富氢条件下焦炭气化与铁矿石还原耦合反应研究

发布时间：2020-05-03 20:54

【摘要】：传统高炉冶炼工艺作为碳质能源消耗大户之一,排放大量CO_2等温室气体,由此造成的环境问题引起人们前所未有的重视。为减少CO_2的排放,日本COURSE50与全氧混喷天然气、废塑料等高炉减排新工艺相继出现。此类高炉减排新工艺多使用富氢燃料替代部分焦炭、煤粉,实现高炉炼铁工序CO_2减排。然而,此类新工艺大幅提高了高炉炉缸煤气中H_2含量,加速还原铁矿石的同时,导致炉腰部位以上炉身下部(1000-1300℃)的煤气中存在大量水蒸气,加剧了焦炭溶损。与此同时,H_2O、CO_2与焦炭的溶损反应产生H_2、CO,再次与铁矿石发生还原反应生成H_2O、CO_2,形成富氢条件下焦炭溶损与铁矿石还原的耦合反应。为更加全面地分析富氢、矿焦混装条件下焦炭溶损与铁矿石还原的气固相耦合反应,通过高温气固反应装置研究了反应温度900-1200℃、矿焦比4.0-5.5、传统高炉炉身下部气氛(N_2:H_2:CO:CO_2=50:5:35:10)与全氧富氢新型高炉气氛(H_2:CO:CO_2=25:60:15)两种气氛下的矿焦耦合反应。同时,为全氧富氢高炉新工艺选择合适的矿石高温冶金性能(如还原性、熔滴性能)提供依据。以不同预还原度的铁矿石为熔滴性能研究对象,研究了预还原度对烧结矿软化开始温度T_A、软化终了温度T_S、滴落温度T_M、最大压差ΔP_(Max)、软化温度区间ΔT_(SA)及软熔温度区间ΔT_(MS)的影响。结论如下:(1)反应温度对耦合反应影响较大,反应气氛为传统高炉炉身下部气氛N_2:H_2:CO:CO_2=50:5:35:10、矿焦比为4.0时,反应温度由900℃增加到1200℃,焦炭溶损率SLR由1%增加到32.5%;对烧结矿180min还原度RI_(180)的影响具有阶段性,温度由900℃增加到1100℃,还原度由50.47%增加到55.93,温度由1100℃增加到1200℃,还原度降为50.06%。(2)矿焦比对耦合反应影响相对较弱。反应气氛为传统高炉炉身下部气氛N_2:H_2:CO:CO_2=50:5:35:10、反应温度为1200℃时,矿焦比由4增加到5.5,焦炭溶损率SLR由32.5%增加到36.33%,仅扩大了1.12倍,烧结矿还原度由50.06%降低为47.39%。(3)全氧富氢新型高炉气氛(H_2:CO:CO_2=25:60:15)与传统高炉炉身下部气氛(N_2:H_2:CO:CO_2=50:5:35:10)相比,焦炭溶损反应更剧烈,烧结矿180min还原度RI_(180)更高。反应温度为1200℃、矿焦比为4.0时,全氧富氢新型高炉气氛与传统高炉炉身下部气氛相比,焦炭溶损率SLR由32.50%增加到48.92%,扩大了1.50倍,烧结矿还原度由51.89%增加到84.55%,扩大了1.63倍。(4)铁矿石预还原度在60%-70%时,其主要矿物成分为FeO,及其与脉石生成的低熔点化合物,如2FeO·SiO_2(熔点1217℃)、CaO_x(FeO)_2-x·SiO_2(X=0.19,熔点1150℃),此时铁矿石软化开始、终了温度低,软化温度区间宽,滴落温度低,软熔温度区间宽,最大压差较小。
【图文】：

分布图,分布图,焦炭,劣化

图 1.1 高炉炉内不同区域分布图Fig. 1.1 Distribution of different area in blast furnace.带焦炭由炉顶装入，由于下坠跌落到炉内料层，将导致炭劣化影响较小。在此区域，焦炭的劣化主要是由冲带高炉上部，焦炭与铁矿石分层交替分布，该区域料下降，焦炭与铁矿石、炉壁之间相互挤压摩擦，，焦炭劣化。同时，随着物料下降，物料水分被烘干，温度 CO2发生溶损反应。由于散料带温度较低，挤压摩擦失比例普遍不会超越 10%，焦块的尺寸平均仅减少，焦炭的劣化是由机械外力与少量的溶损反应共同

焦炭,焦炭结构

CO2+C(s)=CO 0= 174.47T 170707J/mol (1-1H2O(g)+C(s)=CO+H2 0= 146.34T 135248J/mol (1-2（1）CO2与焦炭的溶损反应焦炭在与 CO2反应过程中更易破坏焦炭内部的气孔壁，产生串孔现象，形成，大大降低了焦炭的强度，影响正常高炉冶炼。PuszS[25]等研究表明焦炭的性质直接取决于焦炭结构，即碳基质（多孔固体）和孔隙系统。焦炭结构在冶炼过程中发生了剧烈变化，CO2的溶损作用是造成这一情况的最重要因素。采用光学显微镜，透射电子显微镜（TEM），超声波测量和电子顺磁共振法（EPR）等方法，研究表明：在焦炭与 CO2发生溶损反应的过程中，温度高、表面矿物质的脱落两者共同造成了焦炭结构的改变；随着与 CO2的溶损的进行，焦炭内部气孔壁破损加剧，各气孔间开始贯通，焦炭孔隙度增加，的强度明显降低，如图 1.2 所示。
【学位授予单位】：安徽工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TF54

【参考文献】