HPC型煤制备及在COREX气化炉内劣化及调控基础研究

Extricating or reducing dependence on coking coal and taking full advantage of heterogeneous coals is the radical solution for fuel supply with safe and steady in ironmaking industry. COREX is a smelting reduction process with high competitive force in utilization of energy and environmentally friendly characteristics, especially when the briquettes are employed to extend the adaptability of COREX to coals. Aiming to the application of briquettes in COREX, gas generating characteristics of briquettes bonded with hyper coal (HPC) during pyrolysis, micro structure evolution during coking and gasification and the role of HPC will be studied emphatically in the condition of COREX Melter Gasifier, as well as carbon transfer between different solid fuels and iron-bearing phases. This research will provide a theoretical and technical foundation for application of HPC briquettes in COREX. . Deterioration mechanism of briquettes in COREX Melter Gasifier will be investigated via on-line observation, phase and micro structure detection. Through the investigation of micro structure evolution and gas generating rules during pyrolysis and coking, we will grasp technical means for regulating the reducing gas and properties of semi-coke. Via the study of phase and micro structure evolution and macro kinetics analysis on carbon transfer between solid fuels and iron-bearing phases, we will master the rules of carburization control, subsequently establishing a firm foundation for carbon-control smelting.

摆脱或降低对焦煤资源的依赖，充分利用各种煤炭资源是解决炼铁能源安全稳定供给的根本。COREX熔融还原炼铁工艺在解决能源利用与节能环保方面具有很强的竞争力，而型煤的使用将大大提高其对燃料的适用性。本项目针对型煤在COREX中的应用，重点研究HPC型煤在熔融气化炉条件下的热解及气体生成特性，型煤成焦及气化过程微观结构变化及HPC作用机理，碳素在不同固体燃料与铁质物相间的迁移规律，为HPC型煤在COREX工艺中的应用提供理论与技术基础。. 通过在线显微观察、物相及微观结构分析等手段研究型煤在气化炉内的劣化机理，通过型煤热解成焦过程微观结构演变以及气体生成规律的研究，掌握调控还原煤气以及半焦性能的技术手段。通过碳素在不同固体燃料与铁质物相间迁移过程的物相、微观结构变化以及宏观动力学分析，掌握控制渗碳的条件，奠定控碳冶炼的理论基础。

块煤替代焦炭是COREX炼铁工艺对比高炉工艺的优势所在，但优质块煤资源少，质量不稳定，常需要通过提高入炉焦炭比例解决熔炼率低、燃料比高、顺行较差的技术问题，这违背了COREX工艺的设计初衷。型煤是介于块煤和焦炭之间的二次加工燃料，具有原料选择范围广，质量稳定且可控的优点，是块煤的理想替代和升级燃料。本项目以制备满足COREX用型煤为目标，研究了超精煤（HPC）提取和以超精煤为粘结剂的型煤制备工艺；解析了型煤在COREX气化炉条件下的热解、气化及渗碳行为。针对萃取工艺，获得了HPC的最佳萃取条件：反应温度340-360℃，液固比50mL/1g，反应时间60min。对于萃取率较低的煤种，采用生物质与煤粉联合萃取方法可将萃取率提高至50%以上。由低阶煤制备的HPC具有极低的灰分（<0.2%），良好的燃烧性以及媲美焦煤的粘结性和极佳的流动性。以此为粘结剂，制备了满足COREX要求的型煤燃料，其最佳工艺条件为热压温度400℃，保温时间15min，HPC添加量15%，制备的型煤在600℃的抗压强度可达到1.2kN以上。对HPC型煤热解特性的研究揭示了煤种、升温速率、配比和压力等对热解失重以及热解气体生成的影响。型煤热解后气化行为的研究表明：在一定范围内，增加HPC配加量可同时提高型煤反应性和反应后强度，解决了常规燃料反应性和反应后强度不可兼得的问题。以上研究揭示了煤在有机溶剂中的萃取原理以及HPC在煤的粘结和劣化过程中的作用规律，为HPC型煤的应用奠定了技术基础。进一步探究了HPC在炼焦配煤以及储能材料领域应用的可行性。结果表明：HPC可部分替代焦煤炼焦，单一煤粉萃取HPC的最佳添加比例为20%；生物质协同萃取HPC的最佳比例为10%-15%。采用熔盐电解法能够成功将HPC转变为高结晶度石墨，产品应用于锂离子电池负极材料，显示出优异的电化学性能，在0.1C电流倍率下，可逆容量达到650mAh·g-1，库伦效率接近100%。通过工艺优化可将HPC转变为纳米花瓣状石墨，最高可逆容量达到848mAh·g-1。该研究为劣质煤炭的清洁、高值化应用开辟了新的途径。