金鸡滩精煤用作高炉喷吹配煤的实验研究

孟 凡 彩

(兖州煤业股份有限公司 选煤管理中心，山东 邹城 273500)

高炉喷吹用煤对煤质的要求较高。我国高炉喷吹煤种在很长时期内一直坚持以喷吹无烟煤为主[1]。无烟煤具有固定碳高、热值高、置换比高、安全性好的优点，但也存在着火温度高、燃烧性差、燃烧率低等缺点。此外，我国无烟煤储量相对较少，煤质不完全符合要求，造成喷吹用无烟煤供不应求，价格持续升高。无烟煤与低变质烟煤相配，可有效降低低变质煤的爆炸性[2]。

分析国内外高炉喷吹煤的发展趋势可知，喷吹单一煤种不理想，采用混煤喷吹，可以发挥烟煤与无烟煤两种煤的煤质优势，互补缺陷，煤粉燃烧率明显提高，置换比上升[3]。从高炉喷吹工艺特点来看，采用烟煤与无烟煤混喷，在技术及经济上优于无烟煤单独喷吹。烟煤挥发分高、着火点低，易于燃烧，同样条件可扩大喷吹量;烟煤含氢高于无烟煤，氢还原能力强，在炉内高温区可代替碳参加直接还原。且烟煤黏性低，扩散能力强，更有利于铁矿石的还原。宝钢、首钢、鞍钢等企业采用混煤喷吹，降低炼铁焦比，煤焦置换比提高0.1～0.15，已取得良好的效果[4]。因而，喷吹技术先进的高炉采用多煤种混合喷吹，既可扩大煤源的使用范围，又可利用不同煤种特性，提高了煤焦的置换比并已取得良好的效果。

目前国内外普遍采用配煤喷吹[5-14]，在配煤中尽可能提高低阶烟煤的比例及降低原料成本已成为发展趋势和研究重点。低阶烟煤具有爆炸性强等弱点，需与优质的高变质煤相配才能降低爆炸性。以下通过配煤实验分析兖矿陕蒙基地金鸡滩煤在配煤中的优势及降低爆炸性的效果，并提出了基于金鸡滩煤的优化配煤方案。

1 煤质分析与配煤实验

1.1 配煤实验方案

综合煤源、煤质及目标市场，选择太西无烟煤与金鸡滩煤进行配煤实验。为保证与高炉用喷吹煤粉的粒度一致，将煤分别制备成<0.074 mm煤粉[15]。金鸡滩煤及太西煤粉的煤质分析数据见表1，配煤实验方案见表2。

1.2 爆炸性实验

依据AQ 1045—2007《煤尘爆炸性鉴别规范》，应用长管式煤粉爆炸性测试仪测定配合煤粉的爆炸性。实验前，需将待测煤样磨细至0.074 mm以下，使其全部通过0.074 mm筛子，并在干燥箱内用105 ℃～110 ℃干燥2 h。用天平称取(1±0.1)g样品装入试样管内，将试样聚集在试样管的尾端，插入弯管。打开空气压缩机开关，将初始气压调节至0.05 MPa。按下启动按钮，将试样喷进玻璃管内造成煤尘云，观察并记录火焰长度。对产生火焰的试验，还需进行添加岩粉试验，直至混合粉尘不再出现火焰为止。

表1 配煤用金鸡滩煤和太西煤的煤质分析

表2 金鸡滩煤与太西无烟煤的配煤方案

1.3 燃烧特性实验

热重分析仪由于具有灵敏度高、反应条件易于控制、反应过程易于观察及自动化程度高等优点而被广泛应用于煤的热解、气化和燃烧等的研究[16]。

利用德国耐驰STA 499 F3热重分析仪可获取煤燃烧特性TG-DTG曲线。燃烧试验的升温速率为20 ℃/min，气氛为100 mL/min空气，初始温度30 ℃，燃烧终温1 000 ℃。

通过TG-DTG法确定相应的燃烧特性参数，如图1所示[17]。在DTG曲线上，过峰值点A作垂线与TG曲线交于B点，过B点作TG曲线的切线，该切线与TG曲线上挥发分开始失重时D平行基线的交点C所对应的温度即定义为着火温度Te，而切线与TG曲线上失重结束时G平行基线的交点E所对应的温度定义为燃尽温度Tf，其中A点所对应的失重速率即为最大燃烧速率(dw/dt)max，温度即为最大速率对应温度Tp。

1.4 粉体流动特性

1960年代英国人卡尔(Carr)综合研究影响粉体流动性和喷流性的因素，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，计算式详见式(1):

Fw=Cp+θr+θs+Ch

(1)

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而得，详见式(2):

Fd=Fw+θf+θd+Ds

(2)

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参见文献[18]。此文采用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 结果与讨论

2.1 配煤的煤质特征

金鸡滩煤与太西煤配煤后的煤质特征见表3。金鸡滩煤和太西煤相配后，灰分(Ad)、挥发分产率(Vdaf)和全硫(St,d)随配煤中金鸡滩煤比例的变化如图2～图4所示。

从图2～图4可看出，随着金鸡滩煤配入量的逐渐增加，配煤的灰分逐渐降低，配煤的挥发分产率及全硫含量逐渐增大。

表3 金鸡滩煤与太西无烟煤的配煤的煤质特征

图2 金鸡滩煤和太西配煤灰分(Ad)随金鸡滩煤比例的变化

图3 金鸡滩煤和太西配煤挥发分产率(Vdaf)随金鸡滩煤比例的变化

图4 金鸡滩煤和太西配煤全硫(St,d)随金鸡滩煤比例的变化

2.2 配煤爆炸性及着火温度

金鸡滩煤和太西煤相配后的着火温度和爆炸性见表4，爆炸性返回火焰长度及抑制爆炸性加岩粉量随金鸡滩煤配入量的变化如图5所示。从图5可知，配煤的爆炸性返回火焰长度和抑制爆炸性加岩粉量均随着金鸡滩煤配入量的增加而增大。当配煤中金鸡滩煤的配入量超过55%时，配煤的爆炸性快速升高，出现1个明显的阶跃。当金鸡滩煤与太西煤的配比为35∶65时，配煤爆炸性(返回火焰长度为50 mm)仍较大，说明金鸡滩煤和太西煤两种煤配煤喷吹，金鸡滩煤配比应不超过35%。

金鸡滩煤和太西煤相配，着火温度随金鸡滩煤配入量的变化如图6所示。由于金鸡滩煤的着火温度较低，而太西煤的着火温度高，随着金鸡滩煤配入量的逐渐增加，配煤的着火温度也逐渐降低。

表4 金鸡滩煤与太西无烟煤配煤的着火温度和爆炸性分析结果

图5 金鸡滩煤与太西煤相配时爆炸性随金鸡滩煤配入量的变化

2.3 配煤的燃烧特性

金鸡滩煤与太西煤配煤的热天平燃烧特性曲线如图7所示，燃烧特性参数见表5。随着金鸡滩煤配入量的增加，煤的着火温度、最大燃烧温度均降低，而最大燃烧速率提高，配入一定量的金鸡滩煤可改善配煤的燃烧特性。

2.4 配煤的流动性和喷流性

采用粉体综合物性测定仪对金鸡滩煤和太西煤的配煤测定其流动性指数与喷流性指数，试验结果见表6。金鸡滩煤和太西煤配煤的流动性指数和喷流性指数随金鸡滩煤配入量的变化如图8所示。

图6 金鸡滩煤与太西煤相配时着火温度随金鸡滩煤配入量的变化

由图8可知，金鸡滩煤与太西煤相配时流动性指数及喷流性指数波动并不大，流动性均欠佳而喷流性均相当强。

3 结 论

此研究模拟高炉喷吹用煤条件，通过配煤实验分析金鸡滩煤在配煤中的优势及降低爆炸性的途径，提出高炉喷吹优化配煤方案，主要结论如下:

(1)配煤的灰分(Ad)及挥发分产率(Vdaf)基本上随配煤中金鸡滩煤比例增加而线性降低，说明配煤过程的混合比较均匀，样品的代表性强。

图7 金鸡滩煤与太西煤配煤的燃烧特性曲线

表5 金鸡滩煤与太西煤配煤的燃烧特性参数

表6 金鸡滩煤与太西煤配煤的流动性与喷流性

(续 表)

图8 金鸡滩煤与太西煤相配时流动性和喷流性指数随金鸡滩煤配入量的变化

(2)配煤的爆炸性返回火焰长度和抑制爆炸性加岩粉量均随着金鸡滩煤的配入量的增加而增大。当金鸡滩煤与太西煤相配时，金鸡滩煤的配比应不超过35%，配煤无爆炸性。

(3)从配煤的着火温度测试及热天平燃烧特性研究中均可发现，随着金鸡滩煤配入比例增加，配煤的燃烧温度降低，燃烧速率提高，金鸡滩煤对改善配煤的燃烧特性有重要作用。

(4)分析配煤的流动性指数和喷流性指数可知，配入金鸡滩煤并不会改变配煤的流动性和喷流性。