无烟煤对高炉喷吹用混合煤燃烧性的影响

2013-11-05欧阳曙光吴天礼苏晓丽王子侃

武汉科技大学学报 2013年2期

欧阳曙光，许杰，吴天礼，苏晓丽，王子侃，杨超

（1.武汉科技大学化学工程与技术学院，湖北武汉，430081；2.武汉科技大学煤转化与新型炭材料湖北省重点实验室，湖北武汉，430081；3.北京首钢国际工程技术有限公司，北京，100043）

近年来，高炉喷煤技术已成为钢铁行业节约焦炭、降低成本和改进冶炼工艺最有效的技术手段，大幅度提高喷煤量和煤焦置换比是各钢铁企业的共同目标。煤粉在高炉风口前的燃烧率直接关系到煤焦置换比的高低和喷煤量的大小，过低的燃烧率将产生大量的未燃煤粉，不仅会恶化高炉料柱层的透气性和透液性、提高炉渣的黏度和熔化温度、影响高炉的顺行，而且还会降低煤焦置换比，造成喷吹煤资源的浪费，增加生产成本［1－4］。

将烟煤和无烟煤进行混合喷吹，不仅能提高煤粉燃烧率，而且还可以扩大喷吹煤种来源，充分利用我国煤炭资源［5－6］。目前，国内外高炉喷吹用混合煤均以烟煤配比和挥发分含量为指标，即烟煤的配比为30%～45%比较合适［7－8］，混合煤的挥发分宜控制在20%～25%［9］，但具体配比还受所配入单种煤性质的影响。适宜的配比首先要保证混合煤具有良好的喷吹性能，而混合煤燃烧性是表征其喷吹性能的关键指标。因此，如何正确选择喷吹煤种，充分发挥各煤种的优势性能，并进一步优化各单种煤的配比，保证混合煤具有良好的燃烧性能，对钢铁企业提高喷煤量与煤焦置换比、降低生铁成本、高炉调剂有重要意义。

本文选取国内某大型钢铁企业常用的几种喷吹煤，研究配入不同无烟煤对高炉喷吹混合煤燃烧性的影响，并对不同粒度区间的混合煤燃烧性进行分析，探讨无烟煤的燃烧性和可磨性对混合煤燃烧性的影响。

1 试验

1.1 试验原料

采用某钢铁企业提供的5种喷吹用单种煤作为原始试验煤样，其中1＃～4＃为无烟煤，5＃为烟煤，其工业分析如表1所示。共设计了9种混合煤喷吹方案，混合煤配比如表2所示。

表1 单种煤的工业分析（wB／%）Table1 Proximate analysis of the single coals

表2 混合煤的配比（wB／%）Table2 Ratios of the blended coals

将5种单种煤样和9种混合煤样进行预粉碎、干燥、研磨和筛分，控制各煤样中粒度小于100目的煤粉比例在85%±2%范围内，并对混合煤进一步筛分，分别筛取100～150目、150～200目和小于200目3个粒度级的煤粉以备用。

1.2 试验方法

分别称取单种煤样（共5个）和不同粒度级的混合煤样（共27个）各10mg左右，采用德国STA－449型综合热分析仪进行热重试验，通入压缩空气，气体流量为60mL／min，从室温加热至1000℃，升温速率为10℃／min，测得各煤样的TG－DTG曲线。

参照文献［10－14］，根据 TG－DTG 曲线确定各煤样的最大燃烧速率（dw／dt）cmax、平均燃烧速率（dw／dt）cmean、着火温度Ti和燃尽温度Th。能够表征单种煤及混合煤综合燃烧特性的指数S可表示为：

燃烧特性指数S综合反映了煤的着火与燃尽特性。S值越大，煤粉的综合燃烧性能越好［12－14］。

2 结果与分析

2.1 单种煤的燃烧特性

各单种煤试样的燃烧性数据如表3所示。由表3可见，与其他4种无烟煤相比，5＃烟煤的着火温度和燃尽温度较低，主要原因是烟煤的煤质疏松，其挥发分比无烟煤的高，在受热时易分解产生可燃气体［15－16］。4种无烟煤中，着火温度最高的是4＃无烟煤，故其不利于低温燃烧；1＃和2＃无烟煤着火温度较接近且比较低，3＃无烟煤着火温度最低。5＃烟煤在较低温度时就达到最大燃烧速率，1＃、2＃和3＃无烟煤在较高温度时才达到最大燃烧速率，4＃无烟煤达到最大燃烧速率时的温度最高。因此可以得出：5＃烟煤的燃烧性比其他4种无烟煤的燃烧性好，1＃和2＃无烟煤的燃烧性接近且较好，其次为3＃无烟煤，4＃无烟煤的燃烧性最差。

表3 单种煤的燃烧性数据Table3 Combustion property data of the single coals

2.2 混合煤的燃烧特性

2.2.1 粒度对混合煤燃烧性的影响

不同粒度级混合煤样的着火温度和燃尽温度如表4所示。由表4可见，同一种混合煤的着火温度和燃尽温度均随煤粉粒径的减小而降低。这主要是因为，随着煤粉粒度的减小，其孔隙结构变得更加复杂，比表面积和孔容积增大，为氧气与煤粉颗粒之间的反应提供了更多的接触面，反应介质和反应产物的扩散通道也更多，从而有利于煤粉的着火燃烧［17］。

表4 不同粒度级混合煤样的着火温度和燃尽温度Table4 Ignition and burnout temperatures of blended coals with different particle sizes

不同粒度级混合煤样的燃烧特性指数如图1所示。从图1可以看出，前3种混合煤的燃烧性随煤粉粒度级的变化趋势相同，即随着煤粉粒径的减小，混合煤的燃烧特性指数呈增大趋势；而对于后6种混合煤而言，150～200目粒级煤粉的燃烧特性指数大于100～150目粒级煤粉的燃烧特性指数，且两者接近或大于－200目粒级煤粉的燃烧特性指数。这是因为，1＃无烟煤的可磨性较差［17］，故其在大粒径混合煤中所占的比例偏大（大于其原始配比），即对于同一种混合煤，1＃无烟煤在100～150目、150～200目煤样中的比例大于其在－200目煤样中的比例。前3种混合煤中1＃无烟煤配比较低，导致其在大粒径混合煤中所占的比例提高不大，不能发挥出其燃烧性好的优势，对混合煤燃烧性的影响也较小，此时粒度对混合煤燃烧性的影响起主导作用，即随着粒径的减小，煤粉燃烧性提高。但是，随着1＃无烟煤在混合煤中配比的增大，其在100～150目与150～200目粒级煤粉中所占的比例明显变大，此时混合煤粉的组成对混合煤燃烧性的影响起主导作用，使得后6种混合煤中，100～150目与150～200目粒级煤粉的燃烧特性指数接近以至于大于－200目煤粉的燃烧特性指数。

图1 不同粒度级混合煤样的燃烧特性指数Fig.1 Combustion characteristics index of blended coals with different particle sizes

为了充分利用1＃无烟煤燃烧性好的优点，并综合考虑制粉成本，在高炉混合喷吹时可以将其单独粉碎至适宜粒度级，以保证喷吹混合煤具有良好的燃烧性能。

2.2.2 无烟煤配比对混合煤燃烧性的影响

将前述9种混合煤的3种不同粒径煤样按1∶1∶1混合得到粒径小于100目的9种混合煤，对每种混合煤中3种不同粒径煤样的燃烧特性指数加权平均得到这9种混合煤的燃烧特性指数如表5所示。从表5中可以看出，混1′的综合燃烧性能最好，其次为混3′、混5′、混7′、混8′和混9′；混2′、混4′和混6′的燃烧性能较差。

表5 粒径小于100目混合煤粉的燃烧特性指数Table5 Combustion characteristics index of blended coals with particle size less than 100mesh

9种混合煤中，混2′、混4′和混6′的燃烧特性指数明显较低，是因为这3种混合煤与其它6种混合煤的主要区别在于配入了燃烧性最差的4＃无烟煤。混2′、混4′和混6′中4＃无烟煤的配比逐渐增加，从而导致混合煤的燃烧性能逐渐降低。因此，燃烧性差的4＃无烟煤不适合大比例用于高炉混合喷吹。

混3′、混5′和混7′这3种混合煤中，1＃无烟煤的配入量依次增加10%，3＃无烟煤的配入量依次减小10%，而混合煤的燃烧性逐渐变差。另外，混8′和混9′这两种混合煤的不同之处在于：混8′配入了20%的3＃无烟煤，混9′则配入20%的2＃无烟煤，而混8′的燃烧性优于混9′。由此可见，燃烧性相对较差的3＃无烟煤对混合煤综合燃烧性能的改善作用大于燃烧性较好的1＃、2＃无烟煤。这主要是因为，3＃无烟煤的可磨性优于1＃、2＃无烟煤的可磨性［17］，在混合煤制粉的过程中容易破碎成更小的颗粒，3＃无烟煤的配入量越大，混合煤的平均粒径越小，越有利于混合煤粉的着火燃烧。因此，燃烧性好的1＃无烟煤配入的比例越大，混合煤的燃烧性不一定就越好，混合煤的燃烧性与配入单种煤的燃烧性相关，同时也受其可磨性的影响，当配入无烟煤的燃烧性能相近时，无烟煤对混合煤燃烧性的影响主要取决于无烟煤的可磨性。