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到較低的程度，很難進一步下降。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，至今尚未達成一個反映高爐實際情況的、被行業(yè)普遍認可又不過剩的質(zhì)量標準，甚至部分文獻表達了與焦炭熱性能現(xiàn)有評價截然相反的觀點，也影響了焦炭配煤成本的控制。

本文通過采用熱重試驗和新日鐵焦炭熱強度的檢測方法對不同反應(yīng)性燃料的互補性進行了研究，然后模擬高爐實際升溫制度和氣氛，研究不同反應(yīng)性的燃料在高爐內(nèi)各自的強度變化，通過熔滴試驗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試驗過程

試驗原料有冶金焦、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。試驗采用熱重試驗、新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后的熱重試驗結(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)果也證實了上述結(jié)果。

固定失重下兩種燃料混合后的失重和強度變化。

對于不同的高爐生產(chǎn)實績而言，焦炭進入風口回旋區(qū)時其失重大約在20%～30%。參考新日鐵焦炭熱強度的檢測方法，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，當燃料氣化失重約30%時中斷試驗，分揀各單種燃料檢測各自的失重量和反應(yīng)后強度。表2和表3分別為冶金焦與高反應(yīng)性焦和蘭炭塊各100g混合后固定失重熱強度檢測結(jié)果(因設(shè)備精度問題，失重難以準確控制在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，遠遠低于平均值，因而其強度得到了保護。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(yīng)性焦炭的反應(yīng)后強度可知，蘭炭的熔損反應(yīng)更多地聚焦于表面，因而盡管其失重嚴重，但強度相對更好一點。

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度變化，試驗條件見表4，試驗結(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試驗時的一半左右，其對應(yīng)的強度也得到了保護。

高反應(yīng)性燃料裝料方式及使用效果比較。

上述試驗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)，保護其強度。研究者對高反應(yīng)性燃料與燒結(jié)礦是層裝還是混裝進行了試驗探索。根據(jù)常規(guī)的熔滴試驗方法，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，認為高反應(yīng)性焦可以降低高爐熱儲備區(qū)溫度，促進高爐內(nèi)鐵氧化物的還原，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)性焦的熱力學平衡條件更好，因而部分學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平衡條件，人為地提高焦炭的反應(yīng)性，其實是不必要的，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)布的檢測方法導致不同的焦炭熔損量差別很大，因而強度差別也會很大。

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度，又能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。