新日铁开发出使用劣质煤生产高强度反应性焦炭的技术

      1、前言
   为解决CO₂排放造成全球变暖和环境能源等问题，减少高炉燃料比和提高高炉利用系数的生产技术已成为重要的课题，为此人们期待着能开发出与之相应的焦炭生产技术。另一方面，从煤资源受到制约和降低焦炭生产成本方面来看，人们正在寻求一种能进一步增加廉价劣质非炼焦煤使用量的技术。作为大量使用廉价劣质煤生产高强度焦炭的技术之一，介绍了新日铁开发的采用装入干燥煤生产焦炭的技术。另外，作为提高高炉内还原效率的手段之一，介绍了高反应性焦炭的生产技术。

      2、高强度焦炭生产技术
      2．1焦炉使用干燥煤和增加劣质煤使用量的技术
   新日铁在过去已开发了焦炉用煤的干燥设备系统，1983年在大分钢厂开始进行CMC操作，1992年还在大分钢厂开始进行DAPS操作。采用CMC工艺时，装入焦炉煤的水分为5%－7%左右，采用DAPS工艺时，为2%－4%左右。随着装入煤水分的下降，装入煤的松装比重增加，提高了焦炭质量（增加了劣质煤的使用比例），装入煤的松装比重增加，提高了焦炭质量（增加了劣质煤的使用比例），同时也取得了提高生产率和节能的效果。在装入干燥煤来增加劣质煤使用量的技术时，关键是生产高强度焦炭所需的配煤技术和提高煤的装入密度后控制膨胀压十六大的技术措施，对此进行了研究，其结果介绍如下。
      2．2实验方法
   将表1所示的A-P煤按照规定的比例进行配比制成各种煤，并按照0.70t/m³和0.80t/m³的装入密度装入电加热式焦炉（炉宽420mm、炉长600mm、炉高400mm）进行干馏，干馏后测定了焦炭的转鼓强度（DI¹⁵⁰₁₅和D¹⁵⁰₆）。而且，还进行了将I－P煤（单一煤）按照0.80 t/m³ 和0.90t/m³的装入密度装入试验焦炉进行干馏，干馏后测定了焦炭转鼓强度的试验。另外，将F、G、H煤分别按照10%、22%、35%和非炼焦煤H进行配比，制成3种不同配比的煤B1、B2、B3（表2），按照0.68 t/m³、0.75 t/m³和0.82 t/m³的装入密度装入试验炉，然后测定了干馏后焦炭的转鼓强度。在这里，将煤化度低（镜煤素质的平均反射率在0.8以下）、且粘结性也低的（最高流动度在2、5以下）煤称为非炼焦煤。
另外，按照规定的装入密度，将B1、B2、B3煤装入试验炉干馏后测定了相当膨胀压的软化溶融层内煤气的压力。使用内径1mm、外径2mm的不锈钢管，沿炉密度方向中间（距离炉墙200mm）及炉高方向中间，对软化溶融层内煤气压力进行了测定。
      2．3实验结果和研究
   使用干燥煤的焦炭强度
   对总膨胀率、装入密度和焦炭强度的关系进行了研究。对于焦炭强度，采用表示焦炭表面破坏强度的DI1506进行了评价。当装入密度和总膨胀率越高时，焦炭强度呈升高的趋势。另外，在总膨胀率低于某个值时，强度会急剧下降，当装入密度高时，强度的下降值转为低膨胀率一侧。
   因此，关于装入密度和总膨胀率对焦炭强度的影响可以认为是如下原因。当煤装入炭化室时，煤颗粒之间只是部分接触，到了400⁰C左右时，煤出现软化和膨胀，煤颗粒会向颗粒间的空隙膨胀，煤颗粒会向颗粒间的空隙膨胀。在煤颗粒的膨胀率比煤颗粒间的空隙率更大的情况下，煤颗粒之间会充分接触，形成紧固粘着。另一方面，在煤颗粒的膨胀率比煤颗粒间的空隙率更小的情况下，煤颗粒之间无法充分接触，会形成脆弱的焦炭结构。由此可以为初期的煤装入密度和煤的膨胀性对于煤颗粒之间的接触是很重要的。
根据装入密度、膨胀比容积的积和焦炭强度的关系可知，当装入密度和膨胀比容积的积超过某个值时，焦炭强度可保持很高的值。也就是说，在保持目标强度的装入密度×比容积的值的范围内可以增加非炼焦煤的配比量。
根据使用各种配煤时的总膨胀率和焦炭强度的关系可知，与使用湿煤装入(装入密度O.70)相比，使用干燥煤装入(装入密度0.83)可以提高焦炭强度，焦炭强度的下降点转向低膨胀率一侧。在实际操作中，在保持目标强度的总膨胀率值最大的情况下，增加了劣质非炼焦煤的使用量。
      (2)使用干燥煤的膨胀压力
   根据装入密度和煤气压力的关系可知，随着装入密度的提高，煤气压力会升高。另一方面，在非炼焦煤配比高的情况下，煤气压力会下降，当B1、B2、B3煤的装入密度分别为0.68t／m³、0.75t／m³、0.82t／m³时，煤气压力基本相等。可以认为这是因为在再固化温度低、膨胀压力高的煤出现软化溶融时，非炼焦煤已经发生了再固化，煤气会从膨胀压力高的煤的软化溶融层通过，从而使软溶融层内的煤气压力下降的缘故。此时，DI¹⁵⁰₁₅也基本相等，为85.4。即使在使用干燥煤装人这种高装入密度操作条件下，只要适当增加非炼焦煤的配比等，就可将膨胀压力维持在与湿煤装入相同的水平。
      3、高反应性焦炭生产技术
      3.1配加高Ca煤生产高反应性焦炭的技术对能够应用于实际高炉生产的高反应性块焦的生产技术进行了研究。为降低高炉内热保存带温度，晕要的足要降低焦炭的反应开始温度，因此必须提高化学反应速度。在这里，作为提高焦炭反应性的方法，着重对Ca催化效果进行了研究，研究了配加Ca含量极高的煤生产高强度、高反应性焦炭的技术(煤和催化剂的预混合法)。
      3.2实验方法
   实验用煤的特性示于表3。F煤是Ca含量极高的非炼焦煤。制作了两种混合煤，一种是在配合煤l(B煤70%、C煤30%)中添加各种碱土金属试剂；另一种是以配合煤2(A煤20%、B煤50%、C煤30%)基准，将C煤置换成D、E、F煤，放入试验焦炉进行干馏，测定了于馏后焦炭的JIS反应性指数(ReI)、转鼓强度等特性。另外，根据实验炉的结果，在实际焦炉上进行了配用F煤生产高反应性焦炭的试验。
      3.3、实验结果和研究
   此次使用的碱土金属的催化活性序列为Sr>Ca>Mg，Mg几乎没有提高反应性的作用。从添加的ca原子克分子数比较可知，CaO和CaC03的催化活性基本相同，不论是CaO还是CaC03都具有催化作用。
   另外，虽然配加D煤可以提高JIS反应性指数，但配加Ca含量高的F煤可以更大幅度提高反应性。由此可以认为在使用F煤的情况下，由于Ca的催化作用，可以提高化学反应性。另一方面，由于F煤是非炼焦煤，如果与C煤等量替换，焦炭强度会F降。
因此，新日铁通过调整炼焦煤的配比和F煤的配比，在实际焦炉上进行提高强度、高反应性焦炭的生产试验。试验结果表明，焦炭的反应性高，转鼓强度比普通焦炭高。尤其是在北海制铁所室兰厂进行了长时间连续配加高Ca煤生产高反应性焦炭试验，并将其应用于实际高炉的实验，结果确认降低了高炉燃料比。
      4、结束语
   介绍了采用装入干燥煤提高焦炭强度、增加劣质煤使用量的技术和配加高Ca煤生产高反应性焦炭的技术。作为支撑高炉降低燃料比和提高利用系数的操作技术，以及进一步增加劣质煤使用量的可能性，今后还应努力开发高强度、高反应性焦炭的生产技术。 (廖建国)
    表1各种煤的特性

       表2煤的混合

     表3试验用煤的特征