噴吹煤對焦炭熱性能影響的研究

韋 歡 周永平 張紅麗

(安陽鋼鐵集團有限責任公司)

0 前言

近年來，國內高爐煤粉噴吹技術有了長足的進步，先進的高爐噴煤比指標已經達到200 kg/t以上［1-2］。安鋼高爐的煤比平均達到150 kg/t以上;6號、7號高爐在2009年平均煤比就到達158 kg/t，單月煤比到達170 kg/t，日煤比甚至高達180 kg/t以上;1號、2號高爐煤比也達到150 kg/t以上，單月煤比可達170 kg/t以上。在如此高的煤比情況下，煤粉的完全燃燒是不可能的，勢必會產生未燃煤粉，大量未燃煤粉的存在會對高爐造成一系列的危害，如增加料柱壓力，影響爐渣流動性，降低煤焦置換比等。

同時，由于焦比的降低，延長了焦炭在高爐內的停留時間，加速了焦炭的劣化。焦煤資源的緊張使得優質煉焦煤價格上漲。因此，寶鋼、攀登、太鋼等一大批企業非常注重對未燃煤粉［3-5］(煤粉反應性)對焦炭高溫性能的影響的研究。筆者就不同煤種的反應特性以及其反應特性對焦炭熱性能的影響進行了研究，以期對噴吹煤配煤結構的優化起到指導作用。

1 試驗原理

煤粉反應性實質上是表示煤中未燃碳與CO2的作用能力。隨著對高爐噴煤煤比的進一步提高，反應性在噴煤中的意義更為明顯。由于未燃煤粉的活性遠高于焦炭，不同未燃煤粉活性差異將影響高爐冶煉過程。首先，在爐內未燃煤粉將優先焦炭氣化。在高爐高溫區，消耗的碳既有未燃煤粉中的碳，也有焦炭中的碳。由于未燃煤粉活性大于焦炭。因此，高爐高溫區消耗的碳將首先是未燃煤粉中的碳，其結果減緩了焦炭氣化反應造成的焦炭強度劣化進程，使焦炭下降到風口回旋區時仍能保持足夠的強度和粒度，有利高爐順行。未燃煤粉的活性越高，對焦炭的保護作用就越明顯，在焦炭質量一定時，可允許高爐噴吹更多煤粉，而不至于由于焦炭熱態強度過低，導致高爐難行，其次，活性高的未燃煤粉在爐內氣化速率高，可以迅速氣化消耗，不致隨煤氣逸出，不會以未燃碳的形式從爐頂排出，因此高爐就有提高煤粉噴吹量的空間。未燃煤粉隨著煤氣上升，在高溫區將與鐵的氧化物發生反應，進行直接還原，其機理為：

因此，直接還原反應的程度與C被氣化的能力有關。在高爐內，焦炭和未燃煤粉都可以提供C，因此焦炭和煤粉的氣化耦合在一起。氣化能力高的C將優先氣化，反應能力低的C將會有大量的剩余，故反應性好的未燃煤粉優先反應，保護反應性較差的焦炭。因此，高爐噴吹要選擇反應性好的煤種，以保護焦炭。

2 試驗過程

2.1 試樣制備

焦樣的制備參照GB4000-83進行，焦樣粒度為23 mm～25 mm;試驗用干餾煤的制備參照GB2008進行，試樣粒度為3 mm～6 mm。安鋼噴吹用煤的工業分析、灰分成分及灰熔點見表1、表2。

表1 煤粉工業分析

表2 灰成分及灰熔點分析

2.2 試驗設備

試驗中采用的設備主要有高溫反應器、精密溫度控制置、熱電偶、轉子流量計、數字電壓表、電子天平。

2.3 試驗方法

參照焦炭的反應性及反應后強度試驗標準(4000-2008)進行，試樣分兩組，一組為200 g焦炭，另一組為焦炭與干餾煤(考慮到高爐大噴煤時未燃煤粉增多，以及盡可能減小干餾煤過少帶來的誤差，將干餾煤量定在50 g;裝樣方式為在反應管底部先加入干餾煤樣，再加入焦樣)，將干燥后試樣在1100℃時與5 L/mim的CO2反應，反應后焦炭全部裝入Ⅰ型轉鼓，以20 r/min運行30 min后，取出篩分、稱量、記錄各篩級質量。

焦炭反應性(CRI)=(反應前質量-反應后質量)/反應前質量×100%

焦炭反應后強度(CSR)=轉鼓后大于10 mm試樣質量/反應后殘余焦炭質量×100%

3 試驗結果及分析

3.1 煤粉的反應性

1)單種煤反應性。煤的反應性是指在一定溫度條件下，煤與C02或H2O蒸汽的反應能力。幾種噴吹煤的反應性檢測結果見表3。

由表3可以看出，反應性較好的煤有煙煤A、無煙煤B;反應性較差的煤有無煙煤C、無煙煤E。由于煤在形成過程的變質程度的不同，其物理化學性質上存在很大的不同，其半焦顆粒的反應形式也不同。半焦反應過程可分為層狀反應和內孔反應。不同的煤種，由于揮發分不同、灰分不同及灰渣特性不同，生成的半焦孔隙率也不同，出現層狀反應和內孔反應的概率不同，因此對半焦的反應速度產生影響，低灰分、高揮發分煤由于揮發分析出，產生較多的孔隙，且這些孔隙能得以較好保留，內孔反應比例較高。煙煤變質程度較低，具有較高的揮發分和較低的灰分，在加熱過程中，揮發分優先逸出，在煤粉顆粒表面和內部形成較多的孔洞，這增加了CO2與煤粉反應的比表面積，促進了反應，因此，煙煤A具有較高的反應性。根據杜鶴桂、楊俊和等［6］人研究認為堿土金屬元素對焦炭熔損反應的催化活性順序為：Be≈Mg＜Ba≈Sr＜Ca，Fe在元素狀態下和鐵氧化物［Fe1-XO4和Fe3O4］具有催化作用，鐵氧化物由高價向低價轉化時，可增加Fe催化的反應活性，并用礦物質催化指數MCI來表示各礦物質對焦炭的作用。MCI可綜合反映不同礦物質對煤和焦炭的作用能力，用以下公式表示：

表3 單種煤反應性 %

式中：Ad——煤或焦中干基灰分，%;

Vd——煤的干基揮發分，%;

Fe2O3——分別為相應礦物質在煤焦中灰分中的百分含量，%。

結合表2、公式(4)可以看出，煙煤A、無煙煤B和無煙煤D的灰成分中含有較多的Fe2O3和CaO，該礦物質可以提高煤粉的反應性，而在無煙煤C的灰分中含有很高的Al2O3，所以無煙煤C具有較低的反應性。

2)揮發分對反應性的影響。目前使用單一噴吹煤的高爐很少，在進行混合噴吹時，如何優化噴吹煤粉的結構顯得十分重要，根據安鋼高爐實際噴吹狀況，將煙煤A比例最高定為40%。在本實驗中通過提高煙煤A的比例來提高噴吹煤的揮發分，混合無煙煤由無煙煤B、無煙煤D、無煙煤E按1∶1∶1混合而成。揮發分含量變化對混合煤反應性的影響見表4。

表4 揮發分對混合煤反應性的影響

由表4可以看出，隨著揮發分的升高，混合煤的反應性也是提高的，其原因為隨著揮發分的增加，在加熱的過程中，混合煤中揮發分逐漸逸出，在煤粉顆粒表面和內部形成大量的孔洞，隨著揮發分的增加，所形成的孔洞數量也逐漸增加，并在未燃煤粉的顆粒和顆粒之間由表面孔洞形成通道，通道的數量也與揮發分的高低相關，這些孔洞和由這些孔洞形成的通道，有利于CO2吸附在未燃煤粉表面和滲透內部，增加了反應的比表面積，因而提高了未燃煤粉的反應性。

3)灰分對混合煤粉反應性的影響。由于各單種煤的灰成分不同，通過添加不同的灰成分改變混合煤的灰成分。單種煤種的灰分是通過國標GB T212-2008煤炭工業分析方法制得。添加灰分比例為5%，混合煤由煙煤A：無煙煤B：無煙煤C：無煙煤D按1∶1∶1∶1組成。灰成分對混合煤反應性的影響見表5。

表5 灰成分對混合煤反應性的影響 %

由表5可以看出，無煙煤B的灰成分對混合煤具有較好的催化作用，其次是煙煤A的灰成分，再依次是無煙煤D、無煙煤E、無煙煤C。這是因為無煙煤B、無煙煤D和無煙煤E的灰分中不含Al2O3，煙煤A的灰分雖然含有Al2O3但同時含有較高的CaO、Fe2O3和MgO，無煙煤C煤的灰分中含有較高的Al2O3。

3.2 煤粉對焦炭熱性能的影響

1)煤種對焦炭熱性能的影響。由于煤粉在微觀結構、變質程度、化學成分及加熱分解特性等方面的不同，灰導致煤粉反應性的不同，對焦炭熱性能的影響的影響也不同。煤粉添加量為5%，煤種對焦炭熱性能的影響見表6。

表6 煤種對焦炭熱性能的影響

由表6可以看出，與未添加任何煤粉的基準樣相比，添加無煙煤B、無煙煤D和煙煤A后，焦炭的反應性有較大幅度的降低，反應后強度有較大幅度的提高，這主要因為是未燃煤粉與焦炭相比具有較高的揮發分，隨著揮發分的逸出，留下較多小空隙，提高了煤粉的比表面積;其次與焦炭相比未燃煤粉具有較細的粒度，未燃煤粉必然具有較大的比表面。以上因素使得未燃煤粉與焦炭相比具有較高的反應性，在遇到CO2等氧化性氣體時，優先焦炭反應，從而保護了焦炭，由于每種煤具有不同的反應性，故對焦炭的保護作用也不同;結合表3可以看出，未燃煤粉對焦炭的保護作用的大小與其反應性有密切的正相關關系。無煙煤C煤對焦炭的反應性和反應后強度的影響不大，這可能與無煙煤C的灰成分組成有關，相對于其它無煙煤，其灰成分含有較高的Al2O3成分，Al2O3可抑制煤粉的反應性，從而導致無煙煤C的反應性較低。

2)煤粉揮發分對焦炭熱性能的影響。本試驗是通過在配合煤中增加煙煤A的比例來提高配合煤揮發分含量。混合煤由無煙煤C、無煙煤D和無煙煤B按1∶1∶1混合而成，添加量為5%。揮發分對焦炭熱性能的影響見表7。

表7 揮發分對焦炭熱性能的影響

由表7可以看出，隨著煙煤A比例的增加，焦炭的反應性呈下降趨勢，反應后強度呈上升趨勢，說明隨煤粉中揮發分的升高，混合煤對焦炭的保護增強。這是因為隨著煙煤A比例的增加，混合煤的揮發分升高，反應性也增加。

3)未燃煤粉(高溫干餾煤)對不同質量焦炭熱性能的影響。分別取三組不同質量焦炭試樣，編號分別為1#、2#、3#，與由無煙煤C、無煙煤 B、無煙煤 D 和煙煤A的未燃煤粉按1∶1∶1∶1混合而成，添加量為5%。未燃煤粉對不同質量焦炭CRI的影響見表8。

表8 未燃煤粉對不同質量焦炭CRI的影響

由表8可以看出，1#～3#焦炭試樣，從熱性能看，1#試樣質量最差，2#試樣次之，3#試樣質量最好;當在各焦炭試樣中加入高反應性干餾煤樣后，3種焦炭的反應性均呈不同程度下降，反應后強度升高，說明高爐噴吹高反應性煤有利于改善焦炭的熱性能;比較添加前后試樣熱性能的改善發現，1#試樣反應性改善為 3.98%;3#試樣改善為 2.02%，2#試樣改善在1#試樣與3#試樣改善之間，這表明噴吹高反應性煤，減小了不同質量焦炭反應性的差別，進一步考察焦炭的反應后強度也可看出類似趨勢，即噴吹高反應性煤，減小了不同焦炭反應后強度的差別，這表明未燃煤粉對質量較差的焦炭的熱性能的改善更為明顯。

4 結論

通過研究不同煤種的反應特性和未燃煤粉對焦炭高溫性能的影響，可以對高爐噴吹煤配煤的合理化配比起到一定的指導作用。本試驗得出如下結論：

1)煤粉的反應性與煤種相關。

2)煤粉的反應性隨著煤粉揮發分的增加呈上升趨勢。

3)煤粉的反應性與煤粉的灰成分相關，一些元素可以促進煤粉的反應性，某些元素能抑制煤粉的反應性。

4)煤粉的反應性遠高于焦炭的反應性。

5)高爐噴吹高反應性煤可抑制焦炭的熔損反應，降低焦炭的反應性，提高焦炭的反應后強度。

6)高爐噴吹高反應性煤對抑制焦炭的熔損反應作用與其反應性相關，反應性高的煤粉所形成的未燃煤粉對焦炭的熔損反應抑制作用強。

7)噴吹高反應性煤粉對劣質焦炭熱性能的改善效果更佳。

［1］ 徐萬仁，李榮壬，錢暉.寶鋼高爐大量噴煤時煤粉在爐內的利用狀況［J］.鋼鐵，2000，35(5)：5-9.

［2］ 張壽榮，畢學工.關于大量噴煤高爐的某些理論問題的思考［J］.鋼鐵，2004，39(2)：8-13，42.

［3］ 張華，張建良，柏凌，郭豪.太鋼高爐噴吹煤粉燃燒性和反應性的研究［J］.煉鐵，2008，27(1)：53-56.

［4］ 刁日升，胡賓生.攀鋼高爐未燃煤粉對爐渣流動性的影響［J］.鋼鐵，2004，39(9)：14-16.

［5］ 郁慶瑤，曹進，沈峰滿.未燃煤粉對爐內焦炭反應性能影響研究［J］.寶鋼技術，2006(B11)：31-33.

［6］ 楊俊和，馮安祖，杜鶴桂.礦物質催化指數與焦炭反應性關系［J］.鋼鐵，2001，36(6)：5-9