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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 ｉｎｄｅｘｅｓ 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 ChaoXing 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 ChaoXing 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 ChaoXing 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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