高炉混合喷吹上湾高钙烟煤的性能研究

2023-08-15杜红梅王申洋徐润生张建良

冶金能源 2023年4期

杜红梅王申洋徐润生张建良

(1. 国能神东煤炭集团有限责任公司，2. 北京科技大学冶金与生态工程学院)

在现代高炉炼铁过程中，高炉喷煤是炼铁技术中的重要研究方向，也是目前大多数钢铁企业用来降低焦比、节约冶炼成本的工作重点[1-6]。高炉喷吹煤粉是炼铁工艺中发展迅速且日趋成熟的一项重要技术，其主要目的是用储量丰富的喷吹煤粉代替日益稀缺且价格昂贵的冶金焦炭，以降低炼焦工序对环境的影响，优化铁前系统的能耗结构，同时也为改善高炉运行、强化冶炼创造条件[7-9]。作为我国优质的动力煤，神东上湾烟煤具有热值高、挥发分高、反应性强和硫分低等特点，被广泛应用于气化、发电等行业。同时部分上湾烟煤灰分中CaO含量超过30%，又被称为上湾高钙烟煤。将上湾高钙烟煤作为我国优质高炉喷吹煤，是一种值得探索的高钙烟煤利用技术，不仅开发了煤种的潜在价值，同时利用其CaO含量高和灰熔点低的特点，可增强喷入煤粉的燃烧性，降低高炉炼铁过程熔剂应用比例，提高高炉冶炼效率[10-15]。文章对上湾烟煤与高炉常用的喷吹煤种进行配煤实验研究，分析不同掺混比条件下混合煤高炉喷吹的工艺性能变化规律，为高钙烟煤的经济高效利用提供参考。

1 实验设备和方法

根据GB/T 212-2001对5种煤样进行工业分析，结果如表1所示。着火点实验采用固体氧化剂法，将粒度为0.2 mm以下的空气干燥煤样与亚硝酸钠以1∶0.75的质量比进行混合，置于微型电炉的铂片上加热，加热速度为4.5～5 ℃/min。爆炸性实验采用长管式测试装置，通过检测煤粉在爆炸时返回火焰的长度来判断煤粉的爆炸性强弱。燃烧性实验仪器采用北京光学仪器公司生产的WCT-2C微机差热天平，该仪器的主要特点为可以连续、全程记录实验数据，最后得到TG曲线和DTG曲线。在该实验中，初始温度为室温，以20 K/min的加热速率升温至1 173 K，反应气氛为空气，气体流量为60 mL/min，保温时间为5 min。

表1 煤样的工业分析结果 %

为了探究上湾烟煤和其他高炉主流喷吹煤种混合喷吹的性能差异，选取表1中的4种典型烟煤(包括上湾烟煤)和1种典型无烟煤进行混煤搭配。由于实际高炉喷吹的混煤挥发分在18.6%左右，因此方案中混煤挥发分设计为17.6%～22.6%，如表2所示。

表2 配煤方案 %

2 实验结果分析

2.1 混煤着火点

随着烟煤含量的变化，混煤着火点的变化趋势如图1所示。随着上湾烟煤含量从15%增加到40%，混煤着火点从416.7 ℃下降到370.8 ℃，主要是由于上湾烟煤的变质程度较低，挥发分含量较高，使得混煤着火点下降。随着HX烟煤含量从16%增加到42%，混煤着火点从413.7 ℃逐渐下降到385.2 ℃，但整体高于上湾烟煤的混煤着火点。其他两种混煤方案，随着烟煤含量的增加，混煤着火点呈整体下降趋势，但下降幅度不大，略有波动。上述结果表明，上湾烟煤与ES无烟煤混合可以显著降低着火点。

图1 不同烟煤含量对混煤着火点的影响

2.2 混煤爆炸性

煤的挥发分数量和质量是影响煤粉爆炸的最重要因素。煤的可燃挥发分含量越高，爆炸性越强，即煤化作用越低的煤粉爆炸性越强。根据配煤方案，混煤挥发分为17.6%～22.6%，整体并不属于高挥发分的煤种。

由爆炸性测定结果可知所有混煤均无爆炸性，一个方面是因为混煤的挥发分整体低于30%，低于强爆炸性煤的挥发分含量；另一方面是因为无烟煤没有爆炸性，有爆炸性的烟煤遇到高温热源后放出的热量被无烟煤部分吸收，使得烟煤自身无法达到爆炸所需的能量，实验结果与理论分析一致。上湾烟煤虽然有着高挥发分的特点，但是在实验中与ES无烟煤混合后并没有表现出较强的爆炸性，表明适当增加上湾烟煤不会对安全性能产生影响。

2.3 混煤燃烧性

煤粉的燃烧性越好，其TG曲线越偏向低温区，即燃烧曲线向左移动。在不同混煤挥发分条件下，不同烟煤对于混煤燃烧性的影响并不相同，如图2所示。在方案1中(混煤挥发分为17.6%)，上湾烟煤的混煤燃烧性与SG烟煤的混煤燃烧性相当；方案2中(混煤挥发分为18.6%)，上湾烟煤的混煤燃烧性要优于其他煤种的混煤燃烧性；在其他方案中(混煤挥发分大于18.6%)，上湾烟煤的混煤燃烧性并没有明显的优于其他煤种的混煤燃烧性。说明上湾烟煤与其他高炉喷吹主流烟煤相比，上湾烟煤的添加量为20%时，其混煤的燃烧性最好。

图2 不同方案的TG曲线

上湾烟煤含量对上湾烟煤+ES无烟煤混煤燃烧率的影响如图3所示。当温度为500 ℃时，上湾烟煤含量从15%提高到40%，燃烧率由21.67%上升到34.1%；当燃烧温度为600 ℃时，混煤的燃烧率在83.03%～88.28%之间波动；当温度为700 ℃时，混煤几乎完全燃烧，燃烧率接近100%。

图3 上湾烟煤含量对混煤燃烧率的影响

2.4 混煤灰熔特性

在一定条件下，随着加热温度变化，煤灰依次呈现变形、软化、半球和流动的特征物理状态，通常采用这四个特征物理状态相对应的温度来表征煤灰熔融性，6个方案的煤灰熔融性如表3所示。在同一种方案内即混煤的挥发分相同的情况下，从变形温度、软化温度、半球温度和流动温度整体考虑，上湾烟煤的混煤同HX烟煤的混煤接近，明显低于WN烟煤的混煤和SG烟煤的混煤。随着烟煤配比的增加，混煤的软化温度呈下降趋势。当上湾烟煤配比小于30%时，其混煤软化温度降低较缓，即配比每增加10%，其混煤软化温度降低(1 193-1 174)=19 ℃；当上湾烟煤配比大于30%时，其混煤软化温度明显下降，即配比每增加10%，其混煤软化温度降低(1 141-1 075)=66 ℃。主要是由于上湾烟煤中含有大量的氧化钙，导致混煤的灰熔点降低。

表3 混煤灰熔融性 ℃

利用FactSage相图模块计算的SiO2-CaO-Al2O3三元系统平衡相图，研究配煤改变煤灰成分后对煤灰熔融性的影响。三元相图中靠近SiO2、Al2O3、CaO三种纯物质的区域，即物质组成成分为SiO2>65%或者Al2O3>50%或者CaO>60%时，煤灰成分会处于石英、刚玉和石灰的主物相区，其对应的全液相温度一般较高，在1 600 ℃以上。此外，三元相图中央部分存在一个低温共熔物相区(钙长石)，全液相温度较低，在1 200～1 500 ℃，此区间内煤灰的化学成分为40%～70%的SiO2、10%～30%的Al2O3和10%～50%的CaO。6种方案混合煤灰成分均位于莫来石初晶区，随着烟煤配比增加，上湾烟煤的混煤灰分向低温的钙长石区移动，与灰熔融温度变化趋势相同。此外，计算结果表明4种混煤的完全熔化温度从高到低的顺序为：WN+ES>SG+ES>HX+ES>上湾+ES。