃烧性)来评定焦炭反应性。(见焦炭燃烧性)焦炭与CO2间的反应属气固相反应，其反应速率不仅取决于化学反应速度，还受扩散因素的影响。因此，焦炭反应性与焦炭粒度、气孔结构、光学组织、比表面、灰分的成分和含量等有关;还因测定时所采用的条件，如反应温度、反应气组成、反应气流量和压力等因素而改变。所以，评定焦炭的反应性必须在规定的条件下进行试验。(见块焦反应性指数和反应后强度和粒焦反应性试验)
焦炭与CO2反应的特征 块状或粒状的焦炭是一种多孔体，它与CO2的反应过程，既受温度影响也受气体在孔体中扩散阻力的影响。在温度较低时，化学反应速度较慢，CO2分子通过焦炭表面扩散到气孔内部的过程中，CO2浓度变化不大，扩散阻力很小，因此化学反应速度是反应过程进行的主导因素;随着反应温度升高，化学反应速度加快，气孔表面很快被反应生成的CO覆盖，使CO2分子向气孔扩散的阻力增加，整个焦块从表面到内层产生较大的CO2浓度梯度，这时整个反应主要受扩散阻力的控制;反应温度继续升高，反应速度急剧增加，CO2分子一接触焦炭即在表面迅速反应，来不及向气孔内部扩散，这时反应完全受焦炭外表面的传质作用控制。以上特征说明焦炭的性质、状态和反应条件均对反应速度有影响。
测定方法 由于焦炭是含灰分的碳质多孔体，它与CO2的反应不完全相同于元素碳与CO2的反应。为了探讨焦炭与CO2的反应动力学，应排除气体扩散的影响，需要采用粒径从几百微米到几十微米的细粒焦样。通常在精密的热天平上，仅用几毫克试样进行测定，反应温度可根据实验目的选定。为了排除灰分的影响，焦炭在测定反应性前，还可以预先进行脱灰处理。用热天平测定的焦炭反应性，一般以单位时间内每单位质量焦炭经反应后的损失量来表示(称反应速率)。工业上测定焦炭的反应性， 往往采用粒状或块状试样， 这样测定的反应性是块体反应性， 通常用反应后的失重率表示。
影响因素 在反应条件一定的情况下， 焦炭反应性主要受炼焦煤料的性质、炼焦工艺、所得焦炭的结构以及焦炭灰成分的影响。
(1)炼焦煤料的性质。是影响焦炭反应性最重要的因素。焦炭反应性与所用原料煤的煤化度有关。用低煤化度煤炼制的焦炭， 反应性高; 随着煤化度加深， 所得焦炭的反应性逐渐降低， 当煤的无湿无灰基碳含量(Ck)达89～91%时，所炼成的焦炭反应性最低，此时煤的可燃基挥发分(Vdaf)约相当于18～28%。图1示出从不同煤化度的煤中手选的镜煤炼成的焦炭在1000℃时与CO2的反应速率的关系。由图可见中、高含碳量的煤炼成的焦炭， 反应速率较低， 因此炼焦原料煤中应多用低挥发分煤和中挥发分煤、少用高挥发分煤， 是降低焦炭反应性的根本途径。气化焦和铁合金焦需要高反应性，应配用较多的高挥发分煤。在煤料中添加石油延迟焦， 可使结焦后期裂解碳增加， 堵塞焦炭中的一些微小气孔，这有助于降低焦炭反应性。在配合煤有足够粘结性的条件下配入5～10%挥发分为9～13%的延迟焦，可使所得焦炭的反应性约降低10～20%。这种措施常用于生产铸造焦的配煤方案中。
图1 炼焦煤料的煤化度 (以Cdaf表示) 与焦炭反应性 (以反应速率表示) 的关系
(2)炼焦工艺。提高炼焦终温，可降低焦炭的反应性。炼焦终温为1100℃的焦炭， 在相同原料煤条件下，较炼焦终温为1000℃的焦炭的反应性约可降低10%。结焦末期有一段维温时间， 也可使焦炭反应性略有下降。增加装炉煤散密度、调整装炉煤的粒度组成均可使焦炭气孔分布均匀，也有降低焦炭反应性的效果。干法熄焦避免了水蒸气对焦炭气孔表面的反应， 减少了活化点， 有助于降低焦炭的反应性。
(3) 焦炭结构。焦炭光学组织与反应性直接相关。各种光学组织按反应性大小的排列次序基本上是： 无光学活性的惰性组织和各向同性组织的反应性高于各向异性组织; 而在各向异性组织中， 镶嵌状组织高于流动型组织; 在镶嵌组织中细粒镶嵌组织高于粗粒镶嵌组织。图2为焦炭的光学各向异性组织含量与焦炭反应性(以反应后质量损失表示)的关系。影响反应性的另一个焦炭结构参数是焦炭的比表面。(见焦炭气孔结构)小于10μm的气孔，虽然气孔容积只占焦炭总气孔容积的10%， 但其比表面却占焦炭全部比表面的95%以上。焦炭反应性随气孔比表面增加而提高，因此焦炭中小于10μm的气孔对反应性起重要作用。
图2 焦炭的光学各向异性组织含量与焦炭反应后质量损失的关系 (反应条件： 1000℃下与CO2反应4h)
图3 焦炭中的某些金属氧化物含量对焦炭反应性的影响
(4)焦炭灰成分。焦炭灰分中的金属氧化物对焦炭的CO2反应性有正催化作用，其中尤以K、Na的催化作用更大。(图3)一般焦炭中的K2O和Na2O含量很少，仅0.1～0.3%;但在高炉中由于碱循环作用，焦炭所吸附的K和Na含量可达3%以上，这就会造成对焦炭的破坏作用。(见焦炭抗碱性) 焦炭中的SiO2和B2O3有抑制CO2反应性的作用，尤以B2O3更明显，如焦炭中添加0.5%的B2O3，反应性可降低30～50%。