高炉用冶金焦与兰炭气化反应行为研究

第38卷第2期 2015年4月 煤 炭 转 化 08 炉用冶金焦与兰炭气化反应行为研究 高 冰 张建良 左海滨。 郑常乐D 摘 要 通过实验室模拟高炉反应条件，对高温下冶金焦炭、兰炭与化反应特性进行 研究，并结合兰炭微观结构分析了其反应机理结果表明，兰炭起始反应温度低，气化反应速率远高 于冶金焦炭，并且随着温度升高而迅速增加富碱后，碱金属可以分布到兰炭内部，使兰炭在较长时 间内保持较高的反应速率冶金焦炭结构致密，镶嵌组织含量高；兰炭结构呈层片状，比表面积大， 各向同性组织含量高，易与生反应 关键词 兰炭，冶金焦，气化反应，碱金属 中图分类号 引 言 近年来，兰炭得到了研究者越来越多的关注，并 且逐渐在炼铁领域得到推广应用1前，用于生 产冶金焦炭的优质炼焦煤资源紧缺问题越来越严 重，寻找能够适应高炉生产的焦炭替代品依然是热 点课题3炉喷吹煤粉工艺已经非常成熟，并且 最大程度地实现了以煤代焦，一定程度降低了高炉 对焦炭的依赖1_5 国外一些学者开发了一种高反应 性焦炭(焦炭研究表明高反应性焦炭 与常规焦炭混装入炉，可优先于生气化反 应，对常规焦炭强度起到保护作用，并且高炉使用高 反应性焦炭可降低热储备区温度，根据算，证明可降低焦比7炭作为一种经过中温 碳化处理的半焦产品，其结构和性能与冶金焦炭有 所不同兰炭基本成分与冶金焦接近，但反应性较 高本实验重点研究兰炭基础特性、兰炭与 化反应特性及兰炭的微观结构，并与冶金焦炭对比， 为其在高炉中的应用提供参考 1 实验部分 本实验所用原料为三种兰炭和一种高炉用冶金 焦(其中所用兰炭均来自神木兰炭集团，分别 为兰炭1(兰炭2(兰炭3(各 样品元素分析和工业分析结果见表1 表1样品的元素分析及工业分析() of ) 由表1可以看出，兰炭固定碳含量略低于冶金 焦，可提供足够的碳素来源，其中兰炭1和兰炭2固 定碳含量与冶金焦相当，在86 左右，而兰炭3碳 含量偏低，低于冶金焦约7 左右；灰分含量方面， 兰炭低于冶金焦，其中兰炭3与冶金焦相当，在 13 左右，而兰炭1和兰炭2灰分含量较低，分别比 冶金焦低约4 和8 ，而当前冶金焦灰分含量基本 都在12 以上；挥发分方面，三种兰炭均高于冶金 焦，高出约6 96左右元素含量方面，兰炭，均低于03 96；而其他元素H，N，金焦可以看出，兰炭化学成分与冶金焦基本接近 11粉状焦炭与兰炭热重实验 粉状焦炭与兰炭热态反应性能实验选用的设备 为北京光学仪器厂生产的，其可对试样进行一 定质量(25 一定粒度(小于100目)的试样放 入坩埚后，置于差热天平中，以2O国家重点基础研究发展计划(973)项目(2012 1)博士生；2)教授，北京科技大学冶金与生态工程学院，100083北京；3)副教授，北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，100083 北京 收稿日期：20140526；修回日期：20140909 第2期 高 冰等 高炉用冶金焦与兰炭气化反应行为研究 63 率进行连续升温，同时通入反应气体体流量 控制在60 mL温度升至1 100后结束 实验 12块状焦炭与兰炭等温气化反应实验 将粒度为16 0 在105士5下干燥2 干水分，选取1 块形状规则的样品放入吊篮内，与天平相连，然后置 于程序控制升温炉恒温区，实验设备见图1升温阶 段通入N 保护，流量2 L温速率1O到达1 100后，关闭入流量5 L反应时间1 l I 2 ， _ 十 工 I I i U 十 4 图1气化反应实验装置 of 一 验样品选取富碱及不富碱焦炭和兰炭试样 的富碱方法为：将样品烘干置于容器内，然后喷洒一 定浓度的K。液，放人烘干箱10 ，样品富碱率控制在2 左右 2 结果与讨论 21粉状焦炭与兰炭气化反应行为研究 图2为粉状冶金焦炭与兰炭气化反应图2种兰炭失重率明显 大于冶金焦炭，并且起始失重温度明显低于冶金焦 其中冶金焦起始反应温度(开始失重温度)最高，为 880，而兰炭2最低，为450，其次是兰炭1，为 550，兰炭3为567焦炭气化反应开始后，失 重率较少，随温度升高逐渐增加，反应速率随温度升 高而快速增加兰炭反应失重过程则分王个阶段：脱 水阶段、脱挥发分和气化反应混合阶段、气化反应阶 段由图2种兰炭失重率曲线在实验开始 阶段均存在一段失重过程，由于兰炭气孔率高，吸水 性好，在样品储存、取样和称量过程中可吸附空气中 的水分实验开始后，温度由室温升到100的阶 段，为兰炭脱水阶段当温度达到起始反应温度时， 进入脱挥发分阶段，在此阶段，失重速率先增加后趋 于稳定，当温度继续升高到820时，兰炭与生剧烈反应，失重速率随温度升高而迅速增加当 温度达到1 000以上时，兰炭2失重速率开始下 降，反应温度未达到1 100，兰炭2已经反应完 全，失重速率降为零 图2粉状焦炭和兰炭气化反应的 f c。ke c。ke 一一2块状焦炭与兰炭1 100等温气化反应行为 研究 图3为冶金焦炭和兰炭1在1 100下恒温 1 图3可以看出，富碱和不富 毒 3 1 100下恒温1 of 100 第2期 高 冰等 高炉用冶金焦与兰炭气化反应行为研究 65 表3兰炭1光学组织结构成分() of ) 3 结 论 1)与冶金焦相比，兰炭固定碳含量约低2 7 ，挥发分含量约高6 左右，灰分约低0 8 ， ，有害元素含量较低，块状兰炭成 分基本符合高炉人炉标准 1 2 33 4 5 6 7 8 9 2)粉状兰炭气化反应速率明显高于粉状焦炭， 兰炭起始反应温度和剧烈反应温度远低于焦炭，兰 炭与较强的结合能力 3)块状兰炭富碱前后气化反应速率均高于焦 炭富碱后，碱金属只对焦炭表面有较强的催化作 用；而兰炭由于结构疏松，表面积大，碱金属分布较 均匀，气化反应时始终保持较高速率 4)冶金焦炭气孔较发达，但结构致密，且光学 组织以镶嵌结构为主；兰炭结构以层片状为主，比表 面积大，易与气体接触，且光学组织结构以各向同性 为主，因此，兰炭易与生气化反应 参 考 文 献 杜刚，杨双平高炉喷吹用煤的配煤及使用兰炭的试验J钢铁钒钛，2013，34(1)：6468 付林林，孙涛，方俊杰，等烧结过程用兰炭作为燃料替代焦粉的生产试验J河南冶金，2012，20(4)：6，et 008，48(5)：572577 ，。et 02J005，45(7)：10271034 马超，张建良，祁成林等湘钢2 500 m 高炉煤种的选择J过程工程学报，2012，12(1)：8186 汤清华，马树涵高炉喷吹煤粉知识问答M北京：冶金工业出版社，2006 ，007，47(6)：823周 静，龚欣，于遵宏，等气流量和煤样粒度对煤焦一煤炭转化，2003，26