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摘要
以焦炉上升管内壁结焦炭层为研究对象,采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线光电子能谱仪(XPS)研究各结焦炭层的微观形貌、元素组成及键合状态,分析结焦炭层织构形成及演化规律。SEM研究表明,焦炉上升管内壁各结焦炭层形貌呈现较大的差异性, 1#结焦炭层呈现0.1～1.0μm颗粒化炭颗粒松散堆叠的多孔结构,2#和3#结焦炭层呈现粒径为1.0～3.0μm的炭颗粒堆积形貌且致密性有所提高, 4#结焦炭层呈现大量花纹状致密结构。以上现象可说明结焦炭层的形成过程为:首先由荒煤气中多环芳烃形成0.1～1.0μm的颗粒状初级炭层,颗粒状初级炭层在荒煤气粉尘中金属元素(如Fe)的催化作用下相互反应,形成更为致密的1.0～3.0μm的中级炭层结构,中级炭层在高温条件下进一步形成致密的终级炭层结构。XPS分析表明, 1#—4#结焦炭层含C量分别为91.78%, 91.95%, 92.74%和94.01%,含O量分别为5.58%, 5.42%, 4.39%和2.86%, C/O比分别为16.45, 16.96, 21.12和32.87,说明在炭层结构变化的同时,炭层中含氧基团在高温及粉尘中金属元素(如Fe)作用下发生脱除反应,使得炭层中宏观C/O比逐渐升高。在此基础上,通过对C元素键合状态分峰发现, 1#—4#结焦炭层中C—C/C—H结构含量分别为80.42%, 78.00%, 75.50%和81.29%, C—O/C—N结构含量分别为10.22%, 11.93%, 13.54%和9.35%, C=O/C=N结构含量分别为9.36%, 10.07%, 10.96%和9.36%。O元素键合状态分峰发现, 1#—4#结焦炭层中O结构含量分别为20.40%, 22.21%, 19.93%, 18.36%,—O—结构含量分别为24.60%, 27.80%, 31.35%, 37.82%, O2/H2O结构含量分别为55.00%, 49.99%, 48.72%和43.82%。以上现象说明结焦炭层上发生如下化学变化:初级炭层中多孔结构会吸附荒煤气中的氧气(O2)和水分子(H2O)在高温条件下对炭层进行氧化。脱除反应和氧化反应使得炭层中=O元素在微观键合状态发生明显改变,最终使得炭层中O2/H2O和=O结构含量降低,—O—结构含量升高。以上研究揭示了荒煤气上升管结焦炭层织构形成及演化机制,为解决焦炉荒煤气上升管内壁结焦问题,提高换热器效能,降低焦化企业能耗提供了实验基础和理论依据。
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