张老师中小高炉年会报告

1、高炉炼铁燃料的若干新评价指标高炉炼铁燃料的若干新评价指标张建良张建良北京科技大学教授、博导、副院长北京科技大学教授、博导、副院长中国金属学会炼铁分会秘书长中国金属学会炼铁分会秘书长电话：电话手机：；手机mail:20142014年全国中小高炉炼铁学术年会年全国中小高炉炼铁学术年会成都成都2014年年10月月23日日高炉炼铁燃料的若干新评价指标 2/38 张建良主要内容1. 焦炭起始反应温度焦炭起始反应温度2. 燃料的有效发热值燃料的有效发热值3. 煤的分解热煤的分解热4. 新型炼铁燃料开发新型炼铁燃料开发5. 结论及建议结论及建议高炉炼铁燃

2、料的若干新评价指标 3/38 张建良1.1 焦炭在高炉内行为及劣化过程焦炭在高炉内行为及劣化过程高炉炼铁燃料的若干新评价指标 4/38 张建良1.2 当前焦炭性能评价方法当前焦炭性能评价方法GB50427-2008GB50427-2008高炉炼铁工艺设计规范对不同容积高炉规定了焦炭不同质高炉炼铁工艺设计规范对不同容积高炉规定了焦炭不同质量要求量要求炉容级别（炉容级别（m3）10002000300040005000M4078%82%84%85%86%M108.0%7.5%7.0%6.5%6.0%反应后强度反应后强度CSR58%60%62%65%66%反应性指数反应性指数CRI28%26%25%2

3、5%25%焦炭灰分焦炭灰分13%13%12.5%12%12%焦炭含硫焦炭含硫0.7%0.7%0.7%0.6%0.6%焦炭粒度范围（焦炭粒度范围（mm）75207525752575257530大于上限大于上限10%10%10%10%10%小于下限小于下限8%8%8%8%8%起始反应温度起始反应温度892906910910910高炉炼铁燃料的若干新评价指标 5/38 张建良1.2 当前焦炭性能评价方法当前焦炭性能评价方法焦焦炭炭质质量量评评价价体体系系冷态性能冷态性能热态性能热态性能抗磨指数抗磨指数（M M1010）抗碎强度抗碎强度（M M4040）反应性反应性（CRICRI）反应后强度反应后强度

4、（CSRCSR）起始反应温度起始反应温度高炉炼铁燃料的若干新评价指标 6/38 张建良1.3 焦炭溶损反应起始温度概念焦炭溶损反应起始温度概念焦炭起始反应温度降低，会导致：焦炭起始反应温度降低，会导致：焦炭与焦炭与COCO2 2气化反应在高炉内较早发生气化反应在高炉内较早发生，焦炭本身焦炭本身溶损过程加剧溶损过程加剧，焦炭，焦炭劣化现劣化现象显著象显著；焦炭起始反应温度定义：焦炭与焦炭起始反应温度定义：焦炭与COCO2 2开始反开始反应的温度。应的温度。高炉炼铁燃料的若干新评价指标 7/38 张建良1.4 焦炭溶损反应起始温度测试方法焦炭溶损反应起始温度测试方法热重试验检（热重试验检（TG-D

5、TGTG-DTG）测焦炭溶损反应起始温度）测焦炭溶损反应起始温度基本步骤：基本步骤：焦炭试样被制成焦炭试样被制成80-125m (115-18080-125m (115-180目目) )的粉末的粉末，焦粉质量在，焦粉质量在25mg25mg左右左右，将，将焦粉装入热重试验坩埚，通入焦粉装入热重试验坩埚，通入COCO2 2反应反应气体气体，以，以1515/min/min连续升温到连续升温到12501250，当当失重率为失重率为5%5%时时，所对应的温度为，所对应的温度为焦焦炭溶损反应起始温度炭溶损反应起始温度；高炉炼铁燃料的若干新评价指标 8/38 张建良1.4 焦炭溶损反应起始温度测试方法焦炭溶

6、损反应起始温度测试方法热重试验检（热重试验检（TG-DTGTG-DTG）测焦炭溶损反应起始温度）测焦炭溶损反应起始温度煤种灰分挥发份水分硫分Coke 111.711.197.160.60Coke 213.201.068.180.67Coke 312.701.149.000.64Coke 412.181.337.40.69Coke 512.491.327.50.71Coke 613.741.306.30.90实验用焦炭工业分析：高炉炼铁燃料的若干新评价指标 9/38 张建良1.5 焦炭溶损反应起始温度实例分析焦炭溶损反应起始温度实例分析热重试验检（热重试验检（TG-DTGTG-DTG）测焦炭溶损

7、反应起始温度）测焦炭溶损反应起始温度不同焦炭反应起始温不同焦炭反应起始温度差异较大度差异较大高炉炼铁燃料的若干新评价指标 10/38 张建良1.5 焦炭溶损反应起始温度实例分析焦炭溶损反应起始温度实例分析热重试验检（热重试验检（TG-DTGTG-DTG）测焦炭溶损反应起始温度）测焦炭溶损反应起始温度焦炭反应起始温度与反焦炭反应起始温度与反应性有很好相关性，可应性有很好相关性，可以用于表征焦炭的反应以用于表征焦炭的反应性。性。高炉炼铁燃料的若干新评价指标 11/38 张建良主要内容1. 焦炭起始反应温度焦炭起始反应温度2. 燃料的有效发热值燃料的有效发热值3. 煤的分解热煤的分解热4. 新型炼铁

8、燃料开发新型炼铁燃料开发5. 结论及建议结论及建议高炉炼铁燃料的若干新评价指标 12/38 张建良2.1 煤粉在高炉内的燃烧行为煤粉在高炉内的燃烧行为高炉炼铁燃料的若干新评价指标 13/38 张建良2.2 煤粉有效发热值的概念煤粉有效发热值的概念煤粉在高炉内的实际供给热应该是发热量减去吸热量的剩余热量。挥发份分解挥发份燃烧固定碳燃烧灰分成渣煤煤粉粉在在高高炉炉内内一一系系列列行行为为水煤气反应放热吸热CO N2 H2煤粉发热值高炉内煤粉提供发热值有效发热值定义：有效发热值定义：煤粉中碳不完全燃烧发热值煤粉中碳不完全燃烧发热值扣除扣除煤粉的分解热、煤粉的分解热、水煤气反应热、脱硫耗热、成渣热之后

9、的热量水煤气反应热、脱硫耗热、成渣热之后的热量，且，且氢氢参与的反应最参与的反应最终产物为氢气终产物为氢气，不燃烧放热。，不燃烧放热。高炉炼铁燃料的若干新评价指标 14/38 张建良2.2 煤粉有效发热值的计算方法煤粉有效发热值的计算方法1）煤粉中碳不完全燃烧放热：arrCQ10125.4122）水煤气反应耗热：2arH O10 MQ124.5183）碳氢化合物分解耗热：2docCCOHnet,arararararnet,arQ=Q +Q+Q QCOO = 10-10408.8+ 10283.4+5 H242.0-Q121616（） net.ararararararQ339C1031H109

10、OS25.1M其中：arC -表示空气干燥基碳元素含量arM -表示空气干燥基碳水含量高炉炼铁燃料的若干新评价指标 15/38 张建良2.2 煤粉有效发热值的计算方法煤粉有效发热值的计算方法4）灰分形成炉渣带耗热： 2310tAl OMgOAashftWWQ =SA,R,C t dtQ5）脱硫耗热：ssssssLC ,nQ(S)HLC ,n1其中：ssLn CS表示硫含量；sC表示硫容量；n表示修正系数；sH表示每脱除1kg硫需要消耗的热量1023ashf-A-C(t)-tttW(MgO)-W(Al O )-R-S-;Q -煤中灰分含量；表示炉渣在 温度下的比热容；表示炉渣温度；表示煤粉灰初始

11、温度；高炉渣中氧化镁含量，煤高炉渣粉成灰中氧化铝的含量，表示高炉渣碱度，渣量为成渣热；2eRc,iH OdocASQQRQQQQ最终可以得到有效发热值：最终可以得到有效发热值：高炉炼铁燃料的若干新评价指标 16/38 张建良2.3 煤粉有效发热值的应用煤粉有效发热值的应用通过有效发热值，可以建立其与煤粉价格之间的关系，从而得到煤粉实际供给热的性价比指标K：K= kJ/有效发热值元喷吹成本通过模型计算出同一变质程度的不同煤种的性价比K值，对比分析K值大小就可以定量评价不同喷吹煤的性价比差距；K值越大，喷吹煤性价比越高；K值越小，喷吹煤性价比越低；据此，可以实现煤种的优化选择。高炉炼铁燃料的若干新

12、评价指标 17/38 张建良2.3 煤粉有效发热值的应用煤粉有效发热值的应用有效发热值计算需要数据：种类名称VadAadMadSMfHGIQ (kJ/kg)P无烟煤A6.15912.091.3190.9410.840.7230306725B8.14112.931.6910.618.3168.4429925732烟煤C27.965.6188.9720.1617.4447.6526893547D23.767.22110.140.1917.4754.5825915547计算结果：种类名称有效热值 (kJ/kg)有效热值 (kcal/kg)喷吹成本 (RMB/t)K (103kJ/RMB)K (103

13、kcal/RMB)无烟煤A27666.066618.67 818.0233.828.09 B27034.836467.66 800.0933.798.08 烟煤C24726.305915.38 667.2137.068.87 D23394.865596.86 666.4435.18.40 高炉炼铁燃料的若干新评价指标 18/38 张建良2.3 煤粉有效发热值的应用煤粉有效发热值的应用有效发热值的概念不仅仅用于煤粉，也可以其他高炉有效发热值的概念不仅仅用于煤粉，也可以其他高炉喷吹燃料，比如固体燃料喷吹燃料，比如固体燃料（兰炭、半焦、生物质、生兰炭、半焦、生物质、生物质焦、废旧塑料、轮胎等物质焦、

14、废旧塑料、轮胎等）、）、气体燃料气体燃料（焦炉煤气、（焦炉煤气、天然气等）天然气等）以及液体燃料（以及液体燃料（重油、煤焦油等）重油、煤焦油等）等等替代替代燃料燃料。高炉炼铁燃料的若干新评价指标 19/38 张建良2.3 煤粉有效发热值的应用煤粉有效发热值的应用已知焦炉煤气组分和各组分的标况密度（20，101.325KPa）：名称标况密度（kg/m3）组分（%）氮气1.16462.4氧气1.33020.7氢气0.083857.9甲烷0.666924.9乙烯1.1662.6一氧化碳1.16448.2二氧化碳1.82963.3通过国标方法（GB/T11062-1998），计算得到其体积发热量为体积

15、发热量为 ：3952.61 kcal/Nm3由于在高炉内氢气参与反应不放热，扣除氢气放热后的由于在高炉内氢气参与反应不放热，扣除氢气放热后的有效发热值为：有效发热值为：1637.72 kcal/Nm3焦炉煤气有效热值计算实例：焦炉煤气有效热值计算实例：高炉炼铁燃料的若干新评价指标 20/38 张建良主要内容1. 焦炭起始反应温度焦炭起始反应温度2. 燃料的有效发热值燃料的有效发热值3. 煤的分解热煤的分解热4. 新型炼铁燃料开发新型炼铁燃料开发5. 结论及建议结论及建议高炉炼铁燃料的若干新评价指标 21/38 张建良3.1 煤粉分解热的重要性煤粉分解热的重要性高炉理论燃烧温度可以理解为炉缸煤气

16、参与炉料热交换前的温度，是表征炉缸热状态的重要参数，其计算公式如下：2222CCOCONNHHQ +Q +Q -Q-QT =CV+CV +CV风燃水解煤解理碳燃烧成CO放出热量鼓风带入热量燃料带入物理热水煤气反应耗热煤粉的分解热Q煤解的正确直接影响到T理的正确性！高炉炼铁燃料的若干新评价指标 22/38 张建良3.1 煤粉分解热的重要性煤粉分解热的重要性分解热误差为100kJ/kg时， 与喷煤量的关系为：T理误差不呈现线性规律：分解热增加，理论燃烧温度下降；温度降低，气体比热容降低，理论燃烧温度回升；综合结果导致理燃无明显规律。高炉炼铁燃料的若干新评价指标 23/38 张建良3.2 煤粉分解热

17、的确定原理及方法煤粉分解热的确定原理及方法将盖斯定律用于计算煤粉分解热，其原理如下图：喷吹煤粉C, CO, H2, N2CO2, H2O(g), N2Q分netQtotalQnettotalQ =Q-Q分221122222233C+O =CO +H H =-408.8kJ/molC+1/2O =CO+H H =-283.4kJ/molH +1/2O =H O+H H =-242.0kJ/mol氧弹量热计直接测量高炉炼铁燃料的若干新评价指标 24/38 张建良3.2 煤粉分解热的确定原理及方法煤粉分解热的确定原理及方法常用燃料的分解热：常用燃料的分解热：名称分解热无烟煤1005 kJ/kg烟煤1

18、172 kJ/kg重油1675 kJ/kgCH477.87 kJ/molC2H6117.57 kJ/mol高炉炼铁燃料的若干新评价指标 25/38 张建良主要内容1. 焦炭起始反应温度焦炭起始反应温度2. 燃料的有效发热值燃料的有效发热值3. 煤的分解热煤的分解热4. 新型炼铁燃料开发新型炼铁燃料开发5. 结论及建议结论及建议高炉炼铁燃料的若干新评价指标 26/38 张建良4.1 新型燃料的基本性能新型燃料的基本性能兰炭在炼铁领域的应用兰炭在炼铁领域的应用兰炭已在多家钢铁厂进行工业试验兰炭已在多家钢铁厂进行工业试验应用领域涉及应用领域涉及高炉喷吹高炉喷吹、代替焦丁代替焦丁以及作为以及作为烧结燃

19、料烧结燃料；高炉容积在高炉容积在450m450m3 3 580m580m3 3 800m800m3 3 2500m2500m3 3 3200m3200m3 3 4350m4350m3 3 ；喷吹比例喷吹比例15-60%15-60%；代替焦丁比例；代替焦丁比例15-30kg/t15-30kg/t；代替烧结燃料；代替烧结燃料比例比例10-100%10-100%；使用效果：高炉运行稳定，波动较小。使用效果：高炉运行稳定，波动较小。工业试验结果证明：兰炭在不同容积高炉使用合适比例，高炉运行良好；工业试验结果证明：兰炭在不同容积高炉使用合适比例，高炉运行良好；重要问题是兰炭运输成本偏高，如果价格合适，可

20、进一步扩大使用比例。重要问题是兰炭运输成本偏高，如果价格合适，可进一步扩大使用比例。高炉炼铁燃料的若干新评价指标 27/38 张建良4.1 新型燃料的基本性能新型燃料的基本性能固定碳含量较高，挥发分较少，单纯从工业分析角度看，接近无烟煤；固定碳含量较高，挥发分较少，单纯从工业分析角度看，接近无烟煤；除除C C兰炭粉外，其余兰炭发热量均在兰炭粉外，其余兰炭发热量均在29MJ/kg29MJ/kg以上。以上。A A兰炭系列固定碳含量均在兰炭系列固定碳含量均在80%80%以上，整体上高于其他两种兰炭；以上，整体上高于其他两种兰炭；A A兰炭兰炭系列呈现系列呈现出出随产品粒度增加，灰分、挥发分含量降低，

21、固定碳含量升高随产品粒度增加，灰分、挥发分含量降低，固定碳含量升高，发热量增加，发热量增加的规律的规律；样品样品名称名称灰分灰分/ /% %挥发分挥发分/ /% %固定碳固定碳/%/%高位发热量高位发热量/ /M MJ/kgJ/kgA A兰炭末兰炭末10.2710.278.478.4780.6280.6229.2529.25A A兰炭兰炭小小料料7.937.936.396.3985.0485.0429.7529.75A A兰炭兰炭中中料料4.584.584.704.7090.0090.0031.5131.51B B兰炭兰炭小小料料8.878.878.278.2782.1282.1229.492

22、9.49B B兰炭兰炭中中料料8.128.126.336.3384.7984.7930.0530.05C C兰炭末兰炭末11.8111.818.208.2079.4279.4228.8528.85C C兰炭兰炭小小料料8.428.429.869.8681.0481.0429.3329.33表表 兰炭样品工业分析兰炭样品工业分析兰炭基本性能兰炭基本性能高炉炼铁燃料的若干新评价指标 28/38 张建良4.1 新型燃料的基本性能新型燃料的基本性能燃料种类燃料种类高位发热值，卡高位发热值，卡/克克干基价格，元干基价格，元/吨吨热值价格比，千卡热值价格比，千卡/元元A兰炭末兰炭末6997.52670.8

23、310431.14B兰炭末兰炭末6978.05662.6510530.52C兰炭末兰炭末6901.91645.7610688.04无烟煤无烟煤7356.34782.759398.07兰炭与无烟煤的性价比比较兰炭与无烟煤的性价比比较高炉炼铁燃料的若干新评价指标 29/38 张建良4.2 新型燃料工业应用新型燃料工业应用图图 工业试验期间焦比变化工业试验期间焦比变化图图 工业试验期间燃料比变化工业试验期间燃料比变化可以看出，喷吹兰炭后高炉燃料比、焦比有显著降低。其中可以看出，喷吹兰炭后高炉燃料比、焦比有显著降低。其中燃料比降燃料比降低了低了4.2kg/t4.2kg/t ，而，而焦比却下降了焦比却下

24、降了6.8kg/t6.8kg/t ，其其燃料成本下降燃料成本下降5.045.04元元/ /t-t-H H，这对降低炼铁成本有显著效果。这对降低炼铁成本有显著效果。兰炭代兰炭代替替煤粉喷吹工业试验是在煤粉喷吹工业试验是在MJMJ钢铁公司钢铁公司450m450m3 3高炉进行高炉进行。兰炭粉喷吹工业试验兰炭粉喷吹工业试验高炉炼铁燃料的若干新评价指标 30/38 张建良4.2 新型燃料工业应用新型燃料工业应用实验对象为实验对象为MJMJ钢铁公司的钢铁公司的135m2135m2带式烧结机，使用的矿粉为带式烧结机，使用的矿粉为该该钢铁生产使用的钢铁生产使用的矿粉，实验用焦粉为矿粉，实验用焦粉为该该集团自产焦粉，兰炭集团自产焦粉，兰炭由由神木集团提供。神木集团提供。燃料燃料固定碳固定碳(%)湿基价格（元湿基价格（元/吨）吨）水分（水分（%）干基价格（元干