對高爐使用高反應(yīng)性燃料的研究

我國高爐燃料結(jié)構(gòu)大多為爐頂層裝冶金焦搭配風(fēng)口噴吹煤粉的結(jié)構(gòu)，其中焦炭的成本占鐵水燃料成本的絕大部分。降低鐵水的燃料成本，傳統(tǒng)的思路主要是降低高爐燃料消耗或降低焦炭的配煤成本。對于大多數(shù)高爐操作而言，高爐的燃料消耗在已形成的操作理念下已達(dá)到較低的程度，很難進(jìn)一步下降。對于降低配煤成本而言，一方面，大家擔(dān)心配煤成本的下降影響焦炭質(zhì)量，導(dǎo)致高爐順行和噴煤受影響；另一方面，高爐需要什么樣的焦炭，至今尚未達(dá)成一個反映高爐實(shí)際情況的、被行業(yè)普遍認(rèn)可又不過剩的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，甚至部分文獻(xiàn)表達(dá)了與焦炭熱性能現(xiàn)有評價截然相反的觀點(diǎn)，也影響了焦炭配煤成本的控制。

本文通過采用熱重試驗(yàn)和新日鐵焦炭熱強(qiáng)度的檢測方法對不同反應(yīng)性燃料的互補(bǔ)性進(jìn)行了研究，然后模擬高爐實(shí)際升溫制度和氣氛，研究不同反應(yīng)性的燃料在高爐內(nèi)各自的強(qiáng)度變化，通過熔滴試驗(yàn)探討了價格便宜的高反應(yīng)性燃料的裝入方式，提出了冶金焦搭配少部分高反應(yīng)性燃料的燃料結(jié)構(gòu)形式，以便使用部分高反應(yīng)性燃料替代冶金焦來降低鐵水燃料成本。

1試驗(yàn)過程

試驗(yàn)原料有冶金焦、高反應(yīng)性焦、蘭炭塊和燒結(jié)礦各一種，3種燃料的冶金性能及成分見表1。試驗(yàn)采用熱重試驗(yàn)、新日鐵焦炭熱強(qiáng)度的檢測方法及熔滴試驗(yàn)。

兩種燃料不同比例混合后的熱重試驗(yàn)結(jié)果。

研究者采用熱重法研究了冶金焦和其他兩種燃料之間的交互作用，把冶金焦與高反應(yīng)性焦、蘭炭塊磨成粉后(100目)按照不同的比例混合在純CO2氣氛下進(jìn)行氣化反應(yīng)。圖1為冶金焦與高反應(yīng)性焦不同比例混合后的熱重試驗(yàn)結(jié)果。

若兩種燃料之間沒有交互作用，則不同比例混合物的氣化量連線應(yīng)為直線。由圖1可知，混合后的氣化量顯著大于其加權(quán)氣化量，尤其是當(dāng)高反應(yīng)性焦加入量較少時，偏差最大。這說明兩種不同反應(yīng)性的燃料混合后，與CO2的反應(yīng)更多地受高反應(yīng)性燃料的支配。將冶金焦與蘭炭塊混合后在熱重純CO2氣氛下的結(jié)果也證實(shí)了上述結(jié)果。

固定失重下兩種燃料混合后的失重和強(qiáng)度變化。

對于不同的高爐生產(chǎn)實(shí)績而言，焦炭進(jìn)入風(fēng)口回旋區(qū)時其失重大約在20%～30%。參考新日鐵焦炭熱強(qiáng)度的檢測方法，將兩種焦炭各100g混勻后放入反應(yīng)管內(nèi)，在1100℃純CO2氣體條件下氣化，當(dāng)燃料氣化失重約30%時中斷試驗(yàn)，分揀各單種燃料檢測各自的失重量和反應(yīng)后強(qiáng)度。表2和表3分別為冶金焦與高反應(yīng)性焦和蘭炭塊各100g混合后固定失重?zé)釓?qiáng)度檢測結(jié)果(因設(shè)備精度問題，失重難以準(zhǔn)確控制在30%，此外產(chǎn)生了少量粉末未歸集) 。

從表2、表3可知，在固定失重的條件下，冶金焦分別與高反應(yīng)性焦和蘭炭塊混合后失重量大幅減少，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于平均值，因而其強(qiáng)度得到了保護(hù)。這說明不同反應(yīng)性的焦炭若混合使用，存在著CO2的搶奪性，高反應(yīng)性的焦炭可以保護(hù)低冶金焦使其相對“鈍化”，冶金焦強(qiáng)度得到保護(hù)。同時，比較蘭炭和高反應(yīng)性焦炭的反應(yīng)后強(qiáng)度可知，蘭炭的熔損反應(yīng)更多地聚焦于表面，因而盡管其失重嚴(yán)重，但強(qiáng)度相對更好一點(diǎn)。

高爐塊狀帶條件下冶金焦與其他燃料的交互作用。

研究者模擬高爐冶煉條件，參考新日鐵焦炭熱強(qiáng)度的檢測方法，分別檢測冶金焦、高反應(yīng)性焦、蘭炭塊及冶金焦與高反應(yīng)性焦、冶金焦與蘭炭塊混合物在塊狀帶的熔損和強(qiáng)度變化，試驗(yàn)條件見表4，試驗(yàn)結(jié)果見表5、表6。

由表5、表6可知，對于冶金焦而言，與高反應(yīng)性焦或者蘭炭塊混合后，其失重量僅僅為單獨(dú)試驗(yàn)時的一半左右，其對應(yīng)的強(qiáng)度也得到了保護(hù)。

高反應(yīng)性燃料裝料方式及使用效果比較。

上述試驗(yàn)證明了冶金焦搭配部分高反應(yīng)性燃料，能夠減少冶金焦在高爐內(nèi)的熔損反應(yīng)，保護(hù)其強(qiáng)度。研究者對高反應(yīng)性燃料與燒結(jié)礦是層裝還是混裝進(jìn)行了試驗(yàn)探索。根據(jù)常規(guī)的熔滴試驗(yàn)方法，研究者將100g燃料與450g燒結(jié)礦混勻后裝入熔滴爐內(nèi)進(jìn)行熔滴性能檢測，與常規(guī)上下層各50g燃料、中間層450g燒結(jié)礦的熔滴性能進(jìn)行了比較。

圖2為高反應(yīng)性燃料(50g)與燒結(jié)礦(450g)分別混裝與層裝的熔滴試驗(yàn)S值比較。高反應(yīng)性燃料與燒結(jié)礦混裝更有助于降低料柱的壓差，尤其是高反應(yīng)性焦炭與燒結(jié)礦混裝后在熔融區(qū)間的壓差為0，其S值亦為0，遠(yuǎn)小于層裝條件下的S值。

按照混裝的概念，研究者對配加和不配加高反應(yīng)性焦的燒結(jié)礦的熔滴性能進(jìn)行了檢測，具體裝料形式和熔滴性能結(jié)果見表7、表8。

從表8可知，在總用焦量一定的條件下，冶金焦配加少部分的高反應(yīng)性焦后，燒結(jié)礦的熔滴性能明顯改善，表現(xiàn)為壓差降低，軟熔帶變薄。

2結(jié)果與討論

對于焦炭的反應(yīng)性，常規(guī)認(rèn)識是焦炭反應(yīng)性低、熔損起始溫度高更好，以便爐身間接還原充分發(fā)展，提高煤氣利用率，部分研究者甚至研究了焦炭的鈍化措施。但近十幾年來，自日本提出高反應(yīng)性、高強(qiáng)度焦炭的思路后，國內(nèi)不少研究者提出了降低焦炭熔損反應(yīng)起始溫度、提高焦炭反應(yīng)性的觀點(diǎn)，認(rèn)為高反應(yīng)性焦可以降低高爐熱儲備區(qū)溫度，促進(jìn)高爐內(nèi)鐵氧化物的還原，達(dá)到降低煉鐵燃料消耗并減少CO2排放的目的。該觀點(diǎn)的理由是基于Rist 操作線和“叉子”曲線。由于Rist 操作線和“叉子”曲線僅僅解釋了使用高反應(yīng)性焦的熱力學(xué)平衡條件更好，因而部分學(xué)者提出了使用高反應(yīng)性焦的前提條件是燒結(jié)礦具有良好的還原性和良好的煤氣分布。

事實(shí)上，評估提高焦炭反應(yīng)性能否降低燃料消耗的唯一條件是爐頂煤氣利用率是否得到提高。煤氣利用率低、燃料消耗高的高爐，從高爐的物料平衡和熱平衡計算來看，焦炭在風(fēng)口氣化相對較多，因而，其高爐內(nèi)的CO絕對量以及還原勢相對煤氣利用率高的高爐更能夠滿足熱力學(xué)平衡條件，人為地提高焦炭的反應(yīng)性，其實(shí)是不必要的，甚至是適得其反。從某種程度上講，提高爐料的還原性和優(yōu)化煤氣分布的確是提高煤氣利用率的關(guān)鍵，但這與焦炭的反應(yīng)性可能關(guān)系不大。

相對來說，傳統(tǒng)的觀念追求焦炭反應(yīng)性低、熔損起始溫度高的方向更有理論依據(jù)，所欠考慮的是不同高爐內(nèi)焦炭的熔損量波動并不是太大，而新日鐵發(fā)布的檢測方法導(dǎo)致不同的焦炭熔損量差別很大，因而強(qiáng)度差別也會很大。

降低鐵水燃料成本，可否從新的思路來考慮？冶金焦搭配少量低價、反應(yīng)性高的燃料，讓熔損反應(yīng)消耗低價燃料，既能保證冶金焦的強(qiáng)度，又能提高含鐵爐料進(jìn)入軟熔帶區(qū)域的金屬化率，盡管煤氣利用率可能不會得到提高。

按照這一思路，高反應(yīng)性的燃料使用量不宜超過焦炭的熔損量，即小于20%的冶金焦量。此外，從熔滴性能來看，高反應(yīng)性焦比蘭炭塊更好。