喷煤未燃煤粉在高炉内行为的研究

第24卷第3期钢铁钒钛Vol.24,No.3sepiember 20032003年9月 .IRON STEEL VANADIUM TITANTUM喷煤未燃煤粉在高炉内行为的研究刁日升|,胡宾生2(1.辈钢炼铁厂,四川攀枝花617022; 2.河北理工学院，河北唐山06309情萋:在模拟攀钢高炉喷吹煤粉的生产条件下进行的未燃煤粉在高炉内的行为研究结果表明,在铁的直接还原、生铁渗碳、硅和钛还原、未燃煤粉和焦粉在炉渣中沉积、煤和焦炭反应性的各个试验中,未燃煤粉的反应性都大于焦炭,这些都是由于未燃煤粉的比表面积大,结构疏松所造成的。关键谓:未燃煤粉;高炉;喷煤;反应性中圈分类号:TT538.6*3文献标识码:A文章编号: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炉内行为的研究。0引言喷入高炉风口的煤粉在高炉内的消耗途径如图喷煤是降低生铁成本和优化操作工艺的主要技1所示[。从图1中可以看出，煤粉进入高炉风口术手段,因此,大幅度地提高高炉喷煤是许多钢铁后,煤粉的消耗主要有以下7条途径。.企业共同追求的目标。攀钢高炉冶炼钒钛磁铁矿有(1)风口前燃烧,代替焦炭起发热剂和还原剂的许多对喷煤不利的特殊性,曾一度限制了攀钢高炉作用,燃烧后以Co的形态进入高炉煤气中。喷煤技术的发展。在国家“八五”攻关技术的基础(2)以未燃煤粉的形态参加碳的气化反应,气化上，经过不断的技术研究,不但突破了冶炼高钛型钒反应生成的Co气体进入高炉煤气中。钛磁铁矿不能喷煤的界限,而且喷煤比不断提高,现(3)以未燃煤粉的形态参加铁的直接还原反应,已突破150 kg/tpeo为了能深入了解攀钢高炉喷煤直接还原反应生成的co气体进入高炉煤气中。对高炉冶炼行程的影响,为进一-步 提高喷煤比打下(4)以未燃煤粉的形态参加硅、钒、钛、锰、磷等基础,进行了模拟攀钢生产条件下的喷吹煤粉在高非铁元素的直控还原后中北4二素直接还原反应中国煤化工收稿日期:2003-05-30 .MHCNMHG钢铁钒钛2003年第24卷●18→凤口前燃烧C+CO2 -2C0-煤粉-- > C+FeO-Fe+CO-有效利用非铁元素还原>形成未燃煤粉+铁水渗碳.在炉渣中沉积厂>重力灰→末被利用随煤气逸出炉外--→污泥图1煤粉在高炉内的消耗途径生成的Co气体进入高炉煤气中。当还原温度达到设定温度后,取出刚玉坩埚,冷却后(5)以未燃煤粉的形态参加生铁渗碳反应,而后将经过还原的烧结矿进行化验分析。碳元素进人到生铁中。反应温度是铁直接还原试验中最重要的参数，(6)以未燃煤粉的形态在炉渣中沉积。由于在若铁的直接还原试验结束温度控制比较低,铁的直炉渣中沉积的碳是以固体状态存在,在炉渣中会形接还原反应就不能进行;若铁的直接还原试验结束成非均匀相,提高了炉渣的粘度和熔化性温度[2]。温度控制比较高,还原出来的铁就会进行渗碳(试验(7)以未燃煤粉的形态随煤气逸出高炉外，最中具备渗碳的条件)而形成细小的铁粒。为保证在后沉积在重力灰或污泥中，增加了重力除尘器和脱铁的直接还原试验过程中不发生生铁的渗碳反应，水器的运转负荷，这同样会给高炉冶炼带来-些不根据预备试验的结果将铁的直接还原试验结束温度利的影响。控制在1 300~ 1 250 C之间。未燃煤粉或焦粉作为还原剂参加的铁的直接还1试验方法及结果原试验结果见表1。从表1的结果可以看出,当试试验用未燃煤粉是通过模拟攀钢高炉生产条件验结束温度为1250 C时,未燃煤粉作为还原剂参与下的混合煤粉(60%无烟煤+ 40%瘦煤)燃烧试验获铁直接还原的金属化率为41.81%,焦炭作为还原取的,试验用焦粉用攀钢焦炭加工。试验条件为:煤剂参加直接还原的金属化率平均为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% ;当试验结束温度为1 300 C时，热风温度控制在1150 C。.未燃煤粉作为还原剂参加铁直接还原的金属化率平1.1 未燃煤粉参与铁直接还原反应的试验均为57.36%，焦炭作为还原剂参与铁直接还原的铁矿石的直接还原试验原料使用经预还原处理金属化率平均为44.86%，前者是后者的127 .86%。后的攀钢烧结矿,其中铁氧化物全部还原成浮氏体就其平均值来说，未燃煤粉参加铁直接还原时的金但不能出现金属铁。属化率是焦炭参加铁直接还原时的金属化率的铁直接还原试验的目的是利用未燃煤粉或焦粉127.11%。将浮氏体还原成金属铁。试验采用硅钼棒电炉,刚铁直接还原所消耗的碳只能来源于焦炭和未燃玉坩埚,在整个试验过程中都通氮气保护。坩埚中煤粉,而在试验条件基本相同的前提条件下,未燃煤焦粉或末燃煤粉与预还原后的烧结矿充分混匀。为粉参加铁直接还原时的金属化率是焦炭参加铁直接模拟铁矿石在高炉内的还原过程,采用升温还原法。还原时的金属化率的127.11%左右。因此，在攀钢表1未燃煤粉或焦粉参加的铁直接还原试验结果序号试验结束温度/心还原剂种类TFe/%MFe/%金属化率/%焦粉( < Imm)51.1316.9233.091250未燃煤粉j1.8121.6641.811300焦粉( < 1mm)中国煤化工未燃煤粉.YHCNMHG第3期刁日升等:喷煤未燃煤粉在高炉内行为的研究高炉内未燃煤粉比较充足的条件下,铁直接还原所将炉渣的TIO2含量由21.76%升高到24.76%。试消耗的碳有56%左右来源于未燃煤粉,有44%左右验温度为1500 C ,整个试验过程都通氮气保护。试来源于焦炭。验采用两层坩埚,试验方法与掺碳反应的试验相同。1.2 未燃煤粉参与生铁渗碳反应的试验试验结束,化验炉渣中的SiO2含量和TO2含量。高炉内生铁渗碳反应主要有固态海绵铁的渗碳未燃煤粉和焦粉作为还原剂参加硅和钛还原试和海绵铁熔化成被体后的渗碳过程。第- -种过程反验的结果见表2。校正未燃煤粉和焦粉本身灰分的应速度比较缓慢。只有当海绵铁熔化成液体后,粘影响后,可以看出:当还原反应时间10 min时,未燃附在焦炭或未燃煤粉表面上,渗碳反应才能很好地煤粉直接还原的硅和钛分别是焦粉的126. 6%和进行。因此,根据第一种过程途径设计生铁渗碳反127 .6%。当渗碳反应时间20 min时,未燃煤粉直接应试验来模拟高炉内的生铁渗碳反应。还原硅和钛是焦粉的133%和120%。就其平均值生铁渗碳试验采用硅钼棒电炉,采用45*钢进来说,未燃煤粉参加硅还原反应时消耗的SiO2 是焦行生铁掺碳试验,试样量为100 g,渗碳试验用的未炭参与还原反应时消耗的SiO2的129 . 8% ;未燃煤燃煤粉(或焦粉)30 g,可以保证在生铁渗碳试验过粉参与钛还原反应时消耗的TIO2是焦炭参与反应程中具有足够过量的渗碳剂。渗碳试验的温度控制时消耗的TiO2 的123.74%。可以认为,在攀钢高炉在1 500 C ,整个渗碳试验过程中通氮气保护。内未燃煤粉充足的条件下,硅直接还原所消耗的碳生铁掺碳反应试验采用两层坩埚，外层为石墨有56.49%来源于未燃煤粉,有43. 51%来源于焦坩埚,内层刚玉坩埚。未燃煤粉(或焦粉)存放在底炭;钛直接还原所消耗的碳有55.31%来源于未燃部带有孔的石墨坩埚中。石墨坩埚底部的孔用塞棒煤粉,有44.69%来源于焦炭。骞住。当反应管内温度到达设定温度后,拔塞棒,未燃煤粉(或焦粉)进人液相金属中。当反应进行到设表2未缵煤粉和焦粉参加的硅和钛还廪试验结果定时间后,取出整个坩埚放人水中进行激冷,结束试号还原时间/rin 还原剂种类 Si0./% TO/%验,分析生铁中的碳含量。渣27.7524.76试验结果为,当渗碳反应时间为10 min时,未燃5*10焦粉(<1mm) 26.7923.49未燃煤粉26.5323.14煤粉参加渗碳反应时生铁中的碳含量平均为20焦粉(<1mm) 26.3622.652.245% ,焦炭参加渗碳反应时生铁中碳含量平均为25.9122.231.624% ,前者是后者的138.24% ;当渗碳反应时间为20 min时,未燃煤粉参加渗碳反应时生铁中碳含1.4未燃煤粉在炉渣中沉积过程的试验量平均为3. 682% ,焦炭参加渗碳反应时生铁中碳碳沉积试验采用硅钼棒电炉,试验渣40 g,碳沉含量平均为2. 598%，前者是后者的141.72%。就积试验用的未燃煤粉(或焦粉)30 g,可以保证在碳其平均值来说,未燃煤粉参加渗碳反应时生铁中的沉积试验过程中具有足够过量的碳。考虑到高炉内碳含量是焦炭参加渗碳反应时生铁中碳含量的碳沉积过程可以发生 在炉渣离开高炉的最后时刻，139 .98%。也就是说，在攀钢高炉内未燃煤粉充足.碳沉积试验用炉渣为经过高温处理后的攀钢现场炉的条件下,生铁渗碳反应所消耗的碳有58.33%来渣,碳含量为0.16%,对炉渣进行高温处理的目的源于未燃煤粉,有41 .67%来源于焦炭。是降低炉渣中的碳含量,为碳在炉渣中沉积提供空1.3未燃煤粉 参加硅和钛还原反应的试验间。碳沉积试验的温度控制为1 500 C ,整个试验过硅和钛还原试验采用硅钼棒电炉,试验用渣程都通氮气保护。碳沉积试验采用两层坩埚,方法40 g,试验用的未燃煤粉(或焦粉)30 g,可以保证在同前。试验结束后化验炉渣中的碳含量。由于攀钢试验过程中具有足够过量的还原剂。试验用炉渣为高炉渣中的TiO2被沉积到渣中的残炭还原而使炉攀钢现场炉渣配加纯Sio2和TiO,试剂,为保证试验渣性质改变,因此仅设定试验时间为10 min,以减少结束后炉渣碱度仍低于高炉渣的实际碱度、TIO2含影响的程度(关于炉海中残岩还陌TiO2 ,改变炉渣性量仍高于高炉渣的实际TiO2含量,给硅和钛还原反质的中国煤化工应以足够的空间将炉渣的碱度由1.14降低为1.0;HC N M H G的试验结果如表●20钢铁钒钛2003年第24卷3所示,从表3可以看出，当碳沉积反应时间10min隙和气孔都比较多。从表4和图2还可以看出,无时,未燃煤粉参加碳沉积反应时碳元素含量增加了烟煤60%与瘦煤40%混合后,混合煤的反应性处在0.29% ,焦炭参加碳沉积反应时碳元素含量增加了无烟煤和瘦煤反应性之间，但大大地高于单种煤反0.23% ,前者是后者的126.09%。也就是说,在攀钢应性的加权平 均值,明显与瘦煤反应性靠近。当无高炉内未燃煤粉充足的条件下,炉渣中碳沉积所消烟煤中混有部分瘦煤后,在环境温度适当的条件下，耗的碳有55.77%来源于未燃煤粉,有44.23%来源-且遇到氧化性气体,混合煤中的瘦煤就将和氧化于焦碳。性气体发生碳的气化反应。由于碳的气化反应是一表3未燃煤粉和焦粉参加的碳沉积试验结果个气固反应,气固反应的界面积对碳的气化反应速度的影响非常大,而无烟煤和瘦煤都是以固体状态序号碳沉积时间/min碳沉积种类存在。因此,无烟煤的存在对瘦煤的气化反应没有0. 16多大的阻碍作用,这就是混合煤的反应性与瘦煤的9焦粉(< 1mm)0.3910未燃煤粉0.45反应性比较接近,而与无烟煤的反应性差距比较大的原因。1.5 煤、焦炭的反应性根据GB220 - 1979 标准进行煤和焦炭反应性试验,煤反应性试验分为干馏和反应性测定两部分。0-一:瘦煤;●一:概合煤煤进行干馏的目的是去除煤中的挥发分,先将300 g粒度为3~ 6 mm的煤在隔绝空气的条件下进行干馏,干馏温度900 C ,时间为1h。将粒度3 ~ 6 mm,经过干馏的煤(或焦炭)装入刚玉管中进行煤(或焦炭)的反应性测定,料层厚度为100mm。升温过程中通氩气保护。当温度达到温度/心850 C并稳定5 min后开始通CO2,用奥氏气体分析图2喷吹用煤及攀钢焦炭的反应性仪分析反应后气体中CO2含量,升温过程中通氩气保护,在温度为(C):900、950、1000、1 050、1 100时根据国家标准测定的煤的反应性指标,从严格重复上述试验过程,试验在1 100 C时结束。以气化意义.上讲是干馏煤的反应性,但在一定程 度上可以反应消耗的CO2占全部CO2的百分比作为煤(或焦反映该种煤在高炉喷吹条件下未燃煤粉的反应性。炭)的反应性指标。原因是未燃煤粉是高炉喷煤过程中经过快速升温后煤和焦炭的反应性见表4和图2。从表4和图没有燃烧完全的煤粉,干馏煤是煤经过高温干馏后2可以看出,瘦煤的反应性最好,当温度为1000 C剩下的物质,这两种物质在化学性能方面比较相似。时反应性就为100%;瘦煤的反应性明显高于无烟而未燃煤粉由于粒度太细,在实验室无法进行反应煤和焦炭。瘦煤的反应性高于无烟煤的原因是瘦煤性试验,只能以干馏煤的反应性来代替未燃煤粉的中含有比无烟煤高的挥发分,而且结构比较疏松,空反应性来进行分析和计算。将焦炭的反应性与混合袤4不同温度下煤和焦炭的反应性%试验温度/心曳煤/%混合煤/%无烟煤/%熊炭/%5086.9273.8956.5743.930092.83.3263.4950.9498.0290.4468.9256.05100.0072.3160.39105097.1974.5663.93110098.36 _中国煤化工一注:混合煤为40%瘦煤+ 60%无烟煤混合而成MYHCNMHG第3期刁日升等:喷煤未燃煤粉在高炉内行为的研究●21煤的反应性进行对比后可以看出,混合煤的反应性比较大的未燃煤粉的反应性就高于焦炭。明显优于焦炭的反应性,当温度为I 050 C时,混合3结论煤的反应性是焦炭反应性的152%;当反应温度为1100C时,混合煤的反应性是焦炭反应性的在高炉内未燃煤粉充足的条件下,通过其在高147 .5% ,两者平均值为149.8%。在高炉正常操作炉内行为的系统研究,可以得出以下结论。条件下,高炉内碳的气化反应激烈进行时的温度为(1)未燃煤粉参加铁直接还原时的金属化率是1 100 C左右。因此,可以认为在攀钢高炉内未燃煤焦炭参加铁直接还原时的金属化率的127%。铁直粉充足的条件下,高炉内进行气化反应的碳有近接还原所消耗的碳有56%来源于未燃煤粉,有44%60%来源于未燃煤粉;有近40%来源于焦炭。来源于焦炭。(2)未燃煤粉参加渗碳反应时生铁中的碳含量2试验结果讨论是焦炭参加渗碳反应时生铁中碳含量的140%。生根据以上各试验的结果可以看出,在高炉内的铁渗碳反应所消耗的碳有58.3%来源于未燃煤粉,各个反应中,未燃煤粉参与反应的活性都比焦炭高。有41.7%来源于焦炭。其主要原因是由于未燃煤粉的粒度细,比表面积大，(3)未燃煤粉参加硅还原反应时消耗的SiO2是且未燃煤粉的挥发份含量高于焦粉,气孔率也高于焦炭参加硅还原反应时消耗的SiO2的130% ;未燃焦粉,再加上未燃煤粉中的破碎结构、裂隙结构和骨煤粉参加钛还原反应时消耗的TiO2是焦炭参加钛架结构比较高,促使未燃煤粉的反应性要优于焦粉，还原反应时消耗的TiO2的124%。可以认为,硅直因此其反应活性大于焦炭。在铁的直接还原试验接还原所消耗的碳有56.5%来源于未燃煤粉,有中,反应(Fe0+C= Fe+ C0)的速度由CO2 + C= 2CO43.5%来源于焦炭;钛的直接还原所消耗的碳有气化反应速度所决定,而影响碳气化反应速度的主55.3%来源于未燃煤粉,有44.7%来源于焦炭。要因素在相同的反应温度下是反应界面积和还原剂(4)未燃煤粉参加碳沉积反应时炉渣中碳含量的反应性;未燃煤粉和焦粉参与的生铁渗碳固液反是焦炭参加碳沉积反应时炉渣中碳含量的126%。应,其反应速度与反应界面积也与渗碳剂的反应性炉渣中碳沉积所消耗的碳有55. 8%来源于未燃煤成正比;炉渣中的硅和钛还原反应是固液反应,反应粉,有44.2%来源于焦炭。界面积和还原剂的反应性也是影响硅和钛还原反应(5)瘦煤的反应性优于无烟煤,无烟煤与瘦煤混速度的两个重要因素;碳在炉渣中的沉积过程实际合后,混合煤的反应性明显高于单种煤反应性的加上是固体在液体中的熔解反应,熔解过程的速度同权平均值,与瘦煤反应性比较靠近。攀钢高炉内进样主要是取决于被熔解物质的粒度和结构。由于这行气化反应的碳有60%来源于未燃煤粉;有40%来些反应的限制环节都是反应的面积,因此比表面积源于焦炭。参考文献:[1] 王文忠,沈峰满,刘 新.高炉喷煤若干问题的探讨[J].华东冶金学院学报1997, (3):238- 242.[2]朱子宗 ,张丙怀,邱费宝.未燃煤粉对高钛炉渣性能的影响[J].钢铁研究学报,199, 11(4):1-4.编辑山昌玉中国煤化工MHCNMHG