高爐混合噴吹上灣高鈣煙煤的性能研究

杜紅梅 王申洋 徐潤(rùn)生 張建良

(1. 國(guó)能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，2. 北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院)

在現(xiàn)代高爐煉鐵過(guò)程中，高爐噴煤是煉鐵技術(shù)中的重要研究方向，也是目前大多數(shù)鋼鐵企業(yè)用來(lái)降低焦比、節(jié)約冶煉成本的工作重點(diǎn)[1-6]。高爐噴吹煤粉是煉鐵工藝中發(fā)展迅速且日趨成熟的一項(xiàng)重要技術(shù)，其主要目的是用儲(chǔ)量豐富的噴吹煤粉代替日益稀缺且價(jià)格昂貴的冶金焦炭，以降低煉焦工序?qū)Νh(huán)境的影響，優(yōu)化鐵前系統(tǒng)的能耗結(jié)構(gòu)，同時(shí)也為改善高爐運(yùn)行、強(qiáng)化冶煉創(chuàng)造條件[7-9]。作為我國(guó)優(yōu)質(zhì)的動(dòng)力煤，神東上灣煙煤具有熱值高、揮發(fā)分高、反應(yīng)性強(qiáng)和硫分低等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于氣化、發(fā)電等行業(yè)。同時(shí)部分上灣煙煤灰分中CaO含量超過(guò)30%，又被稱為上灣高鈣煙煤。將上灣高鈣煙煤作為我國(guó)優(yōu)質(zhì)高爐噴吹煤，是一種值得探索的高鈣煙煤利用技術(shù)，不僅開發(fā)了煤種的潛在價(jià)值，同時(shí)利用其CaO含量高和灰熔點(diǎn)低的特點(diǎn)，可增強(qiáng)噴入煤粉的燃燒性，降低高爐煉鐵過(guò)程熔劑應(yīng)用比例，提高高爐冶煉效率[10-15]。文章對(duì)上灣煙煤與高爐常用的噴吹煤種進(jìn)行配煤實(shí)驗(yàn)研究，分析不同摻混比條件下混合煤高爐噴吹的工藝性能變化規(guī)律，為高鈣煙煤的經(jīng)濟(jì)高效利用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和方法

根據(jù)GB/T 212-2001對(duì)5種煤樣進(jìn)行工業(yè)分析，結(jié)果如表1所示。著火點(diǎn)實(shí)驗(yàn)采用固體氧化劑法，將粒度為0.2 mm以下的空氣干燥煤樣與亞硝酸鈉以1∶0.75的質(zhì)量比進(jìn)行混合，置于微型電爐的鉑片上加熱，加熱速度為4.5～5 ℃/min。爆炸性實(shí)驗(yàn)采用長(zhǎng)管式測(cè)試裝置，通過(guò)檢測(cè)煤粉在爆炸時(shí)返回火焰的長(zhǎng)度來(lái)判斷煤粉的爆炸性強(qiáng)弱。燃燒性實(shí)驗(yàn)儀器采用北京光學(xué)儀器公司生產(chǎn)的WCT-2C微機(jī)差熱天平，該儀器的主要特點(diǎn)為可以連續(xù)、全程記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最后得到TG曲線和DTG曲線。在該實(shí)驗(yàn)中，初始溫度為室溫，以20 K/min的加熱速率升溫至1 173 K，反應(yīng)氣氛為空氣，氣體流量為60 mL/min，保溫時(shí)間為5 min。

表1 煤樣的工業(yè)分析結(jié)果 %

為了探究上灣煙煤和其他高爐主流噴吹煤種混合噴吹的性能差異，選取表1中的4種典型煙煤(包括上灣煙煤)和1種典型無(wú)煙煤進(jìn)行混煤搭配。由于實(shí)際高爐噴吹的混煤揮發(fā)分在18.6%左右，因此方案中混煤揮發(fā)分設(shè)計(jì)為17.6%～22.6%，如表2所示。

表2 配煤方案 %

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 混煤著火點(diǎn)

隨著煙煤含量的變化，混煤著火點(diǎn)的變化趨勢(shì)如圖1所示。隨著上灣煙煤含量從15%增加到40%，混煤著火點(diǎn)從416.7 ℃下降到370.8 ℃，主要是由于上灣煙煤的變質(zhì)程度較低，揮發(fā)分含量較高，使得混煤著火點(diǎn)下降。隨著HX煙煤含量從16%增加到42%，混煤著火點(diǎn)從413.7 ℃逐漸下降到385.2 ℃，但整體高于上灣煙煤的混煤著火點(diǎn)。其他兩種混煤方案，隨著煙煤含量的增加，混煤著火點(diǎn)呈整體下降趨勢(shì)，但下降幅度不大，略有波動(dòng)。上述結(jié)果表明，上灣煙煤與ES無(wú)煙煤混合可以顯著降低著火點(diǎn)。

圖1 不同煙煤含量對(duì)混煤著火點(diǎn)的影響

2.2 混煤爆炸性

煤的揮發(fā)分?jǐn)?shù)量和質(zhì)量是影響煤粉爆炸的最重要因素。煤的可燃揮發(fā)分含量越高，爆炸性越強(qiáng)，即煤化作用越低的煤粉爆炸性越強(qiáng)。根據(jù)配煤方案，混煤揮發(fā)分為17.6%～22.6%，整體并不屬于高揮發(fā)分的煤種。

由爆炸性測(cè)定結(jié)果可知所有混煤均無(wú)爆炸性，一個(gè)方面是因?yàn)榛烀旱膿]發(fā)分整體低于30%，低于強(qiáng)爆炸性煤的揮發(fā)分含量；另一方面是因?yàn)闊o(wú)煙煤沒(méi)有爆炸性，有爆炸性的煙煤遇到高溫?zé)嵩春蠓懦龅臒崃勘粺o(wú)煙煤部分吸收，使得煙煤自身無(wú)法達(dá)到爆炸所需的能量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致。上灣煙煤雖然有著高揮發(fā)分的特點(diǎn)，但是在實(shí)驗(yàn)中與ES無(wú)煙煤混合后并沒(méi)有表現(xiàn)出較強(qiáng)的爆炸性，表明適當(dāng)增加上灣煙煤不會(huì)對(duì)安全性能產(chǎn)生影響。

2.3 混煤燃燒性

煤粉的燃燒性越好，其TG曲線越偏向低溫區(qū)，即燃燒曲線向左移動(dòng)。在不同混煤揮發(fā)分條件下，不同煙煤對(duì)于混煤燃燒性的影響并不相同，如圖2所示。在方案1中(混煤揮發(fā)分為17.6%)，上灣煙煤的混煤燃燒性與SG煙煤的混煤燃燒性相當(dāng)；方案2中(混煤揮發(fā)分為18.6%)，上灣煙煤的混煤燃燒性要優(yōu)于其他煤種的混煤燃燒性；在其他方案中(混煤揮發(fā)分大于18.6%)，上灣煙煤的混煤燃燒性并沒(méi)有明顯的優(yōu)于其他煤種的混煤燃燒性。說(shuō)明上灣煙煤與其他高爐噴吹主流煙煤相比，上灣煙煤的添加量為20%時(shí)，其混煤的燃燒性最好。

圖2 不同方案的TG曲線

上灣煙煤含量對(duì)上灣煙煤+ES無(wú)煙煤混煤燃燒率的影響如圖3所示。當(dāng)溫度為500 ℃時(shí)，上灣煙煤含量從15%提高到40%，燃燒率由21.67%上升到34.1%；當(dāng)燃燒溫度為600 ℃時(shí)，混煤的燃燒率在83.03%～88.28%之間波動(dòng)；當(dāng)溫度為700 ℃時(shí)，混煤幾乎完全燃燒，燃燒率接近100%。

圖3 上灣煙煤含量對(duì)混煤燃燒率的影響

2.4 混煤灰熔特性

在一定條件下，隨著加熱溫度變化，煤灰依次呈現(xiàn)變形、軟化、半球和流動(dòng)的特征物理狀態(tài)，通常采用這四個(gè)特征物理狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的溫度來(lái)表征煤灰熔融性，6個(gè)方案的煤灰熔融性如表3所示。在同一種方案內(nèi)即混煤的揮發(fā)分相同的情況下，從變形溫度、軟化溫度、半球溫度和流動(dòng)溫度整體考慮，上灣煙煤的混煤同HX煙煤的混煤接近，明顯低于WN煙煤的混煤和SG煙煤的混煤。隨著煙煤配比的增加，混煤的軟化溫度呈下降趨勢(shì)。當(dāng)上灣煙煤配比小于30%時(shí)，其混煤軟化溫度降低較緩，即配比每增加10%，其混煤軟化溫度降低(1 193-1 174)=19 ℃；當(dāng)上灣煙煤配比大于30%時(shí)，其混煤軟化溫度明顯下降，即配比每增加10%，其混煤軟化溫度降低(1 141-1 075)=66 ℃。主要是由于上灣煙煤中含有大量的氧化鈣，導(dǎo)致混煤的灰熔點(diǎn)降低。

表3 混煤灰熔融性 ℃

利用FactSage相圖模塊計(jì)算的SiO2-CaO-Al2O3三元系統(tǒng)平衡相圖，研究配煤改變煤灰成分后對(duì)煤灰熔融性的影響。三元相圖中靠近SiO2、Al2O3、CaO三種純物質(zhì)的區(qū)域，即物質(zhì)組成成分為SiO2>65%或者Al2O3>50%或者CaO>60%時(shí)，煤灰成分會(huì)處于石英、剛玉和石灰的主物相區(qū)，其對(duì)應(yīng)的全液相溫度一般較高，在1 600 ℃以上。此外，三元相圖中央部分存在一個(gè)低溫共熔物相區(qū)(鈣長(zhǎng)石)，全液相溫度較低，在1 200～1 500 ℃，此區(qū)間內(nèi)煤灰的化學(xué)成分為40%～70%的SiO2、10%～30%的Al2O3和10%～50%的CaO。6種方案混合煤灰成分均位于莫來(lái)石初晶區(qū)，隨著煙煤配比增加，上灣煙煤的混煤灰分向低溫的鈣長(zhǎng)石區(qū)移動(dòng)，與灰熔融溫度變化趨勢(shì)相同。此外，計(jì)算結(jié)果表明4種混煤的完全熔化溫度從高到低的順序?yàn)椋篧N+ES>SG+ES>HX+ES>上灣+ES。

3 結(jié)論

(1)當(dāng)上灣煙煤含量為40%時(shí)，上灣煙煤+ES無(wú)煙煤的混煤著火點(diǎn)最低，為370.8 ℃；實(shí)驗(yàn)條件下，混煤均沒(méi)有爆炸性，高爐噴吹安全。

(2)燃燒性實(shí)驗(yàn)表明上灣煙煤+ES無(wú)煙煤在混煤揮發(fā)分為18.6%時(shí)，混煤燃燒性最好；當(dāng)溫度為500 ℃時(shí)，隨著上灣煙煤含量從15%提高到40%，燃燒率呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，在溫度為600、700 ℃時(shí)，上灣煙煤含量的增加對(duì)混煤燃燒率的影響不大。

(3)在上灣煙煤配比小于30%時(shí)，其混煤軟化溫度與WN等氧化鈣含量較低的煙煤的混煤軟化溫度接近，當(dāng)上灣煙煤配比超過(guò)30%后，其軟化溫度會(huì)明顯下降，主要是由于上灣煙煤中含有大量的氧化鈣，導(dǎo)致混煤的灰熔點(diǎn)降低。