優化高爐噴吹混合煤粉的研究

馮 帥

(河鋼集團邯鋼公司邯寶煉鐵廠，河北 邯鄲 056000)

高爐噴吹煤粉可以緩解我國主焦煤的短缺，優化煉鐵系統的能源結構，同時也可以減少煉焦對環境的污染。煤粉代替焦炭經濟效益巨大，邯寶煉鐵廠2座3200 m3高爐，年產量550萬噸，煤比在130 kg/t左右，煤焦置換比按0.8計算，年降低成本300萬以上。噴煤車間的人員和設備運行費用遠低于焦化廠，也可以提高企業的勞動生產率。噴吹煤粉又可以作為一項調節高爐冶煉的有效手段，為高爐富氧鼓風創造條件[1-3]。任何單一煤種都難滿足高爐冶煉的所有要求，合理配煤是提高噴煤量的有效措施，也能進一步提高企業的經濟效益。

1 噴吹用煤的煤質指標

煤質指標的基本分析分為元素分析和工業分析。通過工業分析可以初步了解煤的性質，大致判斷煤的種類和用途，工業分析包括對水分、灰分、揮發分的測定和固定碳的計算。通過元素分析可以測定高爐噴吹煤中碳、氫、氧、氮、硫等元素的含量，從而對噴吹煤的化學成分進行最直觀的分析和了解。邯鋼噴吹用煤工業分析結果見表1所示。

由表1可知，工業分析中三種煙煤的固定碳含量在54%～56%之間，差異較小。1#煙煤灰分10.92%，高于2#(7.93%)煙煤、3#煙煤(7.90%)。高爐對噴吹用煤灰分的含量要求是越低越好，灰分含量每提高1%，燃料比增加2%，高爐生鐵產量也會降低。灰分高會使高爐渣量增多，對于高爐透氣性不利。1#煙煤揮發分28.48%，2#、3#煙煤揮發分在30%左右，1#煙煤揮發分略低。

三種無煙煤的固定碳含量在78%～83%之間，明顯高于三種煙煤。灰分在9%～11%之間，平均略高于煙煤。揮發分在7%～9.5%之間，明顯低于煙煤揮發分含量。煙煤水分在5%～6.5%之間，吸水性較強，無煙煤水分在1.5%以下。

元素分析中，煙煤C元素在66%左右，無煙煤在80%左右。煙煤H元素含量在3%～4%之間，無煙煤H元素含量在4%～5%之間，差異不大。煙煤的O元素含量在14%左右，無煙煤在4%左右，遠遠低于煙煤。煤中O元素是有害元素，C元素與O元素結合，消耗了有效C元素，發熱值會降低。噴吹用煤要求S含量越低越好，避免硫負荷過重造成鐵水質量問題。三種煙煤和三種無煙煤S元素含量均≤0.4%，符合邯鋼噴吹用煤規定要求(S≤0.4%)。

表1 噴吹用煤的工業分析和元素分析

煤的可磨性指數越大，越容易粉碎。其可磨性指數對高爐冶煉過程沒有直接影響，但影響磨機出力和電耗，影響粉煤的加工成本和高爐生產效益。1#煙煤可磨性較低，僅為56，2#、3#可磨指數分別為81、82，屬于可磨性能較好的煙煤。I#、II#無煙煤可磨指數為53，不易磨，III#可磨指數為76。

2 噴吹用煤的化學組成及灰熔點

邯鋼所使用的三種煙煤和三種無煙煤的灰分化學組成如表2所示，灰熔點如表3所示。

表2 噴吹用煤灰分的化學組成(%)

由表2可知，三種煙煤灰分中的K2O+Na2O分別為1.01%、3.02%和2.90%，考慮灰分含量的影響，1#煙煤堿金屬含量為0.11%， 2#煙煤、3#煙煤的堿金屬含量分別為0.24%和0.23%，邯鋼高爐噴吹1#煙煤有利于降低高爐的堿金屬負荷。三種無煙煤中，I#無煙煤的堿金屬含量最低，為0.11%；II#、III#無煙煤K2O+Na2O含量均為0.18%，邯鋼高爐噴吹1#無煙煤有利于降低高爐的堿金屬負荷。

無煙煤中的Al2O3含量在27%～37%之間，Al2O3含量是影響煤灰熔融性的重要指標之一。煙煤灰分中的Al2O3含量在12%～17%之間，含量較低，1#煙煤灰分中Al2O3含量僅為12.18%。煙煤和無煙煤灰分中的SiO2含量相差不大。

由表3可知，煙煤的灰熔點明顯低于無煙煤的灰熔點。三種煙煤灰熔融性都比較低，在1190 ℃左右開始變形，1195 ℃開始軟化，流動溫度在1201～1211 ℃之間。三種無煙煤灰分的變形溫度、軟化溫度、半球溫度、流動溫度都高于1500 ℃，這是因為無煙煤中Al2O3含量較高的緣故。綜上分析，在保證較高燃燒率的情況下，無煙煤和煙煤混噴可以改善煤灰的灰熔性。

表3 噴吹用煤的灰熔點(℃)

3 噴吹用煤的著火點、燃燒率

3.1 單品種煤的燃燒率

煤粉燃燒率是煤粉燃燒好壞的標志。煤粉燃燒率的大小，表明煤粉在高爐風口氣化的完全程度。如果煤粉在高爐風口燃燒率低，煤粉燃燒不完全，不僅會降低煤粉在高爐內的利用率，還會影響爐料的透氣性和爐渣粘度，進而影響高爐生產。

煤粉燃燒試驗裝置見圖1所示。該試驗裝置模擬高爐風口的燃燒條件，以立式電爐模擬熱風爐加熱空氣，用燃燒爐模擬高爐風口的煤粉燃燒狀況，將經過干燥的煤粉噴進燃燒爐中，進行煤粉燃燒率的測定。本實驗裝置實現了連續噴吹，更好地模擬高爐噴煤過程，提高了實驗結果的準確性。采用灰分平衡法計算煤粉的燃燒率公式為：

(1)

式中：R—煤粉燃燒率；A1—未燃煤粉的灰分含量；A0—煤粉燃燒前的灰分含量。

1.熱風爐；2.剛玉管；3.燃燒爐；4.冷卻系統；5.收灰槽；6.收氣囊；7.除塵器；8.噴煤瓶圖1 煤粉燃燒爐結構示意圖Fig.1Sketch of stove for pulverized coal combustion

邯鋼噴吹用煤的著火點、揮發分、燃燒率如表4所示。

由表4可知，煤粉的揮發分含量是影響煤粉燃燒率的重要因素之一。煙煤揮發分在28%～31%之間，無煙煤揮發分在7%～9.5%之間，差異較大。揮發分含量越高，燃燒率也較高。煤粉的燃燒分為以下3個階段，煤粉受熱分解析出揮發分、揮發分燃燒放熱、固定碳燃燒。煤粉在高爐風口區燃燒過程中，揮發分含量高的煤種能釋放出較多的揮發分，而且揮發分的燃燒放熱為風口區碳素的燃燒提供了足夠的熱量，從而促進了煤粉的充分燃燒。

表4 原煤樣著火點和燃燒率

三種無煙煤的著火點溫度較高，著火溫度均在400 ℃以上。I#無煙煤的著火溫度最高為405 ℃。一般來說，煤的著火溫度越低，越容易發生自燃現象，其燃燒率較高。三種煙煤中，1#煙煤的著火點最低，為325 ℃，其次為2#、3#煙煤。不同煤種的著火點隨著煤粉中揮發分的含量的增加呈下降趨勢，這是由于揮發分受熱分解，變為氣態而揮發出來，提高了煤粉的升溫速度，從而使煤粉著火點溫度降低。對于著火點溫度較低的煤，保證安全制粉是重要前提。邯鋼使用的3臺中速磨，對磨機的進口溫度限制嚴格，溫度超過300 ℃磨機連鎖保護跳停；磨機入口含氧量高于12%，磨機連鎖保護跳停。

三種煙煤中，3#煙煤的燃燒率最高，達到84.62%，其次為2#煙煤，燃燒率為79.90%，1#煙煤的燃燒率為79.85%。無煙煤的燃燒率相對較低，三種無煙煤中，III#無煙煤的燃燒率最好，達到66.02%，II#無煙煤的燃燒率僅為62.41%。由于無煙煤的煤化程度較深，主要顯微成分為鏡質組且基本上是完全失去細胞結構的鏡質體，結構致密，燃燒是由外向內層層推進的層狀燃燒，即使細磨至粒徑全部在-200目以下，與煙煤相比，其燃燒率仍然較低。

3.2 混合煤粉的燃燒率

煙煤含有較高的揮發分，結構疏松，其燃燒過程是多孔性燃燒，它的燃燒性能比無煙煤好，但置換比較低。無煙煤含碳量高，結構致密，燃燒過程是由外到內的層狀燃燒過程，所以燃燒率較低，但置換比要高于煙煤。因此，混合噴吹能夠相互促進燃燒，提高高爐的煤焦置換比。此外，合理的配煤使混合煤粉的爆炸性大幅度降低，燃燒性能相對提高，未燃煤粉降低，有利于高爐順行。

在邯鋼混噴要求和單種煤基礎性能檢測的基礎上，選取最佳煤種進行混合，確定最佳配比。三種煙煤中3#煙煤燃燒率最高，達到84.75%，3種無煙煤中III#無煙煤燃燒率最高，達到66.02%， 選擇3#煙煤和III#無煙煤按不同的比例混合，如表5所示。

表5 混煤方案

由表5可知，試驗條件下，隨著混煤中煙煤比例的提高，著火點逐漸下降，燃燒率呈上升趨勢，混煤的爆炸性逐漸增強。混煤的著火點和煙煤配比呈線性關系，即隨著煙煤配比的增加，著火點溫度降低。這是由于煙煤和無煙煤混合，混煤的揮發分增加，從而使它們的著火點隨之變化。可見無煙煤配加煙煤可降低煤粉的著火點，有利于煤粉燃燒，生產上有助于提高高爐噴煤量。混煤的著火點溫度均在300 ℃以上，能保證安全制粉。

3#煙煤返回火焰為800 mm，為強爆炸性煤，無煙煤的爆炸性為0。隨著無煙煤配比的增加，爆炸性逐漸減弱。試驗證明，在強爆炸性的煙煤中，加入無煙煤的比例達到45%時，混煤也不具有爆炸性，有利于安全制粉和噴吹。

混煤的燃燒率大于其加權平均值。煙煤比例為0%時，燃燒率僅為66.02%；煙煤比例提高到30%時，燃燒率為68.11%，加權平均值66.65%，高出1.46%；煙煤比例提高到50%時，燃燒率為79.66%，加權平均值75.39%，高出4.28%，可見隨著煙煤比例的逐漸增加，燃燒率提高幅度增大。這主要是因為隨著高揮發分煙煤配比的增加，混煤的揮發分含量升高，揮發分一方面從煤粉孔隙中析出，導致煤粉孔隙結構發生了變化，另一方面揮發分會在煤粉顆粒表面或空隙內部燃燒。揮發分含量越高，在煤粉燃燒過程中析出的就越多，析出的揮發分跟氧發生反應放出熱量就越多，進而促進煤粉的燃燒；同時揮發分析出導致煤粉顆粒中殘留的微孔增多，煤粉顆粒同氧氣接觸的表面積就增大，煤粉的燃燒速度加快。由于煤粉燃燒是在有限空間和有限時間內的燃燒，煤粉燃燒速度越快，煤粉燃燒率就會變高。

在安全制粉、噴吹的前提下，既要保證混煤的燃燒率，又要兼顧其發熱量，在邯鋼高爐混煤操作中，煙煤比例在45%～55%較為適宜。

4 結論

(1)三種無煙煤的固定碳含量在78%～83%之間，明顯高于三種煙煤。2#、3#煙煤可磨指數為81、82，III#無煙煤可磨指數為76，屬于可磨性能較好的煤。

(2)三種煙煤中3#煙煤燃燒率最高，達到84.75%，三種無煙煤中III#無煙煤燃燒率最高，達到66.02%， 混煤中首選3#煙煤和III#無煙煤。

(3)隨著混煤中煙煤比例的提高，著火點逐漸下降，燃燒率呈上升趨勢，混煤的爆炸性逐漸增強。

(4)混煤的燃燒率大于其加權平均值。隨著煙煤比例的逐漸增加，燃燒率提高幅度增大。綜合考慮，在邯鋼高爐混煤操作中，煙煤比例控制在45%～55%較為適宜。