邯寶高爐噴吹煤種的優(yōu)化選擇

梁坤鋒，呂慶，劉然，李建朝，杜林森，王竹民

(1.河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北省現(xiàn)代冶金技術(shù)重點實驗室，河北唐山063009;2.河北鋼鐵集團邯鄲鋼鐵公司，河北邯鄲056000)

高爐噴吹煤粉的意義在于降低焦比，降低生鐵成本，改善高爐冶煉過程，有利于高爐順行，并為高爐使用高風(fēng)溫和富氧鼓風(fēng)創(chuàng)造條件。同時噴煤可以擴大風(fēng)口的回旋區(qū)，縮小呆滯區(qū)，增加煤氣含量，改善礦石還原過程，提高煤氣利用率，從而進一步改善高爐各項技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)。此外，出于對資源、能源、設(shè)備等諸方面的綜合考慮，高爐噴煤作為冶金行業(yè)大力推廣的一項技術(shù)，具有顯著的社會效益和經(jīng)濟效益。目前，邯寶高爐同時使用煤種僅一至二種，煤種單調(diào)難以提高置換比、煤源可選范圍有限，遠(yuǎn)不能滿足大噴吹的要求，煤源一旦發(fā)生問題，噴吹作業(yè)難以維持。從國內(nèi)外高爐噴煤的發(fā)展趨勢來看，采用混噴噴吹的高爐逐漸增多，既擴大了煤源使用范圍，又可調(diào)整煤種特性，提高煤焦的置換比，取得良好的效果［1-4］。故多煤種混合噴吹是邯寶高爐低效穩(wěn)產(chǎn)的必然趨勢。

1 實驗方法

實驗所用煤種來源于邯鋼集團邯寶分公司，包括7種無煙煤(高平、長治、無煙煤1#、潞安、煤焦庫高平、仁達(dá)高平、煤焦庫貧瘦煤)以及5種備選煙煤(河北濟民、煙煤1#、煤焦庫神華、煤焦庫府谷、濟民煙煤)。根據(jù)各單種煤的工業(yè)分析以及可磨性實驗結(jié)果，選擇較適宜混合噴吹用的煤種，制定不同的配煤方案，并進行相關(guān)的理化性能測試研究，最終確定邯寶高爐噴吹用煤種。其中，可磨性實驗采用哈氏可磨儀根據(jù)GB/T2565《煤的可磨性指數(shù)測定方法》進行測定;煤粉爆炸性和著火點利用北京科技大學(xué)的CPITI-V型煤粉物理性能綜合測試儀測定;煤粉灰熔點采用天龍HR-500微機灰熔點測定儀根據(jù)GB219《煤灰熔融性的測定方法》進行測定進行測定;燃燒性能利用煤粉燃燒實驗裝置測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 邯寶高爐噴吹用煤的的工業(yè)分析

煤的工業(yè)分析是煤質(zhì)分析中最基本也是最重要的分析項目，是反映煤性能的重要指標(biāo)，它包括煤的水分(Mt)、灰分(Ad)、揮發(fā)分(Vdaf)、固定碳(FCad)、全硫(St，ad)和可磨性(HGI)等一系列分析項目［5］。而可磨性是反映煤耐磨性的一項煤質(zhì)指標(biāo)，影響煤粉的加工成本以及高爐的生產(chǎn)成本。對噴吹用煤而言，可磨性越高越好。實驗得到的邯寶各煤粉的工業(yè)分析及可磨性如表1所示。

噴吹煤粉質(zhì)量，尤其是化學(xué)成分對噴吹量的提高具有重要的影響。對于噴吹用煤粉，要求灰分和S含量要低、固定碳含量高。由表1可知，所有備選煤種的灰分都比較低，均在15%以下，最低的為神華煤，僅為4.63%，這對降低高爐渣量以及提高噴吹煤粉的煤焦置換比有利。備選煤種的S含量都很低，均低于0.5%，有利于降低高爐冶煉的硫負(fù)荷。在所有煙煤中，只有神華煤、府谷煤的灰分含量低且其可磨性也最好，因此選定神華煤、府谷煤最為邯寶高爐噴吹用煙煤備選煤種。在七種無煙煤中，綜合考慮工業(yè)分析指標(biāo)及其可磨性，煤焦庫高平煤、飛達(dá)煤應(yīng)作為噴吹用無煙煤的備選煤種。

表1 邯寶用煤的工業(yè)分析及可磨性

2.2 邯寶高爐噴吹用煤的著火點與爆炸性研究

著火點是衡量煤粉燃燒性的主要指標(biāo)，而煤燃燒性的優(yōu)劣直接影響高爐順行及經(jīng)濟效益。同時，噴吹用煤粉的爆炸性不要太強。表2和表3給出了邯寶高爐噴吹備選原煤和不同混煤的著火點及爆炸性實驗結(jié)果。

表2 原煤著火點及爆炸性

由表2可知，實驗所用煙煤的著火點均低于無煙煤。7種無煙煤的著火點溫度較高，除長治煤(390℃)以外，其他6種無煙煤著火溫度均在390℃以上;煤焦庫高平無煙煤著火溫度最高，為433℃。一般來說，煤的著火溫度越低，越容易發(fā)生自燃現(xiàn)象，其燃燒率也較高。5種煙煤中，濟民2#煙煤的著火點最低，為297℃，其次為府谷煤(306℃)、神華煤(312℃)、老張溝煤(331℃)和濟民1#煙煤(343℃)。對于著火點溫度較低的煤，磨煤等生產(chǎn)環(huán)節(jié)應(yīng)注意安全。

混合煤粉的著火點及爆炸性見表3。由表3可知，混煤的著火點介于兩種煤的著火點之間，且隨煙煤配比的增加，混煤著火點降低。這是因為煙煤的揮發(fā)分高，有利于煤的燃燒。另一方面，煤粉的著火點還受煤化程度及各顯微組分的影響［1，6］，一般來說，有機組分均使著火點升高，但殼質(zhì)組在低變質(zhì)階段、惰性組在高變質(zhì)階段使著火點下降。此外，煤中水分含量大、灰分含量高也會提高著火點。綜上所述，采用無煙煤種配加煙煤方式，可以降低入爐噴吹煤粉的著火點，達(dá)到提高燃燒效率，增加噴煤量，減少未燃煤粉的數(shù)量，改善高爐操作并降低成本的目的。

表3 混合煤粉的著火點及爆炸性

此外，由表2可知，各單種煙煤的爆炸性都很強。老張溝煙煤的返回火焰長度達(dá)800 mm，為強爆炸性煤;府谷煙煤、濟民2#煙煤和神華煙煤的返回火焰長度分別為700 mm、560 mm和500 mm，為中強度爆炸性煤;濟民1#煙煤返回火焰長度為325 mm，為中度爆炸性煤;其余無煙煤煤種均無爆炸性。而表3中混合煤的爆炸性都不高，這說明在煙煤中加入一定量的無煙煤，可以有效的抑制煙煤的爆炸性。

2.3 邯寶高爐噴吹用煤的灰熔點實驗

煤燃燒后的殘渣稱煤灰，這不僅是一種“廢物”，而且隨著煤灰組成的不同，對煤氣化、燃燒率以及大噴煤量后的高爐熔渣性能也有不同程度的影響。煤灰是在燃燒過程中，煤中無機礦物經(jīng)過氧化、分解、化合等作用而產(chǎn)生的混合物。它的組成十分復(fù)雜，由多種礦物質(zhì)組成，沒有固定的熔點，僅有一個熔化溫度區(qū)間，通常以變形溫度(DT)、軟化溫度(ST)、半球溫度(HT)和流動溫度(FT)表示，開始熔化的溫度遠(yuǎn)低于其中任一組分純物質(zhì)的熔點，這些組分在一定溫度下還會形成共熔體，在熔化狀態(tài)，還具有熔解煤灰中其它高熔點物質(zhì)的性能，從而改變?nèi)垠w的成分及其熔化溫度。

煤灰熔融性是表征煤灰在一定條件下隨加熱溫度而變化的變形、軟化、呈半球和流動特征的物理狀態(tài)，人們通常以這四個特征物理狀態(tài)相對應(yīng)的溫度來表征煤灰熔融性。煤灰的熔融溫度可反映出煤中礦物質(zhì)在高爐中的動態(tài)，用以預(yù)測高爐結(jié)渣情況。在上述特征溫度中，軟化溫度用途較廣，一般用來選擇合適的燃燒設(shè)備。例如，液態(tài)排渣則要求使用熔融溫度低的煤種。高爐是液態(tài)排渣的氣化設(shè)備，溫度高，對煤灰熔融溫度的適應(yīng)范圍較寬。但煤灰熔融溫度低，粗粒度的煤粉在燃燒后，未燃燒部分易被熔融的灰份包裹，對提高煤粉的燃燒率不利。而煤灰完全流動溫度如果過高，對高爐脫硫不利。

表4給出了各單種煤的灰熔點。由表4可知，無煙煤的灰熔點明顯高于煙煤的灰熔點。無煙煤的流動溫度(FT)都超過1500℃，煙煤的灰熔點偏低，流動溫度(FT)在1250～1350℃，濟民2#煙煤的灰熔點最低，僅為1268℃。

表4 各煤種的灰熔點實驗結(jié)果

2.4 邯寶高爐噴吹用煤的燃燒性能

煤粉燃燒率是煤粉燃燒好壞的標(biāo)志。煤粉燃燒率高，表明煤粉在高爐風(fēng)口燃燒氣化的完全程度［7］。如果煤粉在高爐風(fēng)口燃燒率低，煤粉燃燒不完全，不僅會降低煤粉在高爐內(nèi)的利用率，還會影響爐料的透氣性和爐渣粘度，從而影響高爐生產(chǎn)。因此，對高爐噴煤來說，煤粉燃燒率衡量煤粉性能優(yōu)劣和評價高爐風(fēng)口燃燒狀況好壞的一個重要指標(biāo)，強化煤粉在風(fēng)口前的燃燒是高爐進行大噴煤的一個基本的前提。各原煤燃燒率測試結(jié)果如表5所示，配煤煤粉的燃燒率測試結(jié)果如表6所示。

由表5可知，煙煤的燃燒率比無煙煤的燃燒率要高。5種煙煤中，神華煙煤的燃燒率最高，達(dá)到83.69%，其次為老張溝煙煤的燃燒率為82.53%，除濟民2#煙煤外，其他煙煤的燃燒率都超過80%。無煙煤的燃燒率相對較低，7種無煙煤中，石嘴山無煙煤的燃燒率僅為68.51%。主要是因為無煙煤的煤化程度較深，主要顯微成分為鏡質(zhì)組且基本上是完全失去細(xì)胞結(jié)構(gòu)的鏡質(zhì)體，結(jié)構(gòu)致密，而燃燒是由外向內(nèi)的層層推進的層狀燃燒，即使細(xì)磨至粒徑全部在－200目以下，與煙煤相比，其燃燒率仍然較低。燃燒性好的煤種，著火溫度低，燃燒率比較高。這可以使噴入高爐的煤粉能在有限空間和時間內(nèi)盡可能地氣化。此外燃燒性能好的煤種也可以磨粗一些，為降低磨煤能耗和煉鐵成本提供了條件。

表5 原煤燃燒率實驗結(jié)果

表6 配煤煤粉的燃燒率實驗結(jié)果

由表6可知，混煤的燃燒率大于其加權(quán)平均值。說明使用混煤可以發(fā)揮無煙煤和煙煤各自的優(yōu)點，促進煤粉的燃燒。隨著煙煤比例的增加，煤粉燃燒率增加。

對于燃燒率較高的無煙煤，隨著煙煤配比的增加，燃燒率呈現(xiàn)增大的趨勢，但燃燒率的提高幅度不大;對于燃燒性能較差的無煙煤，配加煙煤能明顯改善混煤的燃燒率。但是隨著煙煤加入量的增加，尤其煙煤配比達(dá)到45%以上時，混煤燃燒率提高不顯著。由以上配煤燃燒實驗結(jié)果可以看出，貧瘦煤、高平配加神華煤是較好的混煤選擇。

3 結(jié)論

(1)綜合考慮煤粉的著火點、爆炸性、燃燒性能以及可磨性等理化性能，實驗用7種無煙煤均適合高爐噴吹，高平煤(包括煤焦庫高平無煙煤和仁達(dá)高平無煙煤)是最優(yōu)選擇煤種，其次為長治煤、飛達(dá)和潞安煤。石嘴山煤灰分含量較高，各項性能指標(biāo)一般，故不是最佳選擇。實驗用5種煙煤均適合高爐噴吹，其中，神華煙煤是最優(yōu)選擇煤種，其次為府谷煙煤、濟民2#、老張溝煙煤和濟民1#煙煤。

(2)高爐噴吹用煤首選應(yīng)是多種煤粉混合噴吹，在邯寶高爐配煤方案中，煤焦庫高平無煙煤與神華煙煤組成的混煤為較好選擇，其次為飛達(dá)無煙煤與神華煙煤組成的混煤，煙煤配加量在40% ～50%為最好。

［1］ 王竹民，劉二浩，呂慶等.邯鋼高爐噴煤煤種的選擇研究［J］.中國冶金，2009，19(6):10-14.

［2］ 劉建明，蔣勝.高爐噴吹混合煤實驗［J］.鋼鐵釩鈦，1998，19(3):34-38.

［3］ 張文強，鄭學(xué)順.唐鋼新3號高爐噴煤將焦生產(chǎn)實踐［J］.煉鐵，2009，28(2):26-28.

［4］ 周瑜生，項仲庸.合理噴煤比的技術(shù)分析［J］.鋼鐵，2010，45(2):1-8.

［5］ 陳文敏，劉淑云.煤質(zhì)及化驗知識問答［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［6］ 王竹民，劉然，呂慶等.煤巖組分對高爐噴吹煤粉燃燒率的影響［J］.鋼鐵研究學(xué)報，2010，22(5):23-26.

［7］ 張建良，黃冬華，張曦東等.新型高爐噴煤模擬燃燒實驗裝置設(shè)計［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報，2009，31(5):633-637.