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COREX熔融气化炉中块煤裂化现象的研究
湛文龙1，吴铿1，徐万仁2，刘起航1，任海亮1，吴小辉1
(1.北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083；2.宝钢股份有限公司研究院，上海 201900)
摘 要：COREX流程主要使用块煤作为燃料，但仍需要加入一定比例的焦炭来支撑熔融气化炉内炉料，保证炉况顺行。块煤裂解形成的半焦和焦炭在熔融气化炉内的劣化程度对煤气流的透气性、渣铁的透气透液性和炉缸热量的分布等影响较大。利用风口取样技术取出风口焦试样，进行粒度分布研究、显微结构分析、透气性指数计算和热态性能测定，发现风口焦试样中大于10mm的较大颗粒多为入炉焦炭劣化所致，小于10mm的小颗粒多为块煤裂解所致；认为块煤挥发分热解后的产物会加剧焦炭的溶损反应，且块煤裂解半焦的反应后强度不及入炉焦炭，半焦在炉内的劣化是影响渣铁透气透液性的主要因素；最后结合对试验结果的分析，给出了降低COREX流程能耗的一些措施。
关 键 词：COREX熔融气化炉；块煤；风口焦；裂化；热态性能
COREX熔融还原流程采用非炼焦煤直接生产铁水，在一定程度上缓解了当今焦炭资源短缺的问题[1]。但从目前现有COREX工厂的实际生产状况来看，块煤在熔融气化炉内成焦性能差，难以支撑炉内料柱，因此仍需在炉内中加入一定比例的焦炭，熔融气化炉内的冶炼环境不同于高炉，焦炭在炉内的劣化伴随着块煤的裂解和与海绵铁的直接还原反应，其劣化程度是能否维持炉温稳定、炉缸活跃等必要炉缸工作要求的关键。
目前对于高炉风口焦的研究已较为成熟[2-7]，使用块煤的COREX熔融气化炉和高炉下部类似[8]，但熔融气化炉风口试样较高炉风口试样更为复杂，风口焦的组成包含入炉焦劣化后的焦炭和块煤裂解后形成的半焦。本文详细研究了风口焦的劣化情况，为确定风口前焦炭和块煤裂解形成半焦的劣化程度提供了帮助，为提出调整燃料结构，降低COREX流程燃料消耗奠定了基础。
1 风口焦试样的劣化程度
1.1 风口焦的粒度分布
比较计算风口焦与入炉焦的粒度差，可以实际检验焦炭在炉内的劣化程度。在COREX熔融气化炉进行风口取样时，风口焦组成较为复杂，有焦炭、半焦、煤粒、铁珠、炉渣等，沿风口径向由内到外所取6个位置(每隔0.5m取样)的风口试样依次编号为1～6号，经自然冷却后进行铁、焦炭(半焦)和渣的分离，之后对分离后的焦炭(半焦)试样进行筛分，筛分粒级为16、10和2.5mm。
图1为熔融气化炉风口试样中不同位置焦炭(半焦)不同粒度的分布。可以看出，随着沿风口前距离的增加，大块风口焦所占比例呈减少趋势，小块焦的比例有所增加，而且风口前活跃区(0.5～1.0m)的平均粒度为10～12mm，靠近死料柱区域(2.5～3.0m)的平均粒度在4～6mm的范围，且小于2.5mm的颗粒比例高达35%。
1.2 半焦的显微结构分析
入炉焦炭和块煤裂解形成后的半焦在熔融气化炉内劣化程度大不相同，有必要对其加以区分，并分别进行分析研究。
风口焦试样中大于16mm的颗粒具有明显的焦炭特征，判断其为入炉焦在炉内劣化所致；10～16mm的试样中有大量焦炭和半焦的粘结物颗粒，焦炭居多，且部分半焦可以用肉眼分辨出类似于煤的片层结构(图2)。
因焦炭结构没有明显的气孔且无层状，由此可推断图2中的风口焦是块煤在熔融气化炉内裂解后形成。取小于10mm的风口焦小颗粒抛光制样，利用扫描电镜观察其微观结构(图3)。
由图3可见，小颗粒的风口焦试样具有2种明显的显微结构。目前宝钢COREX流程主要使用的块煤是大同煤和兴隆庄煤，据此推断是由于大同煤和兴隆庄煤性质的差异所致。兴隆庄煤属于气煤，且其粘结性较好，是良好的炼焦辅助煤，入炉后裂解形成的半焦会有明显的气孔。而大同煤裂解后的半焦试样呈层状结构。因此风口焦试样中小于10mm的小颗粒多为入炉块煤裂解所致。将风口焦的平均粒度和粉率与取样前入炉燃料粒度、粉率进行比较。
COREX对入炉块煤粒度的指标要求为19～22mm，粉率控制在10%～15%[9-10]，不同位置风口焦的平均粒度为5.97～2.30mm。由于风口试样中大于10mm的颗粒大部分为焦炭，块煤裂解形成的半焦颗粒平均粒度应小于5.97mm，而入炉块煤的平均粒度大于19mm，因此块煤在熔融气化炉内裂解后形成的半焦在熔融气化炉炉内经高温挤压、破碎后，粉化现象严重。
2 风口焦的透气性分析
透气性指数可作为反映熔融气化炉顺行情况的监控指标。由欧根公式可知，在熔融气化炉气流调剂能力充足的情况下，焦炭和半焦在炉内的劣化程度是影响透气性指数的变化的重要因素。结合风口焦试样的粒度分析，可反映风口前不同位置焦炭和半焦的劣化对透气性指数的影响(图4)。
由图4可知，不同位置风口焦的透气性指数普遍较低。这是由于熔融气化炉采取风口鼓吹纯氧，气流作用小，导致大量炉料颗粒堆积，死料柱区域面积大。对不同位置风口焦的透气性而言，风口前活跃区(0.5～1.0m)的透气性指数高于0.06，是靠近死料柱区域(2.5～3.0m)透气性指数的近3倍。这是由于COREX主要靠风口前冶炼，活跃区下料快，燃料和DRI主要分布在边缘地带，更新快，焦炭相对较多，颗粒较大。因此，半焦在炉内侵蚀加剧是导致熔融气化炉透气透液性和热交换能力较差的主要因素。
3 块煤半焦的热态性能分析
焦炭的热态性能是衡量评价其劣化程度的重要指标之一。由于取出的风口焦试样粒度不同，反应特性也有差异，将每批风口焦试样分大块焦和小块焦分别进行试验，大块焦是将10～15mm风口焦试样(大多为入炉焦劣化)砸制成粒级4～6mm的焦样；小块焦是将小颗粒风口焦(大多为块煤裂解)直接筛分得到粒级4～6mm焦样。每批次中各试样号和对应的风口前距离如表1所示。
测定风口焦热态性能时，采用的控温设备是型号为KSY-6-16A的温度控制器，电炉为SK2-2.5-13S(A)管式高温电阻炉，各项参数为：功率2.5kW，单相，工作电压50～210V，额定温度为1300℃，炉膛尺寸为22mm×180mm。每次试验可同时做2组试样，互为平行样。
测定焦炭的反应性能采用国家标准GB/T4000—1966，通常称为块焦法。但块焦法需要反应介质(焦炭)的量较大，所以实验室采用粒焦法研究焦炭的反应性能。图5和图6分别为不同位置风口焦试样的反应性和反应后强度。
由图5和图6可知，小块焦的反应性普遍高于大块焦，而反应后强度低于大块焦，反映了入炉焦和块煤裂解形成的半焦在熔融气化炉内都有不同程度的劣化，块煤加入到COREX熔融气化炉后，在自由空间区(温度超过1000℃)迅速干燥，脱除挥发分，生成CO、CO2、H2和H2O等，半焦和灰分留在半焦床内。CO2与焦炭发生气化反应，焦炭的溶损过程加剧[11-13]；同时，块煤裂解形成的半焦在炉内下降过程中受到破碎撞击、蚀损等物理化学作用后，粉化严重，且其劣化后的强度不及入炉焦炭。对风口焦的反应性和反应后强度进行数学分析，发现具有良好的线性相关性，对应的回归方程为：CSR=102.3-1.2297·CRI，符合焦炭热态性能的一般规律。
4 降低COREX流程燃料消耗的措施
目前钢铁企业致力于优化工艺参数和降低能耗，其重点在于降低焦炭的消耗。对于现有的COREX，印度金达尔厂和南非萨尔达厂COREXC2000焦炭的使用比例分别达到20%和14%左右[14]。但宝钢的COREXC3000因其炉容和产能较大，对焦炭支撑料柱的骨架作用和透气性均提出了更高的要求。
由实验室对熔融气化炉风口焦劣化程度的一系列分析可知，块煤在炉内成焦性能较差，形成的半焦试样在粒度、热态性能等方面都不如入炉焦炭，难以满足气化炉炉缸工作的要求。从生产实践来看，宝钢在使用焦炭的比例较高(25%左右)的情况下，采取了一系列措施来降低焦比：优化块煤在熔融气化炉内的性能指标，对入炉块煤进行了炉外预处理、选择热稳定性高的块煤与焦炭合理匹配使用，考虑用部分高炉不用的低质焦炭和半焦替换一定比例的入炉块煤，合理调整燃料结构，开发并优化熔融气化炉喷煤技术等。
5 结论
1)COREX熔融气化炉风口取样研究表明，风口焦试样中大于10mm的较大颗粒大部分为入炉焦炭劣化所致，小于10mm的小颗粒大部分为块煤裂解所致。
2)熔融气化炉采用纯氧鼓风，因风口回旋区较小，块煤裂解后形成的半焦颗粒在靠近死料柱区域大量堆积，这是熔融气化炉透气透液性恶化的主要因素。
3)小块焦的反应性普遍高于大块焦，但反应后强度低于大块焦。这说明块煤裂解后产生的半焦在炉内的劣化程度高于入炉焦炭。
4)优化块煤在熔融气化炉内的性能指标，对入炉块煤进行炉外预处理，合理匹配使用热稳定性高的块煤和焦炭，合理调整燃料结构，开发并优化熔融气化炉喷煤技术等是降低COREX流程燃料比的有效途径。
参 考 文 献：
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