淺談煤粉粒度對高爐的影響

付爭爭

高爐噴吹煤粉工藝是煉鐵過程中非常大的技術創新和進步，高爐噴煤可以有效的提高高爐煉鐵過程中的收益，而且起到調劑爐況促進穩定順行等作用。為了最大程度的達到高產低耗，近幾年來高爐都在尋求探索更高煤比的途徑。為提高噴煤比，均采用了對應的創新技術，比如富氧鼓風、提高熱風溫度、脫濕鼓風等一系列優化手段。但是煤粉的成分帶來的影響也很大。不同種類的原煤的化學成分也不盡相同。通過選擇合適的原煤，調整好磨機分離器的角度，得到合適成分和粒度的煤粉進入爐內，既保證了燃燒的效果，又能最大程度降低的制粉作業過程中噸煤消耗，使冶煉效果得到高產，穩產的同時，降低的制粉工藝的生產成本。

近年來，隨著整個行業加大煤比噴吹發展趨勢，導致煤粉在高爐風口內燃盡率下降，而大量未燃煤粉在高爐內部積累將會降低料柱的透氣性以及煤氣的分布，噴煤系統煤粉粒度根據煤種的不同也存在很大的差異。參照某國企單位自主研發的燃燒試驗儀器設施，分析了煤粉成分和粒度對冶煉過程的影響，結果表明：，灰分增加燃燒率降低。揮發分升高會導致燃盡性變好;所以煤粉的成分對冶煉過程的影響也很大。，煤粉的平均粒度越小，其化學燃燒速率就會越快，雖然煤粉完全燃燒所用的時間最短的粒度為0.071mm，但是和0.071～0.10mm和0.10～0.20mm粒度之間的差距級別不是非常大，粒度大于0.20mm時燃燒完成所用時間明顯延長許多，0.20mm是過程中的臨界點。得出結論，煤粉的粒度對冶煉性能也有著比較大影響，煤粉的粒度還會有影響風口燃燒帶的長短。從高爐角度出發，一般認為煤粉越細越好，但是如果煤粉太細，會影響磨機出力，增加磨煤機的運行時間，提高煤粉成本。另外，對于煙煤，不一定是這樣。所以，需要綜合考慮，選擇一個合理的煤粉粒度范圍。不同煤種的燃燒特性也對冶煉過程中燃燒率有重要影響

控制煤粉粒度的主要是為了加大煤粉在風口前的快速燃燒，保證燃燒率。

一般情況下，無煙煤煤粉粒度要求控制-200目達到70%以上。煙煤和混合煤的煤粉粒度根據煤粉揮發分的不同，可以考慮適當粗一些。

煤粉的粒度不同，對燃盡速度的影響很大，根據相關資料顯示，當無煙煤粉粒度為100 mm的煤粉顆粒，當熱風溫度達到一千攝氏度時，在40毫秒以內就能燃燒率能達到70%左右。煤粉在回旋區的停留時間一般為100ms左右，不同的容積高爐根據風速和回旋區不同也會有很大差異。

煤粉的雜物過多粒度太粗還會引起高爐賭煤槍。比較小的高爐對噴煤堵槍反應不敏感，應為首先單槍噴煤量小，一般在200～400kg/h噴煤量。堵槍幾率小，風壓低，排槍容易。比如100m3～300m3高爐，這種噴煤系統對煤粉中雜物的清理設計也比較簡單。

大型的高爐對堵槍反應比較敏感，對于2000m3以上的高爐 ，單槍噴煤量在1.2～2.4t/h，這是煤粉中的雜物對噴槍影響比較大，一旦堵塞，由于風壓比較高，噴槍很難在線排通所以，越是大高爐噴煤，越要講究科學和數據。小噴煤重經驗，大噴煤重數據。

煤粉噴槍由于受到現場風口直吹管條件的限制，內徑不可能太大，當然，為了保證和噴煤管道的匹配性以及輸送谷氣比，也不可能太大。但是也要根據單槍噴煤量適當擴大口徑。

總之，氣固兩相流本身就比較復雜。有很多現象和我們想想的有偏差。由于高爐噴煤煤粉噴槍口徑都比較細（12mm～18mm），為了防止雜物堵塞噴槍，制粉系統需要設計煤粉篩分設備。有的系統煤粉過濾液設計到噴煤管道上。

煤粉篩有分為滾軸曬、旋轉雞毛篩、振動篩等，從清除雜物能力來說，其中振動篩篩分能力比較大，管道上的過濾器篩分能力最小。

振動篩的篩機篩分面積一般按照3～4t/h/m2設計，煤粉篩孔按照4mm×4mm效果比較好，太小了容易堵，太大了效果有限。具體設計需要根據煤種和現場條件設計。

根據相關資料，煙煤和無煙煤煤粉燃燒的機理有些區別。大部分無煙煤煤粉特點是層狀燃燒，當燃燼時間與初始粒徑的平方成正比時，煤粉顆粒會處于擴散性燃燒，。此時，粒徑減少對加快燃燒速度的效果較明顯。根據以上理論，認為粒徑越細，反應的比表面積越大，燃燒速度越快。除了粒度外，氧氣濃度和環境溫度對燃燒速度影響也比較明顯。

煙煤的燃燒以內孔燃燒為主，但是在整個燃燒過程中，有機質的燃燒反應起了關鍵的作用，是反應氣體擴散出入顆粒內部的主要通道。高揮發份煤粉的粒度對煤粉的影響有限。這也就是有些高爐噴吹粒煤仍然能夠保證燃燒效果的原因。

目前煙煤無煙煤混合噴吹的相比較于全部無煙煤噴吹，燃燒效果也有明顯的改善。

上圖是一個高爐不同粒度煤粉對生產指標的影響，風溫相同，噴煤比相同、富氧率相同，隨著煤粉粒度的變化，高爐焦比帶來的變化。當噴煤比大于140kg/t時，主要因為氧量低，煤粉變粗后燃燒速度慢、利用率差，所以從曲線來看趨于平滑。在煤比于130kg/t在O2 為1.5 %的條件下，噴煤比小于140 kg/t時，煤粉粒度粗有利于焦比降低，后期在O2 大于2 %時，煤粉粒度變粗以后燃燒效果反而會增加，更進一步降低了高爐焦比。

更多相關數據可以根據生產實踐總結。燃燒率可以參考除塵灰內的未燃煤粉含量確定（通過專業手段測量）。

從定性角度來說，當煤粉粒度逐漸增加時，會導致煤粉的燃燒率成下降趨勢。無煙煤燃燒時，粒徑越細，燃燒率越大，因為無煙煤是以層狀方式燃燒。反之，粒徑逐漸變小時，燃燒率會逐漸增加，但是增加幅度不會太大，粒徑小于40 μm，燃燒率增加速度逐漸變慢。，煙煤的揮發份比無煙煤的揮發份高很多，而且煙煤的燃燒主要是以內孔燃燒為主。在溫度快速提高的基礎上，水分和揮發份的析出使煤粒“爆燃”而裂變成更加細小，所以粒度對燃燒率的影響比較小。要確定煤粒度的大小應綜合考慮傳熱、流動以及化學反應的對整個過程的要求。對無煙煤粒度一般小于300 μm，對煙煤粒度盡量不大于1000 μm為好。在風口水平線上700 mm處，粒徑大于1000 μm 時，燃燒率 < 60 %。當然以上已不是絕對的，還要考慮風溫、富氧條件以及煤粉水分的影響。在當前煉鐵工藝中，無煙煤和煙煤的混合噴吹已經是主流趨勢了。另外，有些鋼廠引進煤粉預熱技術對風口回旋區的燃燒有了很大的改善。