崔坤坤1 李福民1 呂 慶1 盧建光2,３ 李 威1 劉 銘1
(1華北理工大學(xué)； 2東北大學(xué)冶金學(xué)院；3河北鋼鐵集團(tuán)邯鄲公司)
摘 要：為了使高爐生產(chǎn)更加高效、 節(jié)能環(huán)保， 提出了高爐噴煤新工藝，將造氣爐內(nèi)煤氣化生產(chǎn)富氫煤氣代替高爐噴煤。采用二硅化鉬高溫爐對(duì)不同工藝參數(shù) (溫度、 時(shí)間、 壓力、 氣化劑流量) 下煤的氣化進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，用紅外線氣體分析儀分析產(chǎn)出煤氣的氣體成分，結(jié)果表明: 隨著溫度的增加， 煤氣中 CO含量升高，H2含量逐漸降低，還原氣體組分(CO＋H2 )含量增加的速率逐漸變緩；煤氣中的還原氣體組分含量隨著反應(yīng)時(shí)間的增加先增加后減少；隨著壓力的增加，煤氣中 CO和H2的含量先增加，繼續(xù)加壓，煤氣中的 CO含量逐漸平穩(wěn)且有下降的趨勢(shì)，H2含量的上升逐漸變緩，煤氣中的還原氣體組分含量升高的速率逐漸變慢；隨著氣化劑流量的增加，煤氣中還原氣體組分含量先升高后降低，H2和 CO含量均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。當(dāng)反應(yīng)溫度為 1000℃ ，反應(yīng)時(shí)間為 5min，氣化劑流量為 10Ｌ/ min，煤氣出口壓力為0.5kPa時(shí)，造氣爐最佳煤氣產(chǎn)出成分CO 和H2分別為49.05%和 18.75%。
關(guān)鍵詞：煤造氣；高爐噴吹；煤氣成分
高爐噴煤是煉鐵過(guò)程中的一項(xiàng)重要技術(shù)措施，可以降低冶煉成本、 增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力，但系統(tǒng)設(shè)備比較復(fù)雜，占用空間較多，而且投資較高，在獲得經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，直接向高爐噴吹煤粉會(huì)給高爐冶煉過(guò)程帶來(lái)許多負(fù)面問(wèn)題[1－3]。新的高爐煉鐵節(jié)能減排技術(shù)將成為今后研究的重點(diǎn)， 國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和鋼鐵企業(yè)對(duì)此已做了大量研究，并取得了一定成果，例如，高爐富氫冶煉、 爐頂煤氣循環(huán)利用等技術(shù)已成為當(dāng)今的研究熱點(diǎn)[4]。
高爐富氫冶煉主要是噴吹含氫原料，如噴吹水蒸氣、 廢棄塑料等富氫物質(zhì)。但噴吹水蒸氣要消耗大量的熱量，所以不能作為大量提高含氫量的手段；與煤相比，廢塑料氣化產(chǎn)物中 H2 / CO的比值要遠(yuǎn)大于噴吹煤粉時(shí)的比值，更有利于鐵氧化物的高溫還原[5]， 國(guó)內(nèi)對(duì)廢塑料的前期分類(lèi)或處理手段的不足導(dǎo)致高爐噴吹塑料還處于研究階段[6]；把高爐煤氣或富氧后的高爐煤氣直接噴入高爐均會(huì)造成生產(chǎn)率降低、 燃料比升高等缺點(diǎn)， 增加煉鐵成本[7] 。噴吹焦?fàn)t煤氣須對(duì)其進(jìn)行凈化處理，投資比較大，另外，我國(guó)優(yōu)質(zhì)焦?fàn)t煤氣供應(yīng)緊缺[8] ，所以噴吹焦?fàn)t煤氣只能當(dāng)作噴煤的補(bǔ)充，很難實(shí)現(xiàn)單一噴吹。
基于此，提出了高爐噴吹新工藝[9] ，即把煤粉在造氣爐燃燒氣化，把風(fēng)口前的燃燒轉(zhuǎn)移到造氣爐，其工藝流程為: 造氣爐燃燒煤→產(chǎn)生高溫煤氣→噴入高爐，這樣不僅可以簡(jiǎn)化操作、 改善爐況, 而且還能調(diào)節(jié)噴吹的煤氣成分，噴入含氫量相對(duì)較高的煤造氣，從而實(shí)現(xiàn) “富氫” 冶煉[10]，造氣爐中優(yōu)劣煤都可以用，用普通煤代替部分焦炭，節(jié)省焦炭的使用[11] 。
煤造氣在煤化工領(lǐng)域研究的比較多，目前很多學(xué)者對(duì)造氣爐做了大量的研究 [12 －15] ， 對(duì)造氣爐的各個(gè)參數(shù)的研究也很多。但是大多數(shù)都是固定床或者流化床造氣爐的研究，而且所用的原料與技術(shù)手段也不相同。在冶金領(lǐng)域，關(guān)于高爐噴吹煤氣的半固定床造氣爐的研究更是不多，高爐噴吹煤氣需要高溫、 高壓、 造氣量大、 成分穩(wěn)定，而且必須保證造氣爐可以連續(xù)且穩(wěn)定地向高爐內(nèi)部噴吹煤氣，所以必須得對(duì)造氣所用的半固定床造氣爐的各個(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行研究。文章主要研究造氣爐各個(gè)工藝參數(shù)對(duì)煤氣成分的影響規(guī)律，為高爐噴吹煤氣的造氣爐的實(shí)際生產(chǎn)提供理論參考。
1 實(shí)驗(yàn)條件與方法
1.1 試驗(yàn)原料及設(shè)備
試驗(yàn)使用煙煤和無(wú)煙煤煤塊作為配煤的原料，原料煤的工業(yè)分析如表1所示。試驗(yàn)所用的煙煤和無(wú)煙煤配比分別為92.5%和7.5%。試樣煤經(jīng)過(guò)對(duì)輥機(jī)破碎之后，篩分成 8 ~10mm 的均勻煤塊，試驗(yàn)裝置為二硅化鉬高溫爐，電腦控制加熱，爐內(nèi)反應(yīng)器為Φ70mm ×5mm×600mm 的封閉耐熱鋼管，上面設(shè)有加料裝置、 出氣裝置和加水蒸氣裝置，反應(yīng)器底部鋪墊直徑為 8mm 的 剛玉球，鋪墊高度為 200mm。試驗(yàn)裝置如圖1所示。試驗(yàn)原料由上部加料口加入， 且加料口可密封，每組試驗(yàn)料層厚度為200mm。試驗(yàn)所用水蒸氣由上部加水蒸氣裝置通過(guò)細(xì)耐熱鋼管直接加入，試驗(yàn)所用氣體由轉(zhuǎn)子流量計(jì)按照預(yù)定比例經(jīng)過(guò)混氣罐后從反應(yīng)器底部通入，煤氣從上部出氣管排出，由集氣袋收集之后，把集氣袋連接在紅外光譜氣體分析儀上，檢測(cè)其氣體成分， 記錄每組參數(shù)所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。
1.2研究方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果
二硅化鉬爐按照計(jì)算機(jī)程序以10℃ / min 升溫，升溫期間持續(xù)通入氮?dú)?，達(dá)到預(yù)定溫度，開(kāi)始通入氣化劑，反應(yīng)穩(wěn)定后，用集氣袋收集氣體，然后用紅外光譜氣體分析儀檢測(cè)每組氣體成分，工藝參數(shù)煤氣出口壓力、 反應(yīng)時(shí)間、 氣化劑流量及煤氣成分如表2 所示。氣化劑按O2 ∶ N2∶CO2 ∶H2O ＝ 21∶69∶5∶5 進(jìn)行配比。
2 不同工藝參數(shù)對(duì)煤氣成分的影響
2.1溫度對(duì)煤氣成分的影響
煤氣中各氣體成分含量隨反應(yīng)溫度的變化如圖2 所示。當(dāng)反應(yīng)溫度為 900℃ 時(shí)，C 與 CO 氣化反應(yīng)緩慢，煤氣中CO含量不高為32.87%，但是H2含量最高為19.26%。隨著反應(yīng)溫度的升高，煤氣中的CO 含量逐漸升高，當(dāng)反應(yīng)溫度為1000℃時(shí)，煤氣中 CO含量為 40.76%。隨著反應(yīng)溫度的繼續(xù)升高，煤氣中的 CO含量升高變得緩慢，煤氣中H2含量隨著溫度的升高而略微有所降低，因?yàn)殡S著溫度的升高，C 與 CO2 反應(yīng)速率加快，煤氣中的CO含量逐漸增多，從而稀釋了煤氣中的H2。當(dāng)溫度為900℃時(shí)，煤氣中的還原氣體組分 (CO＋H2 ) 含量為 52.13％，當(dāng)溫度從 900℃升到1000℃時(shí)，煤氣中還原氣體含量升高較快為 57.77%，溫度繼續(xù)升高到1100、1200℃，煤氣中還原氣體含量變化不大，只有略微的增加。所以綜合考慮，反應(yīng)溫度選擇1000℃，這樣煤氣中H2含量較高，且還原氣體含量也在一個(gè)較高的水平。
反應(yīng)溫度是煤炭氣化過(guò)程中的一個(gè)重要參數(shù)，因?yàn)榉磻?yīng)溫度不但能影響氣化反應(yīng)速率， 同時(shí)也能控制反應(yīng)的正反。C與 CO2 反應(yīng)是典型的非均相吸熱反應(yīng)，升高溫度使反應(yīng)速率增加，所以煤氣中的 CO濃度升高。 C和H2O 的反應(yīng)也是吸熱反應(yīng)，提高溫度有利于反應(yīng)的順行，同時(shí)，碳原子能量增加，碳鍵吸收能量之后更易與水發(fā)生反應(yīng)，但是隨著溫度的持續(xù)升高，溫度對(duì)煤反應(yīng)性的影響逐漸變小，這一結(jié)論與王培[16] 所得結(jié)論相同，李文軍[17] 就 CO2 －O2 －H2O 混合氣氛下煤氣化過(guò)程進(jìn)行了分析，隨著氣化溫度的升高，CO2 的還原反應(yīng)加劇，產(chǎn)品煤氣中 CO含量不斷增加，而H2 含量不斷下降，CO 和 H2總含量維持不變。C 與CO2 的反應(yīng)速率要比與 H2O 的慢，C與 CO2 的反應(yīng)需要吸收更多的熱量，所以，當(dāng)溫度比較低的時(shí)候，煤氣中H2的含量比較高，當(dāng)溫度逐漸升高時(shí)，C與 CO2 的反應(yīng)逐漸加快，煤氣中 CO含量逐漸升高，相對(duì)的，煤氣中的H2濃度稍有降低。
2.2反應(yīng)時(shí)間對(duì)煤氣成分的影響
煤氣中各氣體成分含量隨反應(yīng)時(shí)間的變化如圖3所示，反應(yīng)1min 后，檢測(cè)出收集煤氣中的CO含量為 34.34%， 含量為6.75％ 。隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，煤氣中的CO 和 H2含量均有所增加， 5min 時(shí)，煤氣中的CO 最高達(dá)到最高為40.76%時(shí)，煤氣中的H2含量達(dá)到最高為17.17%，反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，煤氣中的 CO 和H2含量均有所降低。煤氣中還原氣體組分 (CO ＋2H2 ) 的含量隨著反應(yīng)的進(jìn)行，先增大后減小，從1min 時(shí)的 41.09%，增加到5min時(shí)的57.77%，之后開(kāi)始降低，9min 時(shí)還原氣體含量降低到53.37%。
當(dāng)反應(yīng)只進(jìn)行1min，氣化劑與反應(yīng)器中的煤反應(yīng)不完全，所以煤氣中的 CO 與 H2 含量很低，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)逐漸穩(wěn)定，煤氣中的CO和H2含量逐漸上升。反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，由于反應(yīng)器內(nèi)的料層不能添加，能與CO2 反應(yīng)的煤的比表面積逐漸減少，導(dǎo)致C轉(zhuǎn)化減慢。H2O的吸附活化能低于 CO2 [18 －19]，所以C更容易與H2O 反應(yīng)，煤氣中的H2含量相對(duì)下降較少。實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)該適當(dāng)?shù)卦黾用簩雍穸?，氣化劑流量與煤層厚度之間的關(guān)系需進(jìn)一步的研究。
2.3氣化劑流量對(duì)煤氣成分的影響
煤氣成分隨氣化劑流量的變化如圖4所示，隨著氣化劑流量的增加，煤氣中H2和 CO含量均有一個(gè)明顯的增加，在流量為10 L / min 時(shí)，H2 和CO含量都達(dá)到最大值，分別為 17.01％ 和40.76%，當(dāng)氣化劑流量進(jìn)一步增加，煤氣中還原氣體含量明顯降低。
通入反應(yīng)器中的氣化劑流量較小時(shí)，煤與氣化劑的反應(yīng)不完全，反應(yīng)進(jìn)行不徹底，生成的煤氣中 CO 和H2含量較低，隨著通入的氣化劑流量的增加，反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)程度增加，反應(yīng)溫度也隨之升高，故加快了CO2 與C的還原反應(yīng)和 C與 H2O 的反應(yīng)， 所以煤氣中CO和 H2的含量增加，當(dāng)氣化劑流量超過(guò)10 L/ min 時(shí)，氣化劑相對(duì)于煤炭有些過(guò)量，過(guò)量的氣化劑與煤氣中的CO、H2等可燃成分發(fā)生燃燒反應(yīng)，導(dǎo)致煤氣中CO、 H2含量減少，煤氣中的CO2含量逐漸增加，這一結(jié)論與朱二濤[11]的造氣試驗(yàn)結(jié)果一致。
2.4煤氣出口壓力對(duì)煤氣成分的影響
煤氣成分的變化與煤氣出口壓力的關(guān)系如圖5所示，在一定的壓力范圍內(nèi)，隨著壓力的增加，煤氣中CO 和H2的含量呈上升趨勢(shì)，當(dāng)壓力為0.5kPa時(shí)，CO含量達(dá)到最大值為 49.05％ 。 隨著氣化壓力的繼續(xù)增加，CO 含量逐漸平穩(wěn)，H2含量有一個(gè)略微的上升趨勢(shì)，在一定的壓力范圍內(nèi)，還原氣體組分 (CO ＋H2 ) 的含量隨著壓力的增加有一個(gè)明顯的增加，升高逐漸變得緩慢。
壓力對(duì)煤炭氣化有很大的影響，從熱力學(xué)分析，壓力增加有利于甲烷化反應(yīng)，即反應(yīng)會(huì)向體積減小的方向移動(dòng)，不利于體積增大的氣化反應(yīng)，但實(shí)際上，在相對(duì)低壓范圍內(nèi)，增加壓力相當(dāng)于提高了氣化劑的濃度，氣化劑的濃度增加，C與CO2的氣化反應(yīng)隨壓力增加呈近似線性的關(guān)系增加[20]。但是隨著壓力的繼續(xù)增加，反應(yīng)速率的進(jìn)一步增加變得逐漸困難，壓力對(duì)反應(yīng)速率的影響越來(lái)越小，當(dāng)壓力很大時(shí)，氣化劑向煤孔隙擴(kuò)散過(guò)程逐漸變得困難[21] ，對(duì)C與CO2的反應(yīng)速率反而有一個(gè)負(fù)面作用， 所以煤氣中的CO含量有所降低。隨著壓力的增加，氣化劑 H2O增加，反應(yīng)速率加快，煤氣中的H2 含量逐漸增加，之后壓力繼續(xù)增加，壓力對(duì) C與 H2O反應(yīng)速率的影響也變得越來(lái)越小。
3 結(jié)論
(1) 當(dāng)反應(yīng)溫度為900℃ 時(shí)，煤氣中H2含量處在一個(gè)較高的水平低，在一定溫度范圍內(nèi)，隨煤著氣反中應(yīng)CO溫度含的量升比高較，煤氣中的 CO濃度升高得較快，煤氣中的 H2含 量略微降低，煤氣中還原氣體組分 (CO＋H2 ) 的含量隨溫度的升高而升高，當(dāng)溫度進(jìn)一步升高，還原氣體組分含量升高變得緩慢。
(2) 反應(yīng)時(shí)間很短的時(shí)候，煤氣中的還原氣體組分 (CO＋H2 ) 含量較低，隨著反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，煤氣中的成分逐漸穩(wěn)定，還原氣體組分含量逐漸升高且變得穩(wěn)定，5min時(shí)煤氣中的 CO最高達(dá)到最高為 40.76％ ， 7min時(shí)煤氣中的 H2含量達(dá)到最大為 17.17％ ，隨著反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行，煤氣中還原氣體組分含量會(huì)慢慢降低。
(3) 隨著氣化劑流量的增加，煤氣中還原氣體組分 (CO＋H2 ) 含量先升高后降低， 煤氣中 H2 和CO含量均呈先升高再降低的趨勢(shì)。
(4) 在一定的壓力范圍內(nèi)， 隨著壓力的增加， 煤氣中CO 和H2的含量呈上升趨勢(shì)，隨著氣化壓力的繼續(xù)增加，煤氣中的CO含量逐漸平穩(wěn)且有下降的趨勢(shì)，煤氣中H2含量的增加逐漸緩慢，煤氣中的還原氣體組分 (CO ＋H2 ) 含量在一定壓力范圍內(nèi)升高明顯，隨著壓力的進(jìn)一步升高，煤氣中還原氣體組分含量的繼續(xù)升高變得緩慢。
(5) 當(dāng)溫度為1000℃ ，反應(yīng)時(shí)間為 5min，氣化劑流量為10L/ min，煤氣出口壓力為0.5kPa時(shí)，得到的煤氣最為符合高爐的需求，煤氣中CO含量為49.05%，H2含量為18.75%。
參 考 文 獻(xiàn)
[1] 唐文權(quán)，于興久，王艷民 高爐噴煤的經(jīng)濟(jì)效益和工藝變革 [J]. 中國(guó)冶金，2005， (1): 30 －33.
[2] 徐萬(wàn)仁，吳 鏗，朱仁良等 提高噴煤量對(duì)高爐風(fēng)口焦性狀的影響 [J]. 鋼鐵，2005， (2): 11 －14.
[3] Ishii.K.Advanced Pulverized Coal Injection Technology and Blast Furnace Operation [ Ｍ]. Tokyo: Elsevier，Science Ltd， 2000
[4] Nagata K，Ishii K ， Yag J，et al. Science and technolo gy of innovative ironmaking for aimingat energy half consumption [Ｃ]. Tokyo，Japan: ＭＥＸＴ，2003
[5] 李博知，尹國(guó)才，秦學(xué)武. 中國(guó)高爐噴吹塑料的可行性分析 [J]. 中國(guó)冶金，2006，16(6): 47 －53.
[6] 曹 楓，龍世剛. 高爐噴吹廢塑料技術(shù)及應(yīng)用前景[J]. 冶金能源，2001，20 (5): 26 －29.
[7] 胡俊鴿，車(chē)玉滿，周文濤. 高爐噴吹爐頂煤氣技術(shù)的進(jìn)展 [J]. 煉鐵，2010，29 (5): 56 － 59.
[8] 沙永志，曹 軍，王鳳岐. 高爐噴吹焦?fàn)t煤氣[C]. 第七屆中國(guó)鋼鐵年會(huì)論文集，2009: 692－ 697.
[9] 李福民. 噴吹煤氣高爐的爐料同化過(guò)程研究 [D]. 沈陽(yáng): 東北大學(xué)，2009.
[10] 呂 慶，李福民，李秀兵等 高爐噴吹煤氣后固體爐料的還原與變化 [J]. 鋼鐵，2008， (1): 17－21.
[11] 朱二濤，李福民，盧建光等 高爐噴吹煤氣的煤造氣試驗(yàn) [J]. 鋼鐵釩鈦，2017，38 (1): 100 －105.
[12] 徐紅東，門(mén)長(zhǎng)貴，賀根良等 氣化劑參數(shù)對(duì)流化床生物質(zhì)氣化指標(biāo)影響的模型研究 [J]. 生物質(zhì)化學(xué)工程，2012，46 (4): 32－36.
[13] 劉建坤，王貴路，李曉偉等 固定床生物質(zhì)富氧氣化中試實(shí)驗(yàn)研究 [J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2013，34(3): 365－370.
[14] 黃亞繼，金保升，仲兆平等 循環(huán)流化床部分煤氣化試驗(yàn)研究 [J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2003，(12): 20 －22，126.
[15] 項(xiàng)友謙 固定床煤氣化過(guò)程的數(shù)學(xué)模型 [J]. 煤化工，1999，(3): 8－11，25.
[16] 王 培 加壓固定床伊寧煤焦特性研究 [D]. 太原: 太原理工大學(xué)，2013.
[17] 李文軍，項(xiàng)友謙，蘇倩倩等 CO2 － O2 / H2O 混合氣氛下煤氣化過(guò)程的分析 [J]. 華北科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，13 (2): 51 －55.
[18] 陳 超 CO2 和H2O 混合氣氛條件下煤焦氣化機(jī)理及數(shù)值模擬研究 [D]. 武漢: 華中科技大學(xué)，2013.
[19] 楊 帆， 周志杰，王輔臣等 神府煤焦與水蒸氣、 CO2 氣化反應(yīng)特性研究 [J]. 燃料化學(xué)學(xué)報(bào)，2007， (6): 660 － 666.
[20] 鄧一英 煤焦在加壓條件下的氣化反應(yīng)性研究[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2008，(8): 106 －109.
[21] 向銀花，王 洋，張建民等 加壓下中國(guó)典型煤二氧化碳?xì)饣磻?yīng)的熱重研究 [J]. 燃料化學(xué)學(xué)報(bào)，2002，(5): 389 － 402.