Corex熔融气化炉内块煤裂解形成半焦的结构及性能研究

摘要

Corex工艺采用非焦煤代替焦炭进行铁水冶炼，是21世纪十分具有潜力的炼铁新技术。Corex工艺的预还原和终还原分别在上部的还原竖炉和下部的熔融气化炉中进行，因此料柱骨架需承受的负荷相比传统高炉减少了近一半，对焦炭强度的要求不及高炉苛刻。然而，块煤进入高温气化炉后发生热爆裂现象，爆裂后的煤焦粒度分布将影响半焦床的透气性，此外，煤焦热处理时间短，活性高，且半焦床床层高度低、温度高，煤焦的气化速率较焦炭快，因而煤焦在半焦床下降过程中将经历更复杂的物理化学作用，其性能将直接影响工艺的顺行及能耗。因此，块煤的热爆裂作用和煤焦性能研究显得至关重要。本文以兴隆庄和大同煤为研究对象，采用高温硅钼炉和炼焦炉对块煤进行了不同条件的裂解实验，综合分析了块煤热爆裂行为、煤焦的冶金性能、孔隙形貌、碳微晶结构、官能团结构和煤焦反应性变化规律，主要包括：
　　①对块煤进行了高温快速裂解实验，研究表明：块煤爆裂程度随着处理温度升高和块煤粒径增加而增大，而长时间的热处理将增加塑性煤焦的平均粒径；高温爆裂行为的发生主要是由于巨大的温度梯度产生的应力对块煤形成破坏，一旦块煤粒径超过20 mm，爆裂作用将明显发生，相比粘接性煤，温度对非粘接性煤的爆裂性影响更强烈；随着处理温度升高，煤焦的总孔体积升高，孔径增大；碳微晶结构随着处理时间和温度的增加变得更加有序，且温度对碳微晶结构的影响更明显；研究进一步表明，物理结构的变化是影响兴隆庄煤焦反应性的主要因素，而煤焦失活是影响大同煤焦反应性的主要因素。
　　②对1 kg块煤进行了低速率热解实验，研究表明：煤焦机械强度随热解时间和温度的增加而加强，而大同煤焦的抗碎强度由于裂纹的产生而逐渐下降，耐磨强度则不受裂纹的影响；煤焦比表面积随热解时间延长而下降，随温度的升高先降低后升高，当热解温度高于1000℃时，兴隆庄煤焦由于二次裂解反应产生更多微孔，而裂纹的产生不利于微孔的形成；大同煤焦随温度和处理时间增加反应性均降低，而兴隆庄煤焦反应性与比表面积变化规律一致；煤焦反应性和反应后强度存在线性关系，较高的反应性将导致较低的反应后强度。
　　③对兴隆庄粉煤压制成型，并进行了型煤热解实验，研究表明：型煤的爆裂程度随热解温度的升高而增强，随成型压力的提高先增加后降低，温度对爆裂性的影响明显强于成型压力，型煤添加沥青后爆裂程度明显下降；型煤低速率热解后的煤焦抗碎强度和耐磨强度均不能达到块煤热解煤焦的强度，沥青的添加能明显改善其机械强度；型煤成型压力越高，煤焦成焦效果越好，沥青的添加同样有利于型煤成焦，但压力和沥青对型煤的晶体结构影响较小，晶体结构受温度的影响更加明显；其煤焦反应性随热处理温度的升高而增加，随成型压力升高而降低，型煤添加沥青后，反应性得到了抑制。
　　④通过对比各类煤焦发现，型煤爆裂程度较相同处理条件的块煤高，型煤孔壁由粗糙的颗粒物组成，成焦性相对较差，而兴隆庄块煤热解后孔隙数量多，孔壁光滑，逐渐趋近焦炭形态，而在型煤中添加沥青后，煤焦孔隙形貌能够得到较大改善；高温快速裂解煤焦的晶体有序度较低速率裂解煤焦低，而型煤最低，焦炭的晶体有序度明显高于煤焦；兴隆庄煤焦反应性表现为：型煤焦＞高温快速热解块煤焦＞型煤添加沥青焦＞低速率热解块煤焦＞焦炭，大同煤反应性表现为：高温快速热解块煤焦＞焦炭＞低速率热解块煤焦；沥青的添加不仅能够抑制爆裂的发生，还能增强煤焦的机械强度，降低煤焦反应性，说明通过适当的技术手段，型煤在Corex中的利用是可行的。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1 Corex发展现状

1.2 国内外块煤焦化的研究现状

1.3 课题的学术及实用意义

1.4 研究内容

2 块煤高温热爆裂行为及煤焦结构性能研究

2.1实验原料及实验装置

2.2实验过程及检测技术

2.3结果与讨论

2.4 本章小结

3 块煤低速率热解后煤焦结构及性能研究

3.1实验原料及实验装置

3.2实验过程及检测技术

3.3结果与讨论

3.4 本章小结

4 型煤高温热爆裂行为及煤焦结构性能研究

4.1实验原料及实验过程

4.2结果与讨论

4.3 本章小结

5 块煤热爆裂行为及煤焦性能对比分析

5.1 热爆裂指数差异

5.2 孔隙形貌和碳微晶结构差异

5.3 CO2反应性差异

5.4 本章小结

6 结 论

致谢

参考文献

附录

A作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文和专利目录

B 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目

C 作者在攻读硕士学位期间参加的学术活动

D 作者在攻读硕士学位期间实习情况

E 作者在攻读硕士学位期间获奖情况