第5期 刘锦周等：氧气高炉循环煤气加热过程中的析碳行为 ·593· 炉一煤气循环炼铁(TGR-BF)是其重点开发的技术 30min,排出反应管中的残留气体，待系统稳定后称 之一，目前已完成8m3高炉实验，达到了预期效 重记为m2;两次称重之差△m=m1-m2即为析碳反 果B-刀.其工艺的主要特征是网：采用氧气代替传 应中碳增加的质量（电子天平精度为0.0001g),继 统的热风；大量喷吹煤粉；炉顶煤气经脱除CO2处 续通入N2保护直至炉内温度降至室温。根据氧气 理后喷吹进高炉循环利用.然而，炉顶循环煤气在 高炉炉顶煤气循环利用的工艺要求，循环煤气需要 加热或输送过程中，由于C0和H2的浓度较高可能 加热到900℃后从炉身风口喷吹.但是，根据析碳 会发生析碳反应，从而损坏加热设备，阻塞输送管 反应热力学计算当温度高于700℃时，标准吉布斯 道，对氧气高炉炼铁工艺造成不利影响. 自由能都大于零，说明析碳反应不发生.同时根据 目前国内外研究主要集中在金属铁或铁矿 文献2]当温度低于300℃时，由于动力学原因，反 石2-存在情况下的析碳行为，而针对还原性气体 应速度几乎为零.所以本文中实验温度分别设置为 加热过程中的析碳反应研究较少.本文主要利用自 300、400、500、600和700℃. 行设计制造的析碳反应实验装置对不同温度及煤气 1.2实验气体成分 成分下的析碳反应进行了实验研究，从而为氧气高 韩毅华等以FOBF(全氧高炉炼铁新工艺流 炉工艺的开发提供理论依据. 程)为基础，采用综合模型进行全炉计算，得到了高 炉内不同区域的煤气成分.根据氧气高炉循环煤气 1实验 的工艺要求，实验用煤气成分和流量如表1所示 1.1实验装置和方法 表1析碳实验煤气成分 析碳反应实验装置如图1，主要包括反应主体 Table 1 Gas composition of the carbon deposition experiment 系统、配气系统以及防止C0泄漏系统三部分，其中 总流量/ 煤气成分（体积分数）/呢 大石英管使还原气体全部在内部反应并防止气体泄 (L.min-1) CO H, 漏顺利外排，水槽和密封罩防止C0泄漏.由于硅酸 2 61 16 23 0 0 盐纤维棉在温度达到1300℃以上才会出现明显的 减重现象，所以在此实验中使用硅酸盐纤维棉吸附 2 结果与分析 析出的碳颗粒.首先将填充石英棉的小石英管放入 2.1加热温度对析碳反应的影响 电阻加热炉中并垂直悬吊在电子天平下，在温度升 采用表1的煤气成分，实验结果如图2和图3 至设定温度并达到稳定时，称量小石英管质量为 m1:然后安装硅胶管并向水槽中灌水，水位线至少 所示.图2为不同温度条件下的析碳量，图3为 500、600和700℃的效果图.从图2和图3中可知， 超过大石英管底部，且不能超过小石英管反应器底 在500℃和600℃析碳现象最明显，析碳量分别为 部.待稳定后通入2L·min1的高纯N220~30min, 0.0664和0.0608g,700℃时析碳量减少到 再通入还原性气体进行析碳反应实验，5h之后关掉 0.0382g.总体来看，在温度低于500℃时，温度的 反应气体，再次通入2L·min1的高纯N220~ 升高可以加快析碳反应速度：而当高于此温度时，温 12- 度的升高反而会降低析碳反应速度.300℃和400℃ 时析碳现象不明显可能是由于温度低不满足动力学 条件造成的☒，当温度为700℃时析碳量减少的原 0.08 0.06 0.04 0.02 1一气源：2一流量计：3一混气室：4一电子天平：5一出气口：6一大 0 石英管：7一电阻加热炉：8一硅酸盐纤维棉：9一小石英管：10一硅 0 胶管：11一水槽：12一密封罩 200300400500600700800 温度/℃ 图1析碳反应实验装置简图 Fig.I Schematic diagram of the experimental facility with carbon 图2不同温度条件下的析碳量 deposition Fig.2 Amount of carbon deposited at different temperatures第 5 期 刘锦周等: 氧气高炉循环煤气加热过程中的析碳行为 炉--煤气循环炼铁( TGＲ-BF) 是其重点开发的技术 之一，目 前 已 完 成 8 m3 高炉 实 验，达 到 了 预 期 效 果［5--7］． 其工艺的主要特征是［8］: 采用氧气代替传 统的热风; 大量喷吹煤粉; 炉顶煤气经脱除 CO2 处 理后喷吹进高炉循环利用． 然而，炉顶循环煤气在 加热或输送过程中，由于 CO 和 H2 的浓度较高可能 会发生析碳反应，从而损坏加热设备，阻塞输送管 道，对氧气高炉炼铁工艺造成不利影响． 目前国内外研究主要集中在金属铁［9--11］或铁矿 石［12--14］存在情况下的析碳行为，而针对还原性气体 加热过程中的析碳反应研究较少． 本文主要利用自 行设计制造的析碳反应实验装置对不同温度及煤气 成分下的析碳反应进行了实验研究，从而为氧气高 炉工艺的开发提供理论依据． 1 实验 1—气源; 2—流量计; 3—混气室; 4—电子天平; 5—出气口; 6—大 石英管; 7—电阻加热炉; 8—硅酸盐纤维棉; 9—小石英管; 10—硅 胶管; 11—水槽; 12—密封罩 图 1 析碳反应实验装置简图 Fig． 1 Schematic diagram of the experimental facility with carbon deposition 1. 1 实验装置和方法 析碳反应实验装置如图 1，主要包括反应主体 系统、配气系统以及防止 CO 泄漏系统三部分，其中 大石英管使还原气体全部在内部反应并防止气体泄 漏顺利外排，水槽和密封罩防止 CO 泄漏． 由于硅酸 盐纤维棉在温度达到 1300 ℃ 以上才会出现明显的 减重现象，所以在此实验中使用硅酸盐纤维棉吸附 析出的碳颗粒． 首先将填充石英棉的小石英管放入 电阻加热炉中并垂直悬吊在电子天平下，在温度升 至设定温度并达到稳定时，称量小石英管质量为 m1 ; 然后安装硅胶管并向水槽中灌水，水位线至少 超过大石英管底部，且不能超过小石英管反应器底 部． 待稳定后通入 2 L·min － 1的高纯 N2 20 ～ 30 min， 再通入还原性气体进行析碳反应实验，5 h 之后关掉 反应 气 体，再 次 通 入 2 L·min － 1 的高 纯 N2 20 ～ 30 min，排出反应管中的残留气体，待系统稳定后称 重记为 m2 ; 两次称重之差 Δm = m1 － m2 即为析碳反 应中碳增加的质量( 电子天平精度为 0. 0001 g) ，继 续通入 N2 保护直至炉内温度降至室温． 根据氧气 高炉炉顶煤气循环利用的工艺要求，循环煤气需要 加热到 900 ℃ 后从炉身风口喷吹． 但是，根据析碳 反应热力学计算当温度高于 700 ℃ 时，标准吉布斯 自由能都大于零，说明析碳反应不发生． 同时根据 文献［12］当温度低于 300 ℃时，由于动力学原因，反 应速度几乎为零． 所以本文中实验温度分别设置为 300、400、500、600 和 700 ℃ ． 1. 2 实验气体成分 韩毅华等［15］以 FOBF ( 全氧高炉炼铁新工艺流 程) 为基础，采用综合模型进行全炉计算，得到了高 炉内不同区域的煤气成分． 根据氧气高炉循环煤气 的工艺要求，实验用煤气成分和流量如表 1 所示． 表 1 析碳实验煤气成分 Table 1 Gas composition of the carbon deposition experiment 总流量/ ( L·min － 1 ) 煤气成分( 体积分数) /% CO H2 N2 CO2 H2O 2 61 16 23 0 0 2 结果与分析 图 2 不同温度条件下的析碳量 Fig． 2 Amount of carbon deposited at different temperatures 2. 1 加热温度对析碳反应的影响 采用表 1 的煤气成分，实验结果如图 2 和图 3 所示． 图 2 为不同温度条件下的析碳量，图 3 为 500、600 和 700 ℃的效果图． 从图 2 和图 3 中可知， 在 500 ℃ 和 600 ℃ 析碳现象最明显，析碳量分别为 0. 0664 和 0. 0608 g，700 ℃ 时析碳量减少到 0. 0382 g． 总体来看，在温度低于 500 ℃ 时，温度的 升高可以加快析碳反应速度; 而当高于此温度时，温 度的升高反而会降低析碳反应速度． 300 ℃和400 ℃ 时析碳现象不明显可能是由于温度低不满足动力学 条件造成的［12］，当温度为 700 ℃ 时析碳量减少的原 · 395 ·