高爐噴吹煤粉性能研究*

胡 濤

(安陽鋼鐵集團有限責任公司)

高爐噴吹煤粉性能研究*

胡 濤

(安陽鋼鐵集團有限責任公司)

提高高爐噴煤量對于降低煉鐵焦比和成本有著重要影響。選擇安鋼高爐噴吹用煤煤源進行了可磨性、燃燒性實驗。對安鋼噴吹煤粉的物理特性以及煤粉粒度、富氧率、風溫對燃燒率的影響進行了分析研究。

高爐 噴煤 燃燒率 富氧 燃燒特性

0 前言

近年來隨著煉鐵技術的發展，高爐煤粉噴吹水平有了較大的提高，國內一大批高爐的煤比已達到200 kg/t，寶鋼4000 m3級高爐的煤比甚至達到250 kg/t［1］，達到國際領先水平。安鋼目前有 450 m3、2000 m3級高爐各兩座，2010年450 m3級高爐焦比為 392 kg/t、煤比 150 kg/t，2000 m3級高爐焦比為353 kg/t、煤比156 kg/t，其中個別月份煤比高達170 kg/t以上，焦比降至340 kg/t以下。噴吹煤粉的特性對高爐的順行有著重大的影響，因此對煤粉的特性進行研究，從中優選出冶金性能比較好的噴吹煤種或煤種組合，對進一步提高噴煤效果，降低煉鐵生產成本［2－5］具有十分重要的意義。

1 試驗內容

本試驗主要著重研究煤粉的理化性能，通過研究為高爐合理的選擇噴煤煤粉提供依據。試驗研究主要內容有以下幾方面:

1)煤粉的可磨性。可磨性代表磨煤的難易程度，它關系到怎樣選用磨煤設備，以及磨煤的能耗和費用。目前我國采用哈氏(哈德各羅夫)方法測定煤的可磨性指數——HGI，其物理意義是物料磨細后增加的比表面積與能量消耗之比。

2)煤粉的灰熔融性。灰熔融性表征煤灰在一定條件下隨加熱溫度而變化的變形、軟化、呈半球和流動特征的物理狀態。當在規定條件下加熱煤灰試樣時，隨著溫度的升高，煤灰試樣會從局部熔融到全部熔融并伴隨產生一定的物理狀態變化:變形、軟化、呈半球和流動。一般以這4個特征物理狀態相對應的溫度來表征煤灰熔融性。

3)煤粉燃燒性。風口前是否燃燒完全直接關系到置換比的高低和噴煤量的擴大。粉煤燃燒既受風溫、煤量、富氧、粒度等的影響，又受煤粉本身的組分、煤質等影響，因而不同高爐會存在不同情況，但一般來說，隨著煤比的提高，煤粉的燃燒率降低，未燃煤粉增多會降低爐內透氣、透液性，使爐渣粘稠，并增加了懸料的可能性［6］。同時，過多的未燃煤粉隨爐渣及爐頂煤氣排出，會導致煤焦置換比降低。

2 試驗原料及設備

表1 煤粉工業分析

試驗使用噴煤燃燒模擬試驗設備(如圖1所示)。該設備由送風系統、噴吹系統、燃燒系統、控溫系統、取樣系統等幾個部分組成，可以模擬煤粉在高爐風口、直吹管段的燃燒。

圖1 煤粉燃燒模擬試驗裝置示意圖

3 試驗條件及方法

試驗前將熱風爐和煤粉燃燒爐通電加熱。在熱風爐輸出風溫達到預定溫度、煤粉燃燒穩定后開始實驗。每次噴吹煤粉時間為10 min。每組試驗結束后，倒空給料器內存留的煤粉，當風溫恢復至要求溫度時，再進行下一組試驗，保證試驗數據的可比性。取爐底燃燒殘余物用于計算燃燒率及其他分析。每組殘余物試樣取50 g，在恒溫干燥箱內105℃干燥;然后用光電天平稱取干燥的試樣約3 g，置于瓷皿內，使堆積厚度不超過0.5 cm。試樣送入馬弗爐中升溫至500℃，恒溫半小時后繼續升溫至815℃，恒溫2 h～3 h進行灰化。最后用電子天平稱量灰樣重量，記錄數據。煤粉燃燒率的計算公式主要有兩個，分別為:

1)可燃物質平衡計算法。其計算公式為:

2)灰分平衡計算法。其計算公式為:

式中:R——煤粉的燃燒率;

W0——噴進的煤粉量;W1——回收物的質量;

試驗中當水力旋流器內顆粒粒徑小于50 μm時，經過計算可知，傳播系數為2.42，中位徑為33.16 μm，由此可以得出顆粒粒徑累計分布函數表達式見式(3)：

WH2O——煤粉中的水分含量;

A——煤粉的灰分含量;

A1——回收物的灰分含量。

本試驗因為氣體流量大，流速快，不宜采用可燃物質平衡計算法，所以只采用灰分平衡計算法來計算煤粉的燃燒率。

4 試驗結果及分析

4.1 噴吹煤可磨性

各単種煤的可磨性指數見表2。可磨性指數較高的噴吹煤有潞安、九礦、鑫龍，其次是峰峰，神木煤可磨性指數較低，僅為59，噴吹煤種神木煤比例提高時，出粉率會降低，因此可以適當的放寬煤粉粒度來提高出粉率。

表2 各單種煤的可磨性指數

4.2 煤灰熔融性

各種煤的煤灰分的灰熔點見表3。

表3 煤灰成分分析及灰熔點

由表3可以看出，五種煤樣中，峰峰(無煙煤)的灰熔點最高，其次是鑫龍、潞安、九礦，神木(煙煤)的灰熔點最低。煤粉的灰熔點太低對高爐噴吹不利，甚至導致風口或噴槍前結渣。低灰熔點灰分熔化時會阻礙氧氣進入尚未燃燼的煤粉顆粒內部，導致不完全燃燒，另外，灰熔點太低會加速煤粉顆粒間的聚集與沉積。因此，一般希望噴吹煤粉的灰熔點略高較為有利。在實際噴吹過程中可以與灰熔點較高的煤混合噴吹來改善低灰熔點煤的缺陷，達到提高噴吹效果的目的。

4.3 煤粉的燃燒性能

主要針對富氧率、熱風溫度及煤粉粒度等對煤粉燃燒性能的研究分析。

4.3.1 富氧率對單種煤燃燒率的影響

富氧率為 0、1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、9%時單種煤的燃燒性能見表4。

表4 富氧率對單種煤的燃燒率

由表4可以看出，在安鋼所用高爐噴吹單種煤中，神木煤的燃燒率遠遠高于其它煤種，這是因為:①不同的高爐噴吹煤種著火溫度不同，含固定碳較低、揮發分較高的煤種著火溫度通常較低，因此在條件相同時，離開風口回旋區前，煤粉有較長的燃燒時間和較大的燃燒空間，在風口回旋區有較高的燃燒率。②根據煤粉燃燒理論，在高爐噴煤條件下，煙煤之所以燃燒率較高是由于含有較高的揮發分，大量揮發分逸出后迅速燃燒放熱，加快了顆粒表面溫度升溫的速率，縮短了氣固相著火延遲時問，促進殘碳顆粒的燃燒，因而揮發分含量高的煤種燃燒性能好。③從煤的結構來看，煙煤由于揮發份的逸出，在煤粉顆粒的表面和內部都留下了空隙，這樣就增加了煤粉顆粒的比表面積，有利于煤粉的燃燒。綜上諸原因，在高爐噴吹煤中神木較其它噴吹煤易于燃燒。混合煤粉的燃燒率隨鼓風富氧率的增加而相應提高。當鼓風富氧率從3%提高到5%時，各煤種的煤粉的燃燒率提高了3.0%～6.0%左右;隨鼓風富氧率的逐漸提高，煤粉的燃燒率增大，這是因為鼓風中氧濃度越高，擴散到煤粉表面的氧量越多，占領煤粉顆粒表面和空隙中活性點的氧含量也越多，煤粉燃燒反應亦進行得越快，故燃燒率提高。而當富氧率從5%提高到9%時，燃燒率僅提高2%左右，這說明過高的氧氣過剩系數，并不能較大的提高煤粉的燃燒率，在實際高爐噴吹煤粉過程中，應當保持合理的氧氣過剩系數。

4.3.2 熱風溫度對單種煤燃燒率的影響

熱風溫度為1050℃、1100℃、1150℃、1200℃時單種煤的燃燒性能見表5。

表5 熱風溫度對單種煤的燃燒率

由表5可以看出，隨著熱風溫度的升高，各噴吹單種煤的燃燒率均有不同程度的提高。這是因為熱風溫度的提高可以快速加熱煤粉和噴吹輸送氣體，提高噴吹煤粉熱分解的速率，促使煤粉提前著火和快速燃燒，從而有助于煤粉燃燒率的提高。

4.3.3 粒度對單種煤燃燒率的影響

煤粉粒度小于 200目占 80%、70%、60%、50%、40%時單種煤的燃燒性能見表6。

由表6可以看出，增加煤粉中－200目的比例，混合煤粉的燃燒率升高。當煤粉粒度比較粗時，煤粉粒度的變化對煤粉燃燒率的影響比較大;而當煤粉粒度比較細時，煤粉粒度的變化對煤粉燃燒率的影響卻比較小。這是因為隨著噴吹煤粉中－200目比例的提高，一方面可以提高煤粉顆粒的比表面積，從而有利于煤粉燃燒率的提高;另一方面煤粉粒度的縮小，也會降低煤顆粒中豐富的內孔面積，抑制內孔燃燒的發生，從而不利于煤粉燃燒率的提高。兩種效果的綜合作用將導致煤粉－200目比例越高，煤粉粒度的變化對煤粉燃燒率的影響也就越小。而且粒度對無煙煤的影響比煙煤的大。其原因是煙煤(神木煤)顆粒中內孔面積比無煙煤顆粒內孔面積大，過細的煤粉粒度降低了噴吹煤粉的內孔面積。當粒度－200目的比例從40%增加到90%時，燃燒率變化是:神木煤的燃燒率提高了8.55%，而無煙煤的燃燒率提高了13%以上。

表6 噴煤量對單種煤的燃燒率

5 結論

通過以上試驗研究，得出以下結論:

1)煤種是影響煤粉噴吹效果的主要因素，選擇合適的煤種是改善噴煤效果的有效途徑。

2)煤粉的可磨指數影響磨煤機的出粉率，應選擇可磨性較好的煤種。

3)在安鋼所用單種煤中神木煤的燃燒特性最好，適合與其它煤種搭配進行混合噴吹。

4)隨著富氧率的提高，單種煤的燃燒率均有不同程度的提高，但富氧到一定程度后，隨著富氧率的提高，各單種煤的燃燒率提高幅度變小。

5)隨著熱風溫度的提高，單種煤燃燒率均較大幅度的提高。

6)隨著－200目粒度的增加，無煙煤的燃燒率有較大的增加，而煙煤的燃燒率增加不是太明顯，這說明在噴吹煙煤時可以適當地放寬粒度。

［1］溫大成.中國高爐噴煤史回顧［J］.寶鋼技術，2005(1):8－9.

［2］楊天鈞，蒼大強.高爐富氧煤粉噴吹［M］.北京:冶金工業出版社，1996，1 －10.

［3］劉興惠.鞍鋼高爐噴吹煤粉合理配煤的試驗研究［J］.煉鐵，1997，16(1)15 －8.

［4］何紹剛，杜斯宏，劉虎林.噴煤對釩鈦磁鐵礦高爐冶煉的特殊作用［J］.鋼鐵釩鈦，2001，22(2):43 －44.

［5］朱錦明.寶鋼高爐高煤比的實踐與探索［J］.煉鐵，23(6):20－21.

［6］郁慶瑤.高爐噴吹混煤燃燒率試驗研究［J］.寶鋼技術，1999(1):33－35.

STUDY ON METALLURGICAL PROPERTY OF BF POWDERED COAL INJECTION

Hu Tao
(Anyang Iron and Steel Group Co.，Ltd)

Increasing the quantity of powdered coal injection(PCI)in blast furnace(BF)has very important effect on reducing coke ratio and production cost.It studied physical characteristics of PCI and the effect of coal grain，oxygen enrichment ratio and blast temperature upon combustion rate through grindability and combustion test.

BF PCI combustion ratio oxygen enrichmentcombustion property

*聯系人:胡濤，高級工程師，處長助理，河南.安陽(455004)，安陽鋼鐵集團有限責任公司技術中心;

2012—2—8