重点钢铁厂铁矿石还原及焦炭气化的藕合反应

D0I:10.13374/i.issn1001053x.1990.05.003 北京科技大学学报 第12卷第5期 Vol.12 No.5 1990年9月 Journal of University of Science and Technology Beijing Sept.1990 重点钢铁厂铁矿石还原及 焦炭气化的藕合反应 仇圣桃*高斌*·龙世刚** 摘要：通过在模拟高炉温度和煤气成分变化的条件下，对我因重点钢铁厂铁矿还 原及焦炭气化的藕合反应研究，明了焦炭气化与铁矿石还原与反应历程有关。分析预测高 炉治炼效果除考虑恒定温度和恒定煤气成分下焦炭与铁矿石治金性能外，还应考感焦炎与铁 矿石藕合反应过程CO过剩量。研究装阴宝钢、首铜、本钢、鞍钢CO过剩系数刀c较小， 林气利用好：包钢、重钢和梅山冶金公司刀c0较大，煤气利用较差。 关键词：潮合反应，焦炭气化，铁矿石还原 Coupled Reaction of Coke Gasification-Iron Ore Reduction Qiu Shengtao'Gao Bin''Long Shigang'. ABSTRACT:This paper studies on the coupled reaction of coke gasification- iron ore reduction in majors of iron and steel corporation in China,simulating the behaviour of blast furnace dependenting on gas composition and gas tempera- ture.It was found that the reaction charateristics of the coke gasification-iron ore reduction were markly affected by its history.The efficiency of blast furnace should consider the imbalance beiw cen Co produced by coke gasification and CO consumed by iron ore reduction. KEY WORDS:coupled reaction,coke gasificalion,iron ore reduclion 1989一05一08收稿 ·北京科技大学(University of science and Technology Beijing) ,·华东治金学院(East China Metallurgica!Institute) ·415

乌‘ 、 第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 、 。 厂 重点钢铁厂铁矿石还原及 焦炭气化的藕合反应 气、 仇圣桃 高 斌 ’ ‘ 龙世 刚 ’ 摘 要 通过 在模拟 高炉温 度和 煤气成 分 变化的 条件 一 ‘ ， 对 我 国重 点钢 铁厂铁 ’ 石 还 原及 焦 炭 气化 的藕合 反 应 研究 ， 闲 明 了 热 炭 气化 与铁 矿 石 还 原与 反应历 程有关 。 分析预 测 高 炉 冶炼效 果除 考虑 恒定温 度和 恒定煤 气成分下焦 炭与铁矿 石 冶金性能外 ， 还应 考虑 焦 炭与铁 矿石 藕合 反应过 程 过 剩 量 。 研究表 明 宝钢 、 首 钢 、 本钢 、 鞍 钢 过 剩 系数 叮 较小 ， 煤 气利用 好 包 钢 、 重 钢 和 梅 山 冶金公 司 刀 。 较 大 ， 煤气 利 用 较差 。 关 健词 藕合 反应 ， 焦 炭气 化 ， 铁 矿 石 还 原 叹 、 一 口 ， ’ ， 朱 米 ， 人 ” 、 、 二 印 ， 一 、、 一 、 ， 丁 ℃ 、 ， ， 、 、 日 一 。 一 。 收 稿 北 京科技 大 学 华 东 冶金学院 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1990．05．003

现代高炉最重要的化学反应是铁矿石的遂级还原： Fe203->Fe30->Fe1-O->Fe 及焦炭气化反应： C+CO2=2CO 50年代以来，人们对它们独立地进行了大量的研究，对改进高炉的生产技术起了很大的 推动作用'：)。但大部分工作是在恒定温度和恒定气氛下进行的，仅仅反映了高炉局部焦炭 和矿旷石的性能2。而高炉中氧化物的还原和焦炭的气化，随着炉料的下降是不断变化的， 后续反应与反应的历程有关，同时高炉中焦炭气化产生的CO是铁矿石还原的还原剂，焦炭 气化和矿石还原存在固有的藕合性。因此，I,Gaballah和J.Stekely等人提出在模拟高炉 内煤气变化条件下将铁矿石还原与焦炭气化藕合起来进行研究，考察其综合效果3)，这种 研究方法较独立地研究焦炭和矿石性能更能接近高炉反应实际楷况。本文从该论点出发，对 重点钢铁厂入炉原料进行藕合反应研究。 1实验方法 实验装置如图1所示，由硅碳棒电阻炉与相应的控制和测温仪器组成，反应管为内径 φ23mm高铝瓷管，通过手动控制入炉混合煤气 M6- 的成分和流量。反应前通过QGS一04型红外 2 CO分析仪分析并记录CO成分变化，反应尾气 通过HQG-71A型红外CO2分析仪，分析并记 录CO2成分变化。 焦炭样和矿石样由钢铁厂入炉炉料中取 ⑧⑧ 得。根据高炉内煤气温度曲线3)（如图2)， N Co 每间隔3mn设计温度时间程序，以控制反应温 阳1藕合反应系统示意图 度。 1.煤（炉，2.缓冲瓶，3.QGS-01型红外C0 试样在105±5℃温度下烘烤2h,取出放 分析仪，4。JWK702型控温仪，5，缓冲瓶， 6.HQG-71A型红外CO2分折仪，7.SK-2.5 在于燥器中备用。试样量：焦炎20g,烧结矿 14S高温管式电阻炉。 60g,煤气流址3L/min,成分：%C0:16, Fig.I Schematic diagram of coupled CO11,%N:60,焦炎拉度5±1u, reaction systcm 何fi粒度4±1m1。 (1)焦炭气化曲线如图3()所示，反应管中装入被测样，当温度低于700℃时用氨气保 护，达到700℃时通入混合气体，按温度一时间程序控制控温电流，得到类似高炉内部温度， 由红外CO2分析仪将C0,浓度变化记录下来，如图3中曲线①。 (2)藕合反应如图3(b)所示，试样用氨气保护升温达700℃，通入混合煤气，按上述挖 温程序控温。作CO2红外分析仪上可得到另一个浓度变化曲线如图3小。 ·416·

现代高炉址重要的化学反应是 铁矿石 的 逐 级还原 户、 、 一 了 一 一 、 一 及焦 炭 气化 反应 十 二 。年 代 以来 ， 人们 对它 们独 立地进 行 了大 量的研究 ， 对改 进 高炉 的 生产技术起 了很 大 的 推 动作用 〔 ‘ ’ 。 但 大部分工 作是 在恒定温 度和 恒定气氛 下进 行的 ， 仅 仅反映 了高炉局 部 焦 炭 和矿石的性 能 〔 〕 。 而 奇炉 中氧化物的还原和焦炭 的气化 ， 随着炉料 的 下降是 不断 变 化 的 ， 后续反应与 反应 的历 程有关 ， 同时 高炉 中焦炭气化产 生的 是 铁矿石 还原的 还原剂 ， 焦炭 气化和矿石 还原存 在固有的 藕 合性 。 因此 ， 和 等人提 出在模拟高炉 内煤气 变化 条件 下将铁矿石还原与 焦 炭气化藕 合起来 进 行研究 ， 考察其 综合 效 果 〔 “ 〕 ， 这 种 研究方法较独 立地研究 焦炭和矿石 性 能 更能接近高炉 反应实际 情 况 。 本文从该论点 出发 ， 对 重 点钢铁厂入炉原料进 行藕 合反应 研究 。 实 验 方 法 实验 装置如 图 所示 ， 由 硅碳棒 电阻炉与 相应的 控制和测温 仪器 组成 ， 反应 管 为 内 径 图 藕合 反 应 系统 示 意图 煤 ， 炉 ， 缓 冲瓶 ， 。 一 塑 红 外 分析仪 ， 型 控 温 仪 ， 缓 冲 瓶 ， 一 一 型至二外 分 析 仪 ， 一 高温 管 式电阻 炉 。 丈 一 ‘ “ 价 高铝瓷管 ， 通 过手 动控制入护 混合煤气 的 成分 和 流量 。 反应前 通过 一 型 红外 分析 仪分析并记录 成 分 变化 ， 反应 尾 气 通 过 一 型红 外 分析 仪 ， 分析并记 录 成分 变化 。 焦 炭样和矿石 样由钢铁厂 人炉 炉 料 ， ， 取 得 。 根 据高炉 内煤气温度 曲线 〔 “ 〕 如 图 ， 每间隔 设计温度时 间程序 ， 以控 制反应 温 度 。 试样 在 士 ℃ 温度 下烘 烤 ， 取 出放 在干燥器 中备用 。 试样 量 焦 炭 ， 烧结矿 ， 煤气流 量 ， 戈分 写 ， 通 ， ， 焦 炭拉 度 士 川 川 ， 口 ’ ‘ 石 粒度 士 川 。 焦炭气化 曲线 如 图 所 示 ， 反应 管中装入被测样 ， 当温 度低 于 ‘ 时 川氮气保 护 ， 达到 ℃ 时 通入混合 气 体 ， 按温 度一时 间程序 控 制控温 电流 ， 得到类似 高炉 内部温 度 ， 山红外 分析仪将 浓 度变化 记录 下来 ， 如 图 中曲线① 。 藕 合反应 如 图 ， 所示 ， 试样 用氦 气保护升温 达 ℃ ， 通入 混合煤气 ， 按上述 控 温 程序 控温 。 在 红 外 分析 仪 卜可得 到 另 一 个浓 度变化 曲线 如 图 ‘卜公

24 96C0, 0 16 12 -120 500 100015002000 T,C T,℃ 图？高炉煤气温度沿高度的变化曲线 图3反应曲线示意闲 Fig.2 Time-Temperature-Height changes a,焦类气化反应b。满合反应 in blast furnace Fig.3 Schematic diagram of reaction 2评价质量的参数 %R〔矿石还原度〕=实际失氧量/〔铁矿石理论含氧量〕×100 铁矿石理论含氧量=(317TFe一1/9FcO)×o/100 @一矿样质量。 %B(焦炭烧损度)=实际失炭量/焦炭理论含碳量×100 以高炉中500kg焦炭的碳素还原1800kg铁矿石为基础，定义单位时间CO生成量RG和还原 铁矿石所需CO消耗量R,则 Rc=500×2×103×R,/12 mol/min (1) R.=〔0me)×1800×108×R,/16 mol/min (2) (1)、(2)式中R,、R,分别表示%B和%R对时间的微商，即焦炭气化速率和矿石还原 速率。 〔0。：铁矿石中氧含景(%)。 ?o:(CO过剩系数)=R。-Remol/min (3) 了实验结果及分析讨论 焦炭气化及焦矿的藕合反应曲线如图4所示，由气化曲线可见，低温下焦炭气化反应速 度很慢，高温下气化速度较快，中间存在一个气化反应由慢到快的过渡温度区，将高炉区分 为3个反应区。即直接还原反应区间，间接还原反应区间，直接还原与间接还原的过渡区 间。由图中可见，各厂上述三个区间大小、位置有明显的差别，气化反应开始温度以太钢、 宝钢、本钢、梅山治金公司、鞍钢、首钢较高，间接还原区较大，其他各厂气化反应开始温 度较低，气化反应激烈，温度以武钢、攀钢、梅山治金公司较低，直接还原反应区较大。从 。417·

卜、 一 ， 气 、 、 卜一 ‘ 甲日川皿自 、， 吕叭 次 丁 ， “ 图 高炉煤气温 度沿高度的变化 曲线 一 丁 一 了 皿 注 ， 欢 图 反 应曲线 示意 图 焦 炭 气化反 应 口 藕合反 应 口 评价质量 的参数 〔矿石还原 度〕 实际 失氧 量 压铁矿石理 论含氧量 〕 又 铁 矿石理 论含氧 量 一 又 。 。 一矿样质量 。 焦炭烧损 度 实际失炭量 焦炭理论含碳 量 以高炉 中 肤 焦 炭 的碳素还原 铁矿石为基础 ，定义单 位 时 间 生成 量 和还 原 铁矿石 所需 消耗量 。 ， 则 。 义 “ 又 。 。 〔 。 〕 “ 火 ， 、 式 中 。 、 ， 任别 表示 和 对时 间的微商 ， 速率 。 即焦 炭气化速 率和矿石 还 原 〔 。 〕 铁 矿石 中氧含 量 。 ， 。 。 过剩 系数 。 一 尸。 ， ， 实验结果及分析讨论 焦炭 气化 及焦矿的藕 合反应 曲线 如图 所示 ， 由气化 曲线可见 ， 低温 下焦炭气化反应速 度很慢 ， 高温 下气化 速 度较快 ， 中间存在一个气化 反应 由慢 到快的 过渡温 度区 ， 将高炉 区分 为 个反应 区 。 即 直接还原反应 区 间 ， 间接还原反应 区 间 ， 直接还原与 间接还原 的 过 渡 区 间 。 由图 中可见 ， 各厂上述三 个 区 间大小 、 位置有 明显的 差别 ， 气化反应开 始温 度以太钢 、 宝钢 、 本钢 、 梅 山冶 金公 司 、 鞍钢 、 首钢较高 ， 间接还原区较大 ， 其 他各厂气化反应开始温 度较 低 ， 气化 反应 激烈 ， 温 度以 武钢 、 攀钢 、 梅 山冶金公 司较低 ， 直接还原反 应 区较 大 。 从

焦炭角度考虑，铁氧化物性能相同时，气化反应开始、激烈温度高的焦炭则煤气利用好。 由藕合反应曲线可见，低温下，反应开始CO2含量逐渐增加，出现最高点。这是由于高 20 1.0 15 10 5 20 1.5 10 700 1100 70011007001100 T,C 1)梅山，(2)定钢，(3)按钢，(1)术钢，(5)首钢，(6)包钢，(7)太纲，(8)马钢，(9)重钢，(10)武纲，(11)装钢 图4焦炎气化反应及酶合反应曲我 Fig.I Coke gasification and coupled reaction profiles 价铁氧化物还原较为容易。“高价铁氧化物还原杂尽，浮士体还原较为困难，使还原反应趋 于平缓，这与文献〔3)结果一致，图中可见，低温下，鞍钢、本钢、首钢、包钢、重钢还原 速度较快，其CO,浓度随温度变化的覆盏面积较大。可见低温下矿还原失氧较多，高温下 铁矿石还原失氧相对较少，有利于降低焦比。 由上述焦炭气化曲线以及焦矿辆合反应曲线，可以得到焦炭烧损度、铁矿石还原度。通 过式(1)、(2)、(3)计第，焦矿藕合反应CO过剩系数随温度变化的曲线如图5。 由图5可知，焦矿藕合反应CO过剩系数7co随着温度的不同其值也不相同。在低温区， 由于高价铁氧化物还原容易，气化反应产生CO耻远小于铁氧化物还原消耗的CO量，过剩系 数c是负值；在高温区，由于焦炭气化反应速度远远大于铁氧化物还原所需要的CO量。故 而，随着温度升高，Ico越大；刀co为零时，焦炭气化生成CO量与铁氧化物还原消耗的CO量 相等，各厂温度各异，可见铁矿石与焦炭治金性能随着温度的变化而变化，单一的、定温、 定气氛下进行检验则存在一定的片面性。 ·418·

热炭 角度考虑 ， 铁氧化物 性 能相 同时 ， 气化 反应开 始 、 激烈温 度高的 焦炭 则煤气利 用好 。 由藕合 反应 曲线 可 见 ， 低温 下 ， 反应开 始 含 量逐 渐增加 ， 日现最高点 。 这是 由于 高 介 川 飞， “ 梅一 ， 宝钢 ， 鞍钢 ， 一 木钢 ， ，到 首钢 ， 包 钢 ， 太 钢 ， 马 钢 ， 屯钢 ， 武钢 ， 攀钢 焦 炭气化 反 应及 藕 合 反 应 曲线 一 价铁 氧化 物 还原较 为 容 易 。 当高价铁 氧化物还原 殆 尽 ， 浮土 体还 原较 为 困难 ， 使 还原 反应 趋 于平缓 ， 这 一 与文献 〔 〕 结果 一致 ， 图 巾可见 ， 低温 下 ， 鞍 钢 、 本钢 、 首钢 、 包钢 、 重钢 还 原 速 度较快 ， 其 浓 度随温 度变化的覆盖 面积较大 。 可见低温 下矿石 还原失氧较 多 ， 高温 下 铁 矿石还原 失氧相 对较少 ， 有利 于降低焦 比 。 由上述 焦 炭气化 曲线 以 及 焦矿藕 合反应 曲线 ， 可 以 得 到焦 炭烧 损度 、 铁矿石还原 度 。 通 过式 、 、 计算 ， 焦 矿藕 合反应 过剩 系数随温 度变化 的 曲线 如 图 。 由图 可知 ， 焦 矿 藕 合 反应 过剩 系数， 。 随 着温 度的 不 同其值也不 相 同 。 在低温 区 ， 由 于 高价 铁氧化物还原 容 易 ， 气化 反应 产 生 量远 小 于 铁氧化 物还原 消耗的 量 ， 过剩 系 数 斤。 。 是 负值 在 高温区 ， 由于 焦炭气化 反应 速 度远 远大 于铁氧化物还原 所需要 的 量 。 故 而 ， 随着温 度升高 ， 刀。 。 越 大 ，。 。 为零时 ， 焦炭气化 生 成 量与铁 氧化物还原 消耗的 量 相 等 ， 各厂温 度各 异 ， 可见 铁 矿石与 焦 炭冶 金性 能随着温 度的 变化而 变化 ， 单 一 的 、 定温 、 定 气 氛 下进 行检验 则存 在一定 的片 面性 。 ·

1500: 11 1400 1300 1 1200 11 1100 1000 900 800 700 G00 500 400 300 人 200 100 04 1 1 :ithc1 ]1in 11 11444 -100 ,℃ , -200 -200月 -400 图5矿将合反应CO过利系数随温度的变化由线 (1)攀钢，(2)首钢，(3)太钢，(4)武钢，(5)本钢、(6)马钢，(7)承钢， (8)按钢，(9)梅山，(10)包钢、(11)宝领 Fig.3 nc as function of time,obtained from Fig. 由于高炉内温度与炉料降落过程时间存在单值对应关系，对时间积分效果可以用对温度 积分效果来比拟。由上图可请楚地看出，宝钢、本钢、首钢、鞍钢的煤气利用较好，以宝钢 最佳。包钢、重钢、太钢的煤气利用较差，其他各厂介于上述两部分之间。可见，焦炭冶金 性能好，其煤气利用不一定好，必须综合铁矿石性能，焦炭与铁矿石治金性能在同一水准 上，才能有较好的经济技术指标。 ·419·

门︾勺州汗 图 狱落犷藕合反 应 过 刘 系数 随温 度 的变 化 曲线 攀钢 ， 首钢 ， 太钢 ， 武 钢 ， 本 钢 ， 马 钢 ， 了 重 钢 ， 鞍 钢 ， 梅 一 ， 包 钢 刀 ， 宝全冈 由于 高炉 内温 度与 炉料 降落 过程时 间存 在 单值 对 应关 系 ， 对 时 间积分效果可 以 用对温 度 积 分效 果 来 比拟 。 由上 图可 清楚 地看 出 ， 宝钢 、 本钢 、 首钢 、 鞍 钢 的煤气利 用较 好 ， 以 宝钢 最佳 。 包钢 、 重钢 、 太钢的煤气利 用较 差 ， 其 他各厂介于上述 两部分之 间 。 可见 ， 焦 炭冶 金 性 能好 ， 其 煤气利用 不一定好 ， 必 须综合铁 矿石性 能 ， 焦 炭与 铁矿石冶 金性 能 在 同 一 水 堆 上 ， 才能有较 好的经 济技术 指标