大社貧煤作為高爐噴吹用煤的可行性研究

楊立英，張 苑

(峰峰集團有限公司，河北 邯鄲 056000)

近年來，隨著高爐噴吹技術的不斷進步，高爐噴煤需求十分旺盛。在工業生產中，高爐噴吹就是將煤粉在煉鐵高爐的風口處直接噴入爐內燃燒，它能起到提供熱量和部分還原鐵礦石的作用，可以替代價格較貴的冶金焦炭，使高爐煉鐵焦比降低，生鐵成本下降；噴吹煤還可有效調節爐況，改善高爐爐缸工作狀態，使高爐穩定運行；以噴吹煤粉替代部分冶金焦炭，還能減少焦炭生產對環境的污染[1-2]。

峰峰集團煤炭品種齊全，有肥煤、焦煤、瘦煤、貧瘦煤、貧煤及無煙煤，較適合噴吹的是高變質程度的貧煤和無煙煤，目前，這些煤種主要用于發電，產品單一，市場狹窄，應變能力差。峰峰集團原煤產量在15 Mt/a以上，其中動力煤(主要是貧煤)產量在3 Mt/a以上，尤其是大社礦貧煤產量達1.5 Mt/a，該礦原煤為高灰、低硫、較高變質程度的貧煤，生產噴吹用煤具有較好的品種優勢。目前，該礦原煤主要銷往電煤市場，品種單一，加之當地電煤市場有限，使該礦原煤銷售受限。為拓寬峰峰集團貧煤產品市場用途，尤其是年產量較高的大社礦貧煤的市場用途，結合實驗室煤質化驗數據和工業性模擬試驗結果，對該礦貧煤作為高爐噴吹用煤的適應性進行分析研究，并作出了綜合評價。

1 高爐噴吹用煤基本要求

1.1 煤種要求

根據高爐噴吹煤的生產工藝技術要求，較強粘結性煤在噴吹過程中易在風口處結焦，導致噴煤槍被堵塞，影響高爐生產。因此可以用做高爐噴吹用煤的煤種主要有：變質程度較高的無煙煤、貧煤、貧瘦煤和變質程度較低的弱粘煤、不粘煤、長焰煤及粘結指數低于50的部分氣煤[3]。

1.2 煤質要求

高爐噴吹用煤對煤質指標與煤工藝性能的相關要求有：灰分、揮發分、全水、硫分、發熱量、煤灰熔融性、可磨性、爆炸性、燃燒性等。

(1)煤的灰分。煤的灰分是高爐噴吹用煤的決定性指標，煤灰分高表明其中可燃成分降低；另外，煤中灰分在工業生產過程中最終轉變為爐渣，灰分高既增加了助熔物的消耗，又增加了出渣量，所以噴吹用煤的灰分越低越好。GB/T 18512—2008《高爐噴吹用煤技術條件》規定：貧煤、貧瘦煤的灰分為8.00%～13.50%。

(2)煤的揮發分。煤的揮發分是高爐噴吹用煤的一項重要指標，揮發分高不但致使置換比降低，而且導致煤的爆炸性增強，故高爐噴吹用煤的揮發分一般要求不超過20%；當用高揮發分煙煤噴吹時，往往需要與貧煤混合使用，使其揮發分降到20%以下。

(3) 煤的硫分。煤中的硫燃燒后生成SO2和SO3，既影響生鐵和鋼的質量，又對環境造成污染。因此煤的硫分越低越好。國家標準GB/T 18512—2008《高爐噴吹用煤技術條件》規定：高爐噴吹用煤的全硫含量最高不超過1.00%。

(4)煤的水分。高爐噴吹煤多為洗精煤，全水分一般較高，煤的水分高既增加了運輸費用，同時又降低了煤的發熱量和磨煤機的產量。另外，噴入高爐的水在風口前粉煤燃燒時要分解、吸熱，增加了補償熱，無補償手段時要降低噴吹量，因此全水分越低越好。國家標準GB/T 18512—2008《高爐噴吹用煤技術條件》規定：高爐噴吹用無煙煤、貧煤、貧瘦煤的全水分≤12.00%；其它煤的全水分≤16.00%。

(5) 煤的可磨性。可磨性是反映煤易磨程度的一項重要指標，煤的可磨性指數高，易磨性就好，磨成煤粉的加工成本就低，因此煤的可磨性高低直接影響工業生產中粉煤的加工成本。MT/T 852—2000《煤的哈氏可磨性指數分級》將煤的易磨性分為：難磨(≤40)、較難磨(40～60)、中等易磨(60～80)、易磨(80～100)、極易磨(>100)[4]。國家標準GB/T 18512—2008《高爐噴吹用煤技術條件》規定：高爐噴吹用貧煤、貧瘦煤的哈氏可磨性指數>50。

(6) 煤中鉀和鈉總含量。鉀、鈉是強堿性金屬，其化合物是強堿性化合物，煤中鉀、鈉含量高將會腐蝕高爐，縮短高爐使用壽命；堿金屬進入焦炭后，會降低焦炭強度，提高焦炭反應性，進而影響高爐冶煉。因此煤中鉀和鈉的總量越低越好。國家標準GB/T 18512—2008《高爐噴吹用煤技術條件》規定：煤中鉀、鈉總含量應≤0.20%。

2 大社貧煤作為高爐噴吹用煤的適應性研究

2.1 實驗室煤炭性能研究

2.1.1 工業分析、硫分和發熱量

從大社礦浮煤工業分析結果(表1)可以看出：大社礦浮煤揮發分為12.5%，屬于較年老的貧煤，在高爐噴吹用煤適宜的范圍內；全硫含量較低，僅為0.48%；原煤灰分較高(在30%以上)，但經過洗選加工后，浮煤灰分可以降到8%左右，發熱量達29.65 MJ/kg，說明該煤的可選性較好，因此通過洗選可使灰分降到10%，甚至可能更低，以滿足高爐噴吹的要求[5]。從以上分析結果可見，大社貧煤用于高爐噴吹是可行的。

表1 大社礦原煤與浮煤工業分析結果

2.1.2 煤灰成分及其熔融性

煤灰成分對于高爐渣組成及熔渣性能有重要影響，若Al2O3含量太高，會增加爐渣粘度，使高爐操作困難；若煤灰軟化溫度太低，煤灰會在較低的溫度下熔融，并包裹住煤，影響其燃燒性[6]。大社礦煤灰成分(表2)中Al2O3的含量為29.78%，而煤灰軟化、熔融溫度在1 500 ℃以上，屬于高灰熔融性；另外，煤灰中的有害元素鉀、鈉含量較低。因此，大社礦貧煤的煤灰中各成分含量及其熔融性符合高爐噴吹用煤技術條件要求。

表2 大社礦煤灰成分及其熔融性

2.1.3 煤的工藝性能

高爐噴吹煤是降低高爐能耗和生產成本的最有效措施，評價高爐噴煤經濟效益的主要指標是煤粉與焦炭的差價和置換比，差價越大，置換比越高，高爐噴吹煤的經濟效益就越明顯。因此，對于噴吹用煤，除對其常規的工業分析和硫分等有要求外，還有一系列工藝性質方面的要求，如可磨性、比表面積、爆炸性、燃燒性、反應性等。

(1)哈氏可磨性指數和比表面積。高爐噴吹煤通常用粉煤，以利于輸送和氣化燃燒，因此必須細磨。煤的可磨性是標志磨煤的難易程度，是反映煤的耐磨特性的一項煤質指標，也關系到磨煤設備的選擇和磨煤機功率及能耗。可磨性指數越大，煤越易粉碎。從測試結果(表3)看，大社貧煤的可磨性指數達到85，為易磨煤，比表面積也較大，燃燒率高;從煤的可磨性和比表面積這兩項指標來看，大社貧煤適宜做高爐噴吹煤。

表3 大社煤哈氏可磨指數及其比表面積Table 3 Grindability index and specific surface area of Dashe Mine coal

(2)爆炸性。煤的爆炸性是高爐安全生產的一項重要評價指標。粉煤的爆炸性隨揮發分增加而增大，無水無灰基揮發分低于10%的煤基本沒有爆炸性，高于10%的為有爆炸性煤，高于25%的為強爆炸性煤。另外，煤的爆炸性與其粒度、比表面積等也有關系。從測試結果(表4)可以看出，大社貧煤無爆炸性，符合高爐噴吹用煤對爆炸性技術指標的要求，可以不經配煤，直接噴吹。

表4 大社煤的爆炸性

(3)燃燒性。高爐噴吹煤要求粉煤在風口前有限的空間、極短的時間內(10 ms)完成燃燒，粉煤在高爐風口區完全燃燒的程度直接關系到噴吹煤粉的用量和置換比；高爐風口燃燒條件極為復雜，絕對模擬高爐風口進行粉煤燃燒測定，比較粉煤的燃燒性難度和費用均較大。在初期實驗室煤炭性能研究階段，只采用在一定溫度下，控制一定時間和一定試樣量，進行靜態燃燒測試，測試結果見表5。由表5可知，大社煤的燃燒性很好，燃燒率達到49.11%，在同類煤中屬于較好的。

表5 大社煤燃燒率測試結果

(4)對CO2的反應性。反應性好，表明煤在噴吹、氣化、燃燒過程中，反應速度快、效率高，噴吹時可提高置換比和噴煤量。大社煤對CO2的反應性測試結果見表6。由表6結果可以看出，大社貧煤對CO2的反應性高，煤在噴吹、氣化、燃燒過程中，反應速度快、煤粉燃燒率高，噴吹時可提高置換比和噴煤量[7]。

表6 大社煤對CO2的反應性

2.2 工業性模擬高爐噴吹試驗研究

2.2.1 試驗用煤樣

大社礦主要開采2#煤和4#煤兩層煤。這兩層煤的煤質除了硫分以外，其它煤質指標沒有明顯差異。在實際生產過程中，一般2#煤和4#煤按一定比例進行開采，經洗選后得到的精煤中，2#煤和4#煤的比例大致為8∶2。此次試驗采用2#煤、4#煤及2#煤(8份)與4#煤(2份)混煤的減灰樣進行試驗。

2.2.2 大社煤燃燒性測試

噴吹煤的燃燒性對高爐噴吹技術非常重要，燃燒性能的好壞直接影響到高爐操作是否順行，還會直接影響置換比。因此，選擇與評價高爐噴煤時必須測試煤的燃燒性。

煤質分析數據只能推測煤作為高爐噴煤的有關性能，但由于它們的測試條件與高爐生產條件相差甚遠，因此分析數據只能初步了解煤炭的燃燒性能。而專用于高爐噴煤性能試驗的半工業性煤粉燃燒性測試裝置是在模擬高爐生產條件下進行測試的[8]，其燃燒時間和燃燒氣氛與高爐內相近，所得到的測試數據可反映煤粉在不同條件下(包括不同粒度組成)的燃燒性能，因此試驗結果比較接近高爐的生產實際。試驗煤樣的燃燒性試驗結果見表7。

由表7可知，在相近細度情況下，4#煤的燃燒率明顯低于2#煤的燃燒率，2#與4#混煤的燃燒率略低于2#煤的燃燒率。

從表7還可看出，試驗煤粉的細度隨磨煤時間增加而增加，但增加的幅度不一樣：煤粉細度越大，則磨煤時間增加的幅度就越大，磨煤時間的增加表示磨煤機的能耗增加。因此，一般情況下煤粉越細，燃燒率越高，但從燃燒性試驗和實際生產情況來看，用提高細度的方法來提高燃燒率的做法是得不償失的。根據工業應用的經驗，燃燒性試驗的燃燒率達到40%左右時，已能滿足生產的需要，2#與4#混煤在煤粉細度接近60%時燃燒率接近40%；如煤粉進一步磨細，其燃燒率僅可增加到40%～46%之間，上升幅度不大。但粒度變細，磨煤機電耗升高，而燃燒率提高不大，對噴煤降焦的影響也不大，但卻使煉鐵成本較大幅度升高。從燃燒試驗結果分析，2#與4#混煤用于高爐噴吹時，煤粉細度在60%～70%之間較好。

表7 試驗煤樣燃燒性測試結果

2.2.3 大社煤的爆炸性測試

煤炭的爆炸性關系到該煤在使用中的安全性，大社礦煤爆炸性測試結果火焰長度均為零，表明大社礦的2#煤、4#煤及2#與4#混煤均無爆炸性。

2.2.4 半工業動態流動性測試

在進行半工業燃燒試驗中，可同時測出煤粉的流動性。用等量的煤(300 g)完全進入燃燒爐所需的時間表示煤粉流動性的好壞，所用的時間越短，則流動性越好。煤粉半工業動態流動性測試結果見表8。

由表8可知，大社礦2#煤的流動性好于4#煤，2#與4#混煤的流動性與2#煤相當，但噴吹所需時間都較短，均屬于流動性好的煤。

2.2.5 大社礦煤的理論置換比

置換比的高低表明噴吹燃料利用效果的好壞，理論置換比是根據高爐風口區燃燒1 kg煤粉與燃燒1 kg焦炭的碳量平衡來計算的，計算結果見表9。

從表9的數據可以看出，大社礦煤的理論置換比都相當高[9]，均在90%以上。因此，用大社礦煤替代焦炭有很可觀的經濟效益。

表8 煤粉的輸送時間

表9 大社煤理論置換比

2.2.6 綜合評價

根據工業性模擬高爐噴吹試驗研究結果可知，大社礦煤具有可磨性較好、無爆炸性、燃燒性好、流動性較好、理論置換比高等特點，是一種較理想的高爐噴吹用煤，該礦2#煤及2#與4#混煤經洗選加工后可以作為高爐噴吹用煤。

3 結論

通過對大社礦貧煤性能研究和工業性模擬高爐噴吹試驗，可以得出：大社礦煤具有硫含量低、碳含量較高、發熱量高、可磨性好、燃燒性好、無爆炸性、流動性較好、理論置換比高的特點，是很好的高爐噴吹用煤，并且技術上也驗證了大社煤用于高爐噴吹的可行性。另外，從目前我國高爐噴吹用煤的現狀看，優質貧煤資源有限且價格較高，大社礦貧煤用于高爐噴吹應屬優質資源，在同類煤中具有相當強的競爭力，開發大社礦高爐噴吹貧煤產品，可改變大社礦現有單一產品結構，拓寬產品用途，提高企業經濟效益，這在技術上可行，在經濟上合理。2015年開始，大社礦貧煤在峰峰集團內部洗煤廠進行了工業性加工生產，并且噴吹精煤產品質量得到了用戶的認可，這表明大社礦煤和類似于大社礦煤是可以作為一種性能良好的噴吹煤種進行開發、推廣和應用的。

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