煤气中氯对高炉冶炼过程的影响及防治预测

韩晓光，胡宾生，贵永亮

(河北联合大学冶金与能源学院，河北唐山063009)

0 引言

近几年来，氯元素对高炉冶炼过程的影响逐渐显现出来，主要表现为在部分高炉风口结渣物、布袋除尘箱内壁粘结物、TRT叶片粘结物、热风炉蓄热室格子砖内的粘结物中都分别检测到大量的氯元素，这些粘结物中的氯元素含量有的可以达到60%以上，已经对高炉的冶炼过程造成了严重影响。基于此原因，人们针对氯对高炉冶炼过程的影响进行了大量研究工作，获得了大量的研究成果。

1 氯元素对高炉风口的影响

高炉风口结渣会使风口通道面积减小，风压升高，影响喷煤作业和高炉炉况的顺行。煤粉中的氯元素在200～500℃之间析出的为有机氯或水溶态的氯;而在1000～1100℃之间析出的是无机氯，高炉风口区的温度通常超过l600℃，尽管煤粉在在回旋区的停留时间只有十几毫秒，但是煤粉中的氯元素40%左右还是会以气态HC1的形式释放出来。HCl气体的化学性质非常活泼，很可能与煤粉中的Na、K、Fe、Mg、Al等元素发生化学反应生成低熔点的氯化物(氯化钠熔点为801℃，氯化钾熔点为770℃，氯化铁熔点为282℃，氯化镁熔点为118℃)，由于高炉风口内外温差比较大，所以造成这些低熔点的氯化物很容易在风口处凝固，并逐渐聚集在风口部位，形成结渣物，甚至堵塞风口，影响高炉顺行，对高炉的冶炼过程造成严重影响。表1是2008年某座高炉风口结渣物的能谱分析结果。由表1可以看出:高炉风口结渣物中含有少量的氯元素，这些氯元素很可能与其中的阳离子形成了低熔点化合物，从而导致在风口处聚集并结渣。

表1 某高炉风口结渣物质的能谱分析结果(%)

2 氯元素对煤气管道的影响

氯化物堵塞煤气管道，影响高炉煤气的正常运行。为了降低水的消耗，近些年来，高炉煤气除尘系统中的干法除尘工艺开始被普遍应用。干法除尘工艺(即布袋除尘)具有除尘效率高、净化煤气含尘量低并可充分利用煤气余热、TRT发电量高、基本不消耗水等诸多优点。然而，现代高炉喷吹煤粉，在冶炼过程中会有氯化氨(NH4Cl)生成。氯化氨在100℃时会大量挥发，在337.8℃时分解成HC1分子和NH3分子，以气体的形式存在于高炉煤气中。布袋除尘只能够过滤5μ以上的灰尘颗粒，不能将这些高炉煤气中的HC1分子和NH3分子过滤下来。随着高炉煤气温度地不断下降，HC1和NH3再次结合成NH4C1固体，与部分小于5μm的灰尘颗粒形成固体混合物，这些固体混合物一部分粘结在布袋除尘箱的内壁，影响布袋的除尘效率，另外一部分则堵塞煤气管道影响煤气的输送和使用。表2是2008年某座高炉布袋除尘箱内壁粘结物的能谱分析结果。由表2可以看出:粘结物中含有大量的氯元素，根据物理和化学平衡原理，氯元素在煤气管道的粘结物中不可能以单质形式存在，最大的可能是以NH4C1、FeCl3和FeCl2的形态存在。

表2 某高炉布袋除尘箱内壁粘结物的能谱分析结果(%)

3 氯元素对TRT的影响

氯化物粘结在TRT叶片上，影响机组正常运行。近几年来，在一些使用干式TRT的企业多次出现机组流道快速结垢的现象，结垢的主要成分为氯化氨(NH4Cl)与灰尘的结晶，称之为积盐。这些积盐主要寄存在二级叶片的进气侧背部和出气侧的叶盆处，当垢层达到一定厚度时，就会引起机组振动而造成停机，造成高炉煤气压力能和热能的巨大损失，给钢铁公司带来经济损耗。TRT机组产生积盐的机理是:现代高炉煤气一般采用的都是干法除尘，大大降低了工业水的消耗，除尘效率也得到了有效提高，但是干法除尘不能出去煤气中小于5μm的粉尘，这些粉尘和一些机组油污，另外加上高炉冶炼过程中产生的HC1、NH3气体等，在二级叶片的进气侧背部和出气侧的叶盆处形成气―汽―固组成的多相流。当高炉煤气的热能转变成机械能后，温度会降低，当温度降低到露点以下时，煤气中的水分会大量凝结，而重新结合成的氯化氨又极易溶于水中，再加上一些粉尘形成结垢，粘附在透平的动、静叶片和机壳内壁上，垢层逐渐积厚，最后导致机组无法正常运行。表3是2009年某钢铁公司高炉TRT叶片积盐的能谱分析。由表3中可以看得出:TRT叶片积盐中含有大量的氯元素，这些氯元素在TRT叶片积盐中不可能以单质形式存在，最大的可能是以FeCl3、FeCl2和NH4C1的形态存在。

表3 某高炉TRT叶片积盐的能谱分析结果(%)

4 氯元素对高炉冶炼过程的影响

氯元素进入到高炉内，最终以HC1的形式释放出来，进入到煤气当中，并随着高炉煤气向高炉顶部运行，在上升的过程中不可避免地与高炉炉料和高炉炉墙耐火材料相接触，给高炉的冶炼过程带来了影响。根据相关文献的研究表明［1］:HC1会对高炉炉料焦炭的反应性(CRI)和反应后强度(CSR)以及铁矿石的冶金性能均有一定程度的影响。

HC1对焦炭反应性和反应后强度的影响:HC1会使焦炭的反应性降低而反应后强度明显升高，这种影响使焦炭的冶金性能得到了改善，有利于高炉的顺行。HC1能够改善焦炭冶金性能的原因可能是:由于HC1具有比较强的吸附能力，当HC1与焦炭接触时就会粘附在固体焦炭的表面，从而抑制了焦炭和其他气体(主要是CO2)之间的反应，降低了焦炭的反应性，提高了焦炭的反应后强度。

HC1对烧结矿低温还原粉化率的影响:HC1降低了烧结矿的低温还原粉化率，明显改善了高炉块状带的透气性。这种现象产生的原因可能是:一方面是由于HC1的吸附能力比较强，容易粘附在烧结矿的表面，阻止烧结矿内铁氧化物与还原性气体之间的反应，另一方面因为HC1要比高炉还原性气体中的CO更容易与烧结矿内的铁氧化物反应［2］，抑制了烧结矿还原粉化的发生。

HC1对球团矿还原膨胀系数的影响:HC1提高了球团矿的还原膨胀系数，降低了球团矿的冶金性能。这种现象产生的原因可能是:HC1气体与球团矿中的石英或硅酸盐发生反应生成一部分SiCl4，因为SiCl4的沸点只有57.6℃［3］，所以在高炉内会以气体的形式进入到煤气中，使球团矿在还原过程中形成的低熔点硅酸盐数量减少，促进了球团矿在还原过程中产生的孔隙和裂隙，给铁晶须的生长创造了有利条件，从而提高了球团矿的还原膨胀系数。

HC1对铁矿石还原性的影响:HC1降低了铁矿石的还原性，使铁矿石的冶金性能得到恶化。这种现象产生的原因可能是:一方面是因为HC1具有比较强的吸附能力会粘附在铁矿石的表面，阻止铁矿石和还原性气体之间的反应，另一方面是HC1与烧结矿中的CaO和铁氧化物(Fe2O3、Fe3O4、FeO)反应生成CaCl2、FeCl2和FeCl3，在900 ℃时，CaCl2和 FeCl2是液体状态，而 FeCl3则为气体状态［4］，呈液体状态的 CaCl2和FeCl2会粘附在铁矿石的表面，从而抑制铁矿石的还原反应，降低铁矿石的还原性。

5 结语

因为近几年来氯元素对高炉冶炼过程的影响在日渐显现出来，人们针对氯元素在高炉冶炼过程的影响进行了大量研究工作，并取得了大量研究成果，已经对氯元素在高炉内的行为及对高炉冶炼的影响有了深入认识。接下来，如何消除或减轻氯元素对高炉冶炼过程的影响将是人们研究工作的重点。研制出一种适合钢铁工业的脱氯剂，以此来脱除煤气中的氯元素，降低对高炉冶炼过程的影响将是今后研究工作的方向。

［1］ 胡宾生，贵永亮，韩晓光等.煤气中HCl对高炉原燃料冶金性能的影响［J］.中国冶金，2011，21(10):20-23.

［2］ 颜慧成，刘时杰.氯化氢氯化焙烧分离贵贱金属［J］.贵金属，1995，16(1):1.

［3］ 编写组.无机化学［M］.北京:人民教育出版社，1978.

［4］ 中南矿冶学院冶金研究室.氯化冶金［M］.北京:冶金工业出版社，1978.