一种提高烟煤与兰炭的混合煤粉中兰炭配加量的方法
阅读说明：本技术 一种提高烟煤与兰炭的混合煤粉中兰炭配加量的方法 (Method for increasing semi-coke addition amount in mixed coal powder of bituminous coal and semi-coke ) 是由 胡途 吕婷婷 张利波 杨黎 王仕兴 于 2021-09-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种提高烟煤与兰炭的混合煤粉中兰炭配加量的方法,涉及高炉炼铁技术领域,所述方法为在烟煤与兰炭的混合煤粉中添加Fe-(2)O-(3)和/或La-(2)O-(3)。本发明通过向混合煤粉中加入Fe-(2)O-(3)和/或La-(2)O-(3),在不降低混合煤粉燃烧性能的前提下,进而提高兰炭在高炉混合喷吹煤粉中的配比量。兰炭具有易得、价格低的特点,这对高炉的高效生产、降低生铁成本具有重要意义。(The invention discloses a method for increasing the adding amount of semi-coke in mixed coal powder of bituminous coal and semi-coke, and relates to the technical field of blast furnace ironmaking 2 O 3 And/or La 2 O 3 . The invention adds Fe into the mixed coal powder 2 O 3 And/or La 2 O 3 On the premise of not reducing the combustion performance of the mixed pulverized coal, the proportion of the semi coke in the blast furnace mixed pulverized coal injection is further improved. The semi-coke has the characteristics of easy obtaining and low price, which has important significance for the high-efficiency production of blast furnaces and the reduction of pig iron cost.)
技术领域
本发明涉及高炉炼铁技术领域，特别是涉及一种提高烟煤与兰炭的混合煤粉中兰炭配加量的方法。
背景技术
为了降低燃料消耗，优化高炉效能，目前钢铁企业都采用高炉喷煤工艺进行炼铁，该工艺不仅可以降低高炉炼铁成本，还可以减轻在炼铁过程中对环境造成的污染。烟煤和无烟煤作为最主要的煤粉被应用于高炉喷煤中，随着无烟煤资源的匮乏，其价格不断在上升，因此亟需寻求一种的新的燃料来替代无烟煤。
兰炭作为一种新型的炭素燃烧材料，由低阶煤块烧制而成，具有固定碳高、化学活性高和价格低等优点，燃烧后对环境所造成的污染很小，而且其燃烧性能与无烟煤很相似，在高炉喷吹中存在着巨大的市场发展潜力。如果用兰炭代替无烟煤，采用兰炭配加烟煤的方法进行高炉喷吹，有望达到降低高炉生铁成本的目的。但是目前混合喷吹煤粉中配加兰炭的量有限，配加过多后会导致混合煤粉燃烧性能降低，未燃煤粉量增大，影响高炉顺行。因此，如何在提高兰炭配加量的情况下，提高混合煤粉的燃烧效率和燃尽率，在本领域中具有重要意义。
发明内容
目前冶炼厂采用无烟煤与烟煤(一般质量比1:1)的混合煤粉作为高炉喷吹燃料，可以进行稳定生产，本发明以此混合煤粉的燃烧性能作为参照条件，以其综合燃烧特性指数S作为标准，在不降低煤粉燃烧性能的前提下，提供了一种通过向混合煤粉中加入Fe2O3和/或La2O3，从而提高兰炭在高炉喷煤中的配比量，进而降低高炉生铁成本的方法。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种提高烟煤与兰炭的混合煤粉中兰炭配加量的方法，在烟煤与兰炭的混合煤粉中添加Fe2O3和/或La2O3。
在烟煤与兰炭的混合煤粉中添加适量的Fe2O3、La2O3可以促进煤粉的燃烧，而且Fe2O3、La2O3的加入不会对高炉产生不利的影响。当单独添加Fe2O3时，添加量为混合煤粉的2wt％时，对烟煤和兰炭的燃烧促进效果最明显；当单独添加La2O3时，添加量为1wt％时，对烟煤和兰炭的燃烧促进效果最明显；当同时添加Fe2O3和La2O3时，Fe2O3和La2O3的添加量为混合煤粉质量的0.01wt％时，对烟煤和兰炭的燃烧促进效果最明显。
在混合煤粉中，由于La2O3结构的特殊性，容易产生活性粒子，进而给反应提供活化中心。活性粒子成指数倍快速增加，引发自由基链式脱碳裂解反应，使大分子和芳环上的支链断裂分解，降低反应难度。兰炭具有挥发分含量低，固定碳含量高等特点，由于兰炭的挥发分含量低，所以着火相对困难；烟煤具有挥发分高，固定碳含量低等特点，着火相对容易。当煤粉种类不同时，催化剂对其催化的作用也会有相应的区别。往兰炭中加入2wt％Fe2O3时，兰炭的着火温度和最大失重率时温度都降低，分别降低了0.79％和1.4％，兰炭的燃尽温度增加了0.17％，最大失重率降低了4.6％。往烟煤中加入2wt％Fe2O3时，烟煤的着火温度基本不变，最大失重率时温度的温度降低了1.4％，烟煤的燃尽温度降低2.9％，最大失重率增大7.5％。通过比较催化剂对兰炭和烟煤催化效果的不同可以得知：加入2wt％Fe2O3对于兰炭燃烧阶段的前半部分影响更大，对烟煤燃烧阶段的后半部分影响更大。Fe2O3主要在反应过程中起到传递氧的作用。随着温度的逐步升高，煤粉周围出现还原气氛，将Fe2O3还原为FeO，使得煤粉周围的氧含量更充分，促进了煤粉与氧气反应。兰炭的挥发分含量低，催化剂的加入，增加了氧含量，进而增加了含氧官能团，人为降低了煤质程度，使反应更容易进行。同时，氧气的量更多时，兰炭中挥发分的释放也就更集中，着火温度提前，最大失重率时温度也相应降低。前面提到烟煤的挥发分高，所以Fe2O3对于降低烟煤着火温度几乎不起作用。Fe2O3对烟煤燃烧阶段的后半部分有较好的催化效果。随着燃烧的进行，烟煤周围的温度和压强都逐渐升高，氧气到达煤粉表面的扩散速度减慢。此时催化剂的加入增加了煤粉周围的氧气含量，使得烟煤燃烧得更快更彻底。
往兰炭中加入1wt％La2O3时，兰炭的着火温度和最大失重率时温度都降低，分别降低了0.13％和0.97％，兰炭的燃尽温度增加了0.27％，最大失重率降低了3.4％。往烟煤中加入1wt％La2O3时，烟煤的着火温度基本不变，最大失重率时温度降低了2.6％，烟煤的燃尽温度降低5.9％，最大失重率增大24.15％。通过比较催化剂对兰炭和烟煤催化效果的不同可以得知：加入1wt％La2O3对于兰炭燃烧阶段前半部分的影响大于后半部分的影响，而对烟煤燃烧阶段的后半部分有较大影响。La2O3的加入主要使兰炭的着火温度和最大失重率时温度降低。由于La的价电子层结构的特殊性，使得稀土元素的活性组分处于热力学亚稳状态，因而具有空位，离子变价，晶格畸变等结构的非完整性，所以可以吸收气氛中的氧，包括O2、O2 -以及O-，实现氧的自由扩散。氧含量的增加有助于兰炭挥发分的挥发，促进分解，进而实现着火提前。由于稀土氧化物结构的特殊性，La2O3的加入不仅仅实现了氧气的自由扩散，而且还容易产生活性粒子，给反应提供了活化中心。活性粒子的成指数倍快速增加，引发自由基链式脱碳裂解反应，使大分子和芳环上的支链断裂分解，降低反应难度。催化剂的加入使得烟煤燃烧过程中的氧气含量增加，活性粒子增加，进而促进燃烧。烟煤的挥发分高，进而孔隙度较高，所以催化剂的分布相对均匀，这有利于烟煤中的大分子结构分解。烟煤在La2O3的催化作用下显现出良好的催化效果，促进了烟煤的燃烧，使得燃烧反应更加彻底。
Fe2O3和La2O3的加入都对煤粉的燃烧起到催化作用，并且都使得煤粉的综合燃烧特性参数增加。但是，不同的催化剂对于不同煤粉的催化效果和催化阶段都有一定的区别。将两种催化剂综合进行比较得知：2wt％Fe2O3对于兰炭燃烧阶段的前半部分的催化效果更好，1wt％La2O3对于烟煤燃烧阶段的后半部分催化效果更好。本发明将Fe2O3和La2O3同时加入到混合煤粉中，Fe2O3和La2O3同时加入后，使混合煤粉在较低的温度下热解，造成半焦孔隙率发达，同时具有较高的比表面积和较强的吸附能力，增加了氧气的吸附和传递速率，加速了半焦的燃烧。同时大量的晶格缺陷和分子空穴能够在氧气环境中加速氧气的吸附和传递，从而降低了燃点，加速了燃烧。本发明发现同时加入Fe2O3和La2O3不仅能显著减少添加量，还能加大混合煤粉中兰炭的配比量，大大降低生铁成本。
进一步地，所述烟煤与兰炭的混合煤粉中烟煤和兰炭的粒度在200目以下。对于高炉喷吹煤粉燃烧而言，越细越好，但太细不易保存和运输，为了保证燃烧效果和便于保存、运输，将粒径控制为200目以下。
进一步地，所述烟煤与兰炭的混合煤粉中兰炭占比为15wt％-60wt％，余量为烟煤。所述烟煤与兰炭的混合煤粉中兰炭的质量比分别为15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、60％。
进一步地，Fe2O3的添加量为混合煤粉质量的1wt％-3wt％，优选为2wt％。
进一步地，La2O3的添加量为混合煤粉质量的1wt％-2wt％，优选为1wt％。
进一步地，优选在烟煤与兰炭的混合煤粉中同时添加Fe2O3和La2O3，Fe2O3和La2O3的添加量为混合煤粉质量的0.01wt％-0.02wt％，优选为0.01wt％，Fe2O3和La2O3的质量比为1：1。
本发明公开了以下技术效果：
本发明通过向混合煤粉中加入Fe2O3和La2O3，在不降低混合煤粉燃烧性能的前提下，进而提高兰炭在高炉混合喷吹煤粉中的配比量。兰炭具有易得、价格低的特点，这对高炉的高效生产、降低生铁成本具有重要意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为不同添加比例的兰炭与烟煤混合煤粉的综合燃烧特性指数；
图2为兰炭与烟煤不同比例混合煤粉加入2wt％Fe2O3后的综合燃烧特性指数；
图3为兰炭与烟煤不同比例混合煤粉加入1wt％La2O3后的综合燃烧特性指数；
图4为兰炭与烟煤不同比例混合煤粉加入0.01wt％Fe2O3和La2O3后的综合燃烧特性指数。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
由于煤粉的综合燃烧特性指数S代表了煤粉的燃烧性能，其值越大，煤粉的燃烧特性越好，本发明以无烟煤与烟煤(质量比1:1)的混合煤粉的燃烧性能作为参照条件，以其综合燃烧特性指数S作为标准，在综合燃烧特性指数不降低的前提下，尽可能的提高兰炭的配加量。
本发明兰炭与烟煤的混合、无烟煤与烟煤的混合均采用物理掺和的混合方法。
本发明采用热分析仪对混合后的样品进行燃烧试验，热分析仪的升温速率为20℃/min，温度区间为30-900℃，混合样品质量为6±0.1mg。
实施例1
将无烟煤与烟煤混合，得到无烟煤与烟煤混合煤粉，其中无烟煤的质量比为50％；将兰炭与烟煤按照不同质量比混合，得到兰炭占质量比分别为15％、20％、25％、30％、40％、50％的混合煤粉；分别称取6±0.1mg以上混合煤粉，使用热分析仪对其进行燃烧实验，由室温以20℃/min的升温速率升至900℃。不同添加比例的兰炭与烟煤混合煤粉的综合燃烧特性指数见图1。无烟煤质量比为50wt％的混合煤粉的着火温度和燃尽温度分别为523.99℃和707.32℃，综合燃烧特性指数为3.86×10-7。兰炭质量比为25wt％的混合煤粉的着火温度和燃尽温度分别为524.74℃和706.82℃，综合燃烧特性指数为4.23×10-7。兰炭质量比为30wt％的混合煤粉的着火温度和燃尽温度分别为525.99℃和739.92℃，综合燃烧特性指数为3.67×10-7。综合比较得到在不添加催化剂的情况下，兰炭的最大配比量为25wt％。
实施例2
称取兰炭不同质量比(35％、40％、45％、50％)的混合煤粉(烟煤+兰炭)1g，加入2wt％Fe2O3后均匀混合。分别称取6±0.1mg以上混合样品，使用热分析仪对其进行燃烧实验，由室温以20℃/min的升温速率升至900℃。兰炭与烟煤不同比例混合煤粉加入2wt％Fe2O3后的综合燃烧特性指数见图2。兰炭质量比为35％时，加入2wt％Fe2O3后，着火温度和燃尽温度分别为524.65℃和709.19℃，综合燃烧特性指数为3.95×10-7。兰炭质量比为40％时，加入2wt％Fe2O3后，着火温度和燃尽温度分别为521.73℃和711.83℃，综合燃烧特性指数为3.52×10-7。当兰炭配比量为35％时，加入2wt％的Fe2O3后，混合煤粉的着火温度、燃尽温度和最大燃烧速率温度与冶炼厂所采用的混合煤粉(无烟煤:烟煤质量比＝1:1)的燃烧特征参数都是一致的，与没有添加Fe2O3的混合煤粉相比，兰炭配比量提高了10％。
在保持每吨生铁喷煤量为170Kg/吨的情况下，兰炭配比量提高10％使得吨铁配煤成本降低2.5元。
实施例3
称取兰炭不同质量比(35％、40％、45％、50％)的混合煤粉(烟煤+兰炭)1g，加入1wt％La2O3后均匀混合。分别称取6±0.1mg以上混合样品，使用热分析仪对其进行燃烧实验，由室温以20℃/min的升温速率升至900℃。兰炭与烟煤不同比例混合煤粉加入1wt％La2O3后的综合燃烧特性指数见图3。兰炭质量比为40％时，加入2wt％La2O3后，着火温度和燃尽温度分别为525.49℃和699.29℃，综合燃烧特性指数为3.91×10-7。兰炭质量比为45％时，加入1wt％La2O3后，着火温度和燃尽温度分别为530.51℃和718.60℃，综合燃烧特性指数为3.47×10-7。当兰炭配比量为40％时，加入1wt％的La2O3后，混合煤粉的着火温度、燃尽温度和最大燃烧速率温度与冶炼厂所采用的混合煤粉(无烟煤:烟煤质量比＝1:1)的燃烧特征参数都是一致的，与没有添加La2O3的混合煤粉相比，兰炭配比量提高了15％。
在保持每吨生铁喷煤量为170Kg/吨的情况下，兰炭配比量提高15％使得吨铁配煤成本降低4元。
实施例4
称取兰炭不同质量比(35％、40％、45％、50％、60％)的混合煤粉(烟煤+兰炭)1g，加入0.01wt％Fe2O3和La2O3(二者质量比为1：1)后均匀混合。分别称取6±0.1mg以上混合样品，使用热分析仪对其进行燃烧实验，由室温以20℃/min的升温速率升至900℃。兰炭与烟煤不同比例混合煤粉加入0.01wt％Fe2O3和La2O3后的综合燃烧特性指数见图4。兰炭质量比为40％时，加入0.01wt％Fe2O3和La2O3后，着火温度和燃尽温度分别为523.17℃和707.26℃，综合燃烧特性指数为4.34×10-7。兰炭质量比为45％时，加入0.01wt％Fe2O3和La2O3后，着火温度和燃尽温度分别为523.87℃和707.26℃，综合燃烧特性指数为4.03×10-7。当兰炭配比量为60％时，加入0.01wt％Fe2O3和La2O3后，混合煤粉的着火温度、燃尽温度和最大燃烧速率温度与冶炼厂所采用的混合煤粉(无烟煤:烟煤质量比＝1:1)的燃烧特征参数都是一致的，与没有添加催化剂的混合煤粉相比，兰炭配比量提高了35％。
由于目前兰炭的价格总体要低于无烟煤的价格，因此使用本发明提供的方法进行兰炭混合煤粉生产可以产生较大的经济利益，以当前煤价为例无烟煤为850元/吨，而可用于替代该产品的兰炭仅为500元/吨，按照原煤无烟煤混合煤粉的配比按烟煤50％、无烟煤50％计算，若使用兰炭代替无烟煤，那么每吨混合煤粉成本可降低350元，在大规模生产过程中，将产生巨大的利润。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
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