優(yōu)化高爐噴吹混合煤粉的研究

馮 帥

(河鋼集團(tuán)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(guó)主焦煤的短缺，優(yōu)化煉鐵系統(tǒng)的能源結(jié)構(gòu)，同時(shí)也可以減少煉焦對(duì)環(huán)境的污染。煤粉代替焦炭經(jīng)濟(jì)效益巨大，邯寶煉鐵廠2座3200 m3高爐，年產(chǎn)量550萬(wàn)噸，煤比在130 kg/t左右，煤焦置換比按0.8計(jì)算，年降低成本300萬(wàn)以上。噴煤車(chē)間的人員和設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用遠(yuǎn)低于焦化廠，也可以提高企業(yè)的勞動(dòng)生產(chǎn)率。噴吹煤粉又可以作為一項(xiàng)調(diào)節(jié)高爐冶煉的有效手段，為高爐富氧鼓風(fēng)創(chuàng)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(jìn)一步提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

1 噴吹用煤的煤質(zhì)指標(biāo)

煤質(zhì)指標(biāo)的基本分析分為元素分析和工業(yè)分析。通過(guò)工業(yè)分析可以初步了解煤的性質(zhì)，大致判斷煤的種類(lèi)和用途，工業(yè)分析包括對(duì)水分、灰分、揮發(fā)分的測(cè)定和固定碳的計(jì)算。通過(guò)元素分析可以測(cè)定高爐噴吹煤中碳、氫、氧、氮、硫等元素的含量，從而對(duì)噴吹煤的化學(xué)成分進(jìn)行最直觀的分析和了解。邯鋼噴吹用煤工業(yè)分析結(jié)果見(jiàn)表1所示。

由表1可知，工業(yè)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(duì)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(chǎn)量也會(huì)降低。灰分高會(huì)使高爐渣量增多，對(duì)于高爐透氣性不利。1#煙煤揮發(fā)分28.48%，2#、3#煙煤揮發(fā)分在30%左右，1#煙煤揮發(fā)分略低。

三種無(wú)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(fā)分在7%～9.5%之間，明顯低于煙煤揮發(fā)分含量。煙煤水分在5%～6.5%之間，吸水性較強(qiáng)，無(wú)煙煤水分在1.5%以下。

元素分析中，煙煤C元素在66%左右，無(wú)煙煤在80%左右。煙煤H元素含量在3%～4%之間，無(wú)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(wú)煙煤在4%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于煙煤。煤中O元素是有害元素，C元素與O元素結(jié)合，消耗了有效C元素，發(fā)熱值會(huì)降低。噴吹用煤要求S含量越低越好，避免硫負(fù)荷過(guò)重造成鐵水質(zhì)量問(wèn)題。三種煙煤和三種無(wú)煙煤S元素含量均≤0.4%，符合邯鋼噴吹用煤規(guī)定要求(S≤0.4%)。

表1 噴吹用煤的工業(yè)分析和元素分析

煤的可磨性指數(shù)越大，越容易粉碎。其可磨性指數(shù)對(duì)高爐冶煉過(guò)程沒(méi)有直接影響，但影響磨機(jī)出力和電耗，影響粉煤的加工成本和高爐生產(chǎn)效益。1#煙煤可磨性較低，僅為56，2#、3#可磨指數(shù)分別為81、82，屬于可磨性能較好的煙煤。I#、II#無(wú)煙煤可磨指數(shù)為53，不易磨，III#可磨指數(shù)為76。

2 噴吹用煤的化學(xué)組成及灰熔點(diǎn)

邯鋼所使用的三種煙煤和三種無(wú)煙煤的灰分化學(xué)組成如表2所示，灰熔點(diǎn)如表3所示。

表2 噴吹用煤灰分的化學(xué)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(fù)荷。三種無(wú)煙煤中，I#無(wú)煙煤的堿金屬含量最低，為0.11%；II#、III#無(wú)煙煤K2O+Na2O含量均為0.18%，邯鋼高爐噴吹1#無(wú)煙煤有利于降低高爐的堿金屬負(fù)荷。

無(wú)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(biāo)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?jī)H為12.18%。煙煤和無(wú)煙煤灰分中的SiO2含量相差不大。

由表3可知，煙煤的灰熔點(diǎn)明顯低于無(wú)煙煤的灰熔點(diǎn)。三種煙煤灰熔融性都比較低，在1190 ℃左右開(kāi)始變形，1195 ℃開(kāi)始軟化，流動(dòng)溫度在1201～1211 ℃之間。三種無(wú)煙煤灰分的變形溫度、軟化溫度、半球溫度、流動(dòng)溫度都高于1500 ℃，這是因?yàn)闊o(wú)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(wú)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(diǎn)(℃)

3 噴吹用煤的著火點(diǎn)、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(biāo)志。煤粉燃燒率的大小，表明煤粉在高爐風(fēng)口氣化的完全程度。如果煤粉在高爐風(fēng)口燃燒率低，煤粉燃燒不完全，不僅會(huì)降低煤粉在高爐內(nèi)的利用率，還會(huì)影響爐料的透氣性和爐渣粘度，進(jìn)而影響高爐生產(chǎn)。

煤粉燃燒試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1所示。該試驗(yàn)裝置模擬高爐風(fēng)口的燃燒條件，以立式電爐模擬熱風(fēng)爐加熱空氣，用燃燒爐模擬高爐風(fēng)口的煤粉燃燒狀況，將經(jīng)過(guò)干燥的煤粉噴進(jìn)燃燒爐中，進(jìn)行煤粉燃燒率的測(cè)定。本實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)了連續(xù)噴吹，更好地模擬高爐噴煤過(guò)程，提高了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。采用灰分平衡法計(jì)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(fēng)爐；2.剛玉管；3.燃燒爐；4.冷卻系統(tǒng)；5.收灰槽；6.收氣囊；7.除塵器；8.噴煤瓶圖1 煤粉燃燒爐結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1Sketch of stove for pulverized coal combustion

邯鋼噴吹用煤的著火點(diǎn)、揮發(fā)分、燃燒率如表4所示。

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

表4 原煤樣著火點(diǎn)和燃燒率

三種無(wú)煙煤的著火點(diǎn)溫度較高，著火溫度均在400 ℃以上。I#無(wú)煙煤的著火溫度最高為405 ℃。一般來(lái)說(shuō)，煤的著火溫度越低，越容易發(fā)生自燃現(xiàn)象，其燃燒率較高。三種煙煤中，1#煙煤的著火點(diǎn)最低，為325 ℃，其次為2#、3#煙煤。不同煤種的著火點(diǎn)隨著煤粉中揮發(fā)分的含量的增加呈下降趨勢(shì)，這是由于揮發(fā)分受熱分解，變?yōu)闅鈶B(tài)而揮發(fā)出來(lái)，提高了煤粉的升溫速度，從而使煤粉著火點(diǎn)溫度降低。對(duì)于著火點(diǎn)溫度較低的煤，保證安全制粉是重要前提。邯鋼使用的3臺(tái)中速磨，對(duì)磨機(jī)的進(jìn)口溫度限制嚴(yán)格，溫度超過(guò)300 ℃磨機(jī)連鎖保護(hù)跳停；磨機(jī)入口含氧量高于12%，磨機(jī)連鎖保護(hù)跳停。

三種煙煤中，3#煙煤的燃燒率最高，達(dá)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(wú)煙煤的燃燒率相對(duì)較低，三種無(wú)煙煤中，III#無(wú)煙煤的燃燒率最好，達(dá)到66.02%，II#無(wú)煙煤的燃燒率僅為62.41%。由于無(wú)煙煤的煤化程度較深，主要顯微成分為鏡質(zhì)組且基本上是完全失去細(xì)胞結(jié)構(gòu)的鏡質(zhì)體，結(jié)構(gòu)致密，燃燒是由外向內(nèi)層層推進(jìn)的層狀燃燒，即使細(xì)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(fā)分，結(jié)構(gòu)疏松，其燃燒過(guò)程是多孔性燃燒，它的燃燒性能比無(wú)煙煤好，但置換比較低。無(wú)煙煤含碳量高，結(jié)構(gòu)致密，燃燒過(guò)程是由外到內(nèi)的層狀燃燒過(guò)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(jìn)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(duì)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(chǔ)性能檢測(cè)的基礎(chǔ)上，選取最佳煤種進(jìn)行混合，確定最佳配比。三種煙煤中3#煙煤燃燒率最高，達(dá)到84.75%，3種無(wú)煙煤中III#無(wú)煙煤燃燒率最高，達(dá)到66.02%， 選擇3#煙煤和III#無(wú)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(yàn)條件下，隨著混煤中煙煤比例的提高，著火點(diǎn)逐漸下降，燃燒率呈上升趨勢(shì)，混煤的爆炸性逐漸增強(qiáng)?；烀旱闹瘘c(diǎn)和煙煤配比呈線性關(guān)系，即隨著煙煤配比的增加，著火點(diǎn)溫度降低。這是由于煙煤和無(wú)煙煤混合，混煤的揮發(fā)分增加，從而使它們的著火點(diǎn)隨之變化。可見(jiàn)無(wú)煙煤配加煙煤可降低煤粉的著火點(diǎn)，有利于煤粉燃燒，生產(chǎn)上有助于提高高爐噴煤量?；烀旱闹瘘c(diǎn)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(qiáng)爆炸性煤，無(wú)煙煤的爆炸性為0。隨著無(wú)煙煤配比的增加，爆炸性逐漸減弱。試驗(yàn)證明，在強(qiáng)爆炸性的煙煤中，加入無(wú)煙煤的比例達(dá)到45%時(shí)，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(quán)平均值。煙煤比例為0%時(shí)，燃燒率僅為66.02%；煙煤比例提高到30%時(shí)，燃燒率為68.11%，加權(quán)平均值66.65%，高出1.46%；煙煤比例提高到50%時(shí)，燃燒率為79.66%，加權(quán)平均值75.39%，高出4.28%，可見(jiàn)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?yàn)殡S著高揮發(fā)分煙煤配比的增加，混煤的揮發(fā)分含量升高，揮發(fā)分一方面從煤粉孔隙中析出，導(dǎo)致煤粉孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，另一方面揮發(fā)分會(huì)在煤粉顆粒表面或空隙內(nèi)部燃燒。揮發(fā)分含量越高，在煤粉燃燒過(guò)程中析出的就越多，析出的揮發(fā)分跟氧發(fā)生反應(yīng)放出熱量就越多，進(jìn)而促進(jìn)煤粉的燃燒；同時(shí)揮發(fā)分析出導(dǎo)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(shí)間內(nèi)的燃燒，煤粉燃燒速度越快，煤粉燃燒率就會(huì)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(fā)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(jié)論

(1)三種無(wú)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(shù)為81、82，III#無(wú)煙煤可磨指數(shù)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(dá)到84.75%，三種無(wú)煙煤中III#無(wú)煙煤燃燒率最高，達(dá)到66.02%， 混煤中首選3#煙煤和III#無(wú)煙煤。

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

(4)混煤的燃燒率大于其加權(quán)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。