無煙煤對高爐噴吹用混合煤燃燒性的影響

歐陽曙光，許 杰，吳天禮，蘇曉麗，王子侃，楊 超

（1.武漢科技大學化學工程與技術學院，湖北 武漢，430081；2.武漢科技大學煤轉(zhuǎn)化與新型炭材料湖北省重點實驗室，湖北 武漢，430081；3.北京首鋼國際工程技術有限公司，北京，100043）

近年來，高爐噴煤技術已成為鋼鐵行業(yè)節(jié)約焦炭、降低成本和改進冶煉工藝最有效的技術手段，大幅度提高噴煤量和煤焦置換比是各鋼鐵企業(yè)的共同目標。煤粉在高爐風口前的燃燒率直接關系到煤焦置換比的高低和噴煤量的大小，過低的燃燒率將產(chǎn)生大量的未燃煤粉，不僅會惡化高爐料柱層的透氣性和透液性、提高爐渣的黏度和熔化溫度、影響高爐的順行，而且還會降低煤焦置換比，造成噴吹煤資源的浪費，增加生產(chǎn)成本［1－4］。

將煙煤和無煙煤進行混合噴吹，不僅能提高煤粉燃燒率，而且還可以擴大噴吹煤種來源，充分利用我國煤炭資源［5－6］。目前，國內(nèi)外高爐噴吹用混合煤均以煙煤配比和揮發(fā)分含量為指標，即煙煤的配比為30%～45%比較合適［7－8］，混合煤的揮發(fā)分宜控制在20%～25%［9］，但具體配比還受所配入單種煤性質(zhì)的影響。適宜的配比首先要保證混合煤具有良好的噴吹性能，而混合煤燃燒性是表征其噴吹性能的關鍵指標。因此，如何正確選擇噴吹煤種，充分發(fā)揮各煤種的優(yōu)勢性能，并進一步優(yōu)化各單種煤的配比，保證混合煤具有良好的燃燒性能，對鋼鐵企業(yè)提高噴煤量與煤焦置換比、降低生鐵成本、高爐調(diào)劑有重要意義。

本文選取國內(nèi)某大型鋼鐵企業(yè)常用的幾種噴吹煤，研究配入不同無煙煤對高爐噴吹混合煤燃燒性的影響，并對不同粒度區(qū)間的混合煤燃燒性進行分析，探討無煙煤的燃燒性和可磨性對混合煤燃燒性的影響。

1 試驗

1.1 試驗原料

采用某鋼鐵企業(yè)提供的5種噴吹用單種煤作為原始試驗煤樣，其中1?！?＃為無煙煤，5＃為煙煤，其工業(yè)分析如表1所示。共設計了9種混合煤噴吹方案，混合煤配比如表2所示。

表1 單種煤的工業(yè)分析（wB／%）Table1 Proximate analysis of the single coals

表2 混合煤的配比（wB／%）Table2 Ratios of the blended coals

將5種單種煤樣和9種混合煤樣進行預粉碎、干燥、研磨和篩分，控制各煤樣中粒度小于100目的煤粉比例在85%±2%范圍內(nèi)，并對混合煤進一步篩分，分別篩取100～150目、150～200目和小于200目3個粒度級的煤粉以備用。

1.2 試驗方法

分別稱取單種煤樣（共5個）和不同粒度級的混合煤樣（共27個）各10mg左右，采用德國STA－449型綜合熱分析儀進行熱重試驗，通入壓縮空氣，氣體流量為60mL／min，從室溫加熱至1000℃，升溫速率為10℃／min，測得各煤樣的TG－DTG曲線。

參照文獻［10－14］，根據(jù) TG－DTG 曲線確定各煤樣的最大燃燒速率（dw／dt）cmax、平均燃燒速率（dw／dt）cmean、著火溫度Ti和燃盡溫度Th。能夠表征單種煤及混合煤綜合燃燒特性的指數(shù)S可表示為：

燃燒特性指數(shù)S綜合反映了煤的著火與燃盡特性。S值越大，煤粉的綜合燃燒性能越好［12－14］。

2 結(jié)果與分析

2.1 單種煤的燃燒特性

各單種煤試樣的燃燒性數(shù)據(jù)如表3所示。由表3可見，與其他4種無煙煤相比，5＃煙煤的著火溫度和燃盡溫度較低，主要原因是煙煤的煤質(zhì)疏松，其揮發(fā)分比無煙煤的高，在受熱時易分解產(chǎn)生可燃氣體［15－16］。4種無煙煤中，著火溫度最高的是4＃無煙煤，故其不利于低溫燃燒；1＃和2＃無煙煤著火溫度較接近且比較低，3＃無煙煤著火溫度最低。5＃煙煤在較低溫度時就達到最大燃燒速率，1＃、2＃和3＃無煙煤在較高溫度時才達到最大燃燒速率，4＃無煙煤達到最大燃燒速率時的溫度最高。因此可以得出：5＃煙煤的燃燒性比其他4種無煙煤的燃燒性好，1＃和2＃無煙煤的燃燒性接近且較好，其次為3＃無煙煤，4＃無煙煤的燃燒性最差。

表3 單種煤的燃燒性數(shù)據(jù)Table3 Combustion property data of the single coals

2.2 混合煤的燃燒特性

2.2.1 粒度對混合煤燃燒性的影響

不同粒度級混合煤樣的著火溫度和燃盡溫度如表4所示。由表4可見，同一種混合煤的著火溫度和燃盡溫度均隨煤粉粒徑的減小而降低。這主要是因為，隨著煤粉粒度的減小，其孔隙結(jié)構(gòu)變得更加復雜，比表面積和孔容積增大，為氧氣與煤粉顆粒之間的反應提供了更多的接觸面，反應介質(zhì)和反應產(chǎn)物的擴散通道也更多，從而有利于煤粉的著火燃燒［17］。

表4 不同粒度級混合煤樣的著火溫度和燃盡溫度Table4 Ignition and burnout temperatures of blended coals with different particle sizes

不同粒度級混合煤樣的燃燒特性指數(shù)如圖1所示。從圖1可以看出，前3種混合煤的燃燒性隨煤粉粒度級的變化趨勢相同，即隨著煤粉粒徑的減小，混合煤的燃燒特性指數(shù)呈增大趨勢；而對于后6種混合煤而言，150～200目粒級煤粉的燃燒特性指數(shù)大于100～150目粒級煤粉的燃燒特性指數(shù)，且兩者接近或大于－200目粒級煤粉的燃燒特性指數(shù)。這是因為，1＃無煙煤的可磨性較差［17］，故其在大粒徑混合煤中所占的比例偏大（大于其原始配比），即對于同一種混合煤，1＃無煙煤在100～150目、150～200目煤樣中的比例大于其在－200目煤樣中的比例。前3種混合煤中1＃無煙煤配比較低，導致其在大粒徑混合煤中所占的比例提高不大，不能發(fā)揮出其燃燒性好的優(yōu)勢，對混合煤燃燒性的影響也較小，此時粒度對混合煤燃燒性的影響起主導作用，即隨著粒徑的減小，煤粉燃燒性提高。但是，隨著1＃無煙煤在混合煤中配比的增大，其在100～150目與150～200目粒級煤粉中所占的比例明顯變大，此時混合煤粉的組成對混合煤燃燒性的影響起主導作用，使得后6種混合煤中，100～150目與150～200目粒級煤粉的燃燒特性指數(shù)接近以至于大于－200目煤粉的燃燒特性指數(shù)。

圖1 不同粒度級混合煤樣的燃燒特性指數(shù)Fig.1 Combustion characteristics index of blended coals with different particle sizes

為了充分利用1＃無煙煤燃燒性好的優(yōu)點，并綜合考慮制粉成本，在高爐混合噴吹時可以將其單獨粉碎至適宜粒度級，以保證噴吹混合煤具有良好的燃燒性能。

2.2.2 無煙煤配比對混合煤燃燒性的影響

將前述9種混合煤的3種不同粒徑煤樣按1∶1∶1混合得到粒徑小于100目的9種混合煤，對每種混合煤中3種不同粒徑煤樣的燃燒特性指數(shù)加權(quán)平均得到這9種混合煤的燃燒特性指數(shù)如表5所示。從表5中可以看出，混1′的綜合燃燒性能最好，其次為混3′、混5′、混7′、混8′和混9′；混2′、混4′和混6′的燃燒性能較差。

表5 粒徑小于100目混合煤粉的燃燒特性指數(shù)Table5 Combustion characteristics index of blended coals with particle size less than 100mesh

9種混合煤中，混2′、混4′和混6′的燃燒特性指數(shù)明顯較低，是因為這3種混合煤與其它6種混合煤的主要區(qū)別在于配入了燃燒性最差的4＃無煙煤?；?′、混4′和混6′中4＃無煙煤的配比逐漸增加，從而導致混合煤的燃燒性能逐漸降低。因此，燃燒性差的4＃無煙煤不適合大比例用于高爐混合噴吹。

混3′、混5′和混7′這3種混合煤中，1＃無煙煤的配入量依次增加10%，3＃無煙煤的配入量依次減小10%，而混合煤的燃燒性逐漸變差。另外，混8′和混9′這兩種混合煤的不同之處在于：混8′配入了20%的3＃無煙煤，混9′則配入20%的2＃無煙煤，而混8′的燃燒性優(yōu)于混9′。由此可見，燃燒性相對較差的3＃無煙煤對混合煤綜合燃燒性能的改善作用大于燃燒性較好的1＃、2＃無煙煤。這主要是因為，3＃無煙煤的可磨性優(yōu)于1＃、2＃無煙煤的可磨性［17］，在混合煤制粉的過程中容易破碎成更小的顆粒，3＃無煙煤的配入量越大，混合煤的平均粒徑越小，越有利于混合煤粉的著火燃燒。因此，燃燒性好的1＃無煙煤配入的比例越大，混合煤的燃燒性不一定就越好，混合煤的燃燒性與配入單種煤的燃燒性相關，同時也受其可磨性的影響，當配入無煙煤的燃燒性能相近時，無煙煤對混合煤燃燒性的影響主要取決于無煙煤的可磨性。

3 結(jié)論

（1）1＃無煙煤的可磨性差，其配入量不宜太大?；旌厦褐?＃無煙煤的配比越大，混合煤的燃燒性能越好。4＃無煙煤的燃燒性最差，會明顯地劣化混合煤的燃燒性，不適合大比例用于高爐混合噴吹。

（2）燃燒性好的單種煤配入比例越大，混合煤的燃燒性不一定就越好。單種煤的燃燒性和可磨性共同影響混合煤的燃燒性。當配入無煙煤的燃燒性能相近時，無煙煤對混合煤燃燒性的影響主要取決于無煙煤的可磨性。

［1］胡濤.高爐噴吹煤粉性能研究［J］.河南冶金，2012，20（2）：7－9.

［2］郁慶瑤，曹進，沈峰滿.高爐噴吹未燃煤粉與碳消耗的試驗研究［J］.寶鋼技術，2004（增刊）：29－32.

［3］杜斯宏.改善高爐噴吹煤粉燃燒性能研究［J］.鋼鐵釩鈦，2007，28（2）：43－47.

［4］裴西平.我國高爐噴煤現(xiàn)狀及供求趨勢分析［J］.煉鐵，2003，22（5）：33－36.

［5］金艷娟.高爐噴煤技術［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2005：1－4.

［6］曹學章.高爐噴吹用煤的選擇［J］.選煤技術，2007，12（6）：44－45.

［7］王國雄，王鐵.現(xiàn)代高爐煤粉噴吹［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1997：234－235.

［8］高光春，陳占東，湯清華，等.鞍鋼高爐噴吹煙煤工業(yè)試驗［J］.鋼鐵，1992（7）：13－19.

［9］孔德文，張建良，林祥海，等.高爐噴吹混合煤的燃燒特性及動力學分析［J］.鋼鐵研究學報，2011，22（11）：4－9.

［10］王永征，路春美，劉漢濤，等.山東動力用煤摻混燃燒特性的熱分析［J］.山東大學學報：工學版，2006，36（2）：26－31.

［11］公旭中，郭占成，王志.熱重法研究K2CO3與Fe2O3對煤粉燃燒反應性的影響［J］.燃料化學學報，2009，37（1）：42－48.

［12］聶其紅，孫紹增，李爭起，等.褐煤混煤燃燒特性的熱重分析法研究［J］.燃燒科學與技術，2001，7（1）：72－76.

［13］陸泓羽，王春波，雷鳴，等.煤粉微富氧條件下燃燒特性的實驗研究［J］.電力科學與工程，2011，27（12）：45－49.

［14］徐朝芬.煙煤與無煙煤混燃特性的熱分析試驗研究［J］.華北電力大學學報，2005，32（6）：29－32.

［15］王竹民.邯鋼高爐噴煤的基礎研究［D］.沈陽：東北大學，2007.

［16］劉秀梅，高斌，顧飛，等.高揮發(fā)分煙煤噴吹特性研究［C］／／2003年中國鋼鐵年會論文集.北京：冶金工業(yè)出版社，2003：404－407.

［17］吳天禮.焦作無煙煤高爐噴吹性能研究［D］.武漢：武漢科技大學，2011.