噴煤未燃煤粉在高爐內行為的研究

第24卷第3期鋼鐵釩鈦Vol.24,No.3sepiember 20032003年9月 .IRON STEEL VANADIUM TITANTUM噴煤未燃煤粉在高爐內行為的研究刁日升|,胡賓生2(1.輩鋼煉鐵廠(chǎng),四川攀枝花617022; 2.河北理工學(xué)院，河北唐山06309情萋:在模擬攀鋼高爐噴吹煤粉的生產(chǎn)條件下進(jìn)行的未燃煤粉在高爐內的行為研究結果表明,在鐵的直接還原、生鐵滲碳、硅和鈦還原、未燃煤粉和焦粉在爐渣中沉積、煤和焦炭反應性的各個(gè)試驗中,未燃煤粉的反應性都大于焦炭,這些都是由于未燃煤粉的比表面積大,結構疏松所造成的。關(guān)鍵謂:未燃煤粉;高爐;噴煤;反應性中圈分類(lèi)號:TT538.6*3文獻標識碼:A文章編號:1004- 7638(2003)03 - 0017 -05BEHAVIOR OF UNBURNED PARTICLEIN BLAST FURNACE PULVERIZED COAL INJECTIONDIAO Ri - sheng' , HU Bin - sheng2(1. Ionmaking Plant of PZH Steel, Panahihua 617022, Sichuan, China; 2. Hebei Cllege of Technology, Tangshan 06309,Hebei, China)Abstract:The behaviors of unburmed particle of PCI in blast fumace were studied on the simulation conditionsof BF at PZH Steel. The unbumed particle of PCI shows better reactivity than the coke in a series of test,suchas the direct reduction of iron ore , carburizing of pig iron, reduction of silica and titanum oxide , sedimentationin slag, reaction with CO2. The rsuts are due to the larger specific surface of unbumned particle of PCI thanthat of coke.Key Words :unbumed pulverized coal ;blast fumace ;coal injection; reactivity爐內行為的研究。0引言噴入高爐風(fēng)口的煤粉在高爐內的消耗途徑如圖噴煤是降低生鐵成本和優(yōu)化操作工藝的主要技1所示[。從圖1中可以看出，煤粉進(jìn)入高爐風(fēng)口術(shù)手段,因此,大幅度地提高高爐噴煤是許多鋼鐵后,煤粉的消耗主要有以下7條途徑。.企業(yè)共同追求的目標。攀鋼高爐冶煉釩鈦磁鐵礦有(1)風(fēng)口前燃燒,代替焦炭起發(fā)熱劑和還原劑的許多對噴煤不利的特殊性,曾一度限制了攀鋼高爐作用,燃燒后以Co的形態(tài)進(jìn)入高爐煤氣中。噴煤技術(shù)的發(fā)展。在國家“八五”攻關(guān)技術(shù)的基礎(2)以未燃煤粉的形態(tài)參加碳的氣化反應,氣化上，經(jīng)過(guò)不斷的技術(shù)研究,不但突破了冶煉高鈦型釩反應生成的Co氣體進(jìn)入高爐煤氣中。鈦磁鐵礦不能?chē)娒旱慕缦?而且噴煤比不斷提高,現(3)以未燃煤粉的形態(tài)參加鐵的直接還原反應,已突破150 kg/tpeo為了能深入了解攀鋼高爐噴煤直接還原反應生成的co氣體進(jìn)入高爐煤氣中。對高爐冶煉行程的影響,為進(jìn)一-步 提高噴煤比打下(4)以未燃煤粉的形態(tài)參加硅、釩、鈦、錳、磷等基礎,進(jìn)行了模擬攀鋼生產(chǎn)條件下的噴吹煤粉在高非鐵元素的直控還原后中北4二素直接還原反應中國煤化工收稿日期:2003-05-30 .MHCNMHG鋼鐵釩鈦2003年第24卷●18→鳳口前燃燒C+CO2 -2C0-煤粉-- > C+FeO-Fe+CO-有效利用非鐵元素還原>形成未燃煤粉+鐵水滲碳.在爐渣中沉積廠(chǎng)>重力灰→末被利用隨煤氣逸出爐外--→污泥圖1煤粉在高爐內的消耗途徑生成的Co氣體進(jìn)入高爐煤氣中。當還原溫度達到設定溫度后,取出剛玉坩堝,冷卻后(5)以未燃煤粉的形態(tài)參加生鐵滲碳反應,而后將經(jīng)過(guò)還原的燒結礦進(jìn)行化驗分析。碳元素進(jìn)人到生鐵中。反應溫度是鐵直接還原試驗中最重要的參數，(6)以未燃煤粉的形態(tài)在爐渣中沉積。由于在若鐵的直接還原試驗結束溫度控制比較低,鐵的直爐渣中沉積的碳是以固體狀態(tài)存在,在爐渣中會(huì )形接還原反應就不能進(jìn)行;若鐵的直接還原試驗結束成非均勻相,提高了爐渣的粘度和熔化性溫度[2]。溫度控制比較高,還原出來(lái)的鐵就會(huì )進(jìn)行滲碳(試驗(7)以未燃煤粉的形態(tài)隨煤氣逸出高爐外，最中具備滲碳的條件)而形成細小的鐵粒。為保證在后沉積在重力灰或污泥中，增加了重力除塵器和脫鐵的直接還原試驗過(guò)程中不發(fā)生生鐵的滲碳反應，水器的運轉負荷，這同樣會(huì )給高爐冶煉帶來(lái)-些不根據預備試驗的結果將鐵的直接還原試驗結束溫度利的影響?？刂圃? 300~ 1 250 C之間。未燃煤粉或焦粉作為還原劑參加的鐵的直接還1試驗方法及結果原試驗結果見(jiàn)表1。從表1的結果可以看出,當試試驗用未燃煤粉是通過(guò)模擬攀鋼高爐生產(chǎn)條件驗結束溫度為1250 C時(shí),未燃煤粉作為還原劑參與下的混合煤粉(60%無(wú)煙煤+ 40%瘦煤)燃燒試驗獲鐵直接還原的金屬化率為41.81%,焦炭作為還原取的,試驗用焦粉用攀鋼焦炭加工。試驗條件為:煤劑參加直接還原的金屬化率平均為33.09%,前者比130 kg/tre.富氧率3% ,煤粉中- 200目含量70%，是后者的126. 35% ;當試驗結束溫度為1 300 C時(shí)，熱風(fēng)溫度控制在1150 C。.未燃煤粉作為還原劑參加鐵直接還原的金屬化率平1.1 未燃煤粉參與鐵直接還原反應的試驗均為57.36%，焦炭作為還原劑參與鐵直接還原的鐵礦石的直接還原試驗原料使用經(jīng)預還原處理金屬化率平均為44.86%，前者是后者的127 .86%。后的攀鋼燒結礦,其中鐵氧化物全部還原成浮氏體就其平均值來(lái)說(shuō)，未燃煤粉參加鐵直接還原時(shí)的金但不能出現金屬鐵。屬化率是焦炭參加鐵直接還原時(shí)的金屬化率的鐵直接還原試驗的目的是利用未燃煤粉或焦粉127.11%。將浮氏體還原成金屬鐵。試驗采用硅鉬棒電爐,剛鐵直接還原所消耗的碳只能來(lái)源于焦炭和未燃玉坩堝,在整個(gè)試驗過(guò)程中都通氮氣保護。坩堝中煤粉,而在試驗條件基本相同的前提條件下,未燃煤焦粉或末燃煤粉與預還原后的燒結礦充分混勻。為粉參加鐵直接還原時(shí)的金屬化率是焦炭參加鐵直接模擬鐵礦石在高爐內的還原過(guò)程,采用升溫還原法。還原時(shí)的金屬化率的127.11%左右。因此，在攀鋼表1未燃煤粉或焦粉參加的鐵直接還原試驗結果序號試驗結束溫度/心還原劑種類(lèi)TFe/%MFe/%金屬化率/%焦粉( < Imm)51.1316.9233.091250未燃煤粉j1.8121.6641.811300焦粉( < 1mm)中國煤化工未燃煤粉.YHCNMHG第3期刁日升等:噴煤未燃煤粉在高爐內行為的研究高爐內未燃煤粉比較充足的條件下,鐵直接還原所將爐渣的TIO2含量由21.76%升高到24.76%。試消耗的碳有56%左右來(lái)源于未燃煤粉,有44%左右驗溫度為1500 C ,整個(gè)試驗過(guò)程都通氮氣保護。試來(lái)源于焦炭。驗采用兩層坩堝,試驗方法與摻碳反應的試驗相同。1.2 未燃煤粉參與生鐵滲碳反應的試驗試驗結束,化驗爐渣中的SiO2含量和TO2含量。高爐內生鐵滲碳反應主要有固態(tài)海綿鐵的滲碳未燃煤粉和焦粉作為還原劑參加硅和鈦還原試和海綿鐵熔化成被體后的滲碳過(guò)程。第- -種過(guò)程反驗的結果見(jiàn)表2。校正未燃煤粉和焦粉本身灰分的應速度比較緩慢。只有當海綿鐵熔化成液體后,粘影響后,可以看出:當還原反應時(shí)間10 min時(shí),未燃附在焦炭或未燃煤粉表面上,滲碳反應才能很好地煤粉直接還原的硅和鈦分別是焦粉的126. 6%和進(jìn)行。因此,根據第一種過(guò)程途徑設計生鐵滲碳反127 .6%。當滲碳反應時(shí)間20 min時(shí),未燃煤粉直接應試驗來(lái)模擬高爐內的生鐵滲碳反應。還原硅和鈦是焦粉的133%和120%。就其平均值生鐵滲碳試驗采用硅鉬棒電爐,采用45*鋼進(jìn)來(lái)說(shuō),未燃煤粉參加硅還原反應時(shí)消耗的SiO2 是焦行生鐵摻碳試驗,試樣量為100 g,滲碳試驗用的未炭參與還原反應時(shí)消耗的SiO2的129 . 8% ;未燃煤燃煤粉(或焦粉)30 g,可以保證在生鐵滲碳試驗過(guò)粉參與鈦還原反應時(shí)消耗的TIO2是焦炭參與反應程中具有足夠過(guò)量的滲碳劑。滲碳試驗的溫度控制時(shí)消耗的TiO2 的123.74%?？梢哉J為,在攀鋼高爐在1 500 C ,整個(gè)滲碳試驗過(guò)程中通氮氣保護。內未燃煤粉充足的條件下,硅直接還原所消耗的碳生鐵摻碳反應試驗采用兩層坩堝，外層為石墨有56.49%來(lái)源于未燃煤粉,有43. 51%來(lái)源于焦坩堝,內層剛玉坩堝。未燃煤粉(或焦粉)存放在底炭;鈦直接還原所消耗的碳有55.31%來(lái)源于未燃部帶有孔的石墨坩堝中。石墨坩堝底部的孔用塞棒煤粉,有44.69%來(lái)源于焦炭。騫住。當反應管內溫度到達設定溫度后,拔塞棒,未燃煤粉(或焦粉)進(jìn)人液相金屬中。當反應進(jìn)行到設表2未纘煤粉和焦粉參加的硅和鈦還廩試驗結果定時(shí)間后,取出整個(gè)坩堝放人水中進(jìn)行激冷,結束試號還原時(shí)間/rin 還原劑種類(lèi) Si0./% TO/%驗,分析生鐵中的碳含量。渣27.7524.76試驗結果為,當滲碳反應時(shí)間為10 min時(shí),未燃5*10焦粉(<1mm) 26.7923.49未燃煤粉26.5323.14煤粉參加滲碳反應時(shí)生鐵中的碳含量平均為20焦粉(<1mm) 26.3622.652.245% ,焦炭參加滲碳反應時(shí)生鐵中碳含量平均為25.9122.231.624% ,前者是后者的138.24% ;當滲碳反應時(shí)間為20 min時(shí),未燃煤粉參加滲碳反應時(shí)生鐵中碳含1.4未燃煤粉在爐渣中沉積過(guò)程的試驗量平均為3. 682% ,焦炭參加滲碳反應時(shí)生鐵中碳碳沉積試驗采用硅鉬棒電爐,試驗渣40 g,碳沉含量平均為2. 598%，前者是后者的141.72%。就積試驗用的未燃煤粉(或焦粉)30 g,可以保證在碳其平均值來(lái)說(shuō),未燃煤粉參加滲碳反應時(shí)生鐵中的沉積試驗過(guò)程中具有足夠過(guò)量的碳?？紤]到高爐內碳含量是焦炭參加滲碳反應時(shí)生鐵中碳含量的碳沉積過(guò)程可以發(fā)生 在爐渣離開(kāi)高爐的最后時(shí)刻，139 .98%。也就是說(shuō)，在攀鋼高爐內未燃煤粉充足.碳沉積試驗用爐渣為經(jīng)過(guò)高溫處理后的攀鋼現場(chǎng)爐的條件下,生鐵滲碳反應所消耗的碳有58.33%來(lái)渣,碳含量為0.16%,對爐渣進(jìn)行高溫處理的目的源于未燃煤粉,有41 .67%來(lái)源于焦炭。是降低爐渣中的碳含量,為碳在爐渣中沉積提供空1.3未燃煤粉 參加硅和鈦還原反應的試驗間。碳沉積試驗的溫度控制為1 500 C ,整個(gè)試驗過(guò)硅和鈦還原試驗采用硅鉬棒電爐,試驗用渣程都通氮氣保護。碳沉積試驗采用兩層坩堝,方法40 g,試驗用的未燃煤粉(或焦粉)30 g,可以保證在同前。試驗結束后化驗爐渣中的碳含量。由于攀鋼試驗過(guò)程中具有足夠過(guò)量的還原劑。試驗用爐渣為高爐渣中的TiO2被沉積到渣中的殘炭還原而使爐攀鋼現場(chǎng)爐渣配加純Sio2和TiO,試劑,為保證試驗渣性質(zhì)改變,因此僅設定試驗時(shí)間為10 min,以減少結束后爐渣堿度仍低于高爐渣的實(shí)際堿度、TIO2含影響的程度(關(guān)于爐海中殘巖還陌TiO2 ,改變爐渣性量仍高于高爐渣的實(shí)際TiO2含量,給硅和鈦還原反質(zhì)的中國煤化工應以足夠的空間將爐渣的堿度由1.14降低為1.0;HC N M H G的試驗結果如表●20鋼鐵釩鈦2003年第24卷3所示,從表3可以看出，當碳沉積反應時(shí)間10min隙和氣孔都比較多。從表4和圖2還可以看出,無(wú)時(shí),未燃煤粉參加碳沉積反應時(shí)碳元素含量增加了煙煤60%與瘦煤40%混合后,混合煤的反應性處在0.29% ,焦炭參加碳沉積反應時(shí)碳元素含量增加了無(wú)煙煤和瘦煤反應性之間，但大大地高于單種煤反0.23% ,前者是后者的126.09%。也就是說(shuō),在攀鋼應性的加權平 均值,明顯與瘦煤反應性靠近。當無(wú)高爐內未燃煤粉充足的條件下,爐渣中碳沉積所消煙煤中混有部分瘦煤后,在環(huán)境溫度適當的條件下，耗的碳有55.77%來(lái)源于未燃煤粉,有44.23%來(lái)源-且遇到氧化性氣體,混合煤中的瘦煤就將和氧化于焦碳。性氣體發(fā)生碳的氣化反應。由于碳的氣化反應是一表3未燃煤粉和焦粉參加的碳沉積試驗結果個(gè)氣固反應,氣固反應的界面積對碳的氣化反應速度的影響非常大,而無(wú)煙煤和瘦煤都是以固體狀態(tài)序號碳沉積時(shí)間/min碳沉積種類(lèi)存在。因此,無(wú)煙煤的存在對瘦煤的氣化反應沒(méi)有0. 16多大的阻礙作用,這就是混合煤的反應性與瘦煤的9焦粉(< 1mm)0.3910未燃煤粉0.45反應性比較接近,而與無(wú)煙煤的反應性差距比較大的原因。1.5 煤、焦炭的反應性根據GB220 - 1979 標準進(jìn)行煤和焦炭反應性試驗,煤反應性試驗分為干餾和反應性測定兩部分。0-一:瘦煤;●一:概合煤煤進(jìn)行干餾的目的是去除煤中的揮發(fā)分,先將300 g粒度為3~ 6 mm的煤在隔絕空氣的條件下進(jìn)行干餾,干餾溫度900 C ,時(shí)間為1h。將粒度3 ~ 6 mm,經(jīng)過(guò)干餾的煤(或焦炭)裝入剛玉管中進(jìn)行煤(或焦炭)的反應性測定,料層厚度為100mm。升溫過(guò)程中通氬氣保護。當溫度達到溫度/心850 C并穩定5 min后開(kāi)始通CO2,用奧氏氣體分析圖2噴吹用煤及攀鋼焦炭的反應性?xún)x分析反應后氣體中CO2含量,升溫過(guò)程中通氬氣保護,在溫度為(C):900、950、1000、1 050、1 100時(shí)根據國家標準測定的煤的反應性指標,從嚴格重復上述試驗過(guò)程,試驗在1 100 C時(shí)結束。以氣化意義.上講是干餾煤的反應性,但在一定程 度上可以反應消耗的CO2占全部CO2的百分比作為煤(或焦反映該種煤在高爐噴吹條件下未燃煤粉的反應性。炭)的反應性指標。原因是未燃煤粉是高爐噴煤過(guò)程中經(jīng)過(guò)快速升溫后煤和焦炭的反應性見(jiàn)表4和圖2。從表4和圖沒(méi)有燃燒完全的煤粉,干餾煤是煤經(jīng)過(guò)高溫干餾后2可以看出,瘦煤的反應性最好,當溫度為1000 C剩下的物質(zhì),這兩種物質(zhì)在化學(xué)性能方面比較相似。時(shí)反應性就為100%;瘦煤的反應性明顯高于無(wú)煙而未燃煤粉由于粒度太細,在實(shí)驗室無(wú)法進(jìn)行反應煤和焦炭。瘦煤的反應性高于無(wú)煙煤的原因是瘦煤性試驗,只能以干餾煤的反應性來(lái)代替未燃煤粉的中含有比無(wú)煙煤高的揮發(fā)分,而且結構比較疏松,空反應性來(lái)進(jìn)行分析和計算。將焦炭的反應性與混合袤4不同溫度下煤和焦炭的反應性%試驗溫度/心曳煤/%混合煤/%無(wú)煙煤/%熊炭/%5086.9273.8956.5743.930092.83.3263.4950.9498.0290.4468.9256.05100.0072.3160.39105097.1974.5663.93110098.36 _中國煤化工一注:混合煤為40%瘦煤+ 60%無(wú)煙煤混合而成MYHCNMHG第3期刁日升等:噴煤未燃煤粉在高爐內行為的研究●21煤的反應性進(jìn)行對比后可以看出,混合煤的反應性比較大的未燃煤粉的反應性就高于焦炭。明顯優(yōu)于焦炭的反應性,當溫度為I 050 C時(shí),混合3結論煤的反應性是焦炭反應性的152%;當反應溫度為1100C時(shí),混合煤的反應性是焦炭反應性的在高爐內未燃煤粉充足的條件下,通過(guò)其在高147 .5% ,兩者平均值為149.8%。在高爐正常操作爐內行為的系統研究,可以得出以下結論。條件下,高爐內碳的氣化反應激烈進(jìn)行時(shí)的溫度為(1)未燃煤粉參加鐵直接還原時(shí)的金屬化率是1 100 C左右。因此,可以認為在攀鋼高爐內未燃煤焦炭參加鐵直接還原時(shí)的金屬化率的127%。鐵直粉充足的條件下,高爐內進(jìn)行氣化反應的碳有近接還原所消耗的碳有56%來(lái)源于未燃煤粉,有44%60%來(lái)源于未燃煤粉;有近40%來(lái)源于焦炭。來(lái)源于焦炭。(2)未燃煤粉參加滲碳反應時(shí)生鐵中的碳含量2試驗結果討論是焦炭參加滲碳反應時(shí)生鐵中碳含量的140%。生根據以上各試驗的結果可以看出,在高爐內的鐵滲碳反應所消耗的碳有58.3%來(lái)源于未燃煤粉,各個(gè)反應中,未燃煤粉參與反應的活性都比焦炭高。有41.7%來(lái)源于焦炭。其主要原因是由于未燃煤粉的粒度細,比表面積大，(3)未燃煤粉參加硅還原反應時(shí)消耗的SiO2是且未燃煤粉的揮發(fā)份含量高于焦粉,氣孔率也高于焦炭參加硅還原反應時(shí)消耗的SiO2的130% ;未燃焦粉,再加上未燃煤粉中的破碎結構、裂隙結構和骨煤粉參加鈦還原反應時(shí)消耗的TiO2是焦炭參加鈦架結構比較高,促使未燃煤粉的反應性要優(yōu)于焦粉，還原反應時(shí)消耗的TiO2的124%?？梢哉J為,硅直因此其反應活性大于焦炭。在鐵的直接還原試驗接還原所消耗的碳有56.5%來(lái)源于未燃煤粉,有中,反應(Fe0+C= Fe+ C0)的速度由CO2 + C= 2CO43.5%來(lái)源于焦炭;鈦的直接還原所消耗的碳有氣化反應速度所決定,而影響碳氣化反應速度的主55.3%來(lái)源于未燃煤粉,有44.7%來(lái)源于焦炭。要因素在相同的反應溫度下是反應界面積和還原劑(4)未燃煤粉參加碳沉積反應時(shí)爐渣中碳含量的反應性;未燃煤粉和焦粉參與的生鐵滲碳固液反是焦炭參加碳沉積反應時(shí)爐渣中碳含量的126%。應,其反應速度與反應界面積也與滲碳劑的反應性爐渣中碳沉積所消耗的碳有55. 8%來(lái)源于未燃煤成正比;爐渣中的硅和鈦還原反應是固液反應,反應粉,有44.2%來(lái)源于焦炭。界面積和還原劑的反應性也是影響硅和鈦還原反應(5)瘦煤的反應性?xún)?yōu)于無(wú)煙煤,無(wú)煙煤與瘦煤混速度的兩個(gè)重要因素;碳在爐渣中的沉積過(guò)程實(shí)際合后,混合煤的反應性明顯高于單種煤反應性的加上是固體在液體中的熔解反應,熔解過(guò)程的速度同權平均值,與瘦煤反應性比較靠近。攀鋼高爐內進(jìn)樣主要是取決于被熔解物質(zhì)的粒度和結構。由于這行氣化反應的碳有60%來(lái)源于未燃煤粉;有40%來(lái)些反應的限制環(huán)節都是反應的面積,因此比表面積源于焦炭。參考文獻:[1] 王文忠,沈峰滿(mǎn),劉 新.高爐噴煤若干問(wèn)題的探討[J].華東冶金學(xué)院學(xué)報1997, (3):238- 242.[2]朱子宗 ,張丙懷,邱費寶.未燃煤粉對高鈦爐渣性能的影響[J].鋼鐵研究學(xué)報,199, 11(4):1-4.編輯山昌玉中國煤化工MHCNMHG