高爐噴吹用煤指標的冶金性能試驗與研究

楊 陶，劉 崇，吳宏亮，高 鵬，王阿鵬，劉 綱，郝團偉

(1.馬鋼股份公司煉鐵總廠，安徽 馬鞍山 243011；2.河鋼集團鋼研總院，河北 石家莊 050023；3.清華大學信息國家研究中心，北京 100084；4.江陰興澄特種鋼鐵有限公司，江蘇 無錫 214429)

伴隨國內外高爐噴吹煤粉工藝的進步以及優質煉焦原料的枯竭，高爐噴吹煤粉技術在煉鐵工序中的作用日益明顯，因此國內各大鋼企加大了對噴吹工藝的研發投入。經過不斷攻關高爐煤比大幅提升，但諸多鋼鐵廠技術人員僅關注煤種的工業分析與元素分析結果，對之外的指標不甚了解[1]。近年來，鋼鐵企業對高爐內部煤粉反應的指標參數和燃燒行為持有較高的關注度，希冀以科學合理的用煤指標用于指導生產，以達到合理用煤、提高煤比的目的。事實上，煤粉的其他理化性能諸如爆炸性、流動性、著火點、燃燒性等也影響著高爐的噴煤指標[2]。這些指標的高低不僅影響著煤粉燃燒與煤焦置換比，在生產中還可能磨損煤粉輸運設施、引起風口結焦、煤槍堵槍等生產事故問題[3-4]。為詳細掌握噴吹煤的性能，以改善高爐煤粉噴吹效果和提高煤比，為選擇高爐噴吹煤種提供理論依據。因此，對高爐用煤的冶金指標進行了系統性的分析。

1 噴吹用煤的選擇指標

基于高爐生產對噴吹煤種性能的基本要求，將煤種的諸多指標劃分為基礎性能、燃燒性能、反應性能、可磨性能及流動性能等指標。

1.1 基礎性能指標

工業分析中的揮發分、灰分含量與元素分析中的碳、氫、氧、硫含量構成了噴吹煤種的基礎性能指標。

就工業分析結果而言，煤粉中灰分越低越好且含量小于15%為宜；揮發分與煤粉燃燒性成正相關關系，但較高含量的揮發分不僅會引發安全事故，還會導致煤粉的發熱量和置換比降低[5-6]。煤粉燃燒環節脫硫過程因消耗石灰且耗熱而需要大量的焦炭；氧含量表征煤粉中碳/氫等可燃性物質被氧化的情況；而煤粉中的氫可提高高爐下部料柱的透氣性和煤氣中有效成分[7]。

1.2 燃燒性能指標

煤種燃燒性與鼓風中O2含量、風溫、煤粉粒度及成分均有緊密相關[8]。為確保高爐風口前的煤粉在全部燃燒，以提高高爐鐵水產量和煤比，應噴吹燃燒性好的煤。煤粉的著火點、燃燒率以及爆炸性構成了燃燒性能的評價指標。

1.2.1 著火點

為促使煤粉快速著火并燃燒，應噴吹低著火點的煤粉，但此煤粉倉貯時易引發安全事故。實驗中將煤樣置于微型電爐的鉑片上后通電升溫，借助于光電管測量煤粉的燃燒溫度。

1.2.2 燃燒率

本研究采用靜態熱重法來計算煤粉的燃燒率，并測量溫度為1 200 ℃時的燃燒情況。

1.2.3 爆炸性

一般認為揮發分含量低于10%的煤粉無爆炸性，而大于25%的為強爆炸性煤[9]。實驗中將1 g、74 μm的煤粉置于長管式測試設備玻璃管內1 050 ℃火源上，通過觀察煤粉爆炸時返回火焰長度來判斷其爆炸性強弱。

1.3 可磨性能指標

本實驗利用哈德格羅夫法判定煤種的可磨性指數(HGI)，可磨性指數表示在相同磨煤工藝條件下不同煤種的粉碎難易程度，且可磨性指數分布在60～90較合適[10]。指數低于50的煤很硬因而研磨性差，大于90的煤易磨但有較強的黏結性，給煤粉輸運帶來了困難。

1.4 反應性能指標

煤種的反應性影響著高爐的耗煤、耗氧及煤氣成分等，且與高爐內煤粉的燃燒情況直接相關，強反應性煤反應迅速且效率高。

1.5 流動性能指標

煤粉的流動、噴流特性構成了煤種的流動性能指標。煤粉的流動特性、噴流特性分別與煤粉的輸送能力、回旋區的彌散度成正相關關系[11]。利用BT-1000型粉體綜合特性測試儀測定煤粉的流動、噴流參數，基于數據分析，得到煤粉的流動性能指標。

2 試驗結果與討論

2.1 基礎性能指標

由于煤種的產地和煤質特性差異，因此在采購噴吹用煤時須充分考慮煤種的理化性能。由表1中數據測試結果可以看出：煤粉的揮發分含量分布在8.64%～35.11%，且只有6#煤粉為煙煤，其余均為無煙煤。

表1 煤粉的基礎性能測定結果 %

由表1可知，煤粉中碳含量隨揮發分和灰分含量增加而降低[12]。2#煤種由于揮發分和灰分含量偏低，因此含有較高碳，其含量為93.08%。6#煤由于含有35.11%揮發分、6.03%灰分而導致其碳含量較低，僅為84.21%。

由元素數據可知：6#煤種含有9.17%的氧，并且考慮其碳含量偏低，所以具有較低的發熱值；且除6#煤外，其余煤中的硫含量偏高，均超過了0.5%，最高達到了0.79%。

通過對各煤種基礎性能測試結果的分析，1#、2#和7#煤種建議可作為噴吹用煤，但需與6#煤混合使用。

2.2 燃燒性能指標

表2為各煤種的著火點、燃燒性及爆炸性的測試結果。

表2 煤粉的燃燒性能測定結果

由表2中的數據可知，煤種的著火點在382～524 ℃，均達到了高爐對噴吹用煤的要求，其中6#煤的著火點最低，為382.3 ℃；1#煤的著火點最高，為524.8 ℃；5#煤的灰分最高因而延遲了煤粉的燃燒，著火點為504.9 ℃。目前使用的七種煤著火點順序為：1#>2#>4#>5#>7#>3#>6#。

根據煤種的燃燒率測試結果可知：6#煤的燃燒性最佳，其燃燒率為92.5%，原因是由于煤種的揮發分高，而揮發分在較低溫度下便可析出及燃燒，這就為碳的燃燒創造了條件，從而促進了煤粉的燃燒[13]。5#煤含有12.63%的揮發，但是氧含達到了3.37%，導致煤粉燃燒性較差，降低了煤粉燃燒率。雖然1#煤粉的碳含量很高，但揮發分含量較低，導致煤粉不易燃燒。各煤粉的燃燒率排序為：6#>3#>7#>4#>2#>1#>5#。

由煤種的爆炸性數據分析可知，6#煤的火焰返回長度為305 mm，屬弱爆炸性煤，其余煤的火焰返回長度為0 mm，均為無爆炸性煤，綜合分析，除了1#和5#煤由于燃燒性較差，且著火點偏好，在使用過程中應盡量避免使用該煤。

2.3 可磨性

圖1為7種煤粉可磨性測試結果，則煤粉的可磨性指數順序為：4#>3#>5#>6#>2#>7#>1#，除了1#、2#、7#煤外，其余煤粉的可磨性指數在80～90，均能夠滿足噴出煤粉的要求，若大量使用可磨性指數小于60的3種煤粉，將會增加磨煤能耗。

圖1 煤粉的可磨性測定結果

2.4 流動性和噴流性

煤粉流動性和噴流性相關參數測定結果如表3所示。

表3 煤粉的流動性和噴流性測定結果

分析表3中的數據可知，所測煤種的流動性和噴流性順序均為：7#>6#>1#>5#>3#>2#>4#。由煤粉的流動性能指標數據可知，除7#煤，其余煤的流動性均為中等偏下；且除2#和4#煤，其余煤粉噴流性均較強。

2.5 反應性

表4為不同富氧率下煤的反應性測定。

表4 不同富氧率下煤的反應性測定

由表4可知，隨富氧率的提高，煤粉中的未反應碳含量降低，說明煤粉的反應性升高，且富氧率達到3%以后反應性變化不大。

3 單煤特性分析

通過對各煤種的冶金性能進行測試與分析，可得出如下結果：

(1)1#。1#煤粉的揮發分、灰分含量均小于10%，因此碳含量較高，從而煤粉熱值較高，但煤粉可磨性偏低，在制粉過程中能耗較高，且著火點偏高、燃燒性較差、流動性較低，因此在生產過程中要警惕粘結噴煤槍，基于上述數據分析，不建議將該煤用作高爐噴吹用煤。

(2)2#。該煤的揮發分、灰分含量均在9%左右，因此煤粉含碳量最高，煤粉的熱值較高；可磨性指數一般，但符合高爐對噴吹用煤的要求；但其燃燒性、流動性、噴流性均較差，因此在配煤過程中不建議大量使用該煤種。

(3)3#。該煤種的揮發分、灰分含量偏高，同時含有較高含量的碳，燃燒性、可磨性和反應性指數均達標，但煤種的硫含量偏高，且流動性一般。

(4)4#。該煤種的揮發分、灰分含量偏高，且碳、氫含量較高，氧含量較低，煤粉的燃燒性、可磨性和反應性較好，但流動性極差。

(5)5#。該煤種的揮發分、灰分含量偏高，且具有較高的碳含量，可磨性良好，氧含量和硫含量偏高，燃燒性、流動性和反應性一般。

(6)6#。該煤是唯一的煙煤，含有較高的揮發分和較低的灰分，碳含量偏低，硫含量也較低，可磨性、燃燒性、反應性較好。

(7)7#。該煤種的揮發分、灰分、碳含量均適中，氫含量較高，而氫可強化高爐下部料柱的透氣性；煤粉的可磨性較差，硫含量高，但是燃燒性、流動性和反應性較好。

配煤過程中需要混煤具有合適的揮發分含量、流動性以及燃燒性等基本特性，從上述的煤粉特性數據可以看出，各個煤粉之間的性能存在差異，因此通過互補搭配，合理利用各種煤粉，基于煤粉的基礎特性，利用取長補短的策略進行配煤實驗，最大限度挖掘各煤粉的優勢，因此在噴煤過程中，建議最佳的配煤方案是3#+6#，其次是4#+6#。

4 結 論

通過對高爐噴吹用煤各項冶金指標的歸納分析，并以現階段所使用的七種高爐噴吹煤粉為研究對象，對各煤粉的冶金性能進行了試驗研究及并對可行性指標進行了理論分析，根據檢測結果充分掌握了該廠煤粉總體的性能，并推薦高爐噴吹用煤種為3#+6#或是4#+6#。