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(tuán)有限公司，河北 邯鄲 056000)

近年來，隨著高爐噴吹技術(shù)的不斷進(jìn)步，高爐噴煤需求十分旺盛。在工業(yè)生產(chǎn)中，高爐噴吹就是將煤粉在煉鐵高爐的風(fēng)口處直接噴入爐內(nèi)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(jià)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(diào)節(jié)爐況，改善高爐爐缸工作狀態(tài)，使高爐穩(wěn)定運(yùn)行；以噴吹煤粉替代部分冶金焦炭，還能減少焦炭生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的污染[1-2]。

峰峰集團(tuán)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(zhì)程度的貧煤和無煙煤，目前，這些煤種主要用于發(fā)電，產(chǎn)品單一，市場(chǎng)狹窄，應(yīng)變能力差。峰峰集團(tuán)原煤產(chǎn)量在15 Mt/a以上，其中動(dòng)力煤(主要是貧煤)產(chǎn)量在3 Mt/a以上，尤其是大社礦貧煤產(chǎn)量達(dá)1.5 Mt/a，該礦原煤為高灰、低硫、較高變質(zhì)程度的貧煤，生產(chǎn)噴吹用煤具有較好的品種優(yōu)勢(shì)。目前，該礦原煤主要銷往電煤市場(chǎng)，品種單一，加之當(dāng)?shù)仉娒菏袌?chǎng)有限，使該礦原煤銷售受限。為拓寬峰峰集團(tuán)貧煤產(chǎn)品市場(chǎng)用途，尤其是年產(chǎn)量較高的大社礦貧煤的市場(chǎng)用途，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室煤質(zhì)化驗(yàn)數(shù)據(jù)和工業(yè)性模擬試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)該礦貧煤作為高爐噴吹用煤的適應(yīng)性進(jìn)行分析研究，并作出了綜合評(píng)價(jià)。

1 高爐噴吹用煤基本要求

1.1 煤種要求

根據(jù)高爐噴吹煤的生產(chǎn)工藝技術(shù)要求，較強(qiáng)粘結(jié)性煤在噴吹過程中易在風(fēng)口處結(jié)焦，導(dǎo)致噴煤槍被堵塞，影響高爐生產(chǎn)。因此可以用做高爐噴吹用煤的煤種主要有：變質(zhì)程度較高的無煙煤、貧煤、貧瘦煤和變質(zhì)程度較低的弱粘煤、不粘煤、長(zhǎng)焰煤及粘結(jié)指數(shù)低于50的部分氣煤[3]。

1.2 煤質(zhì)要求

高爐噴吹用煤對(duì)煤質(zhì)指標(biāo)與煤工藝性能的相關(guān)要求有：灰分、揮發(fā)分、全水、硫分、發(fā)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(biāo)，煤灰分高表明其中可燃成分降低；另外，煤中灰分在工業(yè)生產(chǎn)過程中最終轉(zhuǎn)變?yōu)闋t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(shù)條件》規(guī)定：貧煤、貧瘦煤的灰分為8.00%～13.50%。

(2)煤的揮發(fā)分。煤的揮發(fā)分是高爐噴吹用煤的一項(xiàng)重要指標(biāo)，揮發(fā)分高不但致使置換比降低，而且導(dǎo)致煤的爆炸性增強(qiáng)，故高爐噴吹用煤的揮發(fā)分一般要求不超過20%；當(dāng)用高揮發(fā)分煙煤噴吹時(shí)，往往需要與貧煤混合使用，使其揮發(fā)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(zhì)量，又對(duì)環(huán)境造成污染。因此煤的硫分越低越好。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18512—2008《高爐噴吹用煤技術(shù)條件》規(guī)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(yùn)輸費(fèi)用，同時(shí)又降低了煤的發(fā)熱量和磨煤機(jī)的產(chǎn)量。另外，噴入高爐的水在風(fēng)口前粉煤燃燒時(shí)要分解、吸熱，增加了補(bǔ)償熱，無補(bǔ)償手段時(shí)要降低噴吹量，因此全水分越低越好。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18512—2008《高爐噴吹用煤技術(shù)條件》規(guī)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(xiàng)重要指標(biāo)，煤的可磨性指數(shù)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(yè)生產(chǎn)中粉煤的加工成本。MT/T 852—2000《煤的哈氏可磨性指數(shù)分級(jí)》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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18512—2008《高爐噴吹用煤技術(shù)條件》規(guī)定：高爐噴吹用貧煤、貧瘦煤的哈氏可磨性指數(shù)>50。

(6) 煤中鉀和鈉總含量。鉀、鈉是強(qiáng)堿性金屬，其化合物是強(qiáng)堿性化合物，煤中鉀、鈉含量高將會(huì)腐蝕高爐，縮短高爐使用壽命；堿金屬進(jìn)入焦炭后，會(huì)降低焦炭強(qiáng)度，提高焦炭反應(yīng)性，進(jìn)而影響高爐冶煉。因此煤中鉀和鈉的總量越低越好。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18512—2008《高爐噴吹用煤技術(shù)條件》規(guī)定：煤中鉀、鈉總含量應(yīng)≤0.20%。

2 大社貧煤作為高爐噴吹用煤的適應(yīng)性研究

2.1 實(shí)驗(yàn)室煤炭性能研究

2.1.1 工業(yè)分析、硫分和發(fā)熱量

從大社礦浮煤工業(yè)分析結(jié)果(表1)可以看出：大社礦浮煤揮發(fā)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(nèi)；全硫含量較低，僅為0.48%；原煤灰分較高(在30%以上)，但經(jīng)過洗選加工后，浮煤灰分可以降到8%左右，發(fā)熱量達(dá)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(jié)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(yè)分析結(jié)果

2.1.2 煤灰成分及其熔融性

煤灰成分對(duì)于高爐渣組成及熔渣性能有重要影響，若Al2O3含量太高，會(huì)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(huì)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(shù)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(chǎn)成本的最有效措施，評(píng)價(jià)高爐噴煤經(jīng)濟(jì)效益的主要指標(biāo)是煤粉與焦炭的差價(jià)和置換比，差價(jià)越大，置換比越高，高爐噴吹煤的經(jīng)濟(jì)效益就越明顯。因此，對(duì)于噴吹用煤，除對(duì)其常規(guī)的工業(yè)分析和硫分等有要求外，還有一系列工藝性質(zhì)方面的要求，如可磨性、比表面積、爆炸性、燃燒性、反應(yīng)性等。

(1)哈氏可磨性指數(shù)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(xì)磨。煤的可磨性是標(biāo)志磨煤的難易程度，是反映煤的耐磨特性的一項(xiàng)煤質(zhì)指標(biāo)，也關(guān)系到磨煤設(shè)備的選擇和磨煤機(jī)功率及能耗?？赡バ灾笖?shù)越大，煤越易粉碎。從測(cè)試結(jié)果(表3)看，大社貧煤的可磨性指數(shù)達(dá)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(xiàng)指標(biāo)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(shù)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(chǎn)的一項(xiàng)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。粉煤的爆炸性隨揮發(fā)分增加而增大，無水無灰基揮發(fā)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(qiáng)爆炸性煤。另外，煤的爆炸性與其粒度、比表面積等也有關(guān)系。從測(cè)試結(jié)果(表4)可以看出，大社貧煤無爆炸性，符合高爐噴吹用煤對(duì)爆炸性技術(shù)指標(biāo)的要求，可以不經(jīng)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(fēng)口前有限的空間、極短的時(shí)間內(nèi)(10 ms)完成燃燒，粉煤在高爐風(fēng)口區(qū)完全燃燒的程度直接關(guān)系到噴吹煤粉的用量和置換比；高爐風(fēng)口燃燒條件極為復(fù)雜，絕對(duì)模擬高爐風(fēng)口進(jìn)行粉煤燃燒測(cè)定，比較粉煤的燃燒性難度和費(fèi)用均較大。在初期實(shí)驗(yàn)室煤炭性能研究階段，只采用在一定溫度下，控制一定時(shí)間和一定試樣量，進(jìn)行靜態(tài)燃燒測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表5。由表5可知，大社煤的燃燒性很好，燃燒率達(dá)到49.11%，在同類煤中屬于較好的。

表5 大社煤燃燒率測(cè)試結(jié)果

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

表6 大社煤對(duì)CO2的反應(yīng)性

2.2 工業(yè)性模擬高爐噴吹試驗(yàn)研究

2.2.1 試驗(yàn)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(zhì)除了硫分以外，其它煤質(zhì)指標(biāo)沒有明顯差異。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，一般2#煤和4#煤按一定比例進(jìn)行開采，經(jīng)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(yàn)采用2#煤、4#煤及2#煤(8份)與4#煤(2份)混煤的減灰樣進(jìn)行試驗(yàn)。

2.2.2 大社煤燃燒性測(cè)試

噴吹煤的燃燒性對(duì)高爐噴吹技術(shù)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(huì)直接影響置換比。因此，選擇與評(píng)價(jià)高爐噴煤時(shí)必須測(cè)試煤的燃燒性。

煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)只能推測(cè)煤作為高爐噴煤的有關(guān)性能，但由于它們的測(cè)試條件與高爐生產(chǎn)條件相差甚遠(yuǎn)，因此分析數(shù)據(jù)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(yàn)的半工業(yè)性煤粉燃燒性測(cè)試裝置是在模擬高爐生產(chǎn)條件下進(jìn)行測(cè)試的[8]，其燃燒時(shí)間和燃燒氣氛與高爐內(nèi)相近，所得到的測(cè)試數(shù)據(jù)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(yàn)結(jié)果比較接近高爐的生產(chǎn)實(shí)際。試驗(yàn)煤樣的燃燒性試驗(yàn)結(jié)果見表7。

由表7可知，在相近細(xì)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(yàn)煤粉的細(xì)度隨磨煤時(shí)間增加而增加，但增加的幅度不一樣：煤粉細(xì)度越大，則磨煤時(shí)間增加的幅度就越大，磨煤時(shí)間的增加表示磨煤機(jī)的能耗增加。因此，一般情況下煤粉越細(xì)，燃燒率越高，但從燃燒性試驗(yàn)和實(shí)際生產(chǎn)情況來看，用提高細(xì)度的方法來提高燃燒率的做法是得不償失的。根據(jù)工業(yè)應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，燃燒性試驗(yàn)的燃燒率達(dá)到40%左右時(shí)，已能滿足生產(chǎn)的需要，2#與4#混煤在煤粉細(xì)度接近60%時(shí)燃燒率接近40%；如煤粉進(jìn)一步磨細(xì)，其燃燒率僅可增加到40%～46%之間，上升幅度不大。但粒度變細(xì)，磨煤機(jī)電耗升高，而燃燒率提高不大，對(duì)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(yàn)結(jié)果分析，2#與4#混煤用于高爐噴吹時(shí)，煤粉細(xì)度在60%～70%之間較好。

表7 試驗(yàn)煤樣燃燒性測(cè)試結(jié)果

2.2.3 大社煤的爆炸性測(cè)試

煤炭的爆炸性關(guān)系到該煤在使用中的安全性，大社礦煤爆炸性測(cè)試結(jié)果火焰長(zhǎng)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(yè)動(dòng)態(tài)流動(dòng)性測(cè)試

在進(jìn)行半工業(yè)燃燒試驗(yàn)中，可同時(shí)測(cè)出煤粉的流動(dòng)性。用等量的煤(300 g)完全進(jìn)入燃燒爐所需的時(shí)間表示煤粉流動(dòng)性的好壞，所用的時(shí)間越短，則流動(dòng)性越好。煤粉半工業(yè)動(dòng)態(tài)流動(dòng)性測(cè)試結(jié)果見表8。

由表8可知，大社礦2#煤的流動(dòng)性好于4#煤，2#與4#混煤的流動(dòng)性與2#煤相當(dāng)，但噴吹所需時(shí)間都較短，均屬于流動(dòng)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(jù)高爐風(fēng)口區(qū)燃燒1 kg煤粉與燃燒1 kg焦炭的碳量平衡來計(jì)算的，計(jì)算結(jié)果見表9。

從表9的數(shù)據(jù)可以看出，大社礦煤的理論置換比都相當(dāng)高[9]，均在90%以上。因此，用大社礦煤替代焦炭有很可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

表8 煤粉的輸送時(shí)間

表9 大社煤理論置換比

2.2.6 綜合評(píng)價(jià)

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

3 結(jié)論

通過對(duì)大社礦貧煤性能研究和工業(yè)性模擬高爐噴吹試驗(yàn)，可以得出：大社礦煤具有硫含量低、碳含量較高、發(fā)熱量高、可磨性好、燃燒性好、無爆炸性、流動(dòng)性較好、理論置換比高的特點(diǎn)，是很好的高爐噴吹用煤，并且技術(shù)上也驗(yàn)證了大社煤用于高爐噴吹的可行性。另外，從目前我國(guó)高爐噴吹用煤的現(xiàn)狀看，優(yōu)質(zhì)貧煤資源有限且價(jià)格較高，大社礦貧煤用于高爐噴吹應(yīng)屬優(yōu)質(zhì)資源，在同類煤中具有相當(dāng)強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，開發(fā)大社礦高爐噴吹貧煤產(chǎn)品，可改變大社礦現(xiàn)有單一產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，拓寬產(chǎn)品用途，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，這在技術(shù)上可行，在經(jīng)濟(jì)上合理。2015年開始，大社礦貧煤在峰峰集團(tuán)內(nèi)部洗煤廠進(jìn)行了工業(yè)性加工生產(chǎn)，并且噴吹精煤產(chǎn)品質(zhì)量得到了用戶的認(rèn)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(jìn)行開發(fā)、推廣和應(yīng)用的。

[1] 王培平，陳旺生，韓 軍，等. 高爐噴煤評(píng)價(jià)及配比優(yōu)化[J]. 工業(yè)安全與環(huán)境，2012(6)：91-92.

[2] 湯清華. 高爐噴吹煤粉知識(shí)問答[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，1997，4.

[3] 顧 飛，沙愛學(xué). 高爐噴吹煤粉的煤鐘及粒徑研究[J]. 鋼鐵，1996(4)：11-15.

[4] 姜 英. 煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)匯編[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：17.

[5] 王再義，邢本策，王相力，等. 高爐噴吹用煤粉的燃燒性能研究[J]. 中國(guó)冶金，2008，18(12)：6-8.

[6] 任 山，張建良，劉偉劍,等. 高爐噴吹煤粉的灰熔融特性[J]. 鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2012，24(10)：11-15.

[7] 張 華，張建良，柏 凌，等. 太鋼高爐噴吹煤粉燃燒性和反應(yīng)性的研究[J]. 煉鐵，2008，27(1)：53-56.

[8] 李雙江，閻亞坤，胡賓生，等. 煤粉水分含量對(duì)高爐噴吹過程的影響[J]. 河北冶金，2007(5):25-26.

[9] 韓寶松，封冬貫. 高爐噴吹煤粉置換比測(cè)算分析[J]. 甘肅冶金，2013，35(1)：19-20.