金雞灘精煤用作高爐噴吹配煤的實(shí)驗(yàn)研究

孟 凡 彩

(兗州煤業(yè)股份有限公司 選煤管理中心，山東 鄒城 273500)

高爐噴吹用煤對(duì)煤質(zhì)的要求較高。我國(guó)高爐噴吹煤種在很長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)一直堅(jiān)持以噴吹無煙煤為主[1]。無煙煤具有固定碳高、熱值高、置換比高、安全性好的優(yōu)點(diǎn)，但也存在著火溫度高、燃燒性差、燃燒率低等缺點(diǎn)。此外，我國(guó)無煙煤儲(chǔ)量相對(duì)較少，煤質(zhì)不完全符合要求，造成噴吹用無煙煤供不應(yīng)求，價(jià)格持續(xù)升高。無煙煤與低變質(zhì)煙煤相配，可有效降低低變質(zhì)煤的爆炸性[2]。

分析國(guó)內(nèi)外高爐噴吹煤的發(fā)展趨勢(shì)可知，噴吹單一煤種不理想，采用混煤噴吹，可以發(fā)揮煙煤與無煙煤兩種煤的煤質(zhì)優(yōu)勢(shì)，互補(bǔ)缺陷，煤粉燃燒率明顯提高，置換比上升[3]。從高爐噴吹工藝特點(diǎn)來看，采用煙煤與無煙煤混噴，在技術(shù)及經(jīng)濟(jì)上優(yōu)于無煙煤?jiǎn)为?dú)噴吹。煙煤揮發(fā)分高、著火點(diǎn)低，易于燃燒，同樣條件可擴(kuò)大噴吹量;煙煤含氫高于無煙煤，氫還原能力強(qiáng)，在爐內(nèi)高溫區(qū)可代替碳參加直接還原。且煙煤黏性低，擴(kuò)散能力強(qiáng)，更有利于鐵礦石的還原。寶鋼、首鋼、鞍鋼等企業(yè)采用混煤噴吹，降低煉鐵焦比，煤焦置換比提高0.1～0.15，已取得良好的效果[4]。因而，噴吹技術(shù)先進(jìn)的高爐采用多煤種混合噴吹，既可擴(kuò)大煤源的使用范圍，又可利用不同煤種特性，提高了煤焦的置換比并已取得良好的效果。

目前國(guó)內(nèi)外普遍采用配煤噴吹[5-14]，在配煤中盡可能提高低階煙煤的比例及降低原料成本已成為發(fā)展趨勢(shì)和研究重點(diǎn)。低階煙煤具有爆炸性強(qiáng)等弱點(diǎn)，需與優(yōu)質(zhì)的高變質(zhì)煤相配才能降低爆炸性。以下通過配煤實(shí)驗(yàn)分析兗礦陜蒙基地金雞灘煤在配煤中的優(yōu)勢(shì)及降低爆炸性的效果，并提出了基于金雞灘煤的優(yōu)化配煤方案。

1 煤質(zhì)分析與配煤實(shí)驗(yàn)

1.1 配煤實(shí)驗(yàn)方案

綜合煤源、煤質(zhì)及目標(biāo)市場(chǎng)，選擇太西無煙煤與金雞灘煤進(jìn)行配煤實(shí)驗(yàn)。為保證與高爐用噴吹煤粉的粒度一致，將煤分別制備成<0.074 mm煤粉[15]。金雞灘煤及太西煤粉的煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)見表1，配煤實(shí)驗(yàn)方案見表2。

1.2 爆炸性實(shí)驗(yàn)

依據(jù)AQ 1045—2007《煤塵爆炸性鑒別規(guī)范》，應(yīng)用長(zhǎng)管式煤粉爆炸性測(cè)試儀測(cè)定配合煤粉的爆炸性。實(shí)驗(yàn)前，需將待測(cè)煤樣磨細(xì)至0.074 mm以下，使其全部通過0.074 mm篩子，并在干燥箱內(nèi)用105 ℃～110 ℃干燥2 h。用天平稱取(1±0.1)g樣品裝入試樣管內(nèi)，將試樣聚集在試樣管的尾端，插入彎管。打開空氣壓縮機(jī)開關(guān)，將初始?xì)鈮赫{(diào)節(jié)至0.05 MPa。按下啟動(dòng)按鈕，將試樣噴進(jìn)玻璃管內(nèi)造成煤塵云，觀察并記錄火焰長(zhǎng)度。對(duì)產(chǎn)生火焰的試驗(yàn)，還需進(jìn)行添加巖粉試驗(yàn)，直至混合粉塵不再出現(xiàn)火焰為止。

表1 配煤用金雞灘煤和太西煤的煤質(zhì)分析

表2 金雞灘煤與太西無煙煤的配煤方案

1.3 燃燒特性實(shí)驗(yàn)

熱重分析儀由于具有靈敏度高、反應(yīng)條件易于控制、反應(yīng)過程易于觀察及自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于煤的熱解、氣化和燃燒等的研究[16]。

利用德國(guó)耐馳STA 499 F3熱重分析儀可獲取煤燃燒特性TG-DTG曲線。燃燒試驗(yàn)的升溫速率為20 ℃/min，氣氛為100 mL/min空氣，初始溫度30 ℃，燃燒終溫1 000 ℃。

通過TG-DTG法確定相應(yīng)的燃燒特性參數(shù)，如圖1所示[17]。在DTG曲線上，過峰值點(diǎn)A作垂線與TG曲線交于B點(diǎn)，過B點(diǎn)作TG曲線的切線，該切線與TG曲線上揮發(fā)分開始失重時(shí)D平行基線的交點(diǎn)C所對(duì)應(yīng)的溫度即定義為著火溫度Te，而切線與TG曲線上失重結(jié)束時(shí)G平行基線的交點(diǎn)E所對(duì)應(yīng)的溫度定義為燃盡溫度Tf，其中A點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的失重速率即為最大燃燒速率(dw/dt)max，溫度即為最大速率對(duì)應(yīng)溫度Tp。

1.4 粉體流動(dòng)特性

1960年代英國(guó)人卡爾(Carr)綜合研究影響粉體流動(dòng)性和噴流性的因素，提出了表征粉體特性的卡爾指數(shù)?？栔笖?shù)包括流動(dòng)性指數(shù)和噴流性指數(shù)。流動(dòng)性指數(shù)(Fw)是粉體的自然坡度角、壓縮率、板勺角、均勻度等項(xiàng)指數(shù)的加權(quán)和，計(jì)算式詳見式(1):

Fw=Cp+θr+θs+Ch

(1)

其中，θr為粉體的自然坡度角，Cp為粉體的壓縮率，θs為粉體的板勺角，Ch為粉體的均勻度。

噴流性指數(shù)(Fd)是在流動(dòng)性指數(shù)的基礎(chǔ)上與崩潰角、差角和分散度等項(xiàng)指數(shù)加權(quán)求和而得，詳見式(2):

Fd=Fw+θf+θd+Ds

(2)

其中，F(xiàn)w為粉體的流動(dòng)性指數(shù)，θf為粉體的崩潰角，θd為粉體的差角，Ds為粉體的分散度。

自然坡度角、壓縮率、板勺角、均勻度、崩潰角、差角、分散度的定義以及流動(dòng)性指數(shù)和噴流性指數(shù)評(píng)價(jià)表參見文獻(xiàn)[18]。此文采用BT-1001型粉體綜合特性測(cè)試儀測(cè)試噴吹煤粉的流動(dòng)性指數(shù)和噴流性指數(shù)。松裝密度、振實(shí)密度、自然坡度角、崩潰角、板勺角、分散度通過儀器直接測(cè)量，而差角和分散度通過相應(yīng)公式計(jì)算而得。

2 結(jié)果與討論

2.1 配煤的煤質(zhì)特征

金雞灘煤與太西煤配煤后的煤質(zhì)特征見表3。金雞灘煤和太西煤相配后，灰分(Ad)、揮發(fā)分產(chǎn)率(Vdaf)和全硫(St,d)隨配煤中金雞灘煤比例的變化如圖2～圖4所示。

從圖2～圖4可看出，隨著金雞灘煤配入量的逐漸增加，配煤的灰分逐漸降低，配煤的揮發(fā)分產(chǎn)率及全硫含量逐漸增大。

表3 金雞灘煤與太西無煙煤的配煤的煤質(zhì)特征

圖2 金雞灘煤和太西配煤灰分(Ad)隨金雞灘煤比例的變化

圖3 金雞灘煤和太西配煤揮發(fā)分產(chǎn)率(Vdaf)隨金雞灘煤比例的變化

圖4 金雞灘煤和太西配煤全硫(St,d)隨金雞灘煤比例的變化

2.2 配煤爆炸性及著火溫度

金雞灘煤和太西煤相配后的著火溫度和爆炸性見表4，爆炸性返回火焰長(zhǎng)度及抑制爆炸性加巖粉量隨金雞灘煤配入量的變化如圖5所示。從圖5可知，配煤的爆炸性返回火焰長(zhǎng)度和抑制爆炸性加巖粉量均隨著金雞灘煤配入量的增加而增大。當(dāng)配煤中金雞灘煤的配入量超過55%時(shí)，配煤的爆炸性快速升高，出現(xiàn)1個(gè)明顯的階躍。當(dāng)金雞灘煤與太西煤的配比為35∶65時(shí)，配煤爆炸性(返回火焰長(zhǎng)度為50 mm)仍較大，說明金雞灘煤和太西煤兩種煤配煤噴吹，金雞灘煤配比應(yīng)不超過35%。

金雞灘煤和太西煤相配，著火溫度隨金雞灘煤配入量的變化如圖6所示。由于金雞灘煤的著火溫度較低，而太西煤的著火溫度高，隨著金雞灘煤配入量的逐漸增加，配煤的著火溫度也逐漸降低。

表4 金雞灘煤與太西無煙煤配煤的著火溫度和爆炸性分析結(jié)果

圖5 金雞灘煤與太西煤相配時(shí)爆炸性隨金雞灘煤配入量的變化

2.3 配煤的燃燒特性

金雞灘煤與太西煤配煤的熱天平燃燒特性曲線如圖7所示，燃燒特性參數(shù)見表5。隨著金雞灘煤配入量的增加，煤的著火溫度、最大燃燒溫度均降低，而最大燃燒速率提高，配入一定量的金雞灘煤可改善配煤的燃燒特性。

2.4 配煤的流動(dòng)性和噴流性

采用粉體綜合物性測(cè)定儀對(duì)金雞灘煤和太西煤的配煤測(cè)定其流動(dòng)性指數(shù)與噴流性指數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果見表6。金雞灘煤和太西煤配煤的流動(dòng)性指數(shù)和噴流性指數(shù)隨金雞灘煤配入量的變化如圖8所示。

圖6 金雞灘煤與太西煤相配時(shí)著火溫度隨金雞灘煤配入量的變化

由圖8可知，金雞灘煤與太西煤相配時(shí)流動(dòng)性指數(shù)及噴流性指數(shù)波動(dòng)并不大，流動(dòng)性均欠佳而噴流性均相當(dāng)強(qiáng)。

3 結(jié) 論

此研究模擬高爐噴吹用煤條件，通過配煤實(shí)驗(yàn)分析金雞灘煤在配煤中的優(yōu)勢(shì)及降低爆炸性的途徑，提出高爐噴吹優(yōu)化配煤方案，主要結(jié)論如下:

(1)配煤的灰分(Ad)及揮發(fā)分產(chǎn)率(Vdaf)基本上隨配煤中金雞灘煤比例增加而線性降低，說明配煤過程的混合比較均勻，樣品的代表性強(qiáng)。

圖7 金雞灘煤與太西煤配煤的燃燒特性曲線

表5 金雞灘煤與太西煤配煤的燃燒特性參數(shù)

表6 金雞灘煤與太西煤配煤的流動(dòng)性與噴流性

(續(xù) 表)

圖8 金雞灘煤與太西煤相配時(shí)流動(dòng)性和噴流性指數(shù)隨金雞灘煤配入量的變化

(2)配煤的爆炸性返回火焰長(zhǎng)度和抑制爆炸性加巖粉量均隨著金雞灘煤的配入量的增加而增大。當(dāng)金雞灘煤與太西煤相配時(shí)，金雞灘煤的配比應(yīng)不超過35%，配煤無爆炸性。

(3)從配煤的著火溫度測(cè)試及熱天平燃燒特性研究中均可發(fā)現(xiàn)，隨著金雞灘煤配入比例增加，配煤的燃燒溫度降低，燃燒速率提高，金雞灘煤對(duì)改善配煤的燃燒特性有重要作用。

(4)分析配煤的流動(dòng)性指數(shù)和噴流性指數(shù)可知，配入金雞灘煤并不會(huì)改變配煤的流動(dòng)性和噴流性。