崔坤坤1 李福民1 呂 慶1 盧建光2,３ 李 威1 劉 銘1
(1華北理工大學； 2東北大學冶金學院；3河北鋼鐵集團邯鄲公司)
摘 要：為了使高爐生產更加高效、 節能環保， 提出了高爐噴煤新工藝，將造氣爐內煤氣化生產富氫煤氣代替高爐噴煤。采用二硅化鉬高溫爐對不同工藝參數 (溫度、 時間、 壓力、 氣化劑流量) 下煤的氣化進行實驗，用紅外線氣體分析儀分析產出煤氣的氣體成分，結果表明: 隨著溫度的增加， 煤氣中 CO含量升高，H2含量逐漸降低，還原氣體組分(CO＋H2 )含量增加的速率逐漸變緩；煤氣中的還原氣體組分含量隨著反應時間的增加先增加后減少；隨著壓力的增加，煤氣中 CO和H2的含量先增加，繼續加壓，煤氣中的 CO含量逐漸平穩且有下降的趨勢，H2含量的上升逐漸變緩，煤氣中的還原氣體組分含量升高的速率逐漸變慢；隨著氣化劑流量的增加，煤氣中還原氣體組分含量先升高后降低，H2和 CO含量均呈現先升高后降低的趨勢。當反應溫度為 1000℃ ，反應時間為 5min，氣化劑流量為 10Ｌ/ min，煤氣出口壓力為0.5kPa時，造氣爐最佳煤氣產出成分CO 和H2分別為49.05%和 18.75%。
關鍵詞：煤造氣；高爐噴吹；煤氣成分
高爐噴煤是煉鐵過程中的一項重要技術措施，可以降低冶煉成本、 增強競爭力，但系統設備比較復雜，占用空間較多，而且投資較高，在獲得經濟效益的同時，直接向高爐噴吹煤粉會給高爐冶煉過程帶來許多負面問題[1－3]。新的高爐煉鐵節能減排技術將成為今后研究的重點， 國內外研究機構和鋼鐵企業對此已做了大量研究，并取得了一定成果，例如，高爐富氫冶煉、 爐頂煤氣循環利用等技術已成為當今的研究熱點[4]。
高爐富氫冶煉主要是噴吹含氫原料，如噴吹水蒸氣、 廢棄塑料等富氫物質。但噴吹水蒸氣要消耗大量的熱量，所以不能作為大量提高含氫量的手段；與煤相比，廢塑料氣化產物中 H2 / CO的比值要遠大于噴吹煤粉時的比值，更有利于鐵氧化物的高溫還原[5]， 國內對廢塑料的前期分類或處理手段的不足導致高爐噴吹塑料還處于研究階段[6]；把高爐煤氣或富氧后的高爐煤氣直接噴入高爐均會造成生產率降低、 燃料比升高等缺點， 增加煉鐵成本[7] 。噴吹焦爐煤氣須對其進行凈化處理，投資比較大，另外，我國優質焦爐煤氣供應緊缺[8] ，所以噴吹焦爐煤氣只能當作噴煤的補充，很難實現單一噴吹。
基于此，提出了高爐噴吹新工藝[9] ，即把煤粉在造氣爐燃燒氣化，把風口前的燃燒轉移到造氣爐，其工藝流程為: 造氣爐燃燒煤→產生高溫煤氣→噴入高爐，這樣不僅可以簡化操作、 改善爐況, 而且還能調節噴吹的煤氣成分，噴入含氫量相對較高的煤造氣，從而實現 “富氫” 冶煉[10]，造氣爐中優劣煤都可以用，用普通煤代替部分焦炭，節省焦炭的使用[11] 。
煤造氣在煤化工領域研究的比較多，目前很多學者對造氣爐做了大量的研究 [12 －15] ， 對造氣爐的各個參數的研究也很多。但是大多數都是固定床或者流化床造氣爐的研究，而且所用的原料與技術手段也不相同。在冶金領域，關于高爐噴吹煤氣的半固定床造氣爐的研究更是不多，高爐噴吹煤氣需要高溫、 高壓、 造氣量大、 成分穩定，而且必須保證造氣爐可以連續且穩定地向高爐內部噴吹煤氣，所以必須得對造氣所用的半固定床造氣爐的各個工藝參數進行研究。文章主要研究造氣爐各個工藝參數對煤氣成分的影響規律，為高爐噴吹煤氣的造氣爐的實際生產提供理論參考。
1 實驗條件與方法
1.1 試驗原料及設備
試驗使用煙煤和無煙煤煤塊作為配煤的原料，原料煤的工業分析如表1所示。試驗所用的煙煤和無煙煤配比分別為92.5%和7.5%。試樣煤經過對輥機破碎之后，篩分成 8 ~10mm 的均勻煤塊，試驗裝置為二硅化鉬高溫爐，電腦控制加熱，爐內反應器為Φ70mm ×5mm×600mm 的封閉耐熱鋼管，上面設有加料裝置、 出氣裝置和加水蒸氣裝置，反應器底部鋪墊直徑為 8mm 的 剛玉球，鋪墊高度為 200mm。試驗裝置如圖1所示。試驗原料由上部加料口加入， 且加料口可密封，每組試驗料層厚度為200mm。試驗所用水蒸氣由上部加水蒸氣裝置通過細耐熱鋼管直接加入，試驗所用氣體由轉子流量計按照預定比例經過混氣罐后從反應器底部通入，煤氣從上部出氣管排出，由集氣袋收集之后，把集氣袋連接在紅外光譜氣體分析儀上，檢測其氣體成分， 記錄每組參數所對應的數據。
1.2研究方案及實驗結果
二硅化鉬爐按照計算機程序以10℃ / min 升溫，升溫期間持續通入氮氣，達到預定溫度，開始通入氣化劑，反應穩定后，用集氣袋收集氣體，然后用紅外光譜氣體分析儀檢測每組氣體成分，工藝參數煤氣出口壓力、 反應時間、 氣化劑流量及煤氣成分如表2 所示。氣化劑按O2 ∶ N2∶CO2 ∶H2O ＝ 21∶69∶5∶5 進行配比。
2 不同工藝參數對煤氣成分的影響
2.1溫度對煤氣成分的影響
煤氣中各氣體成分含量隨反應溫度的變化如圖2 所示。當反應溫度為 900℃ 時，C 與 CO 氣化反應緩慢，煤氣中CO含量不高為32.87%，但是H2含量最高為19.26%。隨著反應溫度的升高，煤氣中的CO 含量逐漸升高，當反應溫度為1000℃時，煤氣中 CO含量為 40.76%。隨著反應溫度的繼續升高，煤氣中的 CO含量升高變得緩慢，煤氣中H2含量隨著溫度的升高而略微有所降低，因為隨著溫度的升高，C 與 CO2 反應速率加快，煤氣中的CO含量逐漸增多，從而稀釋了煤氣中的H2。當溫度為900℃時，煤氣中的還原氣體組分 (CO＋H2 ) 含量為 52.13％，當溫度從 900℃升到1000℃時，煤氣中還原氣體含量升高較快為 57.77%，溫度繼續升高到1100、1200℃，煤氣中還原氣體含量變化不大，只有略微的增加。所以綜合考慮，反應溫度選擇1000℃，這樣煤氣中H2含量較高，且還原氣體含量也在一個較高的水平。
反應溫度是煤炭氣化過程中的一個重要參數，因為反應溫度不但能影響氣化反應速率， 同時也能控制反應的正反。C與 CO2 反應是典型的非均相吸熱反應，升高溫度使反應速率增加，所以煤氣中的 CO濃度升高。 C和H2O 的反應也是吸熱反應，提高溫度有利于反應的順行，同時，碳原子能量增加，碳鍵吸收能量之后更易與水發生反應，但是隨著溫度的持續升高，溫度對煤反應性的影響逐漸變小，這一結論與王培[16] 所得結論相同，李文軍[17] 就 CO2 －O2 －H2O 混合氣氛下煤氣化過程進行了分析，隨著氣化溫度的升高，CO2 的還原反應加劇，產品煤氣中 CO含量不斷增加，而H2 含量不斷下降，CO 和 H2總含量維持不變。C 與CO2 的反應速率要比與 H2O 的慢，C與 CO2 的反應需要吸收更多的熱量，所以，當溫度比較低的時候，煤氣中H2的含量比較高，當溫度逐漸升高時，C與 CO2 的反應逐漸加快，煤氣中 CO含量逐漸升高，相對的，煤氣中的H2濃度稍有降低。
2.2反應時間對煤氣成分的影響
煤氣中各氣體成分含量隨反應時間的變化如圖3所示，反應1min 后，檢測出收集煤氣中的CO含量為 34.34%， 含量為6.75％ 。隨著反應時間的增加，煤氣中的CO 和 H2含量均有所增加， 5min 時，煤氣中的CO 最高達到最高為40.76%時，煤氣中的H2含量達到最高為17.17%，反應繼續進行，煤氣中的 CO 和H2含量均有所降低。煤氣中還原氣體組分 (CO ＋2H2 ) 的含量隨著反應的進行，先增大后減小，從1min 時的 41.09%，增加到5min時的57.77%，之后開始降低，9min 時還原氣體含量降低到53.37%。
當反應只進行1min，氣化劑與反應器中的煤反應不完全，所以煤氣中的 CO 與 H2 含量很低，隨著反應的進行，反應逐漸穩定，煤氣中的CO和H2含量逐漸上升。反應繼續進行，由于反應器內的料層不能添加，能與CO2 反應的煤的比表面積逐漸減少，導致C轉化減慢。H2O的吸附活化能低于 CO2 [18 －19]，所以C更容易與H2O 反應，煤氣中的H2含量相對下降較少。實際生產應該適當地增加煤層厚度，氣化劑流量與煤層厚度之間的關系需進一步的研究。
2.3氣化劑流量對煤氣成分的影響
煤氣成分隨氣化劑流量的變化如圖4所示，隨著氣化劑流量的增加，煤氣中H2和 CO含量均有一個明顯的增加，在流量為10 L / min 時，H2 和CO含量都達到最大值，分別為 17.01％ 和40.76%，當氣化劑流量進一步增加，煤氣中還原氣體含量明顯降低。
通入反應器中的氣化劑流量較小時，煤與氣化劑的反應不完全，反應進行不徹底，生成的煤氣中 CO 和H2含量較低，隨著通入的氣化劑流量的增加，反應器內的反應程度增加，反應溫度也隨之升高，故加快了CO2 與C的還原反應和 C與 H2O 的反應， 所以煤氣中CO和 H2的含量增加，當氣化劑流量超過10 L/ min 時，氣化劑相對于煤炭有些過量，過量的氣化劑與煤氣中的CO、H2等可燃成分發生燃燒反應，導致煤氣中CO、 H2含量減少，煤氣中的CO2含量逐漸增加，這一結論與朱二濤[11]的造氣試驗結果一致。
2.4煤氣出口壓力對煤氣成分的影響
煤氣成分的變化與煤氣出口壓力的關系如圖5所示，在一定的壓力范圍內，隨著壓力的增加，煤氣中CO 和H2的含量呈上升趨勢，當壓力為0.5kPa時，CO含量達到最大值為 49.05％ 。 隨著氣化壓力的繼續增加，CO 含量逐漸平穩，H2含量有一個略微的上升趨勢，在一定的壓力范圍內，還原氣體組分 (CO ＋H2 ) 的含量隨著壓力的增加有一個明顯的增加，升高逐漸變得緩慢。
壓力對煤炭氣化有很大的影響，從熱力學分析，壓力增加有利于甲烷化反應，即反應會向體積減小的方向移動，不利于體積增大的氣化反應，但實際上，在相對低壓范圍內，增加壓力相當于提高了氣化劑的濃度，氣化劑的濃度增加，C與CO2的氣化反應隨壓力增加呈近似線性的關系增加[20]。但是隨著壓力的繼續增加，反應速率的進一步增加變得逐漸困難，壓力對反應速率的影響越來越小，當壓力很大時，氣化劑向煤孔隙擴散過程逐漸變得困難[21] ，對C與CO2的反應速率反而有一個負面作用， 所以煤氣中的CO含量有所降低。隨著壓力的增加，氣化劑 H2O增加，反應速率加快，煤氣中的H2 含量逐漸增加，之后壓力繼續增加，壓力對 C與 H2O反應速率的影響也變得越來越小。
3 結論
(1) 當反應溫度為900℃ 時，煤氣中H2含量處在一個較高的水平低，在一定溫度范圍內，隨煤著氣反中應CO溫度含的量升比高較，煤氣中的 CO濃度升高得較快，煤氣中的 H2含 量略微降低，煤氣中還原氣體組分 (CO＋H2 ) 的含量隨溫度的升高而升高，當溫度進一步升高，還原氣體組分含量升高變得緩慢。
(2) 反應時間很短的時候，煤氣中的還原氣體組分 (CO＋H2 ) 含量較低，隨著反應繼續進行，煤氣中的成分逐漸穩定，還原氣體組分含量逐漸升高且變得穩定，5min時煤氣中的 CO最高達到最高為 40.76％ ， 7min時煤氣中的 H2含量達到最大為 17.17％ ，隨著反應的繼續進行，煤氣中還原氣體組分含量會慢慢降低。
(3) 隨著氣化劑流量的增加，煤氣中還原氣體組分 (CO＋H2 ) 含量先升高后降低， 煤氣中 H2 和CO含量均呈先升高再降低的趨勢。
(4) 在一定的壓力范圍內， 隨著壓力的增加， 煤氣中CO 和H2的含量呈上升趨勢，隨著氣化壓力的繼續增加，煤氣中的CO含量逐漸平穩且有下降的趨勢，煤氣中H2含量的增加逐漸緩慢，煤氣中的還原氣體組分 (CO ＋H2 ) 含量在一定壓力范圍內升高明顯，隨著壓力的進一步升高，煤氣中還原氣體組分含量的繼續升高變得緩慢。
(5) 當溫度為1000℃ ，反應時間為 5min，氣化劑流量為10L/ min，煤氣出口壓力為0.5kPa時，得到的煤氣最為符合高爐的需求，煤氣中CO含量為49.05%，H2含量為18.75%。
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