高爐噴吹配煤催化燃燒特性的研究

王培平，陳旺生，孟 康

（武漢科技大學資源與環境工程學院，湖北武漢，430081）

高爐噴煤是從高爐風口向爐內直接噴吹適度粒徑范圍的無煙煤或煙煤，以替代焦炭用于提供熱量和起到還原劑的作用，從而降低焦比和生鐵成本。然而，隨著噴煤比的不斷提高，煤粉在高爐內的燃燒條件惡化，燃燒效率降低，煤焦置換比有所下降［1］。因此，提高煤粉的燃燒效率成為研究的熱點。目前，強化煤粉燃燒的手段主要有提高風溫、富氧噴煤、噴吹配煤和添加催化助燃劑等［2］，其中高爐噴吹配煤不僅可以充分利用我國煤炭資源，而且其各組分相互促進燃燒，可提高煤粉的燃燒率和煤焦的置換比；而添加催化助燃劑也是實現燃煤高效、潔凈燃燒的強有力措施［3］。目前煤催化助燃機理主要有氧傳遞學說和電子轉移學說［4－6］，這兩種理論均認為，堿金屬、堿土金屬和過渡元素的氧化物、氫氧化物及其鹽類幾乎都具有催化助燃作用，且具有催化活性的一般規律，主要體現在以下兩個方面：一是對揮發分燃燒的催化作用；二是對固定碳燃燒的催化作用。

本文著重研究提高高爐噴吹配煤的燃燒效率，基于以上煤催化燃燒的反應機理，在配煤中干法混合不同比率的催化助燃劑輕燒白云石、冷軋酸洗氧化鐵粉和錳礦粉，探討催化助燃劑種類及其添加量對煤粉著火點和燃盡率的影響，以確定匹配的催化助燃劑種類及其最佳添加量。

1 試驗

1.1 配合煤的制備及表征

將混合無煙煤（神火、恒源、青町和四川）、神華煙煤和焦粉分別按52%、40%和8%的質量配比混合并制備成200目以下的配合煤粉。按照GB／T212—2008對配合煤進行工業分析和元素分析，結果如表1所示。由表1中可以看出，該配合煤的固定碳含量為71.03%，揮發分含量為18.53%，發熱值高；碳、氧和氫元素含量高，氮和硫元素含量較低，燃燒所需理論空氣量大，因此不僅適合于高爐噴吹，還有利于富氧和高風溫操作。

表1 配合煤樣的工業分析和元素分析結果（wB／%）Table 1 Proximate and ultimate analysis of blended coals

1.2 催化助燃劑的表征

試驗以廉價的輕燒白云石、冷軋酸洗氧化鐵粉（以下簡稱氧化鐵粉）和錳礦粉作為高爐催化助燃劑。采用X’Pert PRO型XRD衍射儀分析催化助燃劑的物相組成，采用Nova 400 Nano型EDS能譜儀和SEA100A Ro HS型熒光光譜儀分析催化助燃劑的表面元素組成和化學成分，采用Nova 400 Nano型掃描電鏡觀察催化助燃劑的表面形貌和活性組分分散度。

1.3 催化助燃煤樣的制備

單一催化樣是將輕燒白云石、氧化鐵粉、錳礦粉均分別按1.5%、3.0%、4.5%、6.0%的配比與優質配合煤干法混合而成，復合催化樣是將輕燒白云石、氧化鐵粉、錳礦粉按40%、30%、30%的配比充分混合成復合催化劑后再與優質配合煤進行混合而成。

1.4 熱重分析

熱重靜態燃燒試驗在STA409型熱綜合分析儀上進行，試驗條件如下：升溫速率為30℃／min；工作溫度從室溫上升至1 000℃；工作氣氛為空氣，氣體流量為100 m L／min；煤樣質量為10±1 mg，煤粉細度為200目以下。

1.5 沉降爐試驗

沉降爐在一定程度上可以模擬高爐噴煤高溫燃燒的反應過程和燃燒效果，以燃盡率的高低來反映爐內煤粉的燃燒性能。沉降爐試驗條件：給粉量為0.5 g／min；氣氛為4%富氧（25%氧氣，75%氮氣）；溫度為1 150℃。采用馬弗爐二次高溫焙燒可以獲得原煤和灰樣中的灰分量，再根據灰分示蹤法計算不同燃燒溫度下煤的燃盡率，計算公式如下：

式中：Bc為配合煤的燃盡率，%；A0、Ai分別為原煤和灰樣的灰分（干燥基）。

2 結果與分析

2.1 催化助燃劑的結構

由催化助燃劑的XRD分析發現，輕燒白云石的物相為屬于面心立方晶系的Mg O和CaO、六方晶系的Ca（OH）2及三角晶系的Ca Mg（CO3）2，高溫下Ca Mg（CO3）2將被分解成MgO和CaO；氧化鐵粉的物相為α－Fe2O3，屬于三角晶系結構，高溫下還有少量相似結構的Cr2O3存在；錳礦粉的物相為屬于六方晶系的Mn O2、立方晶系的Fe Mn O3、單斜晶系的Al（OH）3和三斜晶系的SiO2，高溫下Fe Mn O3被分解為Mn O2和Fe2O3。由此可見，輕燒白云石、冷軋酸洗氧化鐵粉和錳礦粉的晶系結構分維度很高，因而與煤粉接觸面積大，而且其物相組分都具有堿金屬或過渡堿金屬氧化物間接傳遞氧的功能。

催化助燃劑的表面元素組成和化學成分分別如表2、表3所示。從表2中可以看出，輕燒白云石、氧化鐵粉和錳礦粉元素組成中都含有大量的氧、少量的Si和Al，幾乎不含或含有極少量的K、Na。從表3中可見，輕燒白云石含有質量分數接近90%的Mg O和CaO，氧化鐵粉的主要成分為約98%的Fe2O3，錳礦粉成分較復雜，主要含有約24%的SiO2、40%的Mn O和23%的Fe2O3，除SiO2外，這些化學成分都屬于堿金屬或者過渡堿金屬氧化物，具有很好的催化活性。

表2 催化助燃劑表面元素組成Table 2 Surface elemental compositions of combustion－supporting agents

表3 催化助燃劑化學組成Table 3 Chemical compositions of combustion－supporting agents

催化助燃劑的表面形貌如圖1所示。由圖1中可見，輕燒白云石結構呈疊合薄餅狀和棉花狀，孔結構不緊密，分散度較高；氧化鐵粉結構呈琥珀狀，孔結構疏松，分散度很高；錳礦粉孔結構稍緊密，分散度不是很高。

通過以上分析可知，輕燒白云石、氧化鐵粉和錳礦粉都含有大量直接或間接促進氧傳遞作用的堿金屬或過渡金屬氧化物，且物相分形維度高，孔隙結構疏松或不夠緊密，分散度較高，可以作為煤粉燃燒的助燃劑。另外，輕燒白云石是白云石礦與一定的燃料混合經過焙燒加工而成的礦物材料，可作為煉鐵過程中良好的造渣熔劑；氧化鐵粉是冷軋酸洗工藝回收得到的再生產品，可作為高爐冶煉的含鐵原料，并最終將被還原成金屬鐵，而不會給高爐冶煉帶來不利的影響；錳礦粉來源廣，一方面其化學成分中的Mn O2和Fe2O3具有較強的催化活性，可加速煤的燃燒，另一方面，MnO2最終會以Mn O的形態進入爐渣和以金屬Mn的形態進入生鐵，有利于改善生鐵質量［7］。因此，它們可以作為高爐噴煤的催化助燃劑，而不影響高爐冶煉。

圖1 催化助燃劑的SEM照片Fig.1 SEM images of combustion－supporting agents

2.2 催化助燃劑對煤粉燃燒特性的影響

原配合煤的著火點為467.7℃，燃盡率為76.0%。添加催化助燃劑后配合煤的著火點和燃盡率如圖2所示。

圖2 催化助燃劑對煤的著火點和燃盡率的影響Fig.2 Effect of catalytic combustion－supporting agents on the igintion temqerature and burn－off rate of the blended coals

不同種類的催化助燃劑對煤粉催化燃燒的情況是不同的。從圖2中可以看出，當催化助燃劑添加量相同時，添加不同種類的催化助燃劑，配合煤著火溫度降低程度不同，燃盡率升高幅度也不同。

當添加量為1.5%和3.0%時，添加氧化鐵粉、復合催化劑、輕燒白云石和錳礦粉的配合煤著火溫度依次升高，燃盡率依次降低，表明此添加量下氧化鐵粉對促進配合煤粉煤粉燃燒的效果更好。

當添加量為4.5%時，添加復合催化劑、氧化鐵粉、輕燒白云石和錳礦粉的配合煤著火溫度依次升高，配合煤燃盡率分別為80.8%、79.1%、78.1%和78.3%，可見此添加量下添加有復合催化劑的配合煤更易著火燃燒，其著火點為441.6℃，比原配合煤著火溫度降低了26.1℃，且其燃盡率最高，相對原配合煤燃盡率提高了4.8個百分點。

當添加量為6.0%時，添加復合催化劑、輕燒白云石、氧化鐵粉和錳礦粉的配合煤著火溫度依次升高，配合煤燃盡率分別為78.6%、77.7%、78.5%和78.0%，表明此添加量下復合催化劑促進配合煤燃燒的效果更好，著火溫度較低，燃盡率最高。

綜上分析可知，不同添加量下，催化劑種類對煤催化燃燒效果有不同的影響。根據著火溫度最低和燃盡率最高的原則，這4種催化劑的催化活性從大到小依次為：復合催化劑＞氧化鐵粉＞錳礦粉＞輕燒白云石。

同種催化劑在不同添加量情況下的煤粉燃燒特性也不相同，由圖2中可見，隨著添加量的增加，添加不同催化劑的煤粉燃燒的著火點和燃盡率呈現出不同的變化規律，因而催化活性也不同。

隨著輕燒白云石添加量的增加，配合煤著火溫度先下降后上升，但都低于原配合煤的著火溫度，添加量為3.0%時其著火溫度降低最為明顯，比原配合煤的著火點降低了14.6℃。隨著輕燒白云石添加量的增加，配合煤粉的燃盡率先增大后降低，在添加量為3.0%時配合煤粉的燃盡率最高，達到79.1%，比原配合煤的燃盡率提高了3.1個百分點，白云石的最佳添加量為3.0%。

隨著氧化鐵粉添加量的增加，煤粉著火溫度呈先下降后上升的趨勢，且都低于原配合煤的著火溫度，添加量為3.0%時，其著火點比原配合煤的著火點降低了25.5℃，其燃盡率也是先增大后減小，但總體上都大于原配合煤的燃盡率。可見添加氧化鐵粉對煤粉具有顯著的催化效果。添加3.0%的氧化鐵粉時煤粉的燃盡率高達80.4%，較原配合煤提高了4.4個百分點，氧化鐵粉的最佳添加量為3.0%。

分別添加有錳礦粉與氧化鐵粉的配合煤的著火點及燃盡率曲線隨添加量的變化趨勢基本相同，其催化規律也基本相同，可見錳礦粉的最佳添加量也為3.0%，與原配合煤相比，添加助燃劑的煤粉著火溫度降低了14.4℃，燃盡率提高了3.9個百分點。

當復合催化劑的添加量為4.5%時，配合煤粉的著火點最低，為441℃，燃盡率最高，約為80.8%。與原配合煤相比，添加復合催化劑后煤粉的著火溫度降低了26.1℃，燃盡率提高了4.8個百分點，復合催化劑的最佳添加量為4.5%。

綜上所述，對于單一催化來說，3.0%為催化劑的最佳添加量；對于復合催化來說，4.5%為復合催化劑的最佳添加量。這是因為煤中加入催化助燃劑會產生兩種截然不同的效應［2，7］：一是催化助燃效應，促進煤的燃燒和燃盡；二是覆蓋炭表面效應，添加的助燃劑會覆蓋一部分炭表面，使氧的傳遞受阻，阻礙煤的充分燃燒。當催化助燃劑添加量較低時，前者起主導作用，使煤粉著火點下降較快；當催化助燃劑達到最佳添加量時，配合煤的著火溫度最低，煤粉最容易著火，燃盡率最高，催化效果最明顯；當催化助燃劑用量大于最佳添加量時，前者作用效果減弱，后者的影響漸強，導致煤粉著火溫度緩慢上升，燃盡率下降。

3 結論

（1）輕燒白云石、氧化鐵粉和錳礦粉均可作為煤催化助燃劑，且不影響高爐冶煉。

（2）輕燒白云石、氧化鐵粉、錳礦粉和復合催化劑都對煤粉的燃燒反應具有較好的助燃作用，其催化活性從大到小依次為：復合催化助燃劑＞氧化鐵粉＞錳礦粉＞輕燒白云石。

（3）配合煤粉燃燒最適宜的催化助燃劑種類為冷軋酸洗氧化鐵粉或復合催化助燃劑，其最佳添加量分別為3.0%和4.5%。

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