低階煤低溫熱解半焦在模擬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

（武漢科技大學化學工程與技術學院，湖北省煤轉化與新型碳材料重點實驗室，湖北 武漢430081）

高爐噴吹煤粉是直接向高爐風口回旋區噴吹一定粒度的無煙煤、煙煤或配合煤，達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，具有很好的經濟效益。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的不斷發展，鋼鐵企業對優質噴吹無煙煤的需求量也日益增加，因此噴吹無煙煤的價格也逐年上漲，導致噴吹煤粉成本的相應增加。所以，在降低高爐焦比和生鐵成本的基礎上，尋求經濟環保的燃料來部分或全部替代無煙煤進行高爐噴吹已經成為國內各大科研院校和鋼鐵企業亟須解決的問題。

低階煤低溫熱解半焦是煤熱解反應的固體殘留物具有反應性強、熱值高、可磨性好、揮發分適中以及燃點低、無爆炸性等特點，性質與優質噴吹無煙煤相似。此外，我國低階煤儲量豐富，低溫熱解技術能實現高效清潔梯級利用低階煤的目的，因此選用低溫熱解半焦替代無煙煤進行高爐噴吹，既能推動低溫熱解行業的發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發展和能源需求現狀，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狀況，大量的生產實踐與研究表明，噴吹燃料的燃燒率大于 85%時就不會影響高爐的順行[1]。低溫熱解半焦是一種高燃料比（固定碳和揮發分的比值）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，因此在模擬高爐風口區的爐況下考察熱解半焦的燃燒性能對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口回旋區的爐況，考察不同熱解終溫半焦的燃燒性能，并進行相關研究。

1 實驗部分

1.1 煤樣及半焦的制備方法

將采集到的陜西神木長焰煤（CY）和河南焦作無煙煤（WY）經粗粉碎至粒徑小于30mm的顆粒，然后再利用顎式粉碎機繼續將其細粉碎至粒徑小于3mm的煤粉，用自封密封袋收集細粉的煤粉并保存在干燥器中。每組熱解實驗均稱取 1kg粒徑小于3mm的CY放入自制固定床干餾裝置中進行低溫熱解，低溫熱解前均對熱解裝置進行氣密性檢測，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。熱解反應加熱過程均按10℃/min的升溫速率加熱至預先設定的熱解終溫，并在此溫度下保持90min以保證爐內溫度均勻分布及揮發分的穩定析出。低溫熱解反應結束后，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 燃燒實驗裝置及方法

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價其燃燒性能，燃盡度越高說明其燃燒性能越佳。本實驗所選用的管式沉降爐為自制設備，管式沉降爐（DTP）系統如圖1所示。

管式沉降爐由給料系統、反應系統、灰分收集系統及煙氣分析系統等4個部分組成。給料系統包括料斗、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）的攜帶下經過下料管進入反應系統。反應系統的氣氛由二次氣（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α和試樣的固定碳FC共同決定。反應系統由SiC棒電加熱至預定溫度，加熱過程利用R型熱電偶檢測加熱溫度，同時由比例積分微分（PID）和硅控整流器（SCR）分別控制加熱溫度和加熱功率，以確保整個反應系統溫度的穩定性和精確性。利用超細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分流、洗滌、干燥后接HORIBA便攜式煙氣分析儀檢測煙氣成分及其濃度。

圖1 管式沉降爐系統

煤/半焦試樣在燃燒實驗前均置于溫度為 80℃的鼓風干燥箱中進行充分干燥，確保試樣在實驗過程中均勻下料及有效緩解顆粒之間的團聚。管式沉降爐燃燒實驗的基礎條件為：給料量 0.3g/min，燃燒反應溫度1000℃，煤粉噴吹粒徑100～200目，空氣過剩系數 1.03，每組燃燒實驗時間為 1800s，每種試樣做連續兩組燃燒實驗。不同煤樣及半焦燃燒性能的對比研究均是在此基礎實驗條件上進行的。為進一步研究燃燒反應溫度、噴吹粒徑對試樣燃燒性能的影響，考察了燃燒反應溫度范圍在 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 結果與討論

2.1 煤/半焦的工業分析及發熱量

按照GB/T 212—2008《煤的工業分析方法》和GB/T 213—2008《煤的發熱量測定方法》分別作每種試樣的工業分析和發熱量的測定，煤/半焦的工業分析和發熱量測定結果見表1。

表1 煤/半焦工業分析及發熱量測定結果

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，揮發分含量逐漸降低，半焦的發熱量隨熱解終溫的增加呈現出先增加后降低的趨勢，其中 BJC的發熱量最高為31.29MJ/kg，與CY的發熱量（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現一定程度的能量富集，但是熱解終溫不宜過高。參照GB/18512—2008《高爐噴吹用煤技術條件》與半焦工業分析結果可知，本熱解條件下獲得的BJA-D的灰分、水分及發熱量均達到Ⅰ級噴吹用煤的技術條件，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。燃盡度的計算公式如式（1）。

圖2 不同煤/半焦連續兩組實驗數據分布圖

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，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，揮發分含量逐漸降低，而固定碳的反應活性要遠遠低于揮發分的反應活性；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構單元和基本結構單元的有序化程度逐漸增加，導致煤焦石墨化程度增大且表現出各向異性，降低了半焦的反應活性[8-9]。此外，熱解過程中隨著溫度的升高，煤中礦物質在煤焦中的分散形式由隨機分布變為團聚，溫度越高礦物質聚集的粒度越大[10]，降低了礦物質在氧化反應中的催化活性。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，這是因為BJA～BJD的揮發分均比WY的揮發分要高，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，故氧化反應活性不佳，所以本實驗條件下制得的熱解半焦的燃燒性能要優于WY。本次研究在基礎實驗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]也曾有相似的結論，這一燃燒規律為根據燃料比初步評價燃料燃燒性能提供了一定的實驗依據。

圖3 基礎實驗條件下燃盡度與燃料比的相關性

2.3 噴吹粒徑對煤/半焦燃燒性能的影響

為研究噴吹粒徑對煤/半焦燃燒性能的影響，本實驗在燃燒反應溫度 1000℃、空氣過剩系數 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如圖4所示。

由圖4可知，隨著煤/半焦燃料比的增加，粒徑對試樣燃盡度的影響程度逐漸增加，其中粒徑對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目的時候，燃盡度均發生一定程度的降低。這是因為在燃燒過程中，煤/半焦顆粒會發生一定程度的膨脹、部分破裂以及聚集等形態變化，當噴吹粒徑為100～200目時顆粒形態變化以膨脹和部分破裂為主，而當噴吹粒徑為200～325目時煤/半焦顆粒形態變化以聚集為主[10]，當顆粒之間大量聚集時就會阻礙氧氣與顆粒表面間的傳質作用，在燃燒性能上就會表現不佳。因此，對燃料過度的細粉不僅無法顯著提高燃料的燃燒性能，而且會增加鋼鐵企業的噴吹成本，所以選擇合適的噴吹燃料粒徑對我國鋼鐵企業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溫度下的燃盡度

2.4 燃燒反應溫度對煤/半焦燃燒性能的影響

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

由圖5可知，隨著反應溫度的增加，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溫度的增加而提高的幅度更加顯著，當反應溫度從900℃提高至1000℃時，BJD的燃盡度從64%增加至79%，增幅約24%。燃燒過程包括揮發分的析出和揮發分、碳的燃燒兩個階段，二者之間沒有明顯的界限，通常揮發分的析出過程也伴隨著燃燒反應的發生，提高反應溫度不僅可以促進煤/半焦的預熱、脫氣及分解反應，從而縮短其整個燃燒過程，而且高溫環境下溫度分布更加均勻，燃燒反應也更加穩定，因此燃燒性能也越好。

3 結 論

（1）低階煤經低溫干餾后可以實現能量富集，終溫 550℃的半焦發熱量最高，與原料煤發熱量相比提升了 9%。從工業分析結果的角度來看，熱解半焦的性能符合高爐噴吹用煤條件且優于本次試驗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，當熱解終溫從400℃提高至550℃時，半焦的燃盡度從91%降低至79%，但仍高于本實驗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相關關系，即燃料比越高燃燒性能越差。

（3）提高燃燒反應溫度可以明顯改善半焦的燃燒性能，反應溫度為1100℃時，半焦的燃燒性能最佳；減小半焦噴吹粒徑對提高半焦燃燒性能的作用不顯著，從經濟效益角度來考慮，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，且優于無煙煤，更適用于高爐噴吹。

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