黑山褐煤熱解提質特性及其半焦制備高爐噴吹適用性研究

程志紅

(潞安集團營銷總公司，山西 長治 046204)

在所有煤炭資源中，褐煤約占到全世界煤炭儲量的2/5左右；我國褐煤儲量也很大，約為煤炭總儲量的17%以上[1]。隨著優(yōu)質高階煤消耗量的增加和可利用資源量的逐漸減少，褐煤高效利用也逐漸引起了各國的重視。

褐煤是典型的低階煤，由于其揮發(fā)分和氧含量較高，易于風化和自然，而且熱值較低，因此其使用受到了極大的限制。而褐煤經過干餾提質后得到的半焦揮發(fā)分大幅降低，有效的改善了褐煤的性能[2-3]。經過干餾提質后得到的半焦不僅降低了低階褐煤的揮發(fā)分，提高了安全性，而且還具有低灰、低硫、氣化效率高和反應性好等優(yōu)點。這些優(yōu)點正好與噴吹煤的基本要求參數相吻合。因此，采用干餾提質技術得到的半焦可以部分替代價格較高的無煙煤、貧煤和貧瘦煤，從而降低噴吹原料成本，提高企業(yè)經濟效益[4-7]。褐煤干餾提質利用不僅是順應國家能源優(yōu)化政策，合理高效梯級利用煤炭資源；而且低階煤提質產業(yè)屬于國家循環(huán)經濟發(fā)展的重要領域，具有節(jié)能減排、高附加值和技術革新等一系列優(yōu)勢，因此低階煤提質半焦用于噴吹煤在市場經濟中富有極大的生命力和廣闊的前景。本文通過煤焦性能分析及低溫干餾研究，考察了褐煤干餾時間和干餾溫度對內蒙黑山褐煤提質半焦性能的影響；并在研究的基礎上結合噴吹煤性能的要求，提出了內蒙黑山褐煤提質制備噴吹煤的關鍵技術。

1 褐煤制備噴吹煤的主要參數及評價指標

1.1 褐煤制備噴吹煤的主要參數

高爐噴煤對現代高爐煉鐵技術來說具有革命性的重大意義。首先采用高爐噴煤代替焦炭，可以減少高爐煉鐵對焦炭的需求，而減少對焦炭的需求，就可以減少生產焦炭或少建焦爐，從而減少對環(huán)境的污染。其次，高爐噴吹可以緩解我國主焦煤的短缺，優(yōu)化煉鐵系統(tǒng)用能結構，降低能耗，實現結構節(jié)能。再者高爐噴煤，可以降低煉鐵系統(tǒng)的系統(tǒng)投資和運行成本。同時高爐噴吹是調劑爐況熱制度的有效手段，通過噴吹可改善高爐爐缸工作狀態(tài)，提高高爐穩(wěn)定性；另外可提高高爐風，加大冶煉強度，提高生鐵產量水平。

高爐噴煤是通過向高爐內噴煤替代部分焦炭提供煉鐵所需的熱量以及還原劑。噴吹的煤粉或焦粉的燃料理化指標對其輸送速度、燃燒效率、高爐爐缸工作狀態(tài)、穩(wěn)定性以及還原反應整體效率都有很明顯的影響。因此，高爐煉鐵對噴吹的煤粉及焦粉等燃料的爆炸性能、燃燒性能、可磨性能、反應活性以及輸送性能等具有很高的要求[8]。噴吹燃料的性能參數指標滿足基本指標要求是保證噴吹性能的前提基本要求。噴吹燃料的基本參數指標見表1[9]。根據原有噴吹燃料理化參數指標的不同，摻配的粉煤和半焦粉的種類和數量也有所不同，當原始噴吹燃料的理化參數優(yōu)于表1的數據時，就可以向原噴吹燃料中摻入部分低指標參數的煤粉或焦粉等；而且原始噴吹燃料的理化參數越優(yōu)，可以摻混的煤粉或焦粉等越高，而且對其指標要求更低。

表1 噴吹燃料的基本參數 %

1.2 褐煤制備噴吹煤評價指標

參照表1，確定以揮發(fā)分作為評價所制備半焦是否合適作為噴吹煤的首要指標。若經過干餾所制備的半焦揮發(fā)分值低于噴吹煤基本參數的指標值(< 15%)，則滿足普通噴吹燃料的揮發(fā)分指標；若揮發(fā)分值達到< 8 %，則滿足特級噴吹燃料的指標。然后進一步測定干餾半焦的灰分和硫含量等其他指標，最后綜合評價其是否滿足噴吹燃料的基本指標。

2 黑山煤特點及其熱解特性

2.1 黑山煤的煤質特點

表2 煤質分析 %

黑山煤的煤質分析見表2。從表2可以看出，黑山煤屬于低灰(3.90%)和低硫(0.26%)煤；熱值較高；而且熱值較高，Qgr,v,d為31.70 MJ/kg。與表1的數據對比可以判斷，經過干餾后得到的半焦應該可以達到噴吹燃料的基本參數要求，甚至達到特級噴吹燃料的基本要求。

2.2 黑山煤熱解特性

不同升溫速率的黑山褐煤熱解特性如圖1所示。從圖1可以發(fā)現，隨著加熱速率的增加，失重率增加，從5℃/min的17.17%增加到20℃/min的26.07%。這主要是由于隨著升溫速率的增加，煤發(fā)生快速熱解，大分子斷裂產生的小分子快速排出，減少了分子與分子，氣體分子與固體分子之間的縮合二次反應[10-12]。因此，快速熱解降低了半焦的收率，可以增加氣、液相產物產率。

圖1 黑山褐煤的TG-DTG曲線

另外從圖1的DTG圖可知，快速熱解的熱解速率也明顯高于慢速熱解，且最大失重速率峰也向高溫區(qū)變化。在120℃之前主要是干燥脫水，120～350 ℃進行脫吸，煤釋放出吸附在毛隙孔中的氣體，如CH4、CO2、CO和N2等，而在外觀上基本不發(fā)生變化。350～550 ℃，此時煤劇烈分解，解聚，析出大量的焦油和氣體，并在5000 ℃左右出現最大失重速率峰。這是由于在500 ℃左右時析出焦油量最大，在此階段由于熱解，生成氣、液(焦油)、固(尚未分解的煤粒)三相為一體的膠質體，使煤發(fā)生了軟化、熔融、流動和膨脹。550～650 ℃時， 膠質體分解、縮聚、固化成半焦。650～750℃，半焦分解析出大量氣體，主要是H2和少量CH4，同時半焦因分解出氣體收縮而產生裂紋。750 ℃以后半焦進一步分解，繼續(xù)析出少量氣體，同時分解的殘留物進一步縮聚，芳香碳網不斷增大，排列規(guī)則化，半焦轉變成具有一定強度和塊度的焦炭。

3 干餾提質半焦作為噴吹燃料性能分析

黑山褐煤500℃和600℃ 提質后半焦的工業(yè)分析和元素如表3所示。

表3 黑山褐煤不同溫度半焦的工業(yè)分析和元素 %

從表3的數據分析可以看出，隨著褐煤提質溫度的提高，所得到的提質半焦的揮發(fā)分越低，500℃和600℃提質后得到的半焦的揮發(fā)分均低于15%，500℃時的揮發(fā)分可以達到普通噴吹煤的基本參數，溫度提升到600℃時，所得到半焦的揮發(fā)分可以達到特級噴吹煤的基本參數要求。而且其碳含量也逐漸升高，從500℃的79.17%提高到600℃的86.84%。這主要是由于隨著熱解溫度的升高，原煤中的含H和O的不飽和鍵隨著提質溫度的升高而減少，其基本結構中的芳環(huán)縮合度增加；表明半焦主要有大分子網狀結構構成[13-15]。

制作噴吹煤除了要考察揮發(fā)分外，從表1的基本參數要求數據中還可以看到，還需要考慮灰、水和硫的最終含量。從表3的數據中可以看到，經過500℃和600℃提質干餾后得到的提質半焦水分、硫分和灰分也均達到了噴吹煤的基本指標。進一步從表4的發(fā)熱量對比可以看出，經過提質后半焦的發(fā)熱量也明顯增加。經500℃和600℃提質后，半焦的高位發(fā)熱量比原褐煤分別提高了5.7%和8.0%，而低位發(fā)熱量分別比原有褐煤提高了3.4%和11.91%。而一般無煙煤的高位發(fā)熱量在25.12-32.65 MJ/kg之間，從表4的數據中也可以看出，經過提質后得到半焦的發(fā)熱量也可以達到無煙煤的標準。因此黑山褐煤經過干餾提質后的基本參數完全可以滿足噴吹煤的要求，其不僅可以制作普通噴吹煤，而且可以制作特級噴吹煤。

表4 黑山褐煤提質半焦的發(fā)熱量

根據GB/T 4000-2008《焦炭反應性及反應后強度試驗方法》對黑山褐煤提質半焦的反應性進行了測試，結果如表5所示。從表5的數據中可以看到，隨著干餾溫度的升高，所得到半焦的二氧化碳反應性有所降低。但都在70%以上，表明黑山褐煤提質得到半焦反應活性整體較好，這也符合噴吹燃料的基本要有，符合高爐的操作。

表5 黑山提質半焦的二氧化碳反應性

4 結論

通過對黑山褐煤熱解提質特性及其半焦制備高爐噴吹適用性研究得出以下結論：

(1)經過干餾提質的黑山半焦具有低灰、低硫、高反應活性、高發(fā)熱量等優(yōu)良的特性，其基本參數達到了噴吹煤基本參數的要求，甚至經過工藝參數的調控，可以達到目前國內主流特級噴吹燃料(煤)的性質，是一種比較有競爭優(yōu)勢的噴吹原材料。

(2)同時研究表明，通過控制干餾提質的參數，可以達到改善低溫提質半焦性能的目的。因此，通過深入的研究，對在優(yōu)質噴吹煤原料中增加廉價的其他燃料，實現劣質煤等高效梯級資源化利用，提高企業(yè)效益和競爭力都具有重要的意義，因此建議相關企事業(yè)單位加強該方面的理論和應用研究。