韋 歡 周永平 張紅麗

(安陽鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司)

0 前言

近年來，國內(nèi)高爐煤粉噴吹技術(shù)有了長足的進(jìn)步，先進(jìn)的高爐噴煤比指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到200 kg/t以上［1-2］。安鋼高爐的煤比平均達(dá)到150 kg/t以上;6號、7號高爐在2009年平均煤比就到達(dá)158 kg/t，單月煤比到達(dá)170 kg/t，日煤比甚至高達(dá)180 kg/t以上;1號、2號高爐煤比也達(dá)到150 kg/t以上，單月煤比可達(dá)170 kg/t以上。在如此高的煤比情況下，煤粉的完全燃燒是不可能的，勢必會產(chǎn)生未燃煤粉，大量未燃煤粉的存在會對高爐造成一系列的危害，如增加料柱壓力，影響爐渣流動性，降低煤焦置換比等。

同時，由于焦比的降低，延長了焦炭在高爐內(nèi)的停留時間，加速了焦炭的劣化。焦煤資源的緊張使得優(yōu)質(zhì)煉焦煤價格上漲。因此，寶鋼、攀登、太鋼等一大批企業(yè)非常注重對未燃煤粉［3-5］(煤粉反應(yīng)性)對焦炭高溫性能的影響的研究。筆者就不同煤種的反應(yīng)特性以及其反應(yīng)特性對焦炭熱性能的影響進(jìn)行了研究，以期對噴吹煤配煤結(jié)構(gòu)的優(yōu)化起到指導(dǎo)作用。

1 試驗原理

煤粉反應(yīng)性實質(zhì)上是表示煤中未燃碳與CO2的作用能力。隨著對高爐噴煤煤比的進(jìn)一步提高，反應(yīng)性在噴煤中的意義更為明顯。由于未燃煤粉的活性遠(yuǎn)高于焦炭，不同未燃煤粉活性差異將影響高爐冶煉過程。首先，在爐內(nèi)未燃煤粉將優(yōu)先焦炭氣化。在高爐高溫區(qū)，消耗的碳既有未燃煤粉中的碳，也有焦炭中的碳。由于未燃煤粉活性大于焦炭。因此，高爐高溫區(qū)消耗的碳將首先是未燃煤粉中的碳，其結(jié)果減緩了焦炭氣化反應(yīng)造成的焦炭強(qiáng)度劣化進(jìn)程，使焦炭下降到風(fēng)口回旋區(qū)時仍能保持足夠的強(qiáng)度和粒度，有利高爐順行。未燃煤粉的活性越高，對焦炭的保護(hù)作用就越明顯，在焦炭質(zhì)量一定時，可允許高爐噴吹更多煤粉，而不至于由于焦炭熱態(tài)強(qiáng)度過低，導(dǎo)致高爐難行，其次，活性高的未燃煤粉在爐內(nèi)氣化速率高，可以迅速氣化消耗，不致隨煤氣逸出，不會以未燃碳的形式從爐頂排出，因此高爐就有提高煤粉噴吹量的空間。未燃煤粉隨著煤氣上升，在高溫區(qū)將與鐵的氧化物發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)行直接還原，其機(jī)理為：

因此，直接還原反應(yīng)的程度與C被氣化的能力有關(guān)。在高爐內(nèi)，焦炭和未燃煤粉都可以提供C，因此焦炭和煤粉的氣化耦合在一起。氣化能力高的C將優(yōu)先氣化，反應(yīng)能力低的C將會有大量的剩余，故反應(yīng)性好的未燃煤粉優(yōu)先反應(yīng)，保護(hù)反應(yīng)性較差的焦炭。因此，高爐噴吹要選擇反應(yīng)性好的煤種，以保護(hù)焦炭。

2 試驗過程

2.1 試樣制備

焦樣的制備參照GB4000-83進(jìn)行，焦樣粒度為23 mm～25 mm;試驗用干餾煤的制備參照GB2008進(jìn)行，試樣粒度為3 mm～6 mm。安鋼噴吹用煤的工業(yè)分析、灰分成分及灰熔點見表1、表2。

表1 煤粉工業(yè)分析

表2 灰成分及灰熔點分析

2.2 試驗設(shè)備

試驗中采用的設(shè)備主要有高溫反應(yīng)器、精密溫度控制置、熱電偶、轉(zhuǎn)子流量計、數(shù)字電壓表、電子天平。

2.3 試驗方法

參照焦炭的反應(yīng)性及反應(yīng)后強(qiáng)度試驗標(biāo)準(zhǔn)(4000-2008)進(jìn)行，試樣分兩組，一組為200 g焦炭，另一組為焦炭與干餾煤(考慮到高爐大噴煤時未燃煤粉增多，以及盡可能減小干餾煤過少帶來的誤差，將干餾煤量定在50 g;裝樣方式為在反應(yīng)管底部先加入干餾煤樣，再加入焦樣)，將干燥后試樣在1100℃時與5 L/mim的CO2反應(yīng)，反應(yīng)后焦炭全部裝入Ⅰ型轉(zhuǎn)鼓，以20 r/min運行30 min后，取出篩分、稱量、記錄各篩級質(zhì)量。

焦炭反應(yīng)性(CRI)=(反應(yīng)前質(zhì)量-反應(yīng)后質(zhì)量)/反應(yīng)前質(zhì)量×100%

焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度(CSR)=轉(zhuǎn)鼓后大于10 mm試樣質(zhì)量/反應(yīng)后殘余焦炭質(zhì)量×100%

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 煤粉的反應(yīng)性

1)單種煤反應(yīng)性。煤的反應(yīng)性是指在一定溫度條件下，煤與C02或H2O蒸汽的反應(yīng)能力。幾種噴吹煤的反應(yīng)性檢測結(jié)果見表3。

由表3可以看出，反應(yīng)性較好的煤有煙煤A、無煙煤B;反應(yīng)性較差的煤有無煙煤C、無煙煤E。由于煤在形成過程的變質(zhì)程度的不同，其物理化學(xué)性質(zhì)上存在很大的不同，其半焦顆粒的反應(yīng)形式也不同。半焦反應(yīng)過程可分為層狀反應(yīng)和內(nèi)孔反應(yīng)。不同的煤種，由于揮發(fā)分不同、灰分不同及灰渣特性不同，生成的半焦孔隙率也不同，出現(xiàn)層狀反應(yīng)和內(nèi)孔反應(yīng)的概率不同，因此對半焦的反應(yīng)速度產(chǎn)生影響，低灰分、高揮發(fā)分煤由于揮發(fā)分析出，產(chǎn)生較多的孔隙，且這些孔隙能得以較好保留，內(nèi)孔反應(yīng)比例較高。煙煤變質(zhì)程度較低，具有較高的揮發(fā)分和較低的灰分，在加熱過程中，揮發(fā)分優(yōu)先逸出，在煤粉顆粒表面和內(nèi)部形成較多的孔洞，這增加了CO2與煤粉反應(yīng)的比表面積，促進(jìn)了反應(yīng)，因此，煙煤A具有較高的反應(yīng)性。根據(jù)杜鶴桂、楊俊和等［6］人研究認(rèn)為堿土金屬元素對焦炭熔損反應(yīng)的催化活性順序為：Be≈Mg＜Ba≈Sr＜Ca，F(xiàn)e在元素狀態(tài)下和鐵氧化物［Fe1-XO4和Fe3O4］具有催化作用，鐵氧化物由高價向低價轉(zhuǎn)化時，可增加Fe催化的反應(yīng)活性，并用礦物質(zhì)催化指數(shù)MCI來表示各礦物質(zhì)對焦炭的作用。MCI可綜合反映不同礦物質(zhì)對煤和焦炭的作用能力，用以下公式表示：

表3 單種煤反應(yīng)性 %

式中：Ad——煤或焦中干基灰分，%;

Vd——煤的干基揮發(fā)分，%;

Fe2O3——分別為相應(yīng)礦物質(zhì)在煤焦中灰分中的百分含量，%。

結(jié)合表2、公式(4)可以看出，煙煤A、無煙煤B和無煙煤D的灰成分中含有較多的Fe2O3和CaO，該礦物質(zhì)可以提高煤粉的反應(yīng)性，而在無煙煤C的灰分中含有很高的Al2O3，所以無煙煤C具有較低的反應(yīng)性。

2)揮發(fā)分對反應(yīng)性的影響。目前使用單一噴吹煤的高爐很少，在進(jìn)行混合噴吹時，如何優(yōu)化噴吹煤粉的結(jié)構(gòu)顯得十分重要，根據(jù)安鋼高爐實際噴吹狀況，將煙煤A比例最高定為40%。在本實驗中通過提高煙煤A的比例來提高噴吹煤的揮發(fā)分，混合無煙煤由無煙煤B、無煙煤D、無煙煤E按1∶1∶1混合而成。揮發(fā)分含量變化對混合煤反應(yīng)性的影響見表4。

表4 揮發(fā)分對混合煤反應(yīng)性的影響

由表4可以看出，隨著揮發(fā)分的升高，混合煤的反應(yīng)性也是提高的，其原因為隨著揮發(fā)分的增加，在加熱的過程中，混合煤中揮發(fā)分逐漸逸出，在煤粉顆粒表面和內(nèi)部形成大量的孔洞，隨著揮發(fā)分的增加，所形成的孔洞數(shù)量也逐漸增加，并在未燃煤粉的顆粒和顆粒之間由表面孔洞形成通道，通道的數(shù)量也與揮發(fā)分的高低相關(guān)，這些孔洞和由這些孔洞形成的通道，有利于CO2吸附在未燃煤粉表面和滲透內(nèi)部，增加了反應(yīng)的比表面積，因而提高了未燃煤粉的反應(yīng)性。

3)灰分對混合煤粉反應(yīng)性的影響。由于各單種煤的灰成分不同，通過添加不同的灰成分改變混合煤的灰成分。單種煤種的灰分是通過國標(biāo)GB T212-2008煤炭工業(yè)分析方法制得。添加灰分比例為5%，混合煤由煙煤A：無煙煤B：無煙煤C：無煙煤D按1∶1∶1∶1組成?；页煞謱旌厦悍磻?yīng)性的影響見表5。

表5 灰成分對混合煤反應(yīng)性的影響 %

由表5可以看出，無煙煤B的灰成分對混合煤具有較好的催化作用，其次是煙煤A的灰成分，再依次是無煙煤D、無煙煤E、無煙煤C。這是因為無煙煤B、無煙煤D和無煙煤E的灰分中不含Al2O3，煙煤A的灰分雖然含有Al2O3但同時含有較高的CaO、Fe2O3和MgO，無煙煤C煤的灰分中含有較高的Al2O3。

3.2 煤粉對焦炭熱性能的影響

1)煤種對焦炭熱性能的影響。由于煤粉在微觀結(jié)構(gòu)、變質(zhì)程度、化學(xué)成分及加熱分解特性等方面的不同，灰導(dǎo)致煤粉反應(yīng)性的不同，對焦炭熱性能的影響的影響也不同。煤粉添加量為5%，煤種對焦炭熱性能的影響見表6。

表6 煤種對焦炭熱性能的影響

由表6可以看出，與未添加任何煤粉的基準(zhǔn)樣相比，添加無煙煤B、無煙煤D和煙煤A后，焦炭的反應(yīng)性有較大幅度的降低，反應(yīng)后強(qiáng)度有較大幅度的提高，這主要因為是未燃煤粉與焦炭相比具有較高的揮發(fā)分，隨著揮發(fā)分的逸出，留下較多小空隙，提高了煤粉的比表面積;其次與焦炭相比未燃煤粉具有較細(xì)的粒度，未燃煤粉必然具有較大的比表面。以上因素使得未燃煤粉與焦炭相比具有較高的反應(yīng)性，在遇到CO2等氧化性氣體時，優(yōu)先焦炭反應(yīng)，從而保護(hù)了焦炭，由于每種煤具有不同的反應(yīng)性，故對焦炭的保護(hù)作用也不同;結(jié)合表3可以看出，未燃煤粉對焦炭的保護(hù)作用的大小與其反應(yīng)性有密切的正相關(guān)關(guān)系。無煙煤C煤對焦炭的反應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)度的影響不大，這可能與無煙煤C的灰成分組成有關(guān)，相對于其它無煙煤，其灰成分含有較高的Al2O3成分，Al2O3可抑制煤粉的反應(yīng)性，從而導(dǎo)致無煙煤C的反應(yīng)性較低。

2)煤粉揮發(fā)分對焦炭熱性能的影響。本試驗是通過在配合煤中增加煙煤A的比例來提高配合煤揮發(fā)分含量?；旌厦河蔁o煙煤C、無煙煤D和無煙煤B按1∶1∶1混合而成，添加量為5%。揮發(fā)分對焦炭熱性能的影響見表7。

表7 揮發(fā)分對焦炭熱性能的影響

由表7可以看出，隨著煙煤A比例的增加，焦炭的反應(yīng)性呈下降趨勢，反應(yīng)后強(qiáng)度呈上升趨勢，說明隨煤粉中揮發(fā)分的升高，混合煤對焦炭的保護(hù)增強(qiáng)。這是因為隨著煙煤A比例的增加，混合煤的揮發(fā)分升高，反應(yīng)性也增加。

3)未燃煤粉(高溫干餾煤)對不同質(zhì)量焦炭熱性能的影響。分別取三組不同質(zhì)量焦炭試樣，編號分別為1#、2#、3#，與由無煙煤C、無煙煤 B、無煙煤 D 和煙煤A的未燃煤粉按1∶1∶1∶1混合而成，添加量為5%。未燃煤粉對不同質(zhì)量焦炭CRI的影響見表8。

表8 未燃煤粉對不同質(zhì)量焦炭CRI的影響

由表8可以看出，1#～3#焦炭試樣，從熱性能看，1#試樣質(zhì)量最差，2#試樣次之，3#試樣質(zhì)量最好;當(dāng)在各焦炭試樣中加入高反應(yīng)性干餾煤樣后，3種焦炭的反應(yīng)性均呈不同程度下降，反應(yīng)后強(qiáng)度升高，說明高爐噴吹高反應(yīng)性煤有利于改善焦炭的熱性能;比較添加前后試樣熱性能的改善發(fā)現(xiàn)，1#試樣反應(yīng)性改善為 3.98%;3#試樣改善為 2.02%，2#試樣改善在1#試樣與3#試樣改善之間，這表明噴吹高反應(yīng)性煤，減小了不同質(zhì)量焦炭反應(yīng)性的差別，進(jìn)一步考察焦炭的反應(yīng)后強(qiáng)度也可看出類似趨勢，即噴吹高反應(yīng)性煤，減小了不同焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度的差別，這表明未燃煤粉對質(zhì)量較差的焦炭的熱性能的改善更為明顯。

4 結(jié)論

通過研究不同煤種的反應(yīng)特性和未燃煤粉對焦炭高溫性能的影響，可以對高爐噴吹煤配煤的合理化配比起到一定的指導(dǎo)作用。本試驗得出如下結(jié)論：

1)煤粉的反應(yīng)性與煤種相關(guān)。

2)煤粉的反應(yīng)性隨著煤粉揮發(fā)分的增加呈上升趨勢。

3)煤粉的反應(yīng)性與煤粉的灰成分相關(guān)，一些元素可以促進(jìn)煤粉的反應(yīng)性，某些元素能抑制煤粉的反應(yīng)性。

4)煤粉的反應(yīng)性遠(yuǎn)高于焦炭的反應(yīng)性。

5)高爐噴吹高反應(yīng)性煤可抑制焦炭的熔損反應(yīng)，降低焦炭的反應(yīng)性，提高焦炭的反應(yīng)后強(qiáng)度。

6)高爐噴吹高反應(yīng)性煤對抑制焦炭的熔損反應(yīng)作用與其反應(yīng)性相關(guān)，反應(yīng)性高的煤粉所形成的未燃煤粉對焦炭的熔損反應(yīng)抑制作用強(qiáng)。

7)噴吹高反應(yīng)性煤粉對劣質(zhì)焦炭熱性能的改善效果更佳。

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