高爐噴煤是煉鐵過程中的一項(xiàng)重要技術(shù)措施，可以降低冶煉成本、增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力，但系統(tǒng)設(shè)備比較復(fù)雜，占用空間較多，而且投資較高，在獲得經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，直接向高爐噴吹煤粉會(huì)給高爐冶煉過程帶來許多負(fù)面問題。新的高爐煉鐵節(jié)能減排技術(shù)將成為今后研究的重點(diǎn)，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和鋼鐵企業(yè)對(duì)此已做了大量研究，并取得了一定成果，例如，高爐富氫冶煉、爐頂煤氣循環(huán)利用等技術(shù)已成為當(dāng)今的研究熱點(diǎn)。

高爐富氫冶煉主要是噴吹含氫原料，如噴吹水蒸氣、廢棄塑料等富氫物質(zhì)。但噴吹水蒸氣要消耗大量的熱量，所以不能作為大量提高含氫量的手段；與煤相比，廢塑料氣化產(chǎn)物中H₂/CO的比值要遠(yuǎn)大于噴吹煤粉時(shí)的比值，更有利于鐵氧化物的高溫還原，國內(nèi)對(duì)廢塑料的前期分類或處理手段的不足導(dǎo)致高爐噴吹塑料還處于研究階段；把高爐煤氣或富氧后的高爐煤氣直接噴入高爐均會(huì)造成生產(chǎn)率降低、燃料比升高等缺點(diǎn)，增加煉鐵成本。噴吹焦?fàn)t煤氣須對(duì)其進(jìn)行凈化處理，投資比較大，另外，我國優(yōu)質(zhì)焦?fàn)t煤氣供應(yīng)緊缺，所以噴吹焦?fàn)t煤氣只能當(dāng)作噴煤的補(bǔ)充，很難實(shí)現(xiàn)單一噴吹。

基于此，提出了高爐噴吹新工藝，即把煤粉在造氣爐燃燒氣化，把風(fēng)口前的燃燒轉(zhuǎn)移到造氣爐，其工藝流程為：造氣爐燃燒煤→產(chǎn)生高溫煤氣→噴入高爐，這樣不僅可以簡(jiǎn)化操作、改善爐況，而且還能調(diào)節(jié)噴吹的煤氣成分，噴入含氫量相對(duì)較高的煤造氣，從而實(shí)現(xiàn)“富氫”冶煉，造氣爐中優(yōu)劣煤都可以用，用普通煤代替部分焦炭，節(jié)省焦炭的使用。

煤造氣在煤化工領(lǐng)域研究的比較多，目前很多學(xué)者對(duì)造氣爐做了大量的研究，對(duì)造氣爐的各個(gè)參數(shù)的研究也很多。但是大多數(shù)都是固定床或者流化床造氣爐的研究，而且所用的原料與技術(shù)手段也不相同。在冶金領(lǐng)域，關(guān)于高爐噴吹煤氣的半固定床造氣爐的研究更是不多，高爐噴吹煤氣需要高溫、高壓、造氣量大、成分穩(wěn)定，而且必須保證造氣爐可以連續(xù)且穩(wěn)定地向高爐內(nèi)部噴吹煤氣，所以必須得對(duì)造氣所用的半固定床造氣爐的各個(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行研究。文章主要研究造氣爐各個(gè)工藝參數(shù)對(duì)煤氣成分的影響規(guī)律，為高爐噴吹煤氣的造氣爐的實(shí)際生產(chǎn)提供理論參考。

試驗(yàn)使用煙煤和無煙煤煤塊作為配煤的原料，原料煤的工業(yè)分析如表1所示。試驗(yàn)所用的煙煤和無煙煤配比分別為92.5%和7.5%。試樣煤經(jīng)過對(duì)輥機(jī)破碎之后，篩分成8~10mm的均勻煤塊，試驗(yàn)裝置為二硅化鉬高溫爐，電腦控制加熱，爐內(nèi)反應(yīng)器為Φ70mm×5mm×600mm的封閉耐熱鋼管，上面設(shè)有加料裝置、出氣裝置和加水蒸氣裝置，反應(yīng)器底部鋪墊直徑為8mm的剛玉球，鋪墊高度為200mm。試驗(yàn)裝置如圖1所示。試驗(yàn)原料由上部加料口加入，且加料口可密封，每組試驗(yàn)料層厚度為200mm。試驗(yàn)所用水蒸氣由上部加水蒸氣裝置通過細(xì)耐熱鋼管直接加入，試驗(yàn)所用氣體由轉(zhuǎn)子流量計(jì)按照預(yù)定比例經(jīng)過混氣罐后從反應(yīng)器底部通入，煤氣從上部出氣管排出，由集氣袋收集之后，把集氣袋連接在紅外光譜氣體分析儀上，檢測(cè)其氣體成分，記錄每組參數(shù)所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。

二硅化鉬爐按照計(jì)算機(jī)程序以10℃/min升溫，升溫期間持續(xù)通入氮?dú)?，達(dá)到預(yù)定溫度，開始通入氣化劑，反應(yīng)穩(wěn)定后，用集氣袋收集氣體，然后用紅外光譜氣體分析儀檢測(cè)每組氣體成分，工藝參數(shù)煤氣出口壓力、反應(yīng)時(shí)間、氣化劑流量及煤氣成分如表2所示。氣化劑按O₂∶N₂∶CO₂∶H₂O＝21∶69∶5∶5進(jìn)行配比。

煤氣中各氣體成分含量隨反應(yīng)溫度的變化如圖2所示。當(dāng)反應(yīng)溫度為900℃時(shí)，C與CO氣化反應(yīng)緩慢，煤氣中CO含量不高為32.87%，但是H₂含量最高為19.26%。隨著反應(yīng)溫度的升高，煤氣中的CO含量逐漸升高，當(dāng)反應(yīng)溫度為1000℃時(shí)，煤氣中CO含量為40.76%。隨著反應(yīng)溫度的繼續(xù)升高，煤氣中的CO含量升高變得緩慢，煤氣中H₂含量隨著溫度的升高而略微有所降低，因?yàn)殡S著溫度的升高，C與CO₂反應(yīng)速率加快，煤氣中的CO含量逐漸增多，從而稀釋了煤氣中的H₂。當(dāng)溫度為900℃時(shí)，煤氣中的還原氣體組分（CO＋H₂）含量為52.13％，當(dāng)溫度從900℃升到1000℃時(shí)，煤氣中還原氣體含量升高較快為57.77%，溫度繼續(xù)升高到1100、1200℃，煤氣中還原氣體含量變化不大，只有略微的增加。所以綜合考慮，反應(yīng)溫度選擇1000℃，這樣煤氣中H₂含量較高，且還原氣體含量也在一個(gè)較高的水平。

反應(yīng)溫度是煤炭氣化過程中的一個(gè)重要參數(shù)，因?yàn)榉磻?yīng)溫度不但能影響氣化反應(yīng)速率，同時(shí)也能控制反應(yīng)的正反。C與CO₂反應(yīng)是典型的非均相吸熱反應(yīng)，升高溫度使反應(yīng)速率增加，所以煤氣中的CO濃度升高。C和H₂O的反應(yīng)也是吸熱反應(yīng)，提高溫度有利于反應(yīng)的順行，同時(shí)，碳原子能量增加，碳鍵吸收能量之后更易與水發(fā)生反應(yīng)，但是隨著溫度的持續(xù)升高，溫度對(duì)煤反應(yīng)性的影響逐漸變小，這一結(jié)論與王培所得結(jié)論相同，李文軍就CO₂－O₂－H₂O混合氣氛下煤氣化過程進(jìn)行了分析，隨著氣化溫度的升高，CO₂的還原反應(yīng)加劇，產(chǎn)品煤氣中CO含量不斷增加，而H₂含量不斷下降，CO和H₂總含量維持不變。C與CO₂的反應(yīng)速率要比與H₂O的慢，C與CO₂的反應(yīng)需要吸收更多的熱量，所以，當(dāng)溫度比較低的時(shí)候，煤氣中H₂的含量比較高，當(dāng)溫度逐漸升高時(shí)，C與CO₂的反應(yīng)逐漸加快，煤氣中CO含量逐漸升高，相對(duì)的，煤氣中的H₂濃度稍有降低。

煤氣中各氣體成分含量隨反應(yīng)時(shí)間的變化如圖3所示，反應(yīng)1min后，檢測(cè)出收集煤氣中的CO含量為34.34%，含量為6.75％。隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，煤氣中的CO和H₂含量均有所增加，5min時(shí)，煤氣中的CO最高達(dá)到最高為40.76%時(shí)，煤氣中的H₂含量達(dá)到最高為17.17%，反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，煤氣中的CO和H₂含量均有所降低。煤氣中還原氣體組分（CO＋2H₂）的含量隨著反應(yīng)的進(jìn)行，先增大后減小，從1min時(shí)的41.09%，增加到5min時(shí)的57.77%，之后開始降低，9min時(shí)還原氣體含量降低到53.37%。

當(dāng)反應(yīng)只進(jìn)行1min，氣化劑與反應(yīng)器中的煤反應(yīng)不完全，所以煤氣中的CO與H₂含量很低，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)逐漸穩(wěn)定，煤氣中的CO和H₂含量逐漸上升。反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，由于反應(yīng)器內(nèi)的料層不能添加，能與CO₂反應(yīng)的煤的比表面積逐漸減少，導(dǎo)致C轉(zhuǎn)化減慢。H₂O的吸附活化能低于CO₂，所以C更容易與H₂O反應(yīng)，煤氣中的H₂含量相對(duì)下降較少。實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)該適當(dāng)?shù)卦黾用簩雍穸?，氣化劑流量與煤層厚度之間的關(guān)系需進(jìn)一步的研究。

煤氣成分隨氣化劑流量的變化如圖4所示，隨著氣化劑流量的增加，煤氣中H₂和CO含量均有一個(gè)明顯的增加，在流量為10L/min時(shí)，H₂和CO含量都達(dá)到最大值，分別為17.01％和40.76%，當(dāng)氣化劑流量進(jìn)一步增加，煤氣中還原氣體含量明顯降低。

通入反應(yīng)器中的氣化劑流量較小時(shí)，煤與氣化劑的反應(yīng)不完全，反應(yīng)進(jìn)行不徹底，生成的煤氣中CO和H₂含量較低，隨著通入的氣化劑流量的增加，反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)程度增加，反應(yīng)溫度也隨之升高，故加快了CO₂與C的還原反應(yīng)和C與H₂O的反應(yīng)，所以煤氣中CO和H₂的含量增加，當(dāng)氣化劑流量超過10L/min時(shí)，氣化劑相對(duì)于煤炭有些過量，過量的氣化劑與煤氣中的CO、H₂等可燃成分發(fā)生燃燒反應(yīng)，導(dǎo)致煤氣中CO、H₂含量減少，煤氣中的CO₂含量逐漸增加，這一結(jié)論與朱二濤的造氣試驗(yàn)結(jié)果一致。

煤氣成分的變化與煤氣出口壓力的關(guān)系如圖5所示，在一定的壓力范圍內(nèi)，隨著壓力的增加，煤氣中CO和H₂的含量呈上升趨勢(shì)，當(dāng)壓力為0.5kPa時(shí)，CO含量達(dá)到最大值為49.05％。隨著氣化壓力的繼續(xù)增加，CO含量逐漸平穩(wěn)，H₂含量有一個(gè)略微的上升趨勢(shì)，在一定的壓力范圍內(nèi)，還原氣體組分（CO＋H₂）的含量隨著壓力的增加有一個(gè)明顯的增加，升高逐漸變得緩慢。

壓力對(duì)煤炭氣化有很大的影響，從熱力學(xué)分析，壓力增加有利于甲烷化反應(yīng)，即反應(yīng)會(huì)向體積減小的方向移動(dòng)，不利于體積增大的氣化反應(yīng)，但實(shí)際上，在相對(duì)低壓范圍內(nèi)，增加壓力相當(dāng)于提高了氣化劑的濃度，氣化劑的濃度增加，C與CO₂的氣化反應(yīng)隨壓力增加呈近似線性的關(guān)系增加。但是隨著壓力的繼續(xù)增加，反應(yīng)速率的進(jìn)一步增加變得逐漸困難，壓力對(duì)反應(yīng)速率的影響越來越小，當(dāng)壓力很大時(shí)，氣化劑向煤孔隙擴(kuò)散過程逐漸變得困難，對(duì)C與CO₂的反應(yīng)速率反而有一個(gè)負(fù)面作用，所以煤氣中的CO含量有所降低。隨著壓力的增加，氣化劑H₂O增加，反應(yīng)速率加快，煤氣中的H₂含量逐漸增加，之后壓力繼續(xù)增加，壓力對(duì)C與H₂O反應(yīng)速率的影響也變得越來越小。

（1）當(dāng)反應(yīng)溫度為900℃時(shí)，煤氣中H₂含量處在一個(gè)較高的水平低，在一定溫度范圍內(nèi)，隨煤著氣反中應(yīng)CO溫度含的量升比高較，煤氣中的CO濃度升高得較快，煤氣中的H₂含量略微降低，煤氣中還原氣體組分（CO＋H₂）的含量隨溫度的升高而升高，當(dāng)溫度進(jìn)一步升高，還原氣體組分含量升高變得緩慢。

（2）反應(yīng)時(shí)間很短的時(shí)候，煤氣中的還原氣體組分（CO＋H₂）含量較低，隨著反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，煤氣中的成分逐漸穩(wěn)定，還原氣體組分含量逐漸升高且變得穩(wěn)定，5min時(shí)煤氣中的CO最高達(dá)到最高為40.76％，7min時(shí)煤氣中的H₂含量達(dá)到最大為17.17％，隨著反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行，煤氣中還原氣體組分含量會(huì)慢慢降低。

（3）隨著氣化劑流量的增加，煤氣中還原氣體組分（CO＋H₂）含量先升高后降低，煤氣中H₂和CO含量均呈先升高再降低的趨勢(shì)。

（4）在一定的壓力范圍內(nèi)，隨著壓力的增加，煤氣中CO和H₂的含量呈上升趨勢(shì)，隨著氣化壓力的繼續(xù)增加，煤氣中的CO含量逐漸平穩(wěn)且有下降的趨勢(shì)，煤氣中H₂含量的增加逐漸緩慢，煤氣中的還原氣體組分（CO＋H₂）含量在一定壓力范圍內(nèi)升高明顯，隨著壓力的進(jìn)一步升高，煤氣中還原氣體組分含量的繼續(xù)升高變得緩慢。

（5）當(dāng)溫度為1000℃，反應(yīng)時(shí)間為5min，氣化劑流量為10L/min，煤氣出口壓力為0.5kPa時(shí)，得到的煤氣最為符合高爐的需求，煤氣中CO含量為49.05%，H₂含量為18.75%。