高爐噴吹用煤指標(biāo)的冶金性能試驗(yàn)與研究

楊 陶，劉 崇，吳宏亮，高 鵬，王阿鵬，劉 綱，郝團(tuán)偉

(1.馬鋼股份公司煉鐵總廠，安徽 馬鞍山 243011；2.河鋼集團(tuán)鋼研總院，河北 石家莊 050023；3.清華大學(xué)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(nèi)外高爐噴吹煤粉工藝的進(jìn)步以及優(yōu)質(zhì)煉焦原料的枯竭，高爐噴吹煤粉技術(shù)在煉鐵工序中的作用日益明顯，因此國內(nèi)各大鋼企加大了對(duì)噴吹工藝的研發(fā)投入。經(jīng)過不斷攻關(guān)高爐煤比大幅提升，但諸多鋼鐵廠技術(shù)人員僅關(guān)注煤種的工業(yè)分析與元素分析結(jié)果，對(duì)之外的指標(biāo)不甚了解[1]。近年來，鋼鐵企業(yè)對(duì)高爐內(nèi)部煤粉反應(yīng)的指標(biāo)參數(shù)和燃燒行為持有較高的關(guān)注度，希冀以科學(xué)合理的用煤指標(biāo)用于指導(dǎo)生產(chǎn)，以達(dá)到合理用煤、提高煤比的目的。事實(shí)上，煤粉的其他理化性能諸如爆炸性、流動(dòng)性、著火點(diǎn)、燃燒性等也影響著高爐的噴煤指標(biāo)[2]。這些指標(biāo)的高低不僅影響著煤粉燃燒與煤焦置換比，在生產(chǎn)中還可能磨損煤粉輸運(yùn)設(shè)施、引起風(fēng)口結(jié)焦、煤槍堵槍等生產(chǎn)事故問題[3-4]。為詳細(xì)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(jù)。因此，對(duì)高爐用煤的冶金指標(biāo)進(jìn)行了系統(tǒng)性的分析。

1 噴吹用煤的選擇指標(biāo)

基于高爐生產(chǎn)對(duì)噴吹煤種性能的基本要求，將煤種的諸多指標(biāo)劃分為基礎(chǔ)性能、燃燒性能、反應(yīng)性能、可磨性能及流動(dòng)性能等指標(biāo)。

1.1 基礎(chǔ)性能指標(biāo)

工業(yè)分析中的揮發(fā)分、灰分含量與元素分析中的碳、氫、氧、硫含量構(gòu)成了噴吹煤種的基礎(chǔ)性能指標(biāo)。

就工業(yè)分析結(jié)果而言，煤粉中灰分越低越好且含量小于15%為宜；揮發(fā)分與煤粉燃燒性成正相關(guān)關(guān)系，但較高含量的揮發(fā)分不僅會(huì)引發(fā)安全事故，還會(huì)導(dǎo)致煤粉的發(fā)熱量和置換比降低[5-6]。煤粉燃燒環(huán)節(jié)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(zhì)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(biāo)

煤種燃燒性與鼓風(fēng)中O2含量、風(fēng)溫、煤粉粒度及成分均有緊密相關(guān)[8]。為確保高爐風(fēng)口前的煤粉在全部燃燒，以提高高爐鐵水產(chǎn)量和煤比，應(yīng)噴吹燃燒性好的煤。煤粉的著火點(diǎn)、燃燒率以及爆炸性構(gòu)成了燃燒性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.2.1 著火點(diǎn)

為促使煤粉快速著火并燃燒，應(yīng)噴吹低著火點(diǎn)的煤粉，但此煤粉倉貯時(shí)易引發(fā)安全事故。實(shí)驗(yàn)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(tài)熱重法來計(jì)算煤粉的燃燒率，并測量溫度為1 200 ℃時(shí)的燃燒情況。

1.2.3 爆炸性

一般認(rèn)為揮發(fā)分含量低于10%的煤粉無爆炸性，而大于25%的為強(qiáng)爆炸性煤[9]。實(shí)驗(yàn)中將1 g、74 μm的煤粉置于長管式測試設(shè)備玻璃管內(nèi)1 050 ℃火源上，通過觀察煤粉爆炸時(shí)返回火焰長度來判斷其爆炸性強(qiáng)弱。

1.3 可磨性能指標(biāo)

本實(shí)驗(yàn)利用哈德格羅夫法判定煤種的可磨性指數(shù)(HGI)，可磨性指數(shù)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(shù)分布在60～90較合適[10]。指數(shù)低于50的煤很硬因而研磨性差，大于90的煤易磨但有較強(qiáng)的黏結(jié)性，給煤粉輸運(yùn)帶來了困難。

1.4 反應(yīng)性能指標(biāo)

煤種的反應(yīng)性影響著高爐的耗煤、耗氧及煤氣成分等，且與高爐內(nèi)煤粉的燃燒情況直接相關(guān)，強(qiáng)反應(yīng)性煤反應(yīng)迅速且效率高。

1.5 流動(dòng)性能指標(biāo)

煤粉的流動(dòng)、噴流特性構(gòu)成了煤種的流動(dòng)性能指標(biāo)。煤粉的流動(dòng)特性、噴流特性分別與煤粉的輸送能力、回旋區(qū)的彌散度成正相關(guān)關(guān)系[11]。利用BT-1000型粉體綜合特性測試儀測定煤粉的流動(dòng)、噴流參數(shù)，基于數(shù)據(jù)分析，得到煤粉的流動(dòng)性能指標(biāo)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 基礎(chǔ)性能指標(biāo)

由于煤種的產(chǎn)地和煤質(zhì)特性差異，因此在采購噴吹用煤時(shí)須充分考慮煤種的理化性能。由表1中數(shù)據(jù)測試結(jié)果可以看出：煤粉的揮發(fā)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(chǔ)性能測定結(jié)果 %

由表1可知，煤粉中碳含量隨揮發(fā)分和灰分含量增加而降低[12]。2#煤種由于揮發(fā)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(fā)分、6.03%灰分而導(dǎo)致其碳含量較低，僅為84.21%。

由元素?cái)?shù)據(jù)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(fā)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(dá)到了0.79%。

通過對(duì)各煤種基礎(chǔ)性能測試結(jié)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(biāo)

表2為各煤種的著火點(diǎn)、燃燒性及爆炸性的測試結(jié)果。

表2 煤粉的燃燒性能測定結(jié)果

由表2中的數(shù)據(jù)可知，煤種的著火點(diǎn)在382～524 ℃，均達(dá)到了高爐對(duì)噴吹用煤的要求，其中6#煤的著火點(diǎn)最低，為382.3 ℃；1#煤的著火點(diǎn)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(diǎn)為504.9 ℃。目前使用的七種煤著火點(diǎn)順序?yàn)椋?#>2#>4#>5#>7#>3#>6#。

根據(jù)煤種的燃燒率測試結(jié)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(fā)分高，而揮發(fā)分在較低溫度下便可析出及燃燒，這就為碳的燃燒創(chuàng)造了條件，從而促進(jìn)了煤粉的燃燒[13]。5#煤含有12.63%的揮發(fā)，但是氧含達(dá)到了3.37%，導(dǎo)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(fā)分含量較低，導(dǎo)致煤粉不易燃燒。各煤粉的燃燒率排序?yàn)椋?#>3#>7#>4#>2#>1#>5#。

由煤種的爆炸性數(shù)據(jù)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(diǎn)偏好，在使用過程中應(yīng)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(jié)果，則煤粉的可磨性指數(shù)順序?yàn)椋?#>3#>5#>6#>2#>7#>1#，除了1#、2#、7#煤外，其余煤粉的可磨性指數(shù)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(shù)小于60的3種煤粉，將會(huì)增加磨煤能耗。

圖1 煤粉的可磨性測定結(jié)果

2.4 流動(dòng)性和噴流性

煤粉流動(dòng)性和噴流性相關(guān)參數(shù)測定結(jié)果如表3所示。

表3 煤粉的流動(dòng)性和噴流性測定結(jié)果

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

2.5 反應(yīng)性

表4為不同富氧率下煤的反應(yīng)性測定。

表4 不同富氧率下煤的反應(yīng)性測定

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

3 單煤特性分析

通過對(duì)各煤種的冶金性能進(jìn)行測試與分析，可得出如下結(jié)果：

(1)1#。1#煤粉的揮發(fā)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(diǎn)偏高、燃燒性較差、流動(dòng)性較低，因此在生產(chǎn)過程中要警惕粘結(jié)噴煤槍，基于上述數(shù)據(jù)分析，不建議將該煤用作高爐噴吹用煤。

(2)2#。該煤的揮發(fā)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(shù)一般，但符合高爐對(duì)噴吹用煤的要求；但其燃燒性、流動(dòng)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(fā)分、灰分含量偏高，同時(shí)含有較高含量的碳，燃燒性、可磨性和反應(yīng)性指數(shù)均達(dá)標(biāo)，但煤種的硫含量偏高，且流動(dòng)性一般。

(4)4#。該煤種的揮發(fā)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(yīng)性較好，但流動(dòng)性極差。

(5)5#。該煤種的揮發(fā)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(dòng)性和反應(yīng)性一般。

(6)6#。該煤是唯一的煙煤，含有較高的揮發(fā)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(yīng)性較好。

(7)7#。該煤種的揮發(fā)分、灰分、碳含量均適中，氫含量較高，而氫可強(qiáng)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(dòng)性和反應(yīng)性較好。

配煤過程中需要混煤具有合適的揮發(fā)分含量、流動(dòng)性以及燃燒性等基本特性，從上述的煤粉特性數(shù)據(jù)可以看出，各個(gè)煤粉之間的性能存在差異，因此通過互補(bǔ)搭配，合理利用各種煤粉，基于煤粉的基礎(chǔ)特性，利用取長補(bǔ)短的策略進(jìn)行配煤實(shí)驗(yàn)，最大限度挖掘各煤粉的優(yōu)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(jié) 論

通過對(duì)高爐噴吹用煤各項(xiàng)冶金指標(biāo)的歸納分析，并以現(xiàn)階段所使用的七種高爐噴吹煤粉為研究對(duì)象，對(duì)各煤粉的冶金性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究及并對(duì)可行性指標(biāo)進(jìn)行了理論分析，根據(jù)檢測結(jié)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#。