對高爐使用(yòng)高反應性燃料的研究

我國(guó)高爐燃料結構大多(duō)為(wèi)爐頂層裝(zhuāng)冶金焦搭配風口噴吹煤粉的結構，其中焦炭的成本占鐵水燃料成本的絕大部分(fēn)。降低鐵水的燃料成本，傳統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(duō)數高爐操作(zuò)而言，高爐的燃料消耗在已形成的操作(zuò)理(lǐ)念下已達到較低的程度，很(hěn)難進一步下降。對于降低配煤成本而言，一方面，大家擔心配煤成本的下降影響焦炭質(zhì)量，導緻高爐順行和噴煤受影響；另一方面，高爐需要什麽樣的焦炭，至今尚未達成一個反映高爐實際情況的、被行業普遍認可(kě)又不過剩的質(zhì)量标準，甚至部分(fēn)文(wén)獻表達了與焦炭熱性能(néng)現有評價截然相反的觀點，也影響了焦炭配煤成本的控制。

本文(wén)通過采用(yòng)熱重試驗和新(xīn)日鐵焦炭熱強度的檢測方法對不同反應性燃料的互補性進行了研究，然後模拟高爐實際升溫制度和氣氛，研究不同反應性的燃料在高爐内各自的強度變化，通過熔滴試驗探讨了價格便宜的高反應性燃料的裝(zhuāng)入方式，提出了冶金焦搭配少部分(fēn)高反應性燃料的燃料結構形式，以便使用(yòng)部分(fēn)高反應性燃料替代冶金焦來降低鐵水燃料成本。

1試驗過程

試驗原料有冶金焦、高反應性焦、蘭炭塊和燒結礦各一種，3種燃料的冶金性能(néng)及成分(fēn)見表1。試驗采用(yòng)熱重試驗、新(xīn)日鐵焦炭熱強度的檢測方法及熔滴試驗。

兩種燃料不同比例混合後的熱重試驗結果。

研究者采用(yòng)熱重法研究了冶金焦和其他(tā)兩種燃料之間的交互作(zuò)用(yòng)，把冶金焦與高反應性焦、蘭炭塊磨成粉後(100目)按照不同的比例混合在純CO2氣氛下進行氣化反應。圖1為(wèi)冶金焦與高反應性焦不同比例混合後的熱重試驗結果。

若兩種燃料之間沒有交互作(zuò)用(yòng)，則不同比例混合物(wù)的氣化量連線(xiàn)應為(wèi)直線(xiàn)。由圖1可(kě)知，混合後的氣化量顯著大于其加權氣化量，尤其是當高反應性焦加入量較少時，偏差最大。這說明兩種不同反應性的燃料混合後，與CO2的反應更多(duō)地受高反應性燃料的支配。将冶金焦與蘭炭塊混合後在熱重純CO2氣氛下的結果也證實了上述結果。

固定失重下兩種燃料混合後的失重和強度變化。

對于不同的高爐生産實績而言，焦炭進入風口回旋區(qū)時其失重大約在20%～30%。參考新(xīn)日鐵焦炭熱強度的檢測方法，将兩種焦炭各100g混勻後放入反應管内，在1100℃純CO2氣體(tǐ)條件下氣化，當燃料氣化失重約30%時中斷試驗，分(fēn)揀各單種燃料檢測各自的失重量和反應後強度。表2和表3分(fēn)别為(wèi)冶金焦與高反應性焦和蘭炭塊各100g混合後固定失重熱強度檢測結果(因設備精(jīng)度問題，失重難以準确控制在30%，此外産生了少量粉末未歸集) 。

從表2、表3可(kě)知，在固定失重的條件下，冶金焦分(fēn)别與高反應性焦和蘭炭塊混合後失重量大幅減少，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于平均值，因而其強度得到了保護。這說明不同反應性的焦炭若混合使用(yòng)，存在着CO2的搶奪性，高反應性的焦炭可(kě)以保護低冶金焦使其相對“鈍化”，冶金焦強度得到保護。同時，比較蘭炭和高反應性焦炭的反應後強度可(kě)知，蘭炭的熔損反應更多(duō)地聚焦于表面，因而盡管其失重嚴重，但強度相對更好一點。

高爐塊狀帶條件下冶金焦與其他(tā)燃料的交互作(zuò)用(yòng)。

研究者模拟高爐冶煉條件，參考新(xīn)日鐵焦炭熱強度的檢測方法，分(fēn)别檢測冶金焦、高反應性焦、蘭炭塊及冶金焦與高反應性焦、冶金焦與蘭炭塊混合物(wù)在塊狀帶的熔損和強度變化，試驗條件見表4，試驗結果見表5、表6。

由表5、表6可(kě)知，對于冶金焦而言，與高反應性焦或者蘭炭塊混合後，其失重量僅僅為(wèi)單獨試驗時的一半左右，其對應的強度也得到了保護。

高反應性燃料裝(zhuāng)料方式及使用(yòng)效果比較。

上述試驗證明了冶金焦搭配部分(fēn)高反應性燃料，能(néng)夠減少冶金焦在高爐内的熔損反應，保護其強度。研究者對高反應性燃料與燒結礦是層裝(zhuāng)還是混裝(zhuāng)進行了試驗探索。根據常規的熔滴試驗方法，研究者将100g燃料與450g燒結礦混勻後裝(zhuāng)入熔滴爐内進行熔滴性能(néng)檢測，與常規上下層各50g燃料、中間層450g燒結礦的熔滴性能(néng)進行了比較。

圖2為(wèi)高反應性燃料(50g)與燒結礦(450g)分(fēn)别混裝(zhuāng)與層裝(zhuāng)的熔滴試驗S值比較。高反應性燃料與燒結礦混裝(zhuāng)更有助于降低料柱的壓差，尤其是高反應性焦炭與燒結礦混裝(zhuāng)後在熔融區(qū)間的壓差為(wèi)0，其S值亦為(wèi)0，遠(yuǎn)小(xiǎo)于層裝(zhuāng)條件下的S值。

按照混裝(zhuāng)的概念，研究者對配加和不配加高反應性焦的燒結礦的熔滴性能(néng)進行了檢測，具體(tǐ)裝(zhuāng)料形式和熔滴性能(néng)結果見表7、表8。

從表8可(kě)知，在總用(yòng)焦量一定的條件下，冶金焦配加少部分(fēn)的高反應性焦後，燒結礦的熔滴性能(néng)明顯改善，表現為(wèi)壓差降低，軟熔帶變薄。

2結果與讨論

對于焦炭的反應性，常規認識是焦炭反應性低、熔損起始溫度高更好，以便爐身間接還原充分(fēn)發展，提高煤氣利用(yòng)率，部分(fēn)研究者甚至研究了焦炭的鈍化措施。但近十幾年來，自日本提出高反應性、高強度焦炭的思路後，國(guó)内不少研究者提出了降低焦炭熔損反應起始溫度、提高焦炭反應性的觀點，認為(wèi)高反應性焦可(kě)以降低高爐熱儲備區(qū)溫度，促進高爐内鐵氧化物(wù)的還原，達到降低煉鐵燃料消耗并減少CO2排放的目的。該觀點的理(lǐ)由是基于Rist 操作(zuò)線(xiàn)和“叉子”曲線(xiàn)。由于Rist 操作(zuò)線(xiàn)和“叉子”曲線(xiàn)僅僅解釋了使用(yòng)高反應性焦的熱力學(xué)平衡條件更好，因而部分(fēn)學(xué)者提出了使用(yòng)高反應性焦的前提條件是燒結礦具有良好的還原性和良好的煤氣分(fēn)布。

事實上，評估提高焦炭反應性能(néng)否降低燃料消耗的唯一條件是爐頂煤氣利用(yòng)率是否得到提高。煤氣利用(yòng)率低、燃料消耗高的高爐，從高爐的物(wù)料平衡和熱平衡計算來看，焦炭在風口氣化相對較多(duō)，因而，其高爐内的CO絕對量以及還原勢相對煤氣利用(yòng)率高的高爐更能(néng)夠滿足熱力學(xué)平衡條件，人為(wèi)地提高焦炭的反應性，其實是不必要的，甚至是适得其反。從某種程度上講，提高爐料的還原性和優化煤氣分(fēn)布的确是提高煤氣利用(yòng)率的關鍵，但這與焦炭的反應性可(kě)能(néng)關系不大。

相對來說，傳統的觀念追求焦炭反應性低、熔損起始溫度高的方向更有理(lǐ)論依據，所欠考慮的是不同高爐内焦炭的熔損量波動并不是太大，而新(xīn)日鐵發布的檢測方法導緻不同的焦炭熔損量差别很(hěn)大，因而強度差别也會很(hěn)大。

降低鐵水燃料成本，可(kě)否從新(xīn)的思路來考慮？冶金焦搭配少量低價、反應性高的燃料，讓熔損反應消耗低價燃料，既能(néng)保證冶金焦的強度，又能(néng)提高含鐵爐料進入軟熔帶區(qū)域的金屬化率，盡管煤氣利用(yòng)率可(kě)能(néng)不會得到提高。

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