低階煤低溫?zé)峤獍虢乖谀M高爐噴吹條件下的燃燒性能

何選明，付鵬睿，張杜，曾憲燦，程曉晗，易霜

（武漢科技大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，湖北省煤轉(zhuǎn)化與新型碳材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢430081）

高爐噴吹煤粉是直接向高爐風(fēng)口回旋區(qū)噴吹一定粒度的無煙煤、煙煤或配合煤，達(dá)到部分替代焦炭提供熱量和還原劑的目的，以降低高爐焦比和冶煉成本，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。無煙煤是高爐噴吹單種煤或混合煤的主體煤種，隨著我國高爐噴吹煤粉技術(shù)的不斷發(fā)展，鋼鐵企業(yè)對(duì)優(yōu)質(zhì)噴吹無煙煤的需求量也日益增加，因此噴吹無煙煤的價(jià)格也逐年上漲，導(dǎo)致噴吹煤粉成本的相應(yīng)增加。所以，在降低高爐焦比和生鐵成本的基礎(chǔ)上，尋求經(jīng)濟(jì)環(huán)保的燃料來部分或全部替代無煙煤進(jìn)行高爐噴吹已經(jīng)成為國內(nèi)各大科研院校和鋼鐵企業(yè)亟須解決的問題。

低階煤低溫?zé)峤獍虢故敲簾峤夥磻?yīng)的固體殘留物具有反應(yīng)性強(qiáng)、熱值高、可磨性好、揮發(fā)分適中以及燃點(diǎn)低、無爆炸性等特點(diǎn)，性質(zhì)與優(yōu)質(zhì)噴吹無煙煤相似。此外，我國低階煤儲(chǔ)量豐富，低溫?zé)峤饧夹g(shù)能實(shí)現(xiàn)高效清潔梯級(jí)利用低階煤的目的，因此選用低溫?zé)峤獍虢固娲鸁o煙煤進(jìn)行高爐噴吹，既能推動(dòng)低溫?zé)峤庑袠I(yè)的發(fā)展以更好地利用低階煤資源，又能有效地降低生鐵成本，符合我國目前鋼鐵行業(yè)發(fā)展和能源需求現(xiàn)狀，具有十分重要的意義。

噴吹燃料燃燒性能的好壞將直接影響高爐的生產(chǎn)狀況，大量的生產(chǎn)實(shí)踐與研究表明，噴吹燃料的燃燒率大于 85%時(shí)就不會(huì)影響高爐的順行[1]。低溫?zé)峤獍虢故且环N高燃料比（固定碳和揮發(fā)分的比值）燃料，研究表明[2-3]，高燃料比燃料在高爐噴吹過程中會(huì)降低燃燒過程中炭黑的形成，但是燃燒性能不佳，因此在模擬高爐風(fēng)口區(qū)的爐況下考察熱解半焦的燃燒性能對(duì)半焦作為噴吹燃料的研究很有必要。本文選用管式沉降爐模擬高爐風(fēng)口回旋區(qū)的爐況，考察不同熱解終溫半焦的燃燒性能，并進(jìn)行相關(guān)研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 煤樣及半焦的制備方法

將采集到的陜西神木長(zhǎng)焰煤（CY）和河南焦作無煙煤（WY）經(jīng)粗粉碎至粒徑小于30mm的顆粒，然后再利用顎式粉碎機(jī)繼續(xù)將其細(xì)粉碎至粒徑小于3mm的煤粉，用自封密封袋收集細(xì)粉的煤粉并保存在干燥器中。每組熱解實(shí)驗(yàn)均稱取 1kg粒徑小于3mm的CY放入自制固定床干餾裝置中進(jìn)行低溫?zé)峤?，低溫?zé)峤馇熬鶎?duì)熱解裝置進(jìn)行氣密性檢測(cè)，以保證在隔絕空氣的條件下制備熱解終溫分別為400℃（BJA）、450℃（BJB）、500℃（BJC）以及550℃（BJD）的固體半焦。熱解反應(yīng)加熱過程均按10℃/min的升溫速率加熱至預(yù)先設(shè)定的熱解終溫，并在此溫度下保持90min以保證爐內(nèi)溫度均勻分布及揮發(fā)分的穩(wěn)定析出。低溫?zé)峤夥磻?yīng)結(jié)束后，迅速將半焦從干餾爐中取出并放入真空干燥器冷卻至室溫。按照 GB/T 474—2008（煤樣的制備方法）將CY、BJA-D以及WY細(xì)磨、篩分，分別選取50～100目、100～200目以及200～325目的試樣，將其保存于干燥器中。

1.2 燃燒實(shí)驗(yàn)裝置及方法

利用管式沉降爐模擬高爐富氧噴吹煤粉高溫燃燒過程[4-7]，以煤粉或半焦粉的燃盡度來評(píng)價(jià)其燃燒性能，燃盡度越高說明其燃燒性能越佳。本實(shí)驗(yàn)所選用的管式沉降爐為自制設(shè)備，管式沉降爐（DTP）系統(tǒng)如圖1所示。

管式沉降爐由給料系統(tǒng)、反應(yīng)系統(tǒng)、灰分收集系統(tǒng)及煙氣分析系統(tǒng)等4個(gè)部分組成。給料系統(tǒng)包括料斗、螺旋給料器及下料管，試樣從料斗落至螺旋給料器中，在一次氣（N2和 O2的混合氣）的攜帶下經(jīng)過下料管進(jìn)入反應(yīng)系統(tǒng)。反應(yīng)系統(tǒng)的氣氛由二次氣（N2和O2的混合氣）提供，二次氣中N2與O2的混合比例由空氣過剩系數(shù)α和試樣的固定碳FC共同決定。反應(yīng)系統(tǒng)由SiC棒電加熱至預(yù)定溫度，加熱過程利用R型熱電偶檢測(cè)加熱溫度，同時(shí)由比例積分微分（PID）和硅控整流器（SCR）分別控制加熱溫度和加熱功率，以確保整個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)溫度的穩(wěn)定性和精確性。利用超細(xì)玻璃纖維無膠濾筒從沉降爐底部收集灰分，燃燒后的煙氣由真空泵抽出經(jīng)分流、洗滌、干燥后接HORIBA便攜式煙氣分析儀檢測(cè)煙氣成分及其濃度。

圖1 管式沉降爐系統(tǒng)

煤/半焦試樣在燃燒實(shí)驗(yàn)前均置于溫度為 80℃的鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行充分干燥，確保試樣在實(shí)驗(yàn)過程中均勻下料及有效緩解顆粒之間的團(tuán)聚。管式沉降爐燃燒實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)條件為：給料量 0.3g/min，燃燒反應(yīng)溫度1000℃，煤粉噴吹粒徑100～200目，空氣過剩系數(shù) 1.03，每組燃燒實(shí)驗(yàn)時(shí)間為 1800s，每種試樣做連續(xù)兩組燃燒實(shí)驗(yàn)。不同煤樣及半焦燃燒性能的對(duì)比研究均是在此基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)條件上進(jìn)行的。為進(jìn)一步研究燃燒反應(yīng)溫度、噴吹粒徑對(duì)試樣燃燒性能的影響，考察了燃燒反應(yīng)溫度范圍在 900～1100℃，噴吹粒徑為80～100目、100～200目以及200～325目各組試樣的燃燒性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 煤/半焦的工業(yè)分析及發(fā)熱量

按照GB/T 212—2008《煤的工業(yè)分析方法》和GB/T 213—2008《煤的發(fā)熱量測(cè)定方法》分別作每種試樣的工業(yè)分析和發(fā)熱量的測(cè)定，煤/半焦的工業(yè)分析和發(fā)熱量測(cè)定結(jié)果見表1。

表1 煤/半焦工業(yè)分析及發(fā)熱量測(cè)定結(jié)果

由表1可知，隨著熱解終溫的升高，熱解半焦中的灰分和固定碳含量逐漸增加，揮發(fā)分含量逐漸降低，半焦的發(fā)熱量隨熱解終溫的增加呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)，其中 BJC的發(fā)熱量最高為31.29MJ/kg，與CY的發(fā)熱量（28.65MJ/kg）相比約提高了 9%，這說明低階煤通過低溫干餾可以實(shí)現(xiàn)一定程度的能量富集，但是熱解終溫不宜過高。參照GB/18512—2008《高爐噴吹用煤技術(shù)條件》與半焦工業(yè)分析結(jié)果可知，本熱解條件下獲得的BJA-D的灰分、水分及發(fā)熱量均達(dá)到Ⅰ級(jí)噴吹用煤的技術(shù)條件，完全適用于高爐噴吹。

2.2 單種煤/半焦的燃燒性能

利用灰分示蹤法計(jì)算單種煤/半焦的燃盡度，燃盡度越高則燃燒性能越好。燃盡度的計(jì)算公式如式（1）。

圖2 不同煤/半焦連續(xù)兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分布圖

式中，Ai為灰樣的灰分（干燥基）；A0為煤/半焦的灰分（干燥基）。單種煤/半焦的燃盡度與燃料比的關(guān)系如圖2所示。

由圖2可知，隨著熱解終溫的增加，與CY相比，半焦的燃料比逐漸增大，而熱解半焦的燃盡度呈逐漸降低的趨勢(shì)，其中BJD的燃盡度為79%，與CY相比燃盡度下降了16%。究其原因，一方面隨著熱解終溫的升高，半焦的固定碳含量逐漸增加，揮發(fā)分含量逐漸降低，而固定碳的反應(yīng)活性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于揮發(fā)分的反應(yīng)活性；另一方面，低階煤在熱解過程中隨著熱解終溫的升高，煤中自由基縮合成基本結(jié)構(gòu)單元和基本結(jié)構(gòu)單元的有序化程度逐漸增加，導(dǎo)致煤焦石墨化程度增大且表現(xiàn)出各向異性，降低了半焦的反應(yīng)活性[8-9]。此外，熱解過程中隨著溫度的升高，煤中礦物質(zhì)在煤焦中的分散形式由隨機(jī)分布變?yōu)閳F(tuán)聚，溫度越高礦物質(zhì)聚集的粒度越大[10]，降低了礦物質(zhì)在氧化反應(yīng)中的催化活性。因此隨著熱解終溫的升高，半焦在燃燒過程中變的愈來愈難燃盡。BJA～BJD的燃燒性能均比WY要好，這是因?yàn)锽JA～BJD的揮發(fā)分均比WY的揮發(fā)分要高，另外WY是一種典型的無煙煤，煤巖組分中惰性組分含量較高，故氧化反應(yīng)活性不佳，所以本實(shí)驗(yàn)條件下制得的熱解半焦的燃燒性能要優(yōu)于WY。本次研究在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)條件下考察了燃料比在 1.78～7.70之間煤/半焦的燃燒性能，在燃料比與燃盡度之間擬合了一條R2為0.914的線性回歸曲線，如圖3所示。

由圖3可知，隨著煤/半焦燃料比的增加，其燃盡度逐漸降低，Du等[11]也曾有相似的結(jié)論，這一燃燒規(guī)律為根據(jù)燃料比初步評(píng)價(jià)燃料燃燒性能提供了一定的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

圖3 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)條件下燃盡度與燃料比的相關(guān)性

2.3 噴吹粒徑對(duì)煤/半焦燃燒性能的影響

為研究噴吹粒徑對(duì)煤/半焦燃燒性能的影響，本實(shí)驗(yàn)在燃燒反應(yīng)溫度 1000℃、空氣過剩系數(shù) 1.03的條件下考察了噴吹粒徑范圍為50～100目、100～200目以及200～325目各試樣的燃盡度，燃盡度隨噴吹粒徑的變化趨勢(shì)如圖4所示。

由圖4可知，隨著煤/半焦燃料比的增加，粒徑對(duì)試樣燃盡度的影響程度逐漸增加，其中粒徑對(duì)WY燃盡度的影響最為顯著。但是不同試樣燃盡度隨粒徑的減少并沒有發(fā)生顯著的增加，其中 CY、BJA及BJB在粒徑從100～200目減少至200～325目的時(shí)候，燃盡度均發(fā)生一定程度的降低。這是因?yàn)樵谌紵^程中，煤/半焦顆粒會(huì)發(fā)生一定程度的膨脹、部分破裂以及聚集等形態(tài)變化，當(dāng)噴吹粒徑為100～200目時(shí)顆粒形態(tài)變化以膨脹和部分破裂為主，而當(dāng)噴吹粒徑為200～325目時(shí)煤/半焦顆粒形態(tài)變化以聚集為主[10]，當(dāng)顆粒之間大量聚集時(shí)就會(huì)阻礙氧氣與顆粒表面間的傳質(zhì)作用，在燃燒性能上就會(huì)表現(xiàn)不佳。因此，對(duì)燃料過度的細(xì)粉不僅無法顯著提高燃料的燃燒性能，而且會(huì)增加鋼鐵企業(yè)的噴吹成本，所以選擇合適的噴吹燃料粒徑對(duì)我國鋼鐵企業(yè)降本增效具有重要的意義。

圖4 煤/半焦在不同粒徑下的燃盡度

圖5 煤/半焦在不同燃燒反應(yīng)溫度下的燃盡度

2.4 燃燒反應(yīng)溫度對(duì)煤/半焦燃燒性能的影響

在噴吹粒徑 100～200目、空氣過剩系數(shù) 1.03的條件下，考察了燃燒反應(yīng)溫度分別為900℃、1000℃以及 1100℃時(shí)不同煤/半焦的燃盡度。煤/半焦燃盡度隨反應(yīng)溫度的變化趨勢(shì)見圖5。

由圖5可知，隨著反應(yīng)溫度的增加，煤/半焦的燃盡度均得到不同程度的增加，其中高燃料比煤/半焦的燃盡度隨著反應(yīng)溫度的增加而提高的幅度更加顯著，當(dāng)反應(yīng)溫度從900℃提高至1000℃時(shí)，BJD的燃盡度從64%增加至79%，增幅約24%。燃燒過程包括揮發(fā)分的析出和揮發(fā)分、碳的燃燒兩個(gè)階段，二者之間沒有明顯的界限，通常揮發(fā)分的析出過程也伴隨著燃燒反應(yīng)的發(fā)生，提高反應(yīng)溫度不僅可以促進(jìn)煤/半焦的預(yù)熱、脫氣及分解反應(yīng)，從而縮短其整個(gè)燃燒過程，而且高溫環(huán)境下溫度分布更加均勻，燃燒反應(yīng)也更加穩(wěn)定，因此燃燒性能也越好。

3 結(jié) 論

（1）低階煤經(jīng)低溫干餾后可以實(shí)現(xiàn)能量富集，終溫 550℃的半焦發(fā)熱量最高，與原料煤發(fā)熱量相比提升了 9%。從工業(yè)分析結(jié)果的角度來看，熱解半焦的性能符合高爐噴吹用煤條件且優(yōu)于本次試驗(yàn)所選用的噴吹用無煙煤。

（2）半焦的燃盡度隨熱解終溫的升高而降低，當(dāng)熱解終溫從400℃提高至550℃時(shí)，半焦的燃盡度從91%降低至79%，但仍高于本實(shí)驗(yàn)選用的噴吹用無煙煤的燃盡度。熱解半焦的燃燒性能與其燃料比之間有負(fù)相關(guān)關(guān)系，即燃料比越高燃燒性能越差。

（3）提高燃燒反應(yīng)溫度可以明顯改善半焦的燃燒性能，反應(yīng)溫度為1100℃時(shí)，半焦的燃燒性能最佳；減小半焦噴吹粒徑對(duì)提高半焦燃燒性能的作用不顯著，從經(jīng)濟(jì)效益角度來考慮，粒徑為 100～200目的半焦顆粒更適用于高爐噴吹。

（4）從半焦工業(yè)分析和燃燒性能的角度上看，熱解半焦性能完全符合噴吹用煤條件，且優(yōu)于無煙煤，更適用于高爐噴吹。

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