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        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

        2022-07-08 07:24:46武琳琳
        煤化工 2022年3期
        關(guān)鍵詞:神東殘?zhí)?/a>焦炭

        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實驗室,北京 100013;3.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點實驗室,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,從而進一步改善高爐各項技術(shù)經(jīng)濟指標,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)域進入到料柱空隙或間隙,或黏結(jié)在滴落的渣鐵上而進入爐缸,或隨上升氣流進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)負荷減輕,由此使反應(yīng)后的焦炭強度降低幅度變小[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)物后的樣品進行實驗研究,研究高爐噴吹煤粉對焦炭緩熔性能的影響規(guī)律。

        1 實 驗

        1.1 實驗樣品

        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)國家標準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,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進行模擬實驗,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 干餾實驗及焦炭反應(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》對神東煤進行干餾實驗,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)后強度試驗方法》進行焦炭熱反應(yīng)性(CRI)及反應(yīng)后強度(CSR)試驗,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 進行混合,稱取混合后的樣品200 g 進行實驗。實驗過程: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,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 實驗焦炭的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)活性遠高于冶金焦炭,因此,在反應(yīng)第一階段(0~40 min)首先進行高揮發(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。當噴吹干餾煤粉完全消耗之后,進入反應(yīng)第三階段,焦炭熔損反應(yīng)穩(wěn)定進行。由于在反應(yīng)初始階段干餾煤粉對焦炭起到保護作用,因而在120 min 的反應(yīng)時間內(nèi),噴吹干餾煤粉后焦炭的消耗量遠低于焦炭單獨反應(yīng)時。

        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,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。

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