半焦的形成过程及其与煤粉混合燃烧的动力学研究

发布时间：2019-08-20 13:38

【摘要】：喷煤技术被广泛的应用到高炉炼铁生产过程中,来降低冶金焦的消耗。该工艺大多采用烟煤和无烟煤混合喷吹,以无烟煤为主。随着无烟煤的逐年消耗,其资源供应日渐紧张。为了寻求无烟煤的替代品,本文对煤的热解干馏形成半焦过程,及半焦与煤粉的混合燃烧过程进行了详细的研究。文章首先采用吊式高温炉对所选用的四种煤(东风煤、富鼎煤、胜帮煤、安源煤)进行了不同热解终温(400℃、500℃、600℃、700℃、800℃)制备半焦的试验。研究发现随热解终温的升高,半焦的挥发分逐渐降低,固定碳和发热值逐渐升高,燃烧特性变差。当终温达到600℃时,半焦的挥发分已小于10%。考虑到在保证高炉安全生产的条件下,尽量提高燃料的燃烧性能,拟选用600℃条件下制得的半焦作为高炉喷吹无烟煤的替代品,进行后续试验。文中采用热重分析仪对煤热解过程进行了动力学试验。根据煤热解过程的特点,将其反应过程分为3个阶段。第一阶段主要是煤中结晶水和吸附气体脱除及部分弱键解聚过程。第二阶段主要发生解聚和分解反应,挥发出大量碳氢化合物和焦油,煤逐渐形成半焦。第三阶段主要是半焦进一步焦化过程,并伴有明显的体积收缩现象。针对三个阶段特点分别采用界面化学反应控速模型、固体生成物体积不变的内扩散控速模型、固体生成物体积收缩的内扩散控速模型来对试验数据进行拟合。结果表明拟合效果良好,相关系数均超过0.9。随后以安源煤为例重点讨论了升温速率对煤热解过程的影响。随升温速率的提高,煤热解的整个过程出现了明显的"热滞后现象"。本文给出了一个Arrhenius 方程的修正式 lnki=-Ea0/RT+△Ea(α-1/RT)lnβi+ln(A0)来描述升温速率对煤热解过程动力学的影响。结果表明修正的Arrhenius方程不仅能很好地描述不同升温速率下热解动力学过程,且在5℃·min-1～90℃·min-1升温速率范围内具有良好的外推性。以首钢京唐所用的神华烟煤和寿阳无烟煤为例,对煤粉燃烧过程动力学进行了研究。其燃烧过程可分为2个阶段,低温段主要是气体产物大量生成、脱挥发分和固定碳的燃烧,高温段主要是炭的氧化过程。修正的Arrhenius方程对煤粉燃烧过程动力学在10℃·min-1～45℃·min-1升温速率范围内同样具有良好的适用性。升温速率对吸放热反应过程的影响程度不同。在修正的Arrhenius方程中,放热反应△Ea为负值,吸热反应△Ea为正值。文章还研究了混合燃料中半焦逐步替代无烟煤对其燃烧性能的影响。结果表明随混合燃料中半焦比例的增加,混合燃料的着火点和燃尽点分别由412℃和627℃逐步升高,同时可燃性指数Cb和燃烧特性指数SN分别由7.06×10-5 min-1·℃-1和9.07×10-7min-2.℃-3逐步降低,说明半焦的添加会降低混和燃料的燃烧性能。最后,对首钢京唐高炉的生产指标进行了分析,表明在喷吹燃料中加入6%～7%的焦粉进行混合喷吹,煤粉和焦炭利用率能达到99%,高炉正常顺行生产。因此,比焦粉燃烧性优越的半焦,作为喷吹燃料的部分替代品有较强的可行性。
【图文】：

回旋区,焦炭,风口,区域

Ｉ邋苗铁液逡逑图２－２风口回旋区周围的焦炭逡逑如图２－２所示，区域１为回旋区，焦炭在此处燃烧，温度约２０００邋°Ｃ。区域逡逑２是粒度较大的焦炭，来自中也料柱的活动层，它是作为回旋区燃烧的焦炭来源，逡逑其粒度的大小和承受热力作巧的强弱与否对风口区状态有重要作用由于逡逑它己受到一定碳溶反应和磨损，表面呈中等棱角和部分纯圆状态。在研究风口焦逡逑炭时，这部分焦炭性质更有意义，称之为炉腹焦。区域３是已经在回旋区燃烧过逡逑的焦炭，并且仍不断在回旋区内循环，称为回旋区焦炭。它已承受了较大的机械逡逑力和热的作化因此粒度较小而且纯圆，其表面因受高温影响有较高的石墨化度。逡逑一般情况下越向炉子中也焦炭粒度越小，因受鼓风动力而吹向远处。区域４在整逡逑个回旋区焦炭下方，它是一个很紧密的结构，有碎裂的小粒焦块。同时夹杂因重逡逑力流下的液体渣和铁

块焦,透气性,回旋区,焦炭

炉料移动关系，焦炭Ｗ不同状态分布在整个风口区域。逡逑Ｉ邋苗铁液逡逑图２－２风口回旋区周围的焦炭逡逑如图２－２所示，区域１为回旋区，焦炭在此处燃烧，温度约２０００邋°Ｃ。区域逡逑２是粒度较大的焦炭，，来自中也料柱的活动层，它是作为回旋区燃烧的焦炭来源，逡逑其粒度的大小和承受热力作巧的强弱与否对风口区状态有重要作用由于逡逑它己受到一定碳溶反应和磨损，表面呈中等棱角和部分纯圆状态。在研究风口焦逡逑炭时，这部分焦炭性质更有意义，称之为炉腹焦。区域３是已经在回旋区燃烧过逡逑的焦炭，并且仍不断在回旋区内循环，称为回旋区焦炭。它已承受了较大的机械逡逑力和热的作化因此粒度较小而且纯圆，其表面因受高温影响有较高的石墨化度。逡逑一般情况下越向炉子中也焦炭粒度越小，因受鼓风动力而吹向远处。区域４在整逡逑个回旋区焦炭下方
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TF538.6

【参考文献】