点击下载——块煤质量对COREX一3000生产的影响.doc

块煤质量对COREX—3000生产的影响

徐万仁，许海法，林金嘉，朱锦明，宋文刚

(宝山钢铁股份有限公司，上海201900)

摘要：根据宝钢1#COREX一3000的生产操作实绩，分析了块煤质量、焦比对COREX一3000气化炉炉况、炉缸状态、生产指标和风口破损的影响。通过实验室模拟实验和气化炉风口取样，考查了块煤的破碎行为和在气化炉内的粉化情况。分析了块煤性能指标对COREX炉况的影响，结合C一2000和C一3000生产使用实绩，提出了应重点控制的性能指标。研究表明，为改善气化炉炉缸状态，减少风口破损，提高COREX效能，降低焦比和燃料消耗，使用一定比例弱粘结性煤，严格控制入炉块煤粉末比例和保持13～15％的焦炭比例是必要的。

关键词：COREX—3000块煤；质量；炉缸焦比

1  前言

COREX是一种以非炼焦煤为主要燃料的熔融还原炼铁新工艺，块煤约占总燃料消耗的80～85％。块煤在熔融气化炉内裂解形成半焦，作为充填床和炉缸死料柱的主要骨架。块煤的质量(强度和粒度)对于气化炉透气性、炉况稳定性、炉缸活性状态、风口寿命、渣铁排放以及焦比、燃料比都有至关重要的影响。

宝钢1#COREX一3000和2#COREX一3000分别于2007年11月和2011年3月投产。同C一2000相比，C一3000设计产能提高到150万吨／a，气化炉炉缸直径从7．5米增大到9．4米。本文根据1#COREX一3000生产操作实绩和风口取样研究，对块煤质量、焦比对COREX一3000气化炉炉况、炉缸状态、燃料消耗和风口破损等影响进行了分析。通过实验室实验，对2种常用块煤的冷态和热态破碎行为进行了比较。根据宝钢C一3000生产使用实践，提出了需要重点控制的COREX用煤的几个指标，并指出了改善块煤质量、提高COREX性能的措施。

2  块煤质量对COREX一3000生产的影响

2．1燃料水分对燃料消耗的影响

图1表明，在一定的熔炼率下(150t／h)，DRI金属化率、燃料水分和燃料质量是影响焦比、燃料比的主要因素。2010年9～10月，山西焦水分高达10～14％、块煤水分4～8％，在DRI金属化率逐步提高的条件下，燃料比仍明显升高。加入到气化炉的块煤、Briquette煤和焦炭，其水分越高，则在拱顶和料床内蒸发吸收的热量也越多，会增加烧嘴氧耗和燃料比。此外，高水分块煤在气化炉内容易爆裂粉化。计算表明，入炉燃料水分升高1％，约增加燃料比10kg／tHM。雨季燃料水分更高，需要加强煤干燥设备能力和控制干燥后块煤的水分含量。

2．2块煤粒度对气化炉工况和燃料消耗的影响

2010年12月下旬至2011年2月末，在竖炉炉况较好、下降管堵塞很少、风口破损很少、作业率较高的生产形势下，DRI金属化率稳定在50～60％，甚至连续多天达到70％，但焦比仍高达20％左右，燃料比达到1000～1030kg／tHM，2月份还出现铁水温度偏低(<14900℃)、燃料比持续升高的情况。期间，COREX操作参数(日平均数据)变化如图2一图5所示。随着块煤粉率的下降、平均粒度的提高，自3月5日起炉温逐步回升到1500℃以上(炉平均)，焦比、燃料比逐步下降。将2010年12月～2011年3月的操作结果和燃料质量条件与2010年11月进行对比，可以找出上述炉况和指标变化的原因。

从图2(a)和图2(b)可见，2010年12月中下旬和2011年2月，各风口氧气流量不均匀，波动大，工厂压力冒尖次数多；氧气环管压力和气化炉压差持续升高。从图2(c)可见，料批燃料比逐步升高，气化炉LIR04624料位计持续高料位。此时，气化炉拱顶温度偏低，氧气烧嘴氧流量增加。

从炉缸状态和出渣铁情况变化看，如图3，2010年12月至2011年2月，铁水温度和铁水[C]含量持续下行，[Si]含量波动较大，2011年2月初甚至发生1次炉凉。如图4，从2010年12月起，炉芯温度持续下降，而侧壁温度快速升高。2011年3月5日前，因为炉温偏低，铁流小(<10t／min)，渣流小，出铁时间长，南北场铁水温差大。3月6日以后随着炉缸状态变好，铁水温度上升，铁流变大(>15t／min)，南北场炉温接近一致。

如图5，在140—150t／h的熔炼率、50～60％的DRI金属化率条件下，2010年12月一2011年2月，焦比和燃料比迅速升高并分别维持在220～240kg／tHM和1000～1030kg／tHM的高位。

2010年12月一2011年2月，B煤和其他煤的水分约上升2—3％，宝钢小块焦水分上升3％，包括DRI金属化率波动和操作因素在内，虽然会增加焦比、燃料比，但焦比从14～18％上升到20～24％，燃料比从950～980kg／tHM上升到1000～1020kg／tHM，块煤质量下降的可能性很大。

从燃料结构上，2010年12月至2011年3月初，受资源限制，宝钢焦配比逐步减少。从燃料质量上，如图6，2011年1—3月，山西焦、宝钢焦的粉率均高于2010年10一11月份的水平，而且其中一段时间宝钢焦的粉率高达30～40％。在如炉块煤中，Briquette煤的粉率最高，11月～12月中旬粉率为20～30％，12月下旬～2011年2月中旬增加到30～50％。B煤12月～2011年1月的粉率也比11月份明显增加5～10％。Briquette煤和B煤的平均粒度从12月起逐步下降，从20mm下降到15mm。焦炭和块煤的平均粒度从2011年2月下旬开始才逐步上升。

2010年9月2日炉缸取样结果见图7。取样前，入炉块煤的平均粒度为22mm，焦炭为17mm，入炉燃料的总粉率为20～25％。根据对除渣、铁外的半焦与焦炭混合物的筛分数据，对半焦和焦炭颗粒肉眼观察、显微镜鉴别分析可知，回旋区长度0．60～0．80m，风口前0～1．0米范围内，半焦粒度<6mm，>10mm颗粒绝大部分是焦炭，<6．3mm的粉率高达60％以上，而风口前2～3m死料柱区粉率则高达70—80％。可见块煤到炉缸全部粉化，粒度很小。

2010年11月，热性能好的A煤比例下调，B煤比例提高，但使用了质量好的宝钢小块焦(水分<3％，平均粒度20～26mm)，使用量占入炉总焦炭比例的50～80％。由于宝钢小块焦高热值、强度好，即使在DRI金属化率不断下降(从60％下降到45％)的情况下，焦比、燃料比大幅度下降，焦炭比例从19％下降到15～15．5％，燃料比从1000—1050下降到950kg／tHM。根据2010年12月9日休风取样结果，如图7，风口前1．5米内焦炭的数量明显增加，炉缸中心区域粉末大幅度减少，这与11月炉缸侧壁温度稳定、燃料比低相吻合，同时表明宝钢焦对炉缸活性状态和热状态的改善起了重要作用。2010年12月宝钢焦减少到30～50％，2011年1～2月维持在30％左右，这种改善作用减小。

气化炉入炉燃料粉末除一部分在装入时随煤气带走外，大部分落在半焦床料面上，块煤在料柱下降过程中裂解和通过熔损反应、渣铁侵蚀产生碎化。COREX风口回旋区很短，炉缸活跃区面积很小，死料柱体积很大，且风口前和死料柱内粉末含量很高，透气性必然较差。当煤和焦炭平均粒度小、粉率高时，气化炉料柱和炉缸半焦床透气性变得更差，使风口前压力和气化炉压差升高，气化炉顺行不稳定，煤气与DRI物理热交换不良。同时，风口和炉缸工作不均匀，炉缸透液性变差，渣铁与炉缸半焦间的热交换变坏，造成铁水温度偏低、铁水温差变大，焦比和燃料比升高。炉缸不活导致炉芯温度下降、侧壁温度升高，炉缸内渣铁流动和排放能力下降，出铁铁流变小。当燃料质量逐步转好，炉缸内的粉末通过渗碳、直接还原等途径大部分消化完毕，炉缸状态变得活跃，炉缸热量充沛，气化炉操作参数和燃料消耗恢复正常。可见，2010年12月至2011年2月间的炉况变化主要是入炉块煤粉率高，大量粉末在气化炉内长时间积累，导致炉缸状态变差造成的。

因此，必须使用好的块煤，减少入炉粉率。因为到风口水平只有焦炭能保持一定的粒度，所以当块煤质量下降时，需要加入适当比例的焦炭来改善半焦床及炉缸透气性，提高炉缸热交换能力和炉热的稳定性。燃料质量变差对气化炉工况和操作指标的影响有一定的滞后性，炉缸死料柱状态的更新约需10—15天时间，生产上需要提早采取改善炉缸工况的措施。

2．3块煤质量和焦比对风口破损的影响

风口破损多是影响COREX作业率提高和操作指标改善的一个主要问题，风口破损除与纯氧冶炼风口前温度过高有关外，还与风口前半焦粒度、炉缸活性状态密切相关。块煤质量和焦比影响炉缸半焦粒度、粉率和透气性、透液性，进而影响风口工作状况和使用寿命。

如图8，2008年10月～2009年4月，A煤、B煤的粉率平均在20～25％，山西焦<6．3mm和<8mm的粉率都在20～30％，煤的灰分11～15％，期间风口破损较多。生产实践表明，当煤的灰分连续几天大于11％或煤的粉率连续几天大于15％时，风口损坏数量就增加。

调查结果表明，氧气孔道扩大和灌渣是风口破损的主要形式，见图9。分析研究可知，氧气孔道扩大、风口破损的机理是，在风口前高温环境和透气性很差的条件下，高温煤气不能很快离开回旋区，部分向风口端面强烈回流，造成风口氧气孔道铜壁温度升高，从外向内软化或熔融，孔道逐步向宽度和深度方向扩展，铜壁变薄，最终使其强度降低，漏水而破损。炉缸死料柱透气性越差、氧气流速越高，高温煤气回流冲刷作用越强，风口孔道扩大越快，风口寿命越短。当风口前端粉末太多和炉温较低时，渣铁出不尽，风口孔道容易被渣、铁、焦沫的半熔物所堵塞，或者出现风口端面熔蚀、挂铁现象。

印度C一2000操作结果指出，煤的质量变差是造成风口损坏的一个重要原因[1]。随着粉率(﹣6．3mm)增加和平均粒度(MPS)减小，风口损坏数量增加，而且煤的粉率对风口破损的影响要比平均粒度大得多。煤的质量变差降低了半焦床的透气性，导致气化炉炉况不稳定，煤气流分布不均匀，出现很多的工厂压力尖峰，甚至出现管道，同时，风口前半焦粒度小，并有大量的粉末聚集，使风口前高温煤气透过困难，渣铁透液性差，风口前工况不稳定，造成风口大量破损。因此，必须强化入炉燃料的筛分，减少粉率，改善气化炉透气性。

图10是开炉以来月平均焦比与月风口破损数量的推移图，可见，焦比较低时风口损坏多，焦比在15～20％时，风口月破损数量都少于10个，低于月平均数。2008年10月后停用宝钢小块焦，2008年11月～2009年3月焦比从260kg／t逐步下降到130kg／t，虽然竖炉下降管堵塞和频繁休风对风口破损有很大影响，但在入炉块煤粉末多、炉缸透气性不良的情况下，大幅度降低焦比是造成风口破损数量显著增加的主要原因。

2009年8月12—15日入炉燃料平均粒度21．28mm，粉率11．37％，2009年8月19日风口取样结果可见，如图11，在炉墙前0～1．0米范围内，半焦粒度<6mm，焦炭粒度10～16mm，<6．3mm总粉率为57．45％，平均粒度只有6．68mm。该月风口破损数10个，焦比150kg／tHM，取样结果表明风口前工况很差。焦比相对偏低、气化炉工作不稳定、炉缸不活、风口氧气参数不合理，导致2009年7月一2010年4月风口破损数量居高不下。

由于块煤的半焦在风口前和炉缸内严重粉化，粒度小，只有焦炭能保持一定的块度，因此，适当增加焦炭比例，有利于改善半焦床透气性、风口前的透气和透液性以及渣铁的流动能力，降低风口灌渣和渣铁在风口端面附着的风险。所以，要维持炉缸活跃和减少风口破损，除减少煤的入炉粉末外，还需要保持一定的焦炭比例(13～15％)。

3  块煤破碎行为和C一3000用块煤的质量指标

3．1块煤破碎实验和结果

在模拟气化炉块煤下落过程的实验装置上，进行了2种主要煤种的冷态(常温)和热态破碎行为实验。炉膛高度约1米。热态实验时，将炉子加热到设定温度后加入块煤，保持设定温度一定时间后加入钢球，随即关掉加热炉，将炉膛在氮气氛下冷却至室温。对落下的煤样测定不同粒度的累计百分数。

在室温条件下的实验结果表明，如图12，不落下钢球，3种粒级B煤(Dat)的破碎程度均高于A块煤(XLZ)。有钢球落下时，入炉粒度为16—26．7 mm的A煤比B煤破碎严重，入炉粒度为8—16 mm、26．7—38 mm的B煤比A煤破碎严重。总体结果是，B煤比A煤容易破碎。

热态破碎实验结果表明，有球作用情况下，B煤经过700℃和800℃热解后，比常温下产生更多的粉末。从图13可见，在有球落下的情况下，26．7—38mm的B煤比A煤破碎严重。高温炉热解实验还发现，A煤颗粒在1100℃下裂解一定时间后，发生了粘结现象，而B煤无此现象，见图14。

分析研究可知，随着温度的升高，块煤的破碎程度加深，较大粒度的煤容易粉化。但温度对于<11 mm的块煤破碎行为影响不显著。B煤比A煤更加容易破碎，是由于B煤的矿物质和煤基质间存在大量的界面，导致外力或者热应力作用下的破碎。而A煤的破碎行为主要源自挥发分的析出。由于A煤有一定的黏结性(G值50～60)，可用于炼焦，高温裂解半焦具有较好的强度，因此比B煤不容易破碎。

3．2  C一3000用块煤的质量指标

COREX工艺用块煤需要有造气和半焦化作用，由于块煤在气化炉内裂解形成的半焦要承担料柱透气骨架功能和炉缸充填床功能，因此SVAI对COREX用单种煤和配合煤的质量指标提出了明确的要求，尤其对块煤的热爆裂性、半焦热性能要求很高。印度JSW COREX一2000经过十余年的生产实践，对块煤的性能要求、使用情况有深刻的认识，确定了本公司生产条件下的用煤质量标准。

表1列出了SVAI对C一3000用煤指标控制值和南非、印度C一2000实际用煤标准[2]，比较可见，C一3000用煤指标限制值普遍比C一2000实际使用值低，如果实际使用煤只达到指标下限要求，将对C一3000炉况和生产指标造成很大不良影响。

表2为宝钢C一3000测试和使用过的2种煤，从测试结果看，块煤冷态强度、块煤和半焦的热态性能都符合标准要求。但A煤种TMS+10比B煤种高25％，G值也远超过B煤种，这解释了A种煤高温下发生粘结、生产中使用比例高时气化炉炉况好的原因。南非和印度COREX一2000对煤的自由膨胀序数FSI比较重视，FSI在1．5—2．5的煤，其半焦反应后强度CCSR可达到30—60％，与其他煤种配合使用，可提高配合煤的CCSR[3]。说明有一定结焦性的煤，其半焦有较好的冷、热强度，应作为C一3000生产用的主要煤种。FSI反映块煤的粘结性和在COREX气化炉内的半焦化程度，所以应将FSI指标和粘结指数G作为选煤指标。

印度C一2000要求煤裂解半焦的CCRI<35％，CCSR(+10mm)>45％，对煤的粒度、粉率进行严格控制，要求煤的平均粒度在19～22mm，﹣6．3mm比例在15％以下[4]。COREX一2000生产操作表明[5]，当CCSR较高时，焦比较低。使用热稳定性差和CCSR低的块煤，或者其入炉粉率较高时，气化炉工厂压力尖峰次数增加，容易出管道，需要增加焦比，燃料比升高。说明热态性能指标差的块煤，入炉后形成的半焦强度低、粒度小、粉末多，会使半焦床透气性变差。因此，为适应COREX气化炉拱顶环境，并使形成的半焦具有较好的热态强度，承担气化炉料柱骨架的大部分作用，从而降低焦比，块煤的热稳定性和半焦反应后强度等热态性能指标应作为最重要选煤指标。

到达料场的块煤中，+20mm的部分直接通过皮带机转运至COREX炉煤槽，一20mm的部分先转运到煤干燥机，干燥和筛分，再转运至COREX炉煤槽。从表3可见，料场块煤转运过程中破碎严重。为减少块煤导运造成的破碎和粉化，除减轻转运站煤流与仓壁撞击和控制煤入槽时的槽位外，块煤的冷强度指标不应忽视，MS或HGI指标也应达到下限以上要求。当然，块煤毕竟没有焦炭那样的冷强度，破碎、粉化不可避免，在装入气化炉前进行槽下筛分是非常必要的措施。C一3000炉缸直径比C一2000大，设计熔炼率比C一2000高1倍，对炉缸状态和煤的性能、粉率、粒度要求应更高。宝钢C一3000入炉块煤和Briquette煤的粉率较高，<5mm的比例约20～22％，平均粒度也偏小(15～20mm)，粒度指标与C一2000相比有很大差距。因此，必须采取有效措施，改善块煤、Briquette煤的质量，首先要严格控制入炉粉率，焦炭粉率至少控制在10％以下，块煤粉率应控制在15％以下。

4  结论

本文通过研究块煤在气化炉拱顶自由空间破碎行为、在风口前和炉缸内的粉化程度以及入炉燃料粉率对气化炉工况、炉缸状态、风口破损、焦比等影响，得出以下结论：

(1)模拟气化炉拱顶工况条件的破碎实验表明，高温和有外力作用下，块煤发生显著破碎，且粒度大、无粘结性的煤破碎更严重；

(2)COREX一3000风口取样分析显示，块煤到气化炉风口前严重粉化，炉缸内﹣6．3mm粉末比例高达60—80％，表明COREX风口前和炉缸内透气性、透液性很差；

(3)COREX一3000生产操作结果表明，入炉块煤和焦炭粉末比例偏高，将导致气化炉炉况不良、炉缸活性下降、风口破损数量增加，炉缸热交换变坏，出渣铁不畅，焦比和燃料比升高；

(4)通过对块煤质量指标及其对COREX操作影响的分析，认为COREX用煤应优先满足热稳定性和半焦热性能指标标准，同时应重视FSI、G值和冷强度指标；

(5)要采取减缓转运过程破碎特别是槽下筛分等措施，严格控制入炉块煤粉率。为维持良好的半焦床透气性和炉缸活性状态，实现高熔炼率、低燃料比操作，保持13～15％的焦比是必要的。

参考文献