CN102912048A

CN102912048A - 一种使用高反应性焦炭提升炉身还原效率的方法及装置

Info

Publication number: CN102912048A
Application number: CN2012104197787A
Authority: CN
Inventors: 吴胜利; 张丽华; 庹必阳; 武建龙; 孙颖
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2012-10-29
Filing date: 2012-10-29
Publication date: 2013-02-06

Abstract

本发明涉及一种使用高反应性焦炭，用以提升高炉内还原效率的方法及装置。一种提升高炉炉身还原效率的方法，其特征在于，所述方法如下：高炉含铁炉料包含烧结矿、球团矿和块矿，在高炉中使用高反应性焦炭，并把烧结矿布置在高反应性焦炭周边。本发明在不增加工艺流程和装备的复杂性的前提下，从提高高炉炉内反应效率的思路出发，研究出一种通过使用高反应性焦炭，即传统概念上的劣质焦炭，来提升炉内还原效率的方法。并通过实验研究了焦炭反应性对铁矿石还原的促进效果以及在何种矿石类型中搭配高反应性焦炭可更好发挥高反应性焦炭效果，为高炉使用高反应性焦炭奠定基础。此方法不仅可以提高炉身的还原效率，还有效的拓展了高炉用焦的范围。

Description

一种使用高反应性焦炭提升炉身还原效率的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种使用高反应性焦炭，用以提升高炉内还原效率的方法及装置。

背景技术

采用检索条件：摘要=(高炉) AND 摘要=(高反应性焦炭)；或，摘要=(高炉) AND 摘要=(还原效率)；以及abstract=(blast furnace) AND abstract=(high reactivity coke) 在国内外的数据库进行检索。经过仔细检索，没有与本申报专利相同或类似的发明内容。

钢铁工业是我国国民经济的重要基础产业，也是能源和资源消耗量大、污染物排放量多的行业之一。据统计，我国钢铁行业的能耗占全国总能耗的14%左右，而主要污染物排放量占全国总排放量的12%左右。钢铁行业中，高炉炼铁系统的能耗和主要污染物排放量均占钢铁行业总能耗和总排放量的70%左右。因此，高炉炼铁系统承担着钢铁工业乃至全国“节能减排”的重任。此外，在铁水产量逐年增高、高炉冶炼规模不断扩大的情况下，高炉生产对优质焦炭、矿石的需求和日益紧缺的资源之间的矛盾也越来越明显，如何拓展高炉的可用资源范围也成为钢铁行业急待解决的战略问题。传统的高炉炼铁工艺经长期发展已经定型，设备和操作水平也趋于稳定，继续采用传统技术，对高炉炼铁实施“节能减排”的潜力已经很小，特别是在矿、煤资源劣质化的背景下，这项工作的实质性推进更是困难重重。

本发明在不增加工艺流程和装备的复杂性的前提下，从提高高炉炉内反应效率的思路出发，发明一种通过使用高反应性焦炭，即传统概念上的劣质焦炭，来提升炉内还原效率的方法。

发明内容

本发明为一种通过高炉部分使用高反应性焦炭从而促进矿石在炉身部位的还原，提高炉身还原效率的方法。

本发明的原理如下：

（1）通过理论分析，得知高反应性焦炭在高炉炉身部位发生如下碳素溶损反应：

C+CO₂=2CO

该反应不仅使炉身部位CO浓度提高，而且由于反应吸热，可降低炉身局部温度，致使CO还原FeO的平衡浓度降低，如图1所示。基于这种理论可知，高炉使用部分高反应性焦炭可以提升高炉炉身煤气的还原势，提高炉身还原效率，从而有利于炉身间接还原的发展。

（2）焦炭反应性对矿石还原的影响

本发明通过静态荷重还原装置如图2所示，针对反应性不同的焦炭，理论计算和实验研究其在模拟高炉实际气氛下碳素溶损反应的发展程度、铁矿石的还原程度和金属化率等的变化，明确焦炭反应性对高炉内铁矿石还原反应的影响规律。实验研究中所用到焦炭的性能测定，如表1所示。

表1 焦炭性能测定(%)

名称	CRI	CSR	M₁₀	M₄₀
					A	24.76	68.14	5.93	87.74
B	34.15	56.72	5.70	87.60
					C	42.62	37.92	8.80	74.10

（3）高反应性焦炭与铁矿石的合理搭配

目前高炉所用的基本含铁炉料包含烧结矿、球团矿和块矿。其中，高碱度烧结矿还原性能最好，其次为酸性球团矿和块矿。在得出高反应性焦炭可合理促进铁矿石还原基础上，为了更好使用高反应性焦炭，本发明采用相同高反应性焦炭C，采用静态荷重还原装置，在五层布料模式条件下，考察在烧结矿、球团矿、块矿、综合炉料中配置高反应性焦炭后，碳素溶损反应量以及对矿石本身的还原程度和金属化率的影响，得出合理的矿石类型与高反应性焦炭搭配模式。综合炉料是指目前高炉常用的这三种不同类型矿石混合而成的炉料，由烧结矿∶球团矿∶块矿=65.7∶19.8∶14.5的比例配置而成。

不同矿石的化学成分分析如表2所示。

表2 铁矿石化学成分分析 (%)

名称	TFe	Fe₂O₃	FeO	CaO	MgO	SiO₂	Al₂O₃	S	P	LOI
											烧结矿	58.13	74.19	7.97	9.47	1.57	4.88	1.66	0.02	0.05	0.01
球团矿	65.65	92.15	1.29	2.73	0.03	2.48	0.76	0.01	0.03	0.15
											块矿	63.82	90.84	0.30	0.03	0.06	3.55	1.32	0.02	0.06	3.15

（4）高反应性焦炭在高炉中的布料方式

布料方式决定着炉料在炉内的分布状况，由于不同炉料对煤气流阻力的差异，因此炉料在横断面上的分布状况对煤气流在高炉内的分布有重大影响，从而对炉料的下降状况、煤气的利用程度乃至软熔带的位置和形状产生影响。特别是高炉使用高反应性焦炭条件下，布料方式的变化还将影响焦炭与煤气流的接触，同时焦炭与矿石的配置方式也将影响焦炭的碳素熔损反应与矿石还原反应的耦合效应。因此，有必要探讨焦炭与矿石在高炉中以何种方式进行布料，从而更好发挥矿焦间反应的耦合效应，促进炉身矿石还原效率。实验利用高温还原装置，研究矿石、焦炭在“一层分层布料”、“三层分层布料”、“五层分层布料”、“混合布料”四种布料方式下矿石还原反应、焦炭发生碳素溶损反应的发生程度，布料示意图如图4所示。

上述实验结果示于具体实施方式部分。

基于上述原理及分析，本发明的技术方案如下：

一种提升高炉炉身还原效率的方法，其特征在于，所述方法如下：

高炉含铁炉料包含烧结矿、球团矿和块矿，在高炉中使用高反应性焦炭，并把烧结矿布置在高反应性焦炭周边。

进一步的，所述方法的具体布料采用一层分层布料模式。

进一步的，所述方法的具体布料采用三层分层布料模式。

进一步的，所述方法的具体布料采用五层分层布料模式。

进一步的，所述方法的具体布料采用混合布料模式。

一种上述方法的静态荷重还原装置，所述装置包括供气和配气系统、实时测量系统及炉料还原系统，其特征在于：

所述供气及配气系统包括CO造气炉、各种气体钢瓶和气体流量控制器组成，该系统提CO、H₂、N₂、CO₂所需气体，并根据需要调配气体成分、控制气体流量、配比、不同时间段气体切换；

所述实时测量系统包括电脑、压差测量仪、电子天平、数据传输线，该系统设置还原过程中的升降温制度，并实时测量、记录还原过程中炉料失重率、还原度、温度的数据；

所述炉料还原系统包括负荷加载元件、双壁反应管、加热元件、热电偶，根据需要给予炉料一定的载荷模拟实际生产中炉料所承受的压力，并预热气体、准确控温。

进一步的，所述装置还包括一多孔圆盘，所述多孔圆盘安装在双壁反应管炉内。

其中，电子秤可以在实验过程中精确称量炉内总物料的变化；负荷加载元件在需要时候给予炉料一定的载荷模拟实际生产中炉料所承受的压力；而实验炉体采用的双壁反应管，可以将气体在外层管道内加热，使之与炉料接触时温度与炉料温度一致，从而减少因气固之间温度差造成实验的不准确性；实验装置采用炉料与炉体双测温方式，可保证温度控制的精准性；炉内配备的多孔圆盘，可在气体通入反应后起到均匀气流，减少附壁效应的效果；配气系统采用全智能化调控装置，可控制气体流量、不同气体间配比和不同时间段气体切换以及短时间内达到设定气体的功效。

按照静态荷重还原实验装置各个部件的功能，大致可以分为供气和配气系统、实时测量系统和炉料还原系统。其中供气及配气系统由CO造气炉、各种气体钢瓶和气体流量控制组成，可为实验提供所需的气体有CO、H₂、N₂、CO₂，并可根据需要调配气体成分，具有控制气体流量、不同气体间配比和不同时间段气体切换以及短时间内达到设定气体的功效；实时测量系统主要由电脑、压差测量仪、电子天平、数据传输线等组成，通过软件可设置还原过程中的升降温制度，并实时测量、记录还原过程中炉料失重率、还原度、温度等数据；还原系统主要由负荷加载元件、双壁反应管、加热元件、热电偶等组成，可以在需要时候给予炉料一定的载荷模拟实际生产中炉料所承受的压力，并起到预热气体、准确控温等功能。

综上，本发明的主体内容是：高炉通过使用部分高反应性焦炭，提高炉身矿石的还原效率；为了更加促进矿石与焦炭间反应（铁矿石还原反应及焦炭碳素溶损反应）的耦合效应，高反应性焦炭应与适当的矿石（烧结矿）搭配使用，即应当把烧结矿布在高反应性焦炭周边，从而促进高炉炉身的铁矿石还原，提高炉身效率；同时，为了更好的发挥高反应性焦炭促进铁矿石的还原效果，可以采用焦炭与矿石混合布料模式，既有利于提高铁矿石还原，也易于在生产中实践。

本发明的有益效果：本发明在不增加工艺流程和装备的复杂性的前提下，从提高高炉炉内反应效率的思路出发，研究出一种通过使用高反应性焦炭，即传统概念上的劣质焦炭，来提升炉内还原效率的方法。并通过实验研究了焦炭反应性对铁矿石还原的促进效果以及在何种矿石类型中搭配高反应性焦炭可更好发挥高反应性焦炭效果，为高炉使用高反应性焦炭奠定基础。此方法不仅可以提高炉身的还原效率，还有效的拓展了高炉用焦的范围。

附图说明

附图1：CO还原铁氧化物的平衡气相组成与温度的关系图

附图2：静态荷重还原装置示意图

附图3：五层布料方式示意图

附图4：布料模式示意图

附图5：焦炭反应性对铁矿石还原影响结果图

附图6：矿石类型与高反应性焦炭搭配使用效果图

附图7: 不同布料方式下高反应性焦炭对铁矿石还原效果图

图2中：1电子秤，2负荷加载元件，3出气口，4进气口，5双壁反应管，6料层中热电偶，7炉身热电偶，8加热元件，9料层示意图，10多孔圆盘，11供气及配气装置。

具体实施方式

1) 焦炭反应性对铁矿石还原度影响

(1) 将烧结矿和三种反应性不同的焦炭进行破碎，选用GB/6003的R20系列网筛，分别筛取10~12.5mm的宝钢烧结矿和8~10mm的三种焦炭，在105℃温度下烘干。

(2) 分别选用150g三种焦炭A、B、C中的一种，450g烧结矿，采用五层布料方式，将其加入到静态荷重还原炉的反应管中，密封反应管。布料示意图如图4所示。

(3) 通入流量为2L/min的N₂保护，以15℃/min的升温速率开始加热升温。在1100℃下，通入8L/min的32.5%CO+12.5%CO₂+55%N₂混合气体，恒温反应2h后通入流量为2L/min的N₂保护冷却至室温。

(4) 将实验结束后的焦炭和铁矿石分开，分别称重，以此计算焦炭的碳素溶损情况和铁矿石的还原度以及金属化率。

实验结果如表3和图5所示。

表3 焦炭反应性对矿石还原影响结果

焦炭名称	铁矿石还原度（%）	铁矿石金属化率（%）
			A	40.96	14.44
B	61.92	44.94
			C	72.96	60.90

随着配置的焦炭反应性的升高，铁矿石的还原效果越来越好，所得到的还原后矿石的金属化率越来越高。

2) 高反应性焦炭与铁矿石的合理搭配

(1) 将高炉常用三种矿石和高反应性焦炭进行破碎，选用GB/6003的R20系列网筛，分别筛取10~12.5mm的铁矿石和8~10mm的高反应性焦炭，在105℃温度下烘干。

(2) 选取150g粒度为8~10mm的高反应性焦炭，450g铁矿石，以五层布料的方式，将它们加入到静态荷重还原装置，密封反应管。

(3) 通入2L/min的N2保护气氛，以15℃/min的升温速率开始加热升温。在1100℃时候，通入8L/min的32.5%CO+12.5%CO₂+55%N₂混合气体，恒温反应2h后通入2L/min的N₂保护冷却至室温。

实验结果如表4和图6所示。

表4 不同矿石类型的实验结果

矿石类型	矿石还原度（%）	矿石金属化率（%）
			烧结矿	72.96	60.90
球团矿	64.70	47.32
			块矿	58.72	38.18
综合炉料	60.30	41.88

烧结矿、球团矿、块矿中分别配加高反应性焦炭后，还原度为分别为72.96%、64.70%和58.72%，而金属化率分别为60.90%、47.32%和38.13%，总体上烧结矿的搭配效果最佳，块矿最差；综合炉料配加高反应性焦炭的效果与球团矿相似，但还原度、金属化率等指标总体上略低。

由上述实验结果可知，在高炉常用的含铁炉料种类中，高反应性焦炭最有利于烧结矿的还原，因此高炉在部分使用高反应性焦炭时，应当把烧结矿布在高反应性焦炭周边，有利于矿石和焦炭间发生矿石还原反应、焦炭气化反应的耦合效应，促进高炉炉身矿石的还原效率。

3) 高反应性焦炭优选布料模式

(1) 将烧烧结矿和高反应性焦炭进行破碎，选用GB/6003的R20系列网筛，分别筛取10~12.5mm的烧结矿和8~10mm的高反应性焦炭，在105℃温度下烘干。

(2) 分选取150g高反应性焦炭，450g烧结矿，各自分为三份，然后按照“焦-矿-焦-矿-焦-矿”的顺序，将它们加入到静态荷重还原炉反应管中，密封反应管。

(3) 通入2L/min的N₂保护气氛，以15℃/min的升温速率开始加热升温。在1100℃时候，通入8L/min的32.5%CO+12.5%CO₂+55%N₂混合气体，恒温反应2h后通入2L/min的N₂保护冷却至室温。

(4) 将实验结束后的焦炭和铁矿石分开，分别称重，以此计算焦炭的碳素熔损情况和铁矿石的还原度以及金属化率。

实验结果如表5和图7所示。

表 5 不同布料方式对矿石及焦炭影响研究

布料方式	铁矿石还原度（%）	铁矿石金属化率（%）
			一层布料	44.52	19.79
三层布料	56.22	36.69
			五层布料	72.96	60.90
混合布料	61.17	43.86

由上述实验结果可知，在焦炭和矿石布料方式探索下，采用分层布料下五层布料模式时，最有利于发挥高反应性焦炭促进铁矿石的还原效果，烧结矿的还原度和金属化率最高，其次为混合布料模式，同样具有较好促进高反应性焦炭发挥效果的作用。然而在五层布料模式下，根据实验原料和布料手法，矿石层仅仅为薄薄的一层，已经到达分层的极限，矿焦接触面积达到最大，已不再是普通意义上的分层布料，对于实际生产中的应用无法达到如此细致的分层手法。而对于混合布料，现实生产中易于实现，且实验效果良好。故采用混合布料的方式使用高反应性焦炭可明显提高其对铁矿石还原的促进作用，得到还原程度较好的铁矿石。因此高炉使用高反应性焦炭时，高反应性焦炭宜与烧结矿混匀后布于高炉某一层中，从而更有利于发挥焦炭的作用。

Claims

1.一种提升高炉炉身还原效率的方法，其特征在于，所述方法如下：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法的具体布料采用一层分层布料模式。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法的具体布料采用三层分层布料模式。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法的具体布料采用五层分层布料模式。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法的具体布料采用混合布料模式。

6.一种实施权利要求1所述方法的静态荷重还原装置，所述装置包括供气和配气系统、实时测量系统及炉料还原系统，其特征在于：

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：还包括一多孔圆盘，所述多孔圆盘安装在双壁反应管炉内。