低阶煤低温干馏条件对兰炭破碎/燃烧行为的影响机制研究

Semi-coke is the solid product of low-temperature pyrolysis of low-rank coal. The technology of utilizing of semi-coke to replace the traditional of anthracite in pulverized coal injection (PCI) technology for blast furnace(BF) can optimize the PCI fuel and decrease the cost of ironmaking. However, ignoring the purposeful control, the traditional low-temperature pyrolysis process is the preparation of tar-oriented approach, limiting the follow-up use of semi-coke attributing to the low grindability and combustibility of semi-coke. A new idea is proposed in this research which is “starting with the production process for preparing the suitable PCI fuel”, and the feasibility has been proved. This study is precisely centers to the relationship of pyrolysis conditions, composition and microstructure of products, and performance focusing on the influence mechanism of variation of temperature and heating rate on the crushing and combustion behavior of semi-coke, including investigating the pyrolysis kinetics, product distribution and microsturucture evolution; analyzing the effect of composition segregation and structural evolution of char on crushing behavior; illuminating the influencing mechanism of compositions and structure of char combustibility of semi-coke; studying collaborative influence of the low-temperature pyrolysis on quality of tar and grindability/ combustibility of semi-coke under different conditions of temperature and heating rates. The results of this project will lay a foundation for the application of semi-coke in PCI reasonably and effectively, increasing the resource utilization of low-rank coal, substantial alternative the anthracite and decreasing the cost of ironmaking.

兰炭是低阶煤经低温干馏的固体产物，将其作为高炉喷吹燃料替代昂贵的无烟煤，可优化高炉燃料结构，降低生铁成本。传统低温干馏工艺以分离煤焦油为主要目的，得到的兰炭产品可磨及燃烧性能不佳，直接限制了其在高炉喷吹方面的应用。本项目提出“从兰炭生产工艺控制入手，生产适合喷吹用兰炭”的思路，并通过预研证明了其可行性。本课题围绕低温干馏制备条件与产物组成结构及性能的内在联系开展基础科学研究，重点阐明低温干馏温度及升温速率条件对兰炭破碎/燃烧行为的影响机制。具体内容包括：研究低阶煤低温脱挥发分过程动力学及产物分布、理化结构演变规律；分析兰炭组分偏析与微观结构改变在颗粒磨碎过程中的作用；阐明兰炭的组成与结构对其燃烧反应活性的影响机制；获得干馏条件与焦油产率与组成、兰炭的性能的协同影响规律。研究成果将为生产适合高炉喷吹用兰炭技术开发，进而拓展低阶煤利用、大幅度替代无烟煤、降低炼铁成本提供理论支撑。

兰炭是低阶煤经低温干馏的固体产物，将其作为高炉喷吹燃料替代昂贵的无烟煤，可优化高炉燃料结构，降低生铁成本。传统低温干馏工艺以分离煤焦油为主要目的，得到的兰炭产品可磨及燃烧性能不佳，直接限制了其在高炉喷吹方面的应用。本项目提出“从兰炭生产工艺控制入手，生产适合喷吹用兰炭”的思路，并通过预研证明了其可行性。结果表明：(1)不同热解工艺半焦的组成和微观结构差异明显，其对半焦的燃烧性能影响显著。干熄焦碳化学结构缺陷比例大，快速热解半焦孔隙结构发达、挥发分高，与水喷焦相比水泡焦石墨化程度低；水喷焦燃烧性能优于水泡焦，干法所得半焦的燃烧性优于湿法。(2) 不同粒度半焦颗粒的成分偏析严重，随着粒度减小灰分含量增加，固定碳含量和热值降低，半焦颗粒表面粗糙且孔隙结构发达，碳化学结构有序化程度低，并保留了原煤中的部分有机官能团, 等温燃烧、等温气化实验及滴管炉实验结果均表明，半焦的反应性优于喷吹用煤，半焦良好的反应性能与其转化过程始终具有较大的比表面积及较低的有序化程度有关。通过研磨减小粒度对大颗粒流化床半焦的燃烧性能几乎无影响；（3）喷吹煤的可磨性好于兰炭，烟煤可磨性最优；Ca、Si含量与可磨性之间存在协同和抑制作用，即Ca含量越多，可磨性越好，而且Ca元素主要以CaO形式存在，Si的作用则相反；喷吹煤表面致密平整，而兰炭表面孔隙结构发达。在球磨过程中，喷吹煤以体积破碎为主，而兰炭则以表面破碎为主，破碎方式不同是两者可磨性差异大的重要原因。(4) 不同粒度原煤在炉内停留时间，颗粒径向热解程度，半焦颗粒在炉内受到的机械(或热力)作用三个因素导致了不同粒度半焦性能的差异性。研究成果将为生产适合高炉喷吹用兰炭技术开发，进而拓展低阶煤利用、大幅度替代无烟煤、降低炼铁成本提供理论支撑。.