优化高炉喷吹混合煤粉的研究

2019-05-31冯帅

四川冶金 2019年2期

冯帅

(河钢集团邯钢公司邯宝炼铁厂，河北邯郸 056000)

高炉喷吹煤粉可以缓解我国主焦煤的短缺，优化炼铁系统的能源结构，同时也可以减少炼焦对环境的污染。煤粉代替焦炭经济效益巨大，邯宝炼铁厂2座3200 m3高炉，年产量550万吨，煤比在130 kg/t左右，煤焦置换比按0.8计算，年降低成本300万以上。喷煤车间的人员和设备运行费用远低于焦化厂，也可以提高企业的劳动生产率。喷吹煤粉又可以作为一项调节高炉冶炼的有效手段，为高炉富氧鼓风创造条件[1-3]。任何单一煤种都难满足高炉冶炼的所有要求，合理配煤是提高喷煤量的有效措施，也能进一步提高企业的经济效益。

1 喷吹用煤的煤质指标

煤质指标的基本分析分为元素分析和工业分析。通过工业分析可以初步了解煤的性质，大致判断煤的种类和用途，工业分析包括对水分、灰分、挥发分的测定和固定碳的计算。通过元素分析可以测定高炉喷吹煤中碳、氢、氧、氮、硫等元素的含量，从而对喷吹煤的化学成分进行最直观的分析和了解。邯钢喷吹用煤工业分析结果见表1所示。

由表1可知，工业分析中三种烟煤的固定碳含量在54%～56%之间，差异较小。1#烟煤灰分10.92%，高于2#(7.93%)烟煤、3#烟煤(7.90%)。高炉对喷吹用煤灰分的含量要求是越低越好，灰分含量每提高1%，燃料比增加2%，高炉生铁产量也会降低。灰分高会使高炉渣量增多，对于高炉透气性不利。1#烟煤挥发分28.48%，2#、3#烟煤挥发分在30%左右，1#烟煤挥发分略低。

三种无烟煤的固定碳含量在78%～83%之间，明显高于三种烟煤。灰分在9%～11%之间，平均略高于烟煤。挥发分在7%～9.5%之间，明显低于烟煤挥发分含量。烟煤水分在5%～6.5%之间，吸水性较强，无烟煤水分在1.5%以下。

元素分析中，烟煤C元素在66%左右，无烟煤在80%左右。烟煤H元素含量在3%～4%之间，无烟煤H元素含量在4%～5%之间，差异不大。烟煤的O元素含量在14%左右，无烟煤在4%左右，远远低于烟煤。煤中O元素是有害元素，C元素与O元素结合，消耗了有效C元素，发热值会降低。喷吹用煤要求S含量越低越好，避免硫负荷过重造成铁水质量问题。三种烟煤和三种无烟煤S元素含量均≤0.4%，符合邯钢喷吹用煤规定要求(S≤0.4%)。

表1 喷吹用煤的工业分析和元素分析

煤的可磨性指数越大，越容易粉碎。其可磨性指数对高炉冶炼过程没有直接影响，但影响磨机出力和电耗，影响粉煤的加工成本和高炉生产效益。1#烟煤可磨性较低，仅为56，2#、3#可磨指数分别为81、82，属于可磨性能较好的烟煤。I#、II#无烟煤可磨指数为53，不易磨，III#可磨指数为76。

2 喷吹用煤的化学组成及灰熔点

邯钢所使用的三种烟煤和三种无烟煤的灰分化学组成如表2所示，灰熔点如表3所示。

表2 喷吹用煤灰分的化学组成(%)

由表2可知，三种烟煤灰分中的K2O+Na2O分别为1.01%、3.02%和2.90%，考虑灰分含量的影响，1#烟煤碱金属含量为0.11%， 2#烟煤、3#烟煤的碱金属含量分别为0.24%和0.23%，邯钢高炉喷吹1#烟煤有利于降低高炉的碱金属负荷。三种无烟煤中，I#无烟煤的碱金属含量最低，为0.11%；II#、III#无烟煤K2O+Na2O含量均为0.18%，邯钢高炉喷吹1#无烟煤有利于降低高炉的碱金属负荷。

无烟煤中的Al2O3含量在27%～37%之间，Al2O3含量是影响煤灰熔融性的重要指标之一。烟煤灰分中的Al2O3含量在12%～17%之间，含量较低，1#烟煤灰分中Al2O3含量仅为12.18%。烟煤和无烟煤灰分中的SiO2含量相差不大。

由表3可知，烟煤的灰熔点明显低于无烟煤的灰熔点。三种烟煤灰熔融性都比较低，在1190 ℃左右开始变形，1195 ℃开始软化，流动温度在1201～1211 ℃之间。三种无烟煤灰分的变形温度、软化温度、半球温度、流动温度都高于1500 ℃，这是因为无烟煤中Al2O3含量较高的缘故。综上分析，在保证较高燃烧率的情况下，无烟煤和烟煤混喷可以改善煤灰的灰熔性。

表3 喷吹用煤的灰熔点(℃)

3 喷吹用煤的着火点、燃烧率

3.1 单品种煤的燃烧率

煤粉燃烧率是煤粉燃烧好坏的标志。煤粉燃烧率的大小，表明煤粉在高炉风口气化的完全程度。如果煤粉在高炉风口燃烧率低，煤粉燃烧不完全，不仅会降低煤粉在高炉内的利用率，还会影响炉料的透气性和炉渣粘度，进而影响高炉生产。

煤粉燃烧试验装置见图1所示。该试验装置模拟高炉风口的燃烧条件，以立式电炉模拟热风炉加热空气，用燃烧炉模拟高炉风口的煤粉燃烧状况，将经过干燥的煤粉喷进燃烧炉中，进行煤粉燃烧率的测定。本实验装置实现了连续喷吹，更好地模拟高炉喷煤过程，提高了实验结果的准确性。采用灰分平衡法计算煤粉的燃烧率公式为：

(1)

式中：R—煤粉燃烧率；A1—未燃煤粉的灰分含量；A0—煤粉燃烧前的灰分含量。

1.热风炉；2.刚玉管；3.燃烧炉；4.冷却系统；5.收灰槽；6.收气囊；7.除尘器；8.喷煤瓶图1 煤粉燃烧炉结构示意图Fig.1Sketch of stove for pulverized coal combustion

邯钢喷吹用煤的着火点、挥发分、燃烧率如表4所示。

由表4可知，煤粉的挥发分含量是影响煤粉燃烧率的重要因素之一。烟煤挥发分在28%～31%之间，无烟煤挥发分在7%～9.5%之间，差异较大。挥发分含量越高，燃烧率也较高。煤粉的燃烧分为以下3个阶段，煤粉受热分解析出挥发分、挥发分燃烧放热、固定碳燃烧。煤粉在高炉风口区燃烧过程中，挥发分含量高的煤种能释放出较多的挥发分，而且挥发分的燃烧放热为风口区碳素的燃烧提供了足够的热量，从而促进了煤粉的充分燃烧。

表4 原煤样着火点和燃烧率

三种无烟煤的着火点温度较高，着火温度均在400 ℃以上。I#无烟煤的着火温度最高为405 ℃。一般来说，煤的着火温度越低，越容易发生自燃现象，其燃烧率较高。三种烟煤中，1#烟煤的着火点最低，为325 ℃，其次为2#、3#烟煤。不同煤种的着火点随着煤粉中挥发分的含量的增加呈下降趋势，这是由于挥发分受热分解，变为气态而挥发出来，提高了煤粉的升温速度，从而使煤粉着火点温度降低。对于着火点温度较低的煤，保证安全制粉是重要前提。邯钢使用的3台中速磨，对磨机的进口温度限制严格，温度超过300 ℃磨机连锁保护跳停；磨机入口含氧量高于12%，磨机连锁保护跳停。

三种烟煤中，3#烟煤的燃烧率最高，达到84.62%，其次为2#烟煤，燃烧率为79.90%，1#烟煤的燃烧率为79.85%。无烟煤的燃烧率相对较低，三种无烟煤中，III#无烟煤的燃烧率最好，达到66.02%，II#无烟煤的燃烧率仅为62.41%。由于无烟煤的煤化程度较深，主要显微成分为镜质组且基本上是完全失去细胞结构的镜质体，结构致密，燃烧是由外向内层层推进的层状燃烧，即使细磨至粒径全部在-200目以下，与烟煤相比，其燃烧率仍然较低。

3.2 混合煤粉的燃烧率

烟煤含有较高的挥发分，结构疏松，其燃烧过程是多孔性燃烧，它的燃烧性能比无烟煤好，但置换比较低。无烟煤含碳量高，结构致密，燃烧过程是由外到内的层状燃烧过程，所以燃烧率较低，但置换比要高于烟煤。因此，混合喷吹能够相互促进燃烧，提高高炉的煤焦置换比。此外，合理的配煤使混合煤粉的爆炸性大幅度降低，燃烧性能相对提高，未燃煤粉降低，有利于高炉顺行。

在邯钢混喷要求和单种煤基础性能检测的基础上，选取最佳煤种进行混合，确定最佳配比。三种烟煤中3#烟煤燃烧率最高，达到84.75%，3种无烟煤中III#无烟煤燃烧率最高，达到66.02%，选择3#烟煤和III#无烟煤按不同的比例混合，如表5所示。

表5 混煤方案

由表5可知，试验条件下，随着混煤中烟煤比例的提高，着火点逐渐下降，燃烧率呈上升趋势，混煤的爆炸性逐渐增强。混煤的着火点和烟煤配比呈线性关系，即随着烟煤配比的增加，着火点温度降低。这是由于烟煤和无烟煤混合，混煤的挥发分增加，从而使它们的着火点随之变化。可见无烟煤配加烟煤可降低煤粉的着火点，有利于煤粉燃烧，生产上有助于提高高炉喷煤量。混煤的着火点温度均在300 ℃以上，能保证安全制粉。

3#烟煤返回火焰为800 mm，为强爆炸性煤，无烟煤的爆炸性为0。随着无烟煤配比的增加，爆炸性逐渐减弱。试验证明，在强爆炸性的烟煤中，加入无烟煤的比例达到45%时，混煤也不具有爆炸性，有利于安全制粉和喷吹。

混煤的燃烧率大于其加权平均值。烟煤比例为0%时，燃烧率仅为66.02%；烟煤比例提高到30%时，燃烧率为68.11%，加权平均值66.65%，高出1.46%；烟煤比例提高到50%时，燃烧率为79.66%，加权平均值75.39%，高出4.28%，可见随着烟煤比例的逐渐增加，燃烧率提高幅度增大。这主要是因为随着高挥发分烟煤配比的增加，混煤的挥发分含量升高，挥发分一方面从煤粉孔隙中析出，导致煤粉孔隙结构发生了变化，另一方面挥发分会在煤粉颗粒表面或空隙内部燃烧。挥发分含量越高，在煤粉燃烧过程中析出的就越多，析出的挥发分跟氧发生反应放出热量就越多，进而促进煤粉的燃烧；同时挥发分析出导致煤粉颗粒中残留的微孔增多，煤粉颗粒同氧气接触的表面积就增大，煤粉的燃烧速度加快。由于煤粉燃烧是在有限空间和有限时间内的燃烧，煤粉燃烧速度越快，煤粉燃烧率就会变高。

在安全制粉、喷吹的前提下，既要保证混煤的燃烧率，又要兼顾其发热量，在邯钢高炉混煤操作中，烟煤比例在45%～55%较为适宜。