神東礦區(qū)高揮發(fā)分噴吹煤粉對焦炭緩熔性能的影響研究

武琳琳

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司煤化工分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；3.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013）

高爐噴吹是現(xiàn)代高爐煉鐵生產(chǎn)廣泛采用的技術(shù)，是現(xiàn)代高爐爐況調(diào)節(jié)不可缺少的手段之一。高爐噴吹燃料是從高爐風(fēng)口向爐內(nèi)直接噴吹燃料替代焦炭提供熱量和還原劑，是降低焦比最有效的措施之一。研究和生產(chǎn)實(shí)踐表明，高爐噴吹燃料可代替30%甚至更多的焦炭，降低生鐵成本[1]。此外，高爐噴吹可改善高爐冶煉過程，并為應(yīng)用高風(fēng)溫和富氧鼓風(fēng)創(chuàng)造條件，從而進(jìn)一步改善高爐各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，改善鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的能源供應(yīng)，優(yōu)化高爐生產(chǎn)，提高其經(jīng)濟(jì)效益[2]。

噴入高爐的煤粉在風(fēng)口回旋區(qū)幾乎不可能完全燃燒，尤其是在高噴煤水平下，未燃盡的殘?zhí)苛繒S著噴煤水平的增加而增加。未燃盡殘?zhí)糠e聚在風(fēng)口回旋區(qū)周圍，在該區(qū)域進(jìn)入到料柱空隙或間隙，或黏結(jié)在滴落的渣鐵上而進(jìn)入爐缸，或隨上升氣流進(jìn)入軟熔帶并吸附在軟化或熔融的礦石層上，或在礦石和焦炭的空隙中沉積下來，只有少量殘?zhí)窟M(jìn)入到塊狀帶，形成爐塵。

未燃盡殘?zhí)吭诟郀t內(nèi)會與CO2、H2O發(fā)生氣化反應(yīng)，這是消耗未燃盡殘?zhí)康闹黧w反應(yīng)。未燃盡殘?zhí)侩S風(fēng)口區(qū)氣流上升，在軟熔帶（或滴落帶）對尚未還原的FeO 進(jìn)行還原，由此也會消耗未燃盡殘?zhí)?。因而，未燃盡殘?zhí)康臍饣磻?yīng)使焦炭的反應(yīng)負(fù)荷減輕，由此使反應(yīng)后的焦炭強(qiáng)度降低幅度變小[3-5]。

本文以我國鋼鐵企業(yè)廣泛使用的神東礦區(qū)高揮發(fā)分煙煤為研究對象，通過對焦炭中加入神東礦區(qū)高揮發(fā)分煙煤干餾產(chǎn)物后的樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，研究高爐噴吹煤粉對焦炭緩熔性能的影響規(guī)律。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

高爐噴吹煤粉選擇神東礦區(qū)典型噴吹精煤樣品，按照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)中方法測試樣品的噴吹特性，結(jié)果如表1 所示。

表1 神東噴吹煤的煤質(zhì)分析

由表1 可知，神東噴吹煤全水分含量略高，具有低灰、低硫、高發(fā)熱量、高化學(xué)反應(yīng)活性、低磷含量、低鉀鈉含量等優(yōu)點(diǎn)，但是其哈氏可磨性指數(shù)偏低、煤灰熔融性溫度偏低、具有強(qiáng)爆炸性，因而需要與無煙煤等煤種配合使用。

選擇某鋼鐵廠目前使用的三種焦炭樣品A、B、C進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，焦炭樣品的基本特征如表2 所示。

表2 焦炭樣品的基本特征

1.2 干餾實(shí)驗(yàn)及焦炭反應(yīng)性測試

參照GB/T 220—2018《煤對二氧化碳化學(xué)反應(yīng)性的測定方法》對神東煤進(jìn)行干餾實(shí)驗(yàn)，試樣粒度為3 mm～6 mm，在管式干餾爐中以15 ℃/min～20 ℃/min的速率升溫到900 ℃，在此溫度下保持1 h，所得樣品為神東干餾煤粉。

參照GB/T 4000—2017《焦炭反應(yīng)性及反應(yīng)后強(qiáng)度試驗(yàn)方法》進(jìn)行焦炭熱反應(yīng)性（CRI）及反應(yīng)后強(qiáng)度（CSR）試驗(yàn)，焦樣粒度為（20 mm±0.5 mm）。首先稱取焦炭A、B、C 各200 g；然后分別與神東干餾煤粉以質(zhì)量比3∶1 進(jìn)行混合，稱取混合后的樣品200 g 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程：將干燥后試樣在1 100 ℃與5 L/min CO2反應(yīng)2 h，將反應(yīng)后焦炭全部裝入I 型轉(zhuǎn)鼓，以20 r/min 的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)30 min，然后取出篩分、稱量、記錄各篩級重量，并計(jì)算焦炭CRI 和CSR。

2 結(jié)果與討論

2.1 高揮發(fā)分干餾煤粉對焦炭CRI 及CSR 的影響

加入高揮發(fā)分干餾煤粉后，焦炭CRI 和CSR 的變化如表3 和表4 所示。由表3、表4 發(fā)現(xiàn)，加入高揮發(fā)分干餾煤粉后，三種焦炭的CRI 均降低，而CSR 均升高，因而在高爐噴吹神東礦區(qū)高揮發(fā)分煤粉有利于改善焦炭的熱性能。

表3 加入干餾煤粉后焦炭CRI 變化對比 %

表4 加入干餾煤粉后焦炭CSR 變化對比 %

神東礦區(qū)高揮發(fā)分干餾煤粉對不同性能焦炭的CRI 和CSR 影響不同。CRI 高的焦炭，干餾煤粉對其CRI 及CSR 的影響大，因此，噴吹煤粉對使用劣質(zhì)焦炭的高爐效果更明顯。

由表3 可知，焦炭A 與焦炭C 的CRI 差值為7.80個百分點(diǎn)，而加入干餾煤粉后，焦炭C 的CRI 變化量比焦炭A 的CRI 變化量低約50%，即加入神東礦區(qū)高揮發(fā)分干餾煤粉減小了不同焦炭CRI 的差別。加入干餾煤粉后，焦炭的CSR 也有類似趨勢，即高爐噴吹高反應(yīng)性煤減小了不同焦炭CSR 的差別。

2.2 焦炭CRI 與CSR 的關(guān)系

三種焦炭以及其分別與高揮發(fā)分干餾煤粉混合物的CRI 及CSR 關(guān)系如圖1 所示。由圖1 可知，焦炭的CSR 隨焦炭CRI 升高呈線性下降的趨勢，降低焦炭的CRI 有利于提高焦炭CSR。對CRI 與CSR 進(jìn)行線性回歸，CRI 與CSR 的線性相關(guān)性良好（R2=0.876），與相關(guān)研究結(jié)果一致[5]。

圖1 實(shí)驗(yàn)焦炭的CRI 與CSR 的關(guān)系

2.3 高反應(yīng)性噴吹煤對焦炭CRI 的影響機(jī)理

三種焦炭中加入高揮發(fā)分干餾煤粉后，在1 100 ℃與CO2反應(yīng)，試樣質(zhì)量隨反應(yīng)時(shí)間的變化分別如圖2～圖4 所示。

圖2 焦炭A 及加干餾煤粉的焦炭A 質(zhì)量隨反應(yīng)時(shí)間的變化

圖3 焦炭B 及加干餾煤粉的焦炭B 質(zhì)量隨反應(yīng)時(shí)間的變化

圖4 焦炭C 及加干餾煤粉的焦炭C 質(zhì)量隨反應(yīng)時(shí)間的變化

由圖2～圖4 可知，焦炭A、焦炭B、焦炭C 的質(zhì)量變化率依次降低，即焦炭的CRI 依次降低。

加入高揮發(fā)分干餾煤粉后，試樣質(zhì)量隨時(shí)間的變化符合指數(shù)曲線變化，曲線大致分為三部分：0～40 min為線性變化階段；40 min～50 min 為過渡階段，曲線特征不規(guī)律；50 min～120 min 為線性變化階段。

神東礦區(qū)高揮發(fā)分干餾煤粉的反應(yīng)活性遠(yuǎn)高于冶金焦炭，因此，在反應(yīng)第一階段（0～40 min）首先進(jìn)行高揮發(fā)分干餾煤粉與CO2的反應(yīng)。焦炭A+干餾煤粉、焦炭B+干餾煤粉、焦炭C+干餾煤粉的質(zhì)量變化斜率都高于3 種焦炭單獨(dú)反應(yīng)的斜率。

在過渡反應(yīng)區(qū)（40 min～50 min），隨著噴吹干餾煤粉逐漸耗盡，焦炭與CO2的反應(yīng)逐漸增多，因而試樣質(zhì)量的變化呈不規(guī)則曲線，質(zhì)量變化率低于反應(yīng)第一階段。

在反應(yīng)第三階段（50 min～120 min），焦炭A+干餾煤粉、焦炭B+干餾煤粉、焦炭C+干餾煤粉的質(zhì)量變化斜率低于反應(yīng)第一階段和反應(yīng)第二階段，與對應(yīng)三種焦炭的質(zhì)量變化斜率接近。因此，在此階段主要進(jìn)行焦炭與CO2的反應(yīng)。

概括來講，神東礦區(qū)高揮發(fā)分干餾煤粉因反應(yīng)活性高，對焦炭緩熔性能的影響主要表現(xiàn)在反應(yīng)初始階段（第一反應(yīng)階段）。在此階段，CO2主要與噴吹煤粉的干餾產(chǎn)物反應(yīng)；隨著反應(yīng)的進(jìn)行，噴吹干餾煤粉逐漸消耗，其與CO2反應(yīng)的數(shù)量逐漸減少，與CO2反應(yīng)的焦炭數(shù)量逐漸增多，焦炭熔損反應(yīng)速度逐漸增大。當(dāng)噴吹干餾煤粉完全消耗之后，進(jìn)入反應(yīng)第三階段，焦炭熔損反應(yīng)穩(wěn)定進(jìn)行。由于在反應(yīng)初始階段干餾煤粉對焦炭起到保護(hù)作用，因而在120 min 的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)，噴吹干餾煤粉后焦炭的消耗量遠(yuǎn)低于焦炭單獨(dú)反應(yīng)時(shí)。

3 結(jié) 論

3.1 神東礦區(qū)高揮發(fā)分噴吹煤粉具有低灰、低硫、高發(fā)熱量、高化學(xué)反應(yīng)活性、低磷含量、低鉀鈉含量等優(yōu)點(diǎn)，是優(yōu)良的噴煤配煤。

3.2 神東礦區(qū)高揮發(fā)分噴吹干餾煤粉的反應(yīng)活性高于冶金焦炭，其加入會降低不同焦炭的CRI 和CSR 的差別，噴吹神東高揮發(fā)分干餾煤粉對使用性能較差的焦炭的效果更好。

3.3 加入高揮發(fā)分干餾煤粉后，焦炭與CO2的反應(yīng)可分為三個階段，干餾煤粉的存在減緩了焦炭的熔損反應(yīng)，有利于保持焦炭在高爐中的作用，因而在高爐風(fēng)口回旋區(qū)保留一定量的未燃煤粉是有益的。