高炉喷吹煤粉粒度对流动性和喷流性的影响

周晓玉

高炉喷吹煤粉粒度对流动性和喷流性的影响

周晓玉

煤粉的流动性和喷流性对高炉喷吹系统有重要的影响。文章采用Carr粉体特性评价方法，选取3种典型的喷吹煤种研究不同变质程度煤粉粒度对煤粉流动性指数和喷流性指数的影响。结果表明，低变质烟煤和高变质烟煤煤粉的流动性指数随煤粉粒度增大呈增大趋势，煤粉的喷流性指数则呈减小趋势，无烟煤粉的流动性指数和喷流性指数随粒径的变化趋势不明显；煤粉的流动性指数随变质程度的提高而呈减小的趋势；煤粉的喷流性指数一般随变质程度提高而呈增大的趋势。

喷吹煤粉 流动性指数 喷流性指数

高炉喷吹煤粉是现代高炉炼铁生产广泛采用的技术，是现代高炉炉况调节重要的技术手段之一。高炉喷吹煤粉可以降低焦比，改善高炉冶炼过程，对降低生铁生产成本，提高高炉技术经济指标十分有利[1,2]。高炉喷吹工艺经过长期的发展，已经成为一种成熟的炼铁技术[3]。

目前，我国用于高炉喷吹的煤种主要有无烟煤、贫煤、贫瘦煤、气煤、长焰煤、不黏煤和弱黏煤[4]，按照变质程度不同可划分为低变质烟煤、高变质烟煤和无烟煤。无烟煤的固定碳含量高、爆炸性低、安全性高，但燃烧性能及可磨性指数较差；而烟煤的燃烧性能和可磨性较好，但固定碳含量低，大量使用时置换比低，煤的挥发分含量高，安全性低。因而将不同煤种混配，可以扬长避短，发挥各自煤种的长处。多种喷吹煤种配合使用是高炉喷吹的发展趋势[5-7]。

煤粉流动性和喷流性对高炉喷吹系统有重要影响。煤粉的流动性表征管道运输、堆放过程中煤粉的输送性能；煤粉的喷流性是指煤粉喷入高炉后，在风口回旋区的弥散性。通常认为，在同样的外部条件下，煤粉在风口回旋区弥散度越大，相应的煤粉燃烧率越高，煤粉放出的有效热量越高[8]。煤粉的喷流性在一定程度上可以表征煤粉的燃烧性能。高炉喷吹煤粉的流动性越高，输送性能越好；而煤粉的喷流性越高，则燃烧性能越好。Carr粉体特性指数是实验室判定高炉喷吹煤粉流动性和喷流性较好的方法[9,10]。

目前，高炉喷煤工艺有粒煤喷吹工艺和粉煤喷吹工艺[11]。粉煤喷吹工艺一般要求煤粉的粒径＜200目的含量在70%以上，而粒煤喷吹工艺中煤粉的粒径上限较大，＜200目的含量只占10%-30%[12]。无论是粉煤喷吹工艺还是粒煤喷吹工艺中，粒度对煤粉的流动性和喷流性均有影响，不同变质程度、不同粒度煤粉的性质有所差异。因而本文选取国内常用的、不同变质程度的喷煤煤种，利用Carr粉体特性指数法系统研究不同变质程度煤粉粒度对流动性和喷流性的影响，以期对喷吹混煤流动性指数和喷流性指数的预测提供指导。

1.实验方案

1.1 实验用煤

实验用原料煤选用钢铁厂常用的、典型的低变质烟煤、高变质烟煤和无烟煤，分别以A、B、C代替。三种原料煤的煤质指标见表1。

*煤中钾和钠总量的计算方法：

w(K+Na)=[0.830w(K2O)+0.742w(Na2O)]Ad/100

式中：w(K+Na)：煤中钾和钠的总量，%；

0.830 ：钾占氧化钾的系数；

w(K2O)：煤灰中氧化钾的含量，%

0.742 ：钠占氧化钠的系数；

w(Na2O)：煤灰中氧化钠的含量，%

Ad：煤的干基灰分含量，%。

由表1可知，实验用煤的灰分含量（Ad）均小于10%，而全硫含量（St,d）均小于0.05%，均为优良的高炉喷吹煤种；煤中的磷含量（Pd）和钾钠总量含量较低，这对高炉操作是十分有利的；三种煤的发热量均较高，固定碳含量随变质程度提高而增大[13]。需要注意的是，除了高变质烟煤的哈氏可磨性指数（HGI）较高外，低变质烟煤和无烟煤的可磨性指数（HGI）较低，对原料煤的制粉过程带来不利影响。

1.2 制粉及筛分

三种原料煤样品经颚式破碎机破碎至6mm，经过空气平衡后加入到球磨机中磨制2小时，将制得的粉体样品经不同圆孔筛筛分制备不同粒级的样品，见表2。

表1 实验用煤的煤质指标 %

表2 筛子的孔径与网目的关系

1.3 流动性和喷流性测试

1960年代英国人卡尔（Carr）综合研究粉体流动性和喷流性的影响因素，提出了表征粉体特性的卡尔指数。卡尔指数包括流动性指数和喷流性指数。

流动性指数（Fw）是粉体的自然坡度角、压缩率、板勺角、均匀度等项指数的加权和，计算式如式（1）所示：

其中：θr为粉体的自然坡度角、CP为粉体的压缩率、θs为粉体的板勺角、Ch为粉体的均匀度。

喷流性指数（Fd）是在流动性指数的基础上，与崩溃角、差角和分散度等项指数加权求和得出，如式（2）所示：

其中：FW为粉体的流动性指数，θf为粉体的崩溃角，θd为粉体的差角，Ds为粉体的分散度。

自然坡度角、压缩率、板勺角、均匀度、崩溃角、差角、分散度的定义以及流动性指数和喷流性指数评价表见文献[9]。

本文采用BT-1001型粉体综合特性测试仪测试喷吹煤粉的流动性指数和喷流性指数。松装密度、振实密度、自然坡度角、崩溃角、板勺角、分散度通过仪器直接测量，而差角和分散度通过相应公式计算而得。

2.结果分析

2.1 流动性指数和喷流性指数分析

2.1.1 低变质烟煤的流动性指数和喷流性指数分析

由图1可知，随着煤粉粒度增大，低变质烟煤的流动性指数急剧增大，当粒度大于0.147mm时，流动性指数基本不变；随着煤粉粒度增大，低变质烟煤的喷流性指数急剧减小，当粒度大于0.147mm时，喷流性指数基本不变。

2.1.2 高变质烟煤的流动性指数和喷流性指数分析

由图2可知，随着煤粉粒度增大，高变质烟煤的流动性指数呈急剧增大，当粒度大于0.495mm时，流动性指数基本不变；随着煤粉粒度增大，高变质烟煤的喷流性指数急剧减小，当粒度大于0.495mm时，喷流性指数基本不变。

图1 低变质烟煤的流动性指数和喷流性指数随煤粉粒度的变化趋势 mm

图2 高变质烟煤的流动性指数和喷流性指数随煤粉粒度的变化趋势 mm

2.1.3 无烟煤的流动性指数和喷流性指数分析

由图3可知，无烟煤不同粒度煤粉的流动性指数和喷流性指数基本保持不变，随粒度的变化趋势不明显。

2.2 变质程度对煤粉流动性指数和喷流性指数的影响

由图4可知，随着变质程度的提高，不同粒径煤粉的流动性指数均呈减小的趋势。由图5可知，煤粉的喷流性指数与变质程度的关系较为复杂，粒度小于0.074mm（200目）的煤粉的喷流性指数随变质程度提高而呈降低趋势，其他粒度煤粉的喷流性指数随变质程度提高而呈增大的趋势。

图3 无烟煤的流动性指数和喷流性指数随煤粉粒度的变化趋势 mm

图4 煤粉的流动性指数随变质程度的变化趋势

图5 煤粉的喷流性指数随变质程度的变化趋势

2.3 综合分析

不同粒度煤粉的性质不同，随着煤粉粒度的减小，煤粉中惰质组的含量增加而镜质组的含量相对降低[14]。煤岩组分性质的差异可能是导致煤粉流动性指数和喷流性指数出现差异的原因。无烟煤中镜质组和惰质组的性质趋同[15]，因而不同粒度煤粉的流动性指数和喷流性指数基本一致。

不同变质程度、不同粒径的煤粉流动性指数和喷流性指数出现差异，对利用变质程度、煤粉粒径二元参数预测喷吹混煤的流动性指数和喷流性指数具有重要意义。此外高炉喷吹用煤关注指标较多，下一步实验还需要结合其他指标综合进行分析评价。

3.结论

（1）对于低变质烟煤和高变质烟煤来讲，随着煤粉粒度增大，煤粉的流动性指数均呈增大趋势，喷流性指数均呈减小趋势；无烟煤粉的流动性指数和喷流性指数随粒径的变化趋势不明显；

（2）煤粉的流动性指数随变质程度的提高而呈减小的趋势；煤粉的喷流性指数与变质程度的关系较为复杂，煤粉的喷流性指数一般随变质程度提高而呈增大的趋势，小于0.074mm（200目）的煤粉的喷流性指数随变质程度提高而呈降低趋势，原因还需进一步探究。

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[13]GB/T 18512-2008，高炉喷吹用煤技术条件.

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[15]韩德馨.中国煤岩学[M].徐州：中国矿业大学出版社，1996：26-58.

（作者单位:中钢设备有限公司）