蘭炭替代部分焦炭對焦炭層透液性的影響

劉穎超， 張軍紅， 劉燕軍,3， 劉迎立，王曉光,3， 佘雪峰， 王靜松

（1.北京科技大學(xué)鋼鐵冶金新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083；2.德龍鋼鐵有限公司煉鐵廠，河北 邢臺054009；3.河北省熱軋板帶鋼技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 邢臺054009）

在高爐煉鐵工藝中，焦炭的骨架作用無可替代[1-2]，而生產(chǎn)焦炭的優(yōu)質(zhì)冶金焦資源日益緊缺，同時焦炭的成本居高不下，占鐵水成本的20%～30%，尋找替代高爐焦炭的產(chǎn)品成為目前研究的熱點(diǎn)。煉鐵工作者將目光轉(zhuǎn)向焦炭的半成品蘭炭身上，它是中低溫碳化處理的半焦產(chǎn)品，在化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)上與焦炭相似，其特點(diǎn)為固定碳含量高、氣孔多、化學(xué)活性高和反應(yīng)性較高，另外在價格上的獨(dú)特優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)成本的降低[3-6]。近年來，隨著蘭炭應(yīng)用的日益廣泛，一方面為實(shí)現(xiàn)高爐經(jīng)濟(jì)噴煤指標(biāo)，將蘭炭作為噴吹燃料應(yīng)用在煉鐵工序中[7-11]，另一方面將蘭炭替代焦粉用于燒結(jié)工序中[12-16]，并且均取得良好的經(jīng)濟(jì)效益；此外，在煉焦工序中，一些科研工作者研究將蘭炭替代部分煉焦煤來優(yōu)化煉焦[17-18]。

針對蘭炭替代部分焦炭加入高爐的研究，一些研究者僅在理論上分析了蘭炭替代部分焦炭加入高爐的可行性[19-20]，但并未進(jìn)一步用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)，尤其是蘭炭加入高爐后對塊狀帶及軟熔帶的影響規(guī)律，因此有必要開展蘭炭替代部分焦炭后，對高爐料柱透液性的影響研究工作。本文首先通過焦炭與蘭炭的氣化實(shí)驗(yàn)，獲得在高爐上部塊狀帶蘭炭對焦炭氣化的影響規(guī)律；進(jìn)而通過高爐下部軟熔帶料柱冷態(tài)及熱態(tài)的透液實(shí)驗(yàn)，獲得蘭炭加入后對高爐下部的影響，以期獲得蘭炭替代焦炭的基本條件，為其在高爐中應(yīng)用提供基礎(chǔ)參考數(shù)據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

本研究采用某鋼廠提供的現(xiàn)廠焦炭和新疆地區(qū)生產(chǎn)的一種塊狀蘭炭，工業(yè)分析和元素分析如表1所列。將焦炭和蘭炭破碎至10~13 mm和20~23 mm 2個粒級，如圖1所示。然后將蘭炭和焦炭裝入在50℃的烘干箱中干燥24 h，取出分別封裝備用。

表1 試驗(yàn)用樣品工業(yè)分析Table 1 Industrial analysis of test samples單位：質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%

圖1 蘭炭試樣Fig.1 Semi-coke sample

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方案

實(shí)驗(yàn)研究包括3部分。第1部分為焦炭和蘭炭的氣化實(shí)驗(yàn)，采用密封可稱重的高溫管式爐，高溫合金管為反應(yīng)器，內(nèi)徑為75 mm，高度為1 200 mm，其最高使用溫度是1 200℃。為使氣流在反應(yīng)管內(nèi)部均勻分布，在反應(yīng)管底部放置一層高鋁球，并選取200 g的焦炭和蘭炭混合物置于高鋁球上部。具體的氣化條件如表2所列，在1 100℃恒溫前，通入5 L/min的氮?dú)獗Ｗo(hù)，當(dāng)溫度到達(dá)1 100℃后，切換為10 L/min的CO2。在1 100℃下氣化1 h的設(shè)定，是為了模擬在進(jìn)入熔融滴落帶前焦炭和蘭炭的氣化，同時測定氣化率，氣化后樣品用于后續(xù)的透液性實(shí)驗(yàn)。

表2 焦炭和蘭炭氣化反應(yīng)實(shí)驗(yàn)條件Table 2 Experimental conditions of coke and semi-coke gasification reaction

第2部分為氣化反應(yīng)后焦炭和蘭炭的冷態(tài)滴落實(shí)驗(yàn)，采用樹脂用于模擬渣鐵熔體。實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖2所示，采用高13.5 mm、內(nèi)徑為55 mm、底部均勻分布有13個直徑為7 mm的孔的平底圓柱狀石墨坩堝。采用高精度大量程的電子天平來記錄低落樹脂質(zhì)量，其最大量程為10 kg，測量精度為0.001 g。計時裝置為秒表。

圖2 冷態(tài)透液性實(shí)驗(yàn)裝置示意Fig.2 Diagram of experimental apparatus for cold liquid permeability

實(shí)驗(yàn)中將氣化后的焦炭和蘭炭裝入坩堝中，確保各處高度一致的40 mm料柱；然后將坩堝固定，在坩堝下方放置電子天平，天平上放置一個空燒杯，清零，用來收集自上部坩堝中滴落的樹脂；同時，將（100±1）g樹脂一次性倒入上部裝有焦炭和蘭炭的坩堝中；最后，進(jìn)行記錄工作，當(dāng)有樹脂滴落時開始計時，每隔30 s記錄滴落的樹脂質(zhì)量，當(dāng)上部坩堝沒有樹脂滴落時停止實(shí)驗(yàn)。

第3部分為氣化反應(yīng)后焦炭和蘭炭的熱態(tài)滯留實(shí)驗(yàn)，所用的坩堝分為2部分，如圖3所示，上部為底部帶有13個直徑為7 mm孔的石墨坩堝，下部為帶平臺的石墨坩堝，下部坩堝用來盛接從上部坩堝中滴下的熔渣。填充爐料即為氣化后的焦炭和蘭炭。

圖3 實(shí)驗(yàn)坩堝示意Fig.3 Schematic diagram of experimental crucible

實(shí)驗(yàn)時，首先在上部坩堝中加入氣化后的焦炭和蘭炭，再于其上部裝入約100 g細(xì)磨后的CaO-SiO2-MgO-Al2O3四元渣。將上部坩堝嵌套于下部坩堝上，然后同時放入1 500℃的管式爐內(nèi)，通入5 L/min的氬氣保護(hù)并恒溫60 min。恒溫結(jié)束后，稱量下部坩堝中的滴落渣重量，與初始熔渣質(zhì)量100 g差值即為滯留熔渣質(zhì)量。滯留渣質(zhì)量的計算：

式（1）中：MS是滯留在填充層內(nèi)的熔渣質(zhì)量，g；M0是初始裝入的粉狀渣質(zhì)量，約100 g；Mt是試驗(yàn)結(jié)束后下部坩堝中的熔渣質(zhì)量，g；

靜態(tài)滯留量的計算：

式（2）中：HS是熔渣靜態(tài)滯留量；VS是滯留渣的體積，mm3；Vbed是填充層的體積，mm3；MS是滯留在填充層內(nèi)的熔渣質(zhì)量，g；ρs是熔渣密度，取2 700 kg/m3。

2 結(jié)果與討論

2.1 蘭炭與焦炭的氣化

加入不同比例蘭炭對燃料氣化的結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，隨著蘭炭的加入，總體燃料的氣化率增加，當(dāng)加入粒度為10~13 mm蘭炭時，蘭炭占比從0提高到50%，燃料氣化率由44.5%增加至50%，燃料氣化率的變化較明顯；在粒度為20~23 mm蘭炭的條件下，氣化率變化有減緩的趨勢。這是由于蘭炭的孔隙度較大，增加了與氣體的接觸面積，更優(yōu)先于焦炭與氣體的反應(yīng)，因此，一定程度上蘭炭的加入提高了塊狀帶部鐵礦石的間接還原度，降低了軟熔帶和滴落帶鐵礦石的直接還原度，減少了焦炭與鐵的直接還原反應(yīng)，最終可降低燃料消耗和CO2排放。另外蘭炭的存在可以減少焦炭的碳素熔損反應(yīng)，相對保持焦炭的強(qiáng)度，達(dá)到了節(jié)約優(yōu)質(zhì)冶金焦資源的目的[21]。

圖4 蘭炭對燃料氣化的影響Fig.4 Effect of semi-coke on fuel gasification

蘭炭加入量對燃料粉化率的影響規(guī)律如圖5所示。結(jié)果表明，在粒度為10~13 mm未加入蘭炭時，粉化率僅有3.64%，隨著蘭炭加入量的增加，燃料粉化率有所增長，當(dāng)蘭炭加入量質(zhì)量占比為50%時，燃料粉化率增加到5.20%；當(dāng)加入蘭炭粒度從10~13 mm增加至20~23 mm，總體燃料的粉化率有所降低，當(dāng)蘭炭加入量為0%到40%時，粉化率均在4.0%以下，相比小粒徑燃料降低幅度可達(dá)23%，當(dāng)蘭炭加入量為50%時，粉化率急劇增加至4.90%。說明加入較多蘭炭時，除蘭炭自身氣化導(dǎo)致粉化外，還有與焦炭的摩擦和碰撞，增加了蘭炭的粉化，而燃料粉化會直接影響其在滴落帶的骨架作用，降低整個爐料的透液性，具體影響程度將在冷態(tài)和熱態(tài)實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步分析。

圖5 蘭炭對粉化率的影響Fig.5 Effect of semi-coke on pulverization rate

2.2 蘭炭加入對料柱透液性的影響

不同燃料結(jié)構(gòu)透液冷態(tài)滴落實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6和圖7所示。當(dāng)燃料粒度為10~13 mm時，在未加入蘭炭的條件下，樹脂最終的滴落重量為56.4 g，樹脂的滴落速率最快，說明不加入蘭炭的料柱透液性最好。隨著蘭炭加入比例從30%增加至50%，樹脂最終滴落重量分別是50.1，48.67，46.92 g，樹脂滴落速率降低比例分別是11.1%，13.7%和16.8%。這說明隨著料柱中加入蘭炭的比例增大，料柱的透液性變差，其主要原因是因?yàn)樘m炭在塊狀帶反應(yīng)性較高，反應(yīng)后的強(qiáng)度變差，伴隨大量粉末產(chǎn)生的同時使料柱的透液性惡化。

圖6 粒度為10~13 mm不同燃料結(jié)構(gòu)冷態(tài)滴落實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Experimental results of cold drop of different fuel structures at particle size 10~13 mm

當(dāng)燃料粒度為20~23 mm時，不同燃料結(jié)構(gòu)冷態(tài)滴落實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。結(jié)果表明：與燃料粒度為10~13 mm時的變化趨勢相似，滴落質(zhì)量增加約20%，滯留在焦炭層中的液體減少，爐料的透液性變好。但隨著蘭炭的加入比例增加，穿透料柱的樹脂滴落速率逐漸減小，最終滴落的樹脂重量逐漸減少，其滯留量增加，但整體差異較小，其原因在于蘭炭粒度的增加使料柱的孔隙率增加，從而有助于提高料柱透液性。同時，也說明粒度對料柱透液性影響較大，下文將進(jìn)行進(jìn)一步分析。

圖7 粒度為20~23 mm不同燃料結(jié)構(gòu)冷態(tài)滴落實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Experimental results of cold drop of different fuel structures at particle size 20~23 mm

2.3 蘭炭粒徑對料柱透液性的影響

當(dāng)蘭炭加入量從30%增至50%時，不同燃料粒度下的透液性結(jié)果如圖8所示，結(jié)果表明：在不同蘭炭比例條件下，隨著料柱粒度的減小，樹脂穿透料柱的滴落速率明顯減小，滯留量明顯增加。液體在料柱中穿行主要受2個因素影響，一是流動路徑，一是液體表面張力。根據(jù)加入樹脂的初始時間和樹脂開始滴落的時間間隔，確定樹脂在小顆粒料柱中的流動時間更長，推測樹脂穿過小顆粒料柱的行程要比大顆粒料柱大，不同粒徑料柱下液相的流動路徑如圖9所示；此外，當(dāng)液滴穿過小于毛細(xì)管長度的孔隙時，液體的表面張力對流動將產(chǎn)生較大影響，隨著蘭炭料柱粒徑的減小，料柱孔隙直徑減小，液體流動方向上的表面張力變大，阻礙液體流動，透液性急劇降低，因此，在加入蘭炭時，應(yīng)盡可能選擇大顆粒，減少料柱中小顆粒比例。

圖8 不同燃料粒度下的透液性結(jié)果Fig.8 Results of liquid permeability of different coke size

圖9 不同粒徑料柱條件下液相的流動路徑示意Fig.9 Flow path diagram of liquid phase under different particle size column conditions

2.4 蘭炭對爐渣在填充床滯留量的影響

冷態(tài)透液性實(shí)驗(yàn)在一定程度上說明了燃料結(jié)構(gòu)變化對料柱的影響，為進(jìn)一步探究爐料的透液性，在接近高爐滴落帶溫度的熱態(tài)條件下，進(jìn)行爐渣在不同燃料架構(gòu)下的實(shí)驗(yàn)，獲得蘭炭替代部分焦炭后，爐渣在填充床滯留量的變化。

蘭炭和焦炭經(jīng)高爐塊狀帶氣化后進(jìn)入軟熔滴落帶，爐渣穿過填充床后的滯留量變化如圖10所示。結(jié)果表明，隨著蘭炭加入量的增加，爐渣的滯留量呈快速上升趨勢。與未加入蘭炭相比，在粒度為10~13 mm時，加入30%的蘭炭后，滯留量從6.71%急劇增至11.18%，加入50%的蘭炭時，滯留量增至15.35%，這對填充床孔隙度產(chǎn)生極大影響；而在燃料粒度為20~23 mm時，加入30%蘭炭爐渣的滯留量僅為3.76%，蘭炭加入達(dá)到50%時，滯留量為8.48%，與小粒徑相比降幅接近50%。因此，蘭炭替代部分焦炭入爐實(shí)際應(yīng)用時，要嚴(yán)格控制加入蘭炭的比例以及蘭炭的粒度，蘭炭粒度控制在20 mm以上，占比控制在40%以內(nèi)。

圖10 蘭炭對爐渣在填充床滯留量的影響Fig.10 Effect of semi-coke on slag retention in packed bed

3 結(jié) 論

通過焦炭與蘭炭的氣化實(shí)驗(yàn)、冷態(tài)及熱態(tài)的料柱透液實(shí)驗(yàn)，探究蘭炭加入對高爐料柱的影響，可得到以下結(jié)論：

1）在高爐塊狀帶燃料的氣化階段，與焦炭相比，蘭炭反應(yīng)性較高，一定程度上蘭炭的加入保護(hù)了焦炭，降低了焦炭的反應(yīng)率，增加高爐上部鐵礦石的間接還原度，降低高爐下部鐵礦石的直接還原度，從而適當(dāng)降低蓄熱區(qū)溫度，最終可降低燃料消耗和CO2排放；

2）在冷態(tài)滴落實(shí)驗(yàn)中，隨著蘭炭比例的增加，液體滴落量降低16.8%，透液性變差；當(dāng)蘭炭粒度由10~13 mm增加至20~23 mm，液體滴落量增加約20%，透液性變好；

3）熱態(tài)爐渣滯留實(shí)驗(yàn)中，小粒徑條件下，滯留量從未加入蘭炭的6.71%，急劇上升至加入50%蘭炭的15.35%，大粒徑條件下，滯留量下降明顯接近50%，透液性變好，因此蘭炭替代部分焦炭入爐實(shí)際應(yīng)用時，要嚴(yán)格控制加入蘭炭的比例以及蘭炭的粒度，蘭炭粒度控制在20 mm以上，占比控制在40%以內(nèi)。

綜合考慮高爐上部燃料的氣化和下部透液性，加入少量大粒徑高反應(yīng)性蘭炭可減少焦炭的氣化損失，相對保持焦炭的強(qiáng)度，穩(wěn)定爐料的透液性，達(dá)到節(jié)約優(yōu)質(zhì)冶金焦資源的目的。