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半焦作为烧结燃料的特性实验研究 ① 杨双平1， 王 琛1， 杨 波1， 魏起书1， 王玖宏2 （1.西安建筑科技大学 冶金工程学院，陕西 西安 710055； 2.九冶建设有限公司，陕西 汉中 723000） 摘 要 为了降低烧结运行成本、拓宽半焦产业利用途径，以陕北固体热载体半焦为研究对象，选取不同的半焦与焦炭配加比进行 了烧结杯实验。 结果表明，半焦样品具有低灰低硫、高固定碳的特点，粒度分布符合烧结要求；半焦表面存在发达的孔隙结构，化学 活性高，有利于氧化气氛向正方向进行；半焦配比达到 35％时得到的烧结产品性质较优，验证实验得到的各指标平均值为垂直烧 结速度 23.69 mm／ min，烧结成品率 77.0％，转鼓强度指数 66.6％，FeO 含量 8.63％，烧结矿品位 53.52％。 关键词 半焦； 烧结矿； 微观结构； 反应活性； 燃料配比 中图分类号 TF046文献标识码 Adoi10.3969／ j.issn.0253-6099.2018.02.019 文章编号 0253-6099（2018）02-0079-04 Experimental Research on Characteristics of Semi-coke as Sintering Fuel YANG Shuang-ping1， WANG Chen1， YANG Bo1， WEI Qi-shu1， WANG Jiu-hong2 （1.School of Metallurgical Engineering， Xi′an University of Architecture and Technology， Xi′an 710055， Shaanxi， China； 2.№9 Metallurgical Construction Croup Co Ltd， Hanzhong 723000， Shaanxi， China） Abstract In order to cut the sintering cost as well as broaden the utilization of semi-coke， a sinter post test was conducted for the semi-coke， a solid thermal carrier from northern Shaanxi， with different ratio of semi-coke to coke. From test， it is found that the sample of semi-coke has low ash and low sulfur， and high fixed carbon， with size distribution up to the requirement for sintering. Besides， the surface of semi-coke shows a developed pore structure， with high chemical activity， thus beneficial to atmosphere oxidized toward the positive direction. With a ratio of semi-coke to coke up to 35％， a sintered product with superior quality could be obtained. And the verification test showed the inds by an average as follows a vertical sintering rate at 23.69 mm／ min， rate of qualified sintered product at 77.0％， a drum strength index at 66.6％， the sintered product with FeO content of 8.63％ with a grade of 53.52％. Key words semi-coke； sintered ore； microstructure； reactivity； fuel ratio 半焦作为一种新型碳素材料［1-3］，具有高固定碳、 高化学活性、低硫、低灰分以及孔隙结构发达等特 性［4-5］。 随着钢铁行业对优质无烟煤、焦炭需求量的 不断增加［6-8］，国内外相关企业开始探索将价格低廉 的半焦作为替代燃料应用于烧结工艺中［9-14］。 本文以陕北固体热载体半焦为研究对象，基于半 焦各项理化特性，分析了半焦性质与烧结矿质量的关 系，通过烧结杯实验得到最佳烧结效果的半焦配加比 例，验证了烧结生产中应用半焦的可行性与经济优势， 为该地区半焦产业与钢铁冶金行业的相互促进发展寻 求新途径。 1 实 验 1.1 实验原料 1.1.1 还原剂 以陕北不黏煤为原料制得的固体热载体半焦和焦 炭，基本性质分析见表 1～2。 表 1 还原剂工业分析及元素分析结果 样品 工业分析／ ％元素分析／ ％ 水分灰分挥发分 固定碳CHONS 半焦5.4310.246.6383.8176.313.254.660.530.14 焦炭4.2012.473.4184.5479.020.662.810.940.42 ①收稿日期 2017-10-24 基金项目 陕西省科技厅统筹项目（2011KTDZ01-05-03-01） 作者简介 杨双平（1967-），男，陕西富平人，教授，博士研究生导师，主要研究方向为炼铁以及炼铁原料。 通讯作者 王 琛（1994-），男，湖北孝感人，硕士研究生，主要研究方向为烧结以及烧结原料。 第 38 卷第 2 期 2018 年 04 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.38 №2 April 2018 万方数据 表 2 还原剂主要化学成分（质量分数） ／ ％ 样品SiO2Fe2O3Al2O3CaOMgO TiO2P2O5K2ONa2O 半焦26.378.646.8313.221.560.690.350.551.53 焦炭30.549.7610.84 12.271.481.140.820.211.10 相比焦炭，半焦具有较低的灰分和全硫含量，有利 于减少烧结烟气脱硫的能耗以及 SO2气体对设备和环 境的破坏［15-16］。 半焦和焦炭的发热量分别为 26 310 J／ g 和 29 885 J／ g，其固定碳含量与发热量较接近，因此烧 结过程中作为发热剂效果相近。 烧结过程中，由于半 焦化学反应性强，会先于焦炭发生氧化燃烧反应，能提 高燃烧反应速率，强化烧结过程，提高烧结效率。 由表 2 可以看出，半焦灰分中 CaO、MgO 等碱性氧 化物的含量比焦炭高，SiO2、P2O5、TiO2等酸性氧化物 的含量低，这样的矿物质分布特点属于低灰熔点类型， 能够促进铁矿还原强度并适当减少烧结熔剂的药耗。 实验用半焦粒径分布与灰分数据如表 3 所示。 物 料干燥基加权平均灰分 10.07％，-3 mm 粒级含量占总 样 90.51％。 随着粒径减小，灰分逐渐升高，-0.5 mm 粒级含量较大，使得总比表面积增大，燃料燃烧速度加 快，在高温区烧结料层中还原气氛增强，铁氧化物还原 率得到一定程度升高，进而达到降低烧结矿收缩应力 的目的，机械强度得到改善。 表 3 半焦粒径与灰分分布 粒径／ mm产率／ ％灰分／ ％ ＋6 1.806.56 -6＋3 7.697.25 -3＋1.25 18.738.45 -1.25＋0.5 24.539.04 -0.5＋0.25 15.279.56 -0.25＋0.07519.34 11.47 -0.075 12.6415.13 在不同放大倍数条件下对半焦表面微观形貌进行 观察，如图 1 所示。 样品整体外观呈微晶层片状结构。 热解升温时大量的水分、易挥发性矿物质呈气态沿有 机质颗粒缝隙逸出，颗粒发生不规则膨胀并逐渐发育 孔隙结构，降温时颗粒内外温差变化又使得表面碎裂， 产生大量细小碎渣粘附于表面上。 采用 ASAP-2020 型 BET 氮吸附比表面仪对半焦 颗粒孔结构进行了分析，结果如图 2 所示。 样品吸-脱附等温线属于Ⅱ类等温线［17］，说明其 内部属于从小孔至大孔连续分布的孔结构系统。 测得 BET 比表面积为 83.450 2 m3／ g，吸附累积孔容 0.154 2 cm3／ g，解吸累积孔容 0.155 1 cm3／ g。 这种发达的孔隙 结构使得半焦在烧结气氛中易与 O2反应，在一定程度 图 1 半焦表面形貌 相对压力 ■■■ ■■■ ■■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■■ ■■ ■■ ■■ ■■ ■ ■ ■ ■ 120 100 80 60 40 20 0.20.00.40.60.81.0 N2体积／cm3 g-1 STP ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ 吸附 脱附 ■ ▲ 孔径／nm 0.012 0.010 0.008 0.006 0.004 0.002 0.000 10020304050 新增孔体积／cm3 g-1 ▲▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲▲▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲▲ ▲ a b 图 2 半焦氮吸附特性 （a） 吸附-脱附曲线； （b） 孔径分布 上影响晶体表面缺陷的浓度、扩散机构和扩散速度，对 于烧结过程中的固态反应有重要的影响。 1.1.2 烧结原料 实验所用含铁混合料、返矿以及熔剂生石灰由陕 西某钢铁企业提供，原料化学成分见表 4。 表 4 烧结原料主要化学成分（质量分数） ／ ％ 原料名称TFeSiO2CaOMgOSPAl2O3TiO2 混合料61.032.141.030.620.0580.261.540.25 返矿60.911.061.520.710.0310.191.520.22 生石灰3.5576.551.330.0450.009 08矿 冶 工 程第 38 卷 万方数据 保持含铁原料和熔剂配比不变，在燃料比 4.90％ 的条件下调整燃料结构，烧结杯实验配料比见表 5。 碱度 2.0 时探索在相同配料比条件下的最佳半焦燃料 替代比例，设计 6 组半焦替代比例实验，分别为 20％、 25％、30％、35％、40％和 45％。 表 5 烧结杯实验配料比（质量分数） ／ ％ 混合料返矿燃料生石灰 78.00104.907.10 1.2 实验方法 实验室烧结系统流程结构如图 3 所示。 含铁混合料 配料 一次混料人工混匀加水润湿 二次混料混匀机制粒 铺底料、点火、抽风烧结 产品性能检测 返矿配比燃料生石灰 垂直烧结速度成品率转鼓指数FeO含量烧结矿品位 图 3 烧结系统流程 燃料半焦和焦炭按比例配比烧结，烧结杯尺寸为 Φ300 mm 500 mm， 设计装料 40 kg，铺底料 2 kg，布 料完后压一层 20 mm 厚的焦炭末并洒水适当湿润，用 点火器点火，点火时间3 min，点火负压10 kPa，烧结负 压保持在7 kPa 左右，实验每隔5 min 记录烧结环境负 压及废气温度，以废气温度最高值为烧结终点，点火后 至烧结终点的时间为烧结时间，到达终点后空吹 3 min 以降低烧结矿温度。 根据国标 YB／ T5166-1993烧结矿和球团矿转 鼓强度的测定 ［18］ 对制得的烧结矿进行转鼓强度实 验，计算其垂直烧结速度、成品率、转鼓强度指数、FeO 含量以及烧结矿品位。 2 实验结果与讨论 2.1 半焦替代比例对垂直烧结速度和烧结率的影响 烧结杯实验结果见表 6。 从表 6 可以看出，垂直 烧结速度在23.17～24.65 mm／ min 之间，随着半焦替代 比增加，速度逐渐下降，但是幅度不大，这是因为随着 半焦用量增大，加热过程中水分和挥发分逐渐从颗粒 内部溢出，由于温差作用在烧结料层下部发生凝结。 从总体上看在半焦替代比 20％～45％范围内垂直烧结 速度都是满足烧结需要的。 但是垂直烧结速度不宜过 快，过快会使烧结过程中的能量利用不充分，导致产品 转鼓强度下降。 烧结率在 72.9％～77.2％之间，呈先升 高后降低的趋势，在配比 35％时达到最大77.2％。 半 焦配比过低时，半焦和焦炭的升温速率不均衡，半焦燃 烧速度比焦炭燃烧速度快，烧结过程燃料燃烧不充分， 进而影响烧结成品率的提高；随着半焦比例增大，两者 的升温速率会趋向均衡。 继续增加半焦用量，高温环 境中无机灰分物质相对富集，矿物质间由于“低温共 融”作用软化熔融，影响到整个烧结料层的透气率，导 致烧结成品率有所下降。 表 6 烧结杯实验结果 半焦替代比 ／ ％ 垂直烧结速度 ／ （mmmin -1 ） 成品率 ／ ％ 转鼓指数 ／ ％ FeO 含量 ／ ％ 烧结矿品位 ／ ％ 2024.6572.964.99.4153.22 2524.3574.165.79.1253.40 3024.0375.866.28.9853.45 3523.7277.266.88.6553.52 4023.4176.165.28.5053.43 4523.1774.964.58.3653.32 2.2 半焦替代比对转鼓指数和 FeO 含量的影响 从表 6 可以看出，转鼓指数保持在 64.5％～66.8％ 之间，随着半焦替代比增加，转鼓指数表现出先增加后 减少的趋势，但总体上变化不大，说明半焦的加入总体 上不会影响烧结矿的转鼓强度。 这是因为半焦和焦炭 都具有高固定碳和高发热量的特点，在烧结过程中，半 焦的加入完全可以满足烧结所需的热量需要。 转鼓指 数在半焦替代比为 35％时达到最高 66.8％，这是由半 焦特性决定的，在烧结过程中，半焦粒度逐渐缩小，半焦 里灰分随半焦粒度减少而增加，其中-0.5 mm 粒级含量 较大使得总比表面积增大，燃料燃烧速度加快，烧结料 层中还原气氛增强，铁氧化物还原率得到一定程度升 高，进而达到降低烧结矿收缩应力的目的，机械强度得 到改善。 但是随着半焦比不断提高，其灰分增加，逐渐 在烧结料层中凝结，影响烧结料层的透气性和透液性。 FeO 含量随半焦替代比增加而不断减少，这是因 为 FeO 仅在 570 ℃以上才能在热力学上稳定存在，在 570 ℃以下会转变为 Fe3O4，由于半焦在固定碳和发热 量上相比焦炭低，随着半焦替代比增加，这种热量上的 差距更加明显，FeO 能稳定存在的温度区间较窄，所以 会使 FeO 含量随半焦替代比增加而减少。 2.3 半焦替代比对烧结矿品位的影响 由表 6 可以看出，随着半焦替代比增加，烧结矿品 位稳定在 53.22％～53.52％之间，这是因为烧结矿品位 18第 2 期杨双平等 半焦作为烧结燃料的特性实验研究 万方数据 与铁矿石品位还有烧结矿碱度等息息相关，与燃料中 半焦的替代比例关系不大。 2.4 验证实验 根据不同半焦替代比实验结果，保持含铁原料和 熔剂配比不变，在燃料比 4.90％的条件下调整燃料结 构，针对半焦替代比 35％在烧结杯中进行了 3 组验证 实验，结果见表 7。 表 7 烧结杯验证实验结果 实验 组数 垂直烧结速度 ／ （mmmin -1 ） 成品率 ／ ％ 转鼓指数 ／ ％ FeO 含量 ／ ％ 烧结矿品位 ／ ％ 123.7277.266.88.6553.52 223.6976.866.68.6153.49 323.6777.066.58.6253.54 均值23.6977.066.68.6353.52 烧结产品各项指标平均值分别为垂直烧结速度 23.69 mm／ min，烧结成品率 77. 0％，转鼓强度指数 66.6％，FeO 含量 8.63％，烧结矿品位 53.52％。 说明在 半焦替代比 35％时烧结产品稳定性较好，基本能满足 生产需要。 3 结 论 以陕西某钢铁厂半焦替代焦炭作烧结燃料生产烧 结矿，采用适当增加半焦粉配比的技术措施后，产品生 产指标和理化性能指标基本可以达到用焦炭或无烟煤 生产烧结矿时的水平。 1） 对半焦特性进行分析，样品粒径分布主要集中 于 3～0.075 mm，随着粒径减小，灰分逐渐升高，在一定 程度上这种增加有利于烧结矿机械强度增强，灰分过 高则会影响烧结矿产量和转鼓强度。 2） 对半焦的表观形貌和氮吸附分析发现半焦具 有良好的活性，在烧结过程中能够提高燃烧反应速率， 增加气流扩散速度，进而强化烧结过程。 3） 燃料比 4.90％条件下，当半焦替代比达到 35％ 时烧结产品质量较佳，各项指标平均值为产品垂直烧 结速度 23.69 mm／ min，烧结成品率 77.0％，转鼓强度 指数 66.6％，FeO 含量 8.63％，烧结矿品位 53.52％。 参考文献 ［1］ 李 娟. 半焦（兰炭）产业清洁生产技术方案研究［D］. 西安长 安大学环境科学与工程学院， 2011. ［2］ 王润博，张建良，王 喆，等. 兰炭替代焦粉对烧结过程影响研究［J］. 钢铁钒钛， 2015，36（2）126-131. ［3］ 焦 阳，胡宾生，贵永亮. 兰炭作为酒钢高炉喷吹用煤的可行性分 析［J］. 冶金能源， 2011，30（6）20-22. ［4］ 杜 刚. 兰炭替代部分高炉喷吹用煤及其性能的研究［D］. 西安 西安建筑科技大学冶金工程学院， 2013. ［5］ 李 硕，朱子宗，徐 军. 兰炭改性及配煤炼焦优化［J］. 钢铁， 2012，47（8）17-21. ［6］ Zhilong Cheng， Jian Yang， Lang Zhou， et al. 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