大社贫煤作为高炉喷吹用煤的可行性研究

杨立英，张 苑

(峰峰集团有限公司，河北 邯郸 056000)

近年来，随着高炉喷吹技术的不断进步，高炉喷煤需求十分旺盛。在工业生产中，高炉喷吹就是将煤粉在炼铁高炉的风口处直接喷入炉内燃烧，它能起到提供热量和部分还原铁矿石的作用，可以替代价格较贵的冶金焦炭，使高炉炼铁焦比降低，生铁成本下降；喷吹煤还可有效调节炉况，改善高炉炉缸工作状态，使高炉稳定运行；以喷吹煤粉替代部分冶金焦炭，还能减少焦炭生产对环境的污染[1-2]。

峰峰集团煤炭品种齐全，有肥煤、焦煤、瘦煤、贫瘦煤、贫煤及无烟煤，较适合喷吹的是高变质程度的贫煤和无烟煤，目前，这些煤种主要用于发电，产品单一，市场狭窄，应变能力差。峰峰集团原煤产量在15 Mt/a以上，其中动力煤(主要是贫煤)产量在3 Mt/a以上，尤其是大社矿贫煤产量达1.5 Mt/a，该矿原煤为高灰、低硫、较高变质程度的贫煤，生产喷吹用煤具有较好的品种优势。目前，该矿原煤主要销往电煤市场，品种单一，加之当地电煤市场有限，使该矿原煤销售受限。为拓宽峰峰集团贫煤产品市场用途，尤其是年产量较高的大社矿贫煤的市场用途，结合实验室煤质化验数据和工业性模拟试验结果，对该矿贫煤作为高炉喷吹用煤的适应性进行分析研究，并作出了综合评价。

1 高炉喷吹用煤基本要求

1.1 煤种要求

根据高炉喷吹煤的生产工艺技术要求，较强粘结性煤在喷吹过程中易在风口处结焦，导致喷煤枪被堵塞，影响高炉生产。因此可以用做高炉喷吹用煤的煤种主要有：变质程度较高的无烟煤、贫煤、贫瘦煤和变质程度较低的弱粘煤、不粘煤、长焰煤及粘结指数低于50的部分气煤[3]。

1.2 煤质要求

高炉喷吹用煤对煤质指标与煤工艺性能的相关要求有：灰分、挥发分、全水、硫分、发热量、煤灰熔融性、可磨性、爆炸性、燃烧性等。

(1)煤的灰分。煤的灰分是高炉喷吹用煤的决定性指标，煤灰分高表明其中可燃成分降低；另外，煤中灰分在工业生产过程中最终转变为炉渣，灰分高既增加了助熔物的消耗，又增加了出渣量，所以喷吹用煤的灰分越低越好。GB/T 18512—2008《高炉喷吹用煤技术条件》规定：贫煤、贫瘦煤的灰分为8.00%～13.50%。

(2)煤的挥发分。煤的挥发分是高炉喷吹用煤的一项重要指标，挥发分高不但致使置换比降低，而且导致煤的爆炸性增强，故高炉喷吹用煤的挥发分一般要求不超过20%；当用高挥发分烟煤喷吹时，往往需要与贫煤混合使用，使其挥发分降到20%以下。

(3) 煤的硫分。煤中的硫燃烧后生成SO2和SO3，既影响生铁和钢的质量，又对环境造成污染。因此煤的硫分越低越好。国家标准GB/T 18512—2008《高炉喷吹用煤技术条件》规定：高炉喷吹用煤的全硫含量最高不超过1.00%。

(4)煤的水分。高炉喷吹煤多为洗精煤，全水分一般较高，煤的水分高既增加了运输费用，同时又降低了煤的发热量和磨煤机的产量。另外，喷入高炉的水在风口前粉煤燃烧时要分解、吸热，增加了补偿热，无补偿手段时要降低喷吹量，因此全水分越低越好。国家标准GB/T 18512—2008《高炉喷吹用煤技术条件》规定：高炉喷吹用无烟煤、贫煤、贫瘦煤的全水分≤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项重要指标，煤的可磨性指数高，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响工业生产中粉煤的加工成本。MT/T 852—2000《煤的哈氏可磨性指数分级》将煤的易磨性分为：难磨(≤40)、较难磨(40～60)、中等易磨(60～80)、易磨(80～100)、极易磨(>100)[4]。国家标准GB/T 18512—2008《高炉喷吹用煤技术条件》规定：高炉喷吹用贫煤、贫瘦煤的哈氏可磨性指数>50。

(6) 煤中钾和钠总含量。钾、钠是强碱性金属，其化合物是强碱性化合物，煤中钾、钠含量高将会腐蚀高炉，缩短高炉使用寿命；碱金属进入焦炭后，会降低焦炭强度，提高焦炭反应性，进而影响高炉冶炼。因此煤中钾和钠的总量越低越好。国家标准GB/T 18512—2008《高炉喷吹用煤技术条件》规定：煤中钾、钠总含量应≤0.20%。

2 大社贫煤作为高炉喷吹用煤的适应性研究

2.1 实验室煤炭性能研究

2.1.1 工业分析、硫分和发热量

从大社矿浮煤工业分析结果(表1)可以看出：大社矿浮煤挥发分为12.5%，属于较年老的贫煤，在高炉喷吹用煤适宜的范围内；全硫含量较低，仅为0.48%；原煤灰分较高(在30%以上)，但经过洗选加工后，浮煤灰分可以降到8%左右，发热量达29.65 MJ/kg，说明该煤的可选性较好，因此通过洗选可使灰分降到10%，甚至可能更低，以满足高炉喷吹的要求[5]。从以上分析结果可见，大社贫煤用于高炉喷吹是可行的。

表1 大社矿原煤与浮煤工业分析结果

2.1.2 煤灰成分及其熔融性

煤灰成分对于高炉渣组成及熔渣性能有重要影响，若Al2O3含量太高，会增加炉渣粘度，使高炉操作困难；若煤灰软化温度太低，煤灰会在较低的温度下熔融，并包裹住煤，影响其燃烧性[6]。大社矿煤灰成分(表2)中Al2O3的含量为29.78%，而煤灰软化、熔融温度在1 500 ℃以上，属于高灰熔融性；另外，煤灰中的有害元素钾、钠含量较低。因此，大社矿贫煤的煤灰中各成分含量及其熔融性符合高炉喷吹用煤技术条件要求。

表2 大社矿煤灰成分及其熔融性

2.1.3 煤的工艺性能

高炉喷吹煤是降低高炉能耗和生产成本的最有效措施，评价高炉喷煤经济效益的主要指标是煤粉与焦炭的差价和置换比，差价越大，置换比越高，高炉喷吹煤的经济效益就越明显。因此，对于喷吹用煤，除对其常规的工业分析和硫分等有要求外，还有一系列工艺性质方面的要求，如可磨性、比表面积、爆炸性、燃烧性、反应性等。

(1)哈氏可磨性指数和比表面积。高炉喷吹煤通常用粉煤，以利于输送和气化燃烧，因此必须细磨。煤的可磨性是标志磨煤的难易程度，是反映煤的耐磨特性的一项煤质指标，也关系到磨煤设备的选择和磨煤机功率及能耗。可磨性指数越大，煤越易粉碎。从测试结果(表3)看，大社贫煤的可磨性指数达到85，为易磨煤，比表面积也较大，燃烧率高;从煤的可磨性和比表面积这两项指标来看，大社贫煤适宜做高炉喷吹煤。

表3 大社煤哈氏可磨指数及其比表面积Table 3 Grindability index and specific surface area of Dashe Mine coal

(2)爆炸性。煤的爆炸性是高炉安全生产的一项重要评价指标。粉煤的爆炸性随挥发分增加而增大，无水无灰基挥发分低于10%的煤基本没有爆炸性，高于10%的为有爆炸性煤，高于25%的为强爆炸性煤。另外，煤的爆炸性与其粒度、比表面积等也有关系。从测试结果(表4)可以看出，大社贫煤无爆炸性，符合高炉喷吹用煤对爆炸性技术指标的要求，可以不经配煤，直接喷吹。

表4 大社煤的爆炸性

(3)燃烧性。高炉喷吹煤要求粉煤在风口前有限的空间、极短的时间内(10 ms)完成燃烧，粉煤在高炉风口区完全燃烧的程度直接关系到喷吹煤粉的用量和置换比；高炉风口燃烧条件极为复杂，绝对模拟高炉风口进行粉煤燃烧测定，比较粉煤的燃烧性难度和费用均较大。在初期实验室煤炭性能研究阶段，只采用在一定温度下，控制一定时间和一定试样量，进行静态燃烧测试，测试结果见表5。由表5可知，大社煤的燃烧性很好，燃烧率达到49.11%，在同类煤中属于较好的。

表5 大社煤燃烧率测试结果

(4)对CO2的反应性。反应性好，表明煤在喷吹、气化、燃烧过程中，反应速度快、效率高，喷吹时可提高置换比和喷煤量。大社煤对CO2的反应性测试结果见表6。由表6结果可以看出，大社贫煤对CO2的反应性高，煤在喷吹、气化、燃烧过程中，反应速度快、煤粉燃烧率高，喷吹时可提高置换比和喷煤量[7]。

表6 大社煤对CO2的反应性

2.2 工业性模拟高炉喷吹试验研究

2.2.1 试验用煤样

大社矿主要开采2#煤和4#煤两层煤。这两层煤的煤质除了硫分以外，其它煤质指标没有明显差异。在实际生产过程中，一般2#煤和4#煤按一定比例进行开采，经洗选后得到的精煤中，2#煤和4#煤的比例大致为8∶2。此次试验采用2#煤、4#煤及2#煤(8份)与4#煤(2份)混煤的减灰样进行试验。

2.2.2 大社煤燃烧性测试

喷吹煤的燃烧性对高炉喷吹技术非常重要，燃烧性能的好坏直接影响到高炉操作是否顺行，还会直接影响置换比。因此，选择与评价高炉喷煤时必须测试煤的燃烧性。

煤质分析数据只能推测煤作为高炉喷煤的有关性能，但由于它们的测试条件与高炉生产条件相差甚远，因此分析数据只能初步了解煤炭的燃烧性能。而专用于高炉喷煤性能试验的半工业性煤粉燃烧性测试装置是在模拟高炉生产条件下进行测试的[8]，其燃烧时间和燃烧气氛与高炉内相近，所得到的测试数据可反映煤粉在不同条件下(包括不同粒度组成)的燃烧性能，因此试验结果比较接近高炉的生产实际。试验煤样的燃烧性试验结果见表7。

由表7可知，在相近细度情况下，4#煤的燃烧率明显低于2#煤的燃烧率，2#与4#混煤的燃烧率略低于2#煤的燃烧率。

从表7还可看出，试验煤粉的细度随磨煤时间增加而增加，但增加的幅度不一样：煤粉细度越大，则磨煤时间增加的幅度就越大，磨煤时间的增加表示磨煤机的能耗增加。因此，一般情况下煤粉越细，燃烧率越高，但从燃烧性试验和实际生产情况来看，用提高细度的方法来提高燃烧率的做法是得不偿失的。根据工业应用的经验，燃烧性试验的燃烧率达到40%左右时，已能满足生产的需要，2#与4#混煤在煤粉细度接近60%时燃烧率接近40%；如煤粉进一步磨细，其燃烧率仅可增加到40%～46%之间，上升幅度不大。但粒度变细，磨煤机电耗升高，而燃烧率提高不大，对喷煤降焦的影响也不大，但却使炼铁成本较大幅度升高。从燃烧试验结果分析，2#与4#混煤用于高炉喷吹时，煤粉细度在60%～70%之间较好。

表7 试验煤样燃烧性测试结果

2.2.3 大社煤的爆炸性测试

煤炭的爆炸性关系到该煤在使用中的安全性，大社矿煤爆炸性测试结果火焰长度均为零，表明大社矿的2#煤、4#煤及2#与4#混煤均无爆炸性。

2.2.4 半工业动态流动性测试

在进行半工业燃烧试验中，可同时测出煤粉的流动性。用等量的煤(300 g)完全进入燃烧炉所需的时间表示煤粉流动性的好坏，所用的时间越短，则流动性越好。煤粉半工业动态流动性测试结果见表8。

由表8可知，大社矿2#煤的流动性好于4#煤，2#与4#混煤的流动性与2#煤相当，但喷吹所需时间都较短，均属于流动性好的煤。

2.2.5 大社矿煤的理论置换比

置换比的高低表明喷吹燃料利用效果的好坏，理论置换比是根据高炉风口区燃烧1 kg煤粉与燃烧1 kg焦炭的碳量平衡来计算的，计算结果见表9。

从表9的数据可以看出，大社矿煤的理论置换比都相当高[9]，均在90%以上。因此，用大社矿煤替代焦炭有很可观的经济效益。

表8 煤粉的输送时间

表9 大社煤理论置换比

2.2.6 综合评价

根据工业性模拟高炉喷吹试验研究结果可知，大社矿煤具有可磨性较好、无爆炸性、燃烧性好、流动性较好、理论置换比高等特点，是一种较理想的高炉喷吹用煤，该矿2#煤及2#与4#混煤经洗选加工后可以作为高炉喷吹用煤。

3 结论

通过对大社矿贫煤性能研究和工业性模拟高炉喷吹试验，可以得出：大社矿煤具有硫含量低、碳含量较高、发热量高、可磨性好、燃烧性好、无爆炸性、流动性较好、理论置换比高的特点，是很好的高炉喷吹用煤，并且技术上也验证了大社煤用于高炉喷吹的可行性。另外，从目前我国高炉喷吹用煤的现状看，优质贫煤资源有限且价格较高，大社矿贫煤用于高炉喷吹应属优质资源，在同类煤中具有相当强的竞争力，开发大社矿高炉喷吹贫煤产品，可改变大社矿现有单一产品结构，拓宽产品用途，提高企业经济效益，这在技术上可行，在经济上合理。2015年开始，大社矿贫煤在峰峰集团内部洗煤厂进行了工业性加工生产，并且喷吹精煤产品质量得到了用户的认可，这表明大社矿煤和类似于大社矿煤是可以作为一种性能良好的喷吹煤种进行开发、推广和应用的。

[1] 王培平，陈旺生，韩 军，等. 高炉喷煤评价及配比优化[J]. 工业安全与环境，2012(6)：91-92.

[2] 汤清华. 高炉喷吹煤粉知识问答[M]. 北京：冶金工业出版社，1997，4.

[3] 顾 飞，沙爱学. 高炉喷吹煤粉的煤钟及粒径研究[J]. 钢铁，1996(4)：11-15.

[4] 姜 英. 煤炭行业标准汇编[M]. 北京：化学工业出版社，2006：17.

[5] 王再义，邢本策，王相力，等. 高炉喷吹用煤粉的燃烧性能研究[J]. 中国冶金，2008，18(12)：6-8.

[6] 任 山，张建良，刘伟剑,等. 高炉喷吹煤粉的灰熔融特性[J]. 钢铁研究学报，2012，24(10)：11-15.

[7] 张 华，张建良，柏 凌，等. 太钢高炉喷吹煤粉燃烧性和反应性的研究[J]. 炼铁，2008，27(1)：53-56.

[8] 李双江，阎亚坤，胡宾生，等. 煤粉水分含量对高炉喷吹过程的影响[J]. 河北冶金，2007(5):25-26.

[9] 韩宝松，封冬贯. 高炉喷吹煤粉置换比测算分析[J]. 甘肃冶金，2013，35(1)：19-20.