神东矿区高挥发分喷吹煤粉对焦炭缓熔性能的影响研究

2022-07-08武琳琳

煤化工 2022年3期

武琳琳

（1.煤炭科学技术研究院有限公司煤化工分院，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013；3.国家能源煤炭高效利用与节能减排技术装备重点实验室，北京 100013）

高炉喷吹是现代高炉炼铁生产广泛采用的技术，是现代高炉炉况调节不可缺少的手段之一。高炉喷吹燃料是从高炉风口向炉内直接喷吹燃料替代焦炭提供热量和还原剂，是降低焦比最有效的措施之一。研究和生产实践表明，高炉喷吹燃料可代替30%甚至更多的焦炭，降低生铁成本[1]。此外，高炉喷吹可改善高炉冶炼过程，并为应用高风温和富氧鼓风创造条件，从而进一步改善高炉各项技术经济指标，改善钢铁联合企业的能源供应，优化高炉生产，提高其经济效益[2]。

喷入高炉的煤粉在风口回旋区几乎不可能完全燃烧，尤其是在高喷煤水平下，未燃尽的残炭量会随着喷煤水平的增加而增加。未燃尽残炭积聚在风口回旋区周围，在该区域进入到料柱空隙或间隙，或黏结在滴落的渣铁上而进入炉缸，或随上升气流进入软熔带并吸附在软化或熔融的矿石层上，或在矿石和焦炭的空隙中沉积下来，只有少量残炭进入到块状带，形成炉尘。

未燃尽残炭在高炉内会与CO2、H2O发生气化反应，这是消耗未燃尽残炭的主体反应。未燃尽残炭随风口区气流上升，在软熔带（或滴落带）对尚未还原的FeO 进行还原，由此也会消耗未燃尽残炭。因而，未燃尽残炭的气化反应使焦炭的反应负荷减轻，由此使反应后的焦炭强度降低幅度变小[3-5]。

本文以我国钢铁企业广泛使用的神东矿区高挥发分烟煤为研究对象，通过对焦炭中加入神东矿区高挥发分烟煤干馏产物后的样品进行实验研究，研究高炉喷吹煤粉对焦炭缓熔性能的影响规律。

1 实验

1.1 实验样品

高炉喷吹煤粉选择神东矿区典型喷吹精煤样品，按照相关国家标准中方法测试样品的喷吹特性，结果如表1 所示。

表1 神东喷吹煤的煤质分析

由表1 可知，神东喷吹煤全水分含量略高，具有低灰、低硫、高发热量、高化学反应活性、低磷含量、低钾钠含量等优点，但是其哈氏可磨性指数偏低、煤灰熔融性温度偏低、具有强爆炸性，因而需要与无烟煤等煤种配合使用。

选择某钢铁厂目前使用的三种焦炭样品A、B、C进行模拟实验，焦炭样品的基本特征如表2 所示。

表2 焦炭样品的基本特征

1.2 干馏实验及焦炭反应性测试

参照GB/T 220—2018《煤对二氧化碳化学反应性的测定方法》对神东煤进行干馏实验，试样粒度为3 mm～6 mm，在管式干馏炉中以15 ℃/min～20 ℃/min的速率升温到900 ℃，在此温度下保持1 h，所得样品为神东干馏煤粉。

参照GB/T 4000—2017《焦炭反应性及反应后强度试验方法》进行焦炭热反应性（CRI）及反应后强度（CSR）试验，焦样粒度为（20 mm±0.5 mm）。首先称取焦炭A、B、C 各200 g；然后分别与神东干馏煤粉以质量比3∶1 进行混合，称取混合后的样品200 g 进行实验。实验过程：将干燥后试样在1 100 ℃与5 L/min CO2反应2 h，将反应后焦炭全部装入I 型转鼓，以20 r/min 的转速转30 min，然后取出筛分、称量、记录各筛级重量，并计算焦炭CRI 和CSR。

2 结果与讨论

2.1 高挥发分干馏煤粉对焦炭CRI 及CSR 的影响

加入高挥发分干馏煤粉后，焦炭CRI 和CSR 的变化如表3 和表4 所示。由表3、表4 发现，加入高挥发分干馏煤粉后，三种焦炭的CRI 均降低，而CSR 均升高，因而在高炉喷吹神东矿区高挥发分煤粉有利于改善焦炭的热性能。

表3 加入干馏煤粉后焦炭CRI 变化对比 %

表4 加入干馏煤粉后焦炭CSR 变化对比 %

神东矿区高挥发分干馏煤粉对不同性能焦炭的CRI 和CSR 影响不同。CRI 高的焦炭，干馏煤粉对其CRI 及CSR 的影响大，因此，喷吹煤粉对使用劣质焦炭的高炉效果更明显。

由表3 可知，焦炭A 与焦炭C 的CRI 差值为7.80个百分点，而加入干馏煤粉后，焦炭C 的CRI 变化量比焦炭A 的CRI 变化量低约50%，即加入神东矿区高挥发分干馏煤粉减小了不同焦炭CRI 的差别。加入干馏煤粉后，焦炭的CSR 也有类似趋势，即高炉喷吹高反应性煤减小了不同焦炭CSR 的差别。

2.2 焦炭CRI 与CSR 的关系

三种焦炭以及其分别与高挥发分干馏煤粉混合物的CRI 及CSR 关系如图1 所示。由图1 可知，焦炭的CSR 随焦炭CRI 升高呈线性下降的趋势，降低焦炭的CRI 有利于提高焦炭CSR。对CRI 与CSR 进行线性回归，CRI 与CSR 的线性相关性良好（R2=0.876），与相关研究结果一致[5]。

图1 实验焦炭的CRI 与CSR 的关系

2.3 高反应性喷吹煤对焦炭CRI 的影响机理

三种焦炭中加入高挥发分干馏煤粉后，在1 100 ℃与CO2反应，试样质量随反应时间的变化分别如图2～图4 所示。

图2 焦炭A 及加干馏煤粉的焦炭A 质量随反应时间的变化

图3 焦炭B 及加干馏煤粉的焦炭B 质量随反应时间的变化

图4 焦炭C 及加干馏煤粉的焦炭C 质量随反应时间的变化

由图2～图4 可知，焦炭A、焦炭B、焦炭C 的质量变化率依次降低，即焦炭的CRI 依次降低。

加入高挥发分干馏煤粉后，试样质量随时间的变化符合指数曲线变化，曲线大致分为三部分：0～40 min为线性变化阶段；40 min～50 min 为过渡阶段，曲线特征不规律；50 min～120 min 为线性变化阶段。

神东矿区高挥发分干馏煤粉的反应活性远高于冶金焦炭，因此，在反应第一阶段（0～40 min）首先进行高挥发分干馏煤粉与CO2的反应。焦炭A+干馏煤粉、焦炭B+干馏煤粉、焦炭C+干馏煤粉的质量变化斜率都高于3 种焦炭单独反应的斜率。

在过渡反应区（40 min～50 min），随着喷吹干馏煤粉逐渐耗尽，焦炭与CO2的反应逐渐增多，因而试样质量的变化呈不规则曲线，质量变化率低于反应第一阶段。

在反应第三阶段（50 min～120 min），焦炭A+干馏煤粉、焦炭B+干馏煤粉、焦炭C+干馏煤粉的质量变化斜率低于反应第一阶段和反应第二阶段，与对应三种焦炭的质量变化斜率接近。因此，在此阶段主要进行焦炭与CO2的反应。

概括来讲，神东矿区高挥发分干馏煤粉因反应活性高，对焦炭缓熔性能的影响主要表现在反应初始阶段（第一反应阶段）。在此阶段，CO2主要与喷吹煤粉的干馏产物反应；随着反应的进行，喷吹干馏煤粉逐渐消耗，其与CO2反应的数量逐渐减少，与CO2反应的焦炭数量逐渐增多，焦炭熔损反应速度逐渐增大。当喷吹干馏煤粉完全消耗之后，进入反应第三阶段，焦炭熔损反应稳定进行。由于在反应初始阶段干馏煤粉对焦炭起到保护作用，因而在120 min 的反应时间内，喷吹干馏煤粉后焦炭的消耗量远低于焦炭单独反应时。