神東礦區高揮發分噴吹煤粉對焦炭緩熔性能的影響研究

武琳琳

（1.煤炭科學技術研究院有限公司煤化工分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013；3.國家能源煤炭高效利用與節能減排技術裝備重點實驗室，北京 100013）

高爐噴吹是現代高爐煉鐵生產廣泛采用的技術，是現代高爐爐況調節不可缺少的手段之一。高爐噴吹燃料是從高爐風口向爐內直接噴吹燃料替代焦炭提供熱量和還原劑，是降低焦比最有效的措施之一。研究和生產實踐表明，高爐噴吹燃料可代替30%甚至更多的焦炭，降低生鐵成本[1]。此外，高爐噴吹可改善高爐冶煉過程，并為應用高風溫和富氧鼓風創造條件，從而進一步改善高爐各項技術經濟指標，改善鋼鐵聯合企業的能源供應，優化高爐生產，提高其經濟效益[2]。

噴入高爐的煤粉在風口回旋區幾乎不可能完全燃燒，尤其是在高噴煤水平下，未燃盡的殘炭量會隨著噴煤水平的增加而增加。未燃盡殘炭積聚在風口回旋區周圍，在該區域進入到料柱空隙或間隙，或黏結在滴落的渣鐵上而進入爐缸，或隨上升氣流進入軟熔帶并吸附在軟化或熔融的礦石層上，或在礦石和焦炭的空隙中沉積下來，只有少量殘炭進入到塊狀帶，形成爐塵。

未燃盡殘炭在高爐內會與CO2、H2O發生氣化反應，這是消耗未燃盡殘炭的主體反應。未燃盡殘炭隨風口區氣流上升，在軟熔帶（或滴落帶）對尚未還原的FeO 進行還原，由此也會消耗未燃盡殘炭。因而，未燃盡殘炭的氣化反應使焦炭的反應負荷減輕，由此使反應后的焦炭強度降低幅度變小[3-5]。

本文以我國鋼鐵企業廣泛使用的神東礦區高揮發分煙煤為研究對象，通過對焦炭中加入神東礦區高揮發分煙煤干餾產物后的樣品進行實驗研究，研究高爐噴吹煤粉對焦炭緩熔性能的影響規律。

1 實 驗

1.1 實驗樣品

高爐噴吹煤粉選擇神東礦區典型噴吹精煤樣品，按照相關國家標準中方法測試樣品的噴吹特性，結果如表1 所示。

表1 神東噴吹煤的煤質分析

由表1 可知，神東噴吹煤全水分含量略高，具有低灰、低硫、高發熱量、高化學反應活性、低磷含量、低鉀鈉含量等優點，但是其哈氏可磨性指數偏低、煤灰熔融性溫度偏低、具有強爆炸性，因而需要與無煙煤等煤種配合使用。

選擇某鋼鐵廠目前使用的三種焦炭樣品A、B、C進行模擬實驗，焦炭樣品的基本特征如表2 所示。

表2 焦炭樣品的基本特征

1.2 干餾實驗及焦炭反應性測試

參照GB/T 220—2018《煤對二氧化碳化學反應性的測定方法》對神東煤進行干餾實驗，試樣粒度為3 mm～6 mm，在管式干餾爐中以15 ℃/min～20 ℃/min的速率升溫到900 ℃，在此溫度下保持1 h，所得樣品為神東干餾煤粉。

參照GB/T 4000—2017《焦炭反應性及反應后強度試驗方法》進行焦炭熱反應性（CRI）及反應后強度（CSR）試驗，焦樣粒度為（20 mm±0.5 mm）。首先稱取焦炭A、B、C 各200 g；然后分別與神東干餾煤粉以質量比3∶1 進行混合，稱取混合后的樣品200 g 進行實驗。實驗過程：將干燥后試樣在1 100 ℃與5 L/min CO2反應2 h，將反應后焦炭全部裝入I 型轉鼓，以20 r/min 的轉速轉30 min，然后取出篩分、稱量、記錄各篩級重量，并計算焦炭CRI 和CSR。

2 結果與討論

2.1 高揮發分干餾煤粉對焦炭CRI 及CSR 的影響

加入高揮發分干餾煤粉后，焦炭CRI 和CSR 的變化如表3 和表4 所示。由表3、表4 發現，加入高揮發分干餾煤粉后，三種焦炭的CRI 均降低，而CSR 均升高，因而在高爐噴吹神東礦區高揮發分煤粉有利于改善焦炭的熱性能。

表3 加入干餾煤粉后焦炭CRI 變化對比 %

表4 加入干餾煤粉后焦炭CSR 變化對比 %

神東礦區高揮發分干餾煤粉對不同性能焦炭的CRI 和CSR 影響不同。CRI 高的焦炭，干餾煤粉對其CRI 及CSR 的影響大，因此，噴吹煤粉對使用劣質焦炭的高爐效果更明顯。

由表3 可知，焦炭A 與焦炭C 的CRI 差值為7.80個百分點，而加入干餾煤粉后，焦炭C 的CRI 變化量比焦炭A 的CRI 變化量低約50%，即加入神東礦區高揮發分干餾煤粉減小了不同焦炭CRI 的差別。加入干餾煤粉后，焦炭的CSR 也有類似趨勢，即高爐噴吹高反應性煤減小了不同焦炭CSR 的差別。

2.2 焦炭CRI 與CSR 的關系

三種焦炭以及其分別與高揮發分干餾煤粉混合物的CRI 及CSR 關系如圖1 所示。由圖1 可知，焦炭的CSR 隨焦炭CRI 升高呈線性下降的趨勢，降低焦炭的CRI 有利于提高焦炭CSR。對CRI 與CSR 進行線性回歸，CRI 與CSR 的線性相關性良好（R2=0.876），與相關研究結果一致[5]。

圖1 實驗焦炭的CRI 與CSR 的關系

2.3 高反應性噴吹煤對焦炭CRI 的影響機理

三種焦炭中加入高揮發分干餾煤粉后，在1 100 ℃與CO2反應，試樣質量隨反應時間的變化分別如圖2～圖4 所示。

圖2 焦炭A 及加干餾煤粉的焦炭A 質量隨反應時間的變化

圖3 焦炭B 及加干餾煤粉的焦炭B 質量隨反應時間的變化

圖4 焦炭C 及加干餾煤粉的焦炭C 質量隨反應時間的變化

由圖2～圖4 可知，焦炭A、焦炭B、焦炭C 的質量變化率依次降低，即焦炭的CRI 依次降低。

加入高揮發分干餾煤粉后，試樣質量隨時間的變化符合指數曲線變化，曲線大致分為三部分：0～40 min為線性變化階段；40 min～50 min 為過渡階段，曲線特征不規律；50 min～120 min 為線性變化階段。

神東礦區高揮發分干餾煤粉的反應活性遠高于冶金焦炭，因此，在反應第一階段（0～40 min）首先進行高揮發分干餾煤粉與CO2的反應。焦炭A+干餾煤粉、焦炭B+干餾煤粉、焦炭C+干餾煤粉的質量變化斜率都高于3 種焦炭單獨反應的斜率。

在過渡反應區（40 min～50 min），隨著噴吹干餾煤粉逐漸耗盡，焦炭與CO2的反應逐漸增多，因而試樣質量的變化呈不規則曲線，質量變化率低于反應第一階段。

在反應第三階段（50 min～120 min），焦炭A+干餾煤粉、焦炭B+干餾煤粉、焦炭C+干餾煤粉的質量變化斜率低于反應第一階段和反應第二階段，與對應三種焦炭的質量變化斜率接近。因此，在此階段主要進行焦炭與CO2的反應。

概括來講，神東礦區高揮發分干餾煤粉因反應活性高，對焦炭緩熔性能的影響主要表現在反應初始階段（第一反應階段）。在此階段，CO2主要與噴吹煤粉的干餾產物反應；隨著反應的進行，噴吹干餾煤粉逐漸消耗，其與CO2反應的數量逐漸減少，與CO2反應的焦炭數量逐漸增多，焦炭熔損反應速度逐漸增大。當噴吹干餾煤粉完全消耗之后，進入反應第三階段，焦炭熔損反應穩定進行。由于在反應初始階段干餾煤粉對焦炭起到保護作用，因而在120 min 的反應時間內，噴吹干餾煤粉后焦炭的消耗量遠低于焦炭單獨反應時。

3 結 論

3.1 神東礦區高揮發分噴吹煤粉具有低灰、低硫、高發熱量、高化學反應活性、低磷含量、低鉀鈉含量等優點，是優良的噴煤配煤。

3.2 神東礦區高揮發分噴吹干餾煤粉的反應活性高于冶金焦炭，其加入會降低不同焦炭的CRI 和CSR 的差別，噴吹神東高揮發分干餾煤粉對使用性能較差的焦炭的效果更好。

3.3 加入高揮發分干餾煤粉后，焦炭與CO2的反應可分為三個階段，干餾煤粉的存在減緩了焦炭的熔損反應，有利于保持焦炭在高爐中的作用，因而在高爐風口回旋區保留一定量的未燃煤粉是有益的。