Jaký vliv má mikrostruktura ropného koksu (jehličkovitá, houbovitá a peletovitá) na rychlost smrštění kalcinací a skutečnou hustotu?

1. Jehlový koks: Typický příklad nízkého smrštění a vysoké skutečné hustoty

• Strukturní vlastnosti: Jehlicový koks vykazuje vláknitou nebo protáhlou strukturu s protáhlými eliptickými póry uspořádanými uspořádaným způsobem. Tato struktura vykazuje vynikající schopnost zhutňování během kalcinace.
• Smrštění kalcinací:
  • Jehlový koks má relativně nízkou míru smrštění, obvykle v rozmezí 10 % až 20 %. Jeho vláknitá struktura dosahuje smrštění prostřednictvím molekulárního přeskupení a uzavření pórů za vysokých teplot, zatímco uspořádané uspořádání pórů zmenšuje prostor pro neuspořádané smrštění, čímž se snižuje celková míra smrštění.
  • Například při kalcinaci při 1300 °C může být objemové smrštění jehlového koksu pouze poloviční oproti houbovému koksu, a to díky jeho schopnosti rovnoměrně rozkládat tepelné namáhání.
• Skutečná hustota:
  • Jehlový koks má vysokou skutečnou hustotu, obvykle dosahující 2,10–2,15 g/cm³. To odráží jeho vysoký stupeň grafitizace a hustou krystalickou strukturu, která úzce souvisí s uspořádaným uspořádáním uhlíkových vrstev v jeho vláknité struktuře.
  • Studie ukazují, že skutečná hustota jehlového koksu je přibližně o 5–10 % vyšší než hustota houbového koksu, a to kvůli menšímu počtu strukturálních vad a těsnějšímu vrstvení uhlíkových vrstev.

2. Houbovitý koks: Typický příklad vysokého smrštění a nízké skutečné hustoty

• Strukturní vlastnosti: Houbovitý koks má porézní, houbovitou strukturu s nepravidelně velkými a rozloženými póry, tenkými stěnami zuhelnatění a křehkostí.
• Smrštění kalcinací:
  • Houbovitý koks vykazuje vysokou míru smrštění, typicky v rozmezí od 30 % do 50 %. Jeho neuspořádaná porézní struktura je náchylná ke kolapsu pórů během kalcinace v důsledku uvolňování těkavých látek a koncentrace tepelného napětí, což vede k významnému smrštění.
  • Například při kalcinaci při 1200 °C může objemové smrštění houbového koksu přesáhnout 40 %, což je mnohem více než u jehlového koksu.
• Skutečná hustota:
  • Houbovitý koks má relativně nízkou skutečnou hustotu, obvykle mezi 1,90 a 2,05 g/cm³. To se připisuje velkému počtu zbytkových pórů a neuspořádanému uspořádání uhlíkových vrstev v jeho struktuře, což vede k četným krystalickým defektům.
  • Ve srovnání s jehlovým koksem může být skutečná hustota houbového koksu o 10–15 % nižší kvůli nedostatečnému zhutnění.

3. Koksování v brokové formě: Mezilehlý stav s mírným smrštěním a skutečnou hustotou

• Strukturní charakteristiky: Koksová tříšť má kulovitý nebo peletovitý tvar s tvrdým povrchem a malým počtem pórů, což představuje strukturní přechod mezi jehlovým koksem a houbovým koksem.
• Smrštění kalcinací:
  • Koksová tříska má typicky míru smrštění v rozmezí 20 % až 30 %. Jeho sférická struktura se během kalcinace smršťuje v důsledku povrchového napětí, ale omezená vnitřní pórovitost omezuje amplitudu smrštění.
  • Například při kalcinaci při 1250 °C může být objemové smrštění koksu v práškové formě 25 %, což spadá mezi smrštění jehlového koksu a houbového koksu.
• Skutečná hustota:
  • Koks s vstřikovacím nástřikem má obvykle skutečnou hustotu mezi 2,00 a 2,10 g/cm³. Jeho strukturální zhutnění je lepší než u houbového koksu, ale horší než u jehlového koksu, což má za následek střední skutečnou hustotu.
  • Výzkum ukazuje, že skutečná hustota koksu v trojobalu je přibližně o 5 % vyšší než hustota houbového koksu, ale o 3–5 % nižší než hustota jehlového koksu.

Komplexní analýza vztahů mezi strukturou a vlastnostmi

• Mechanismus smršťování:
  • Uspořádaná vláknitá struktura jehlového koksu redukuje neuspořádané smršťovací dráhy a snižuje tak jeho rychlost smršťování; neuspořádaná porézní struktura houbového koksu vede k vysokému smrštění v důsledku kolapsu pórů; sférická struktura koksu dosahuje mírného smrštění v důsledku povrchového napětí.
• Mechanismus skutečné hustoty:
  • Skutečná hustota přímo souvisí se zhuštěním krystalické struktury. Uspořádané uspořádání vrstev uhlíku a nízká hustota defektů jehlového koksu vedou k vysoké skutečné hustotě; neuspořádaná struktura a zbytkové póry houbového koksu skutečnou hustotu snižují; koks s broky vykazuje vlastnosti středního stupně.
• Doporučení pro optimalizaci procesů:
  • Pro aplikace vyžadující nízké smrštění a vysokou skutečnou hustotu (např. vysokovýkonné grafitové elektrody) se dává přednost jehlovému koksu;
  • Pro cenově citlivé aplikace s nižšími požadavky na výkon (např. palivo) může být vhodnější houbový koks nebo koksová tryska;
  • Úpravou teploty kalcinace (např. nad 1300 °C) a rychlosti ohřevu (např. pod 50 °C/min) lze dále optimalizovat skutečnou hustotu a smrštění jehlového koksu.