張立國，任偉，劉德軍，張偉，王再義，鄧偉

（鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

半焦是介于普通焦炭和原煤之間一種焦化產(chǎn)物，多用于電石、鐵合金等產(chǎn)品的生產(chǎn)，由于熱態(tài)性能和抗破碎性能差等原因，過去未能引起冶金工作者的足夠重視，對(duì)于其如何應(yīng)用于高爐生產(chǎn)就更鮮有報(bào)道和研究。隨著近幾年行業(yè)產(chǎn)能過剩帶來的競(jìng)爭(zhēng)激化及利潤下降問題，如何降低生產(chǎn)成本，就成為冶金企業(yè)能否生存的關(guān)鍵所在，半焦具有低于噴吹用無煙煤百元以上的采購價(jià)格優(yōu)勢(shì)，若能將其用于高爐噴吹，就可以達(dá)到有效降低成本的目的。為研究其是否能滿足作為高爐噴吹用煤的需要，本文針對(duì)半焦性能做出分析，開展了不同配入水平下的優(yōu)化配煤系列實(shí)驗(yàn)，并就混和煤粉中配入半焦后的輸送速度、燃燒率、煤焦置換比等情況進(jìn)行了分析，闡述了在一定配入量下，半焦可以作為高爐噴吹用煤。

1 半焦性能分析

噴吹煤種的選擇，尤其是煤種自身理化性能和熱態(tài)下的指標(biāo)優(yōu)劣，對(duì)于混合配煤及高爐噴吹效果有著直接的影響［1-2］。而半焦是由泥煤、褐煤和高揮發(fā)分的低變質(zhì)煙煤（主要包括長焰煤、不粘煤、弱粘煤）等經(jīng)低溫(500～700℃)干餾得到的固體產(chǎn)物，由于要將其作為一種高爐噴吹用的燃料，因此，分析半焦基本成分和元素組成，掌握制粉性能和微觀下的形貌，了解發(fā)熱值、灰熔融性等特性，對(duì)于解釋其能否作為高爐噴吹用煤就有著重要的意義。

1.1 半焦工業(yè)分析及元素分析

工業(yè)和元素組成分析是了解噴吹燃料性能最為直接手段，作為由劣質(zhì)煤粉經(jīng)過干餾工藝而獲得的產(chǎn)物，只有準(zhǔn)確掌握了基礎(chǔ)成分，才能以此作為初步判斷的依據(jù)，其是否能夠起到替代部分噴吹煤粉的效果，半焦的工業(yè)及元素分析結(jié)果見表1。

表1 半焦工業(yè)及元素分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

從表1可以看出，由于形成半焦的煤粉都為變質(zhì)程度較輕的煤粉，煤粉中有機(jī)質(zhì)殘存物較多，致使形成半焦后，其中灰分含量較普通焦炭和無煙煤中略低，而燃料中的灰分進(jìn)入高爐后，會(huì)發(fā)生一系列吸熱反應(yīng)最后形成爐渣，從這個(gè)角度講，半焦噴入高爐后，燃料中灰分帶入量的減少，會(huì)有利于渣比的降低，促進(jìn)燃料比的下降。

1.2 半焦制粉性能及微觀形貌分析

1.2.1 制粉性能

可磨性對(duì)噴吹效果并沒有直接影響，但煤粉的可磨性較小，表明煤的硬度大，會(huì)給制粉工藝帶來麻煩，增加動(dòng)力消耗，同時(shí)使噴吹設(shè)備，特別是噴槍的壽命降低［3］，適度的煤粉硬度和煤粉出率有利于速磨制粉。半焦等煤種可磨性指數(shù)測(cè)定見表2。

表2 煤種可磨性指數(shù)

從表2可以看出，半焦與焦作、陽精等無煙煤粉可磨性指數(shù)相似，從制粉和煤粉出率的角度來看，半焦投入中速磨后，不會(huì)影響混煤制粉和煤粉的出率、增加磨輥磨損及額外動(dòng)力消耗，對(duì)制粉工藝產(chǎn)生不利影響。

1.2.2 半焦微觀形貌

生產(chǎn)實(shí)踐表明，混煤的輸送、燃燒性能的優(yōu)劣都與其微觀下的顆粒形貌有著密切關(guān)系，而噴吹用煤粉是由1～300 μm各種大小不一、形狀各異的微粒組成的顆粒群，通過噴吹工藝后最終噴入到高爐內(nèi)參與燃燒。為此，在實(shí)驗(yàn)室條件下，將成品半焦制得小于74 μm的粉末，并取高爐噴吹用的混煤煤粉，用掃描電鏡對(duì)比2種顆粒群微觀下形態(tài)，微觀形貌見圖1和圖2。

從圖1和圖2中可以看到，經(jīng)過研磨成小粒度后，在放大100倍的條件下，半焦與高爐噴吹用的混合煤粉為2個(gè)截然不同的微觀形態(tài)，混合煤粉呈現(xiàn)出了尺寸各異的粒狀結(jié)構(gòu)，而半焦在微觀形態(tài)下，表現(xiàn)出不規(guī)整的薄片狀結(jié)構(gòu)。從熱量傳導(dǎo)的效果看，片狀的形貌顯然更有利于煤粉顆粒的熱量傳遞，促進(jìn)內(nèi)部官能團(tuán)的斷裂，對(duì)于進(jìn)入高爐內(nèi)的燃燒有益，這樣來說，研磨后的半焦不會(huì)對(duì)在高爐內(nèi)部燃燒造成影響。

1.3 半焦熱態(tài)性能

1.3.1 發(fā)熱值和灰熔融性能

煤粉是以其放出的熱量和形成的還原劑CO，來代替焦炭在高爐內(nèi)提供熱源和還原劑，發(fā)熱值越高，置換比也就越大［4-5］，同時(shí)半焦是由一些變質(zhì)程度較低的煤，經(jīng)低溫干餾得到的產(chǎn)物，噴入高爐后，能否產(chǎn)生風(fēng)口結(jié)焦、結(jié)渣等不良現(xiàn)象，也有待進(jìn)一步考察。實(shí)驗(yàn)室條件下半焦等煤種發(fā)熱值和灰熔融性能測(cè)定結(jié)果見表3。

表3 半焦等煤種發(fā)熱值和灰熔融性能

從表3可以看出，半焦的發(fā)熱值除了略低于太西煤以外，比其它鞍鋼常用的一些煤種如焦作煤等都要高，從這個(gè)角度來講，噴入半焦后不會(huì)減少高爐內(nèi)的熱量，同時(shí)從半焦灰熔融性能的測(cè)定結(jié)果來看，其灰熔融性能要高于目前高爐最高使用風(fēng)溫（1 250℃）100℃以上，半焦的噴入也不會(huì)帶來風(fēng)口結(jié)焦、結(jié)渣等不利于高爐生產(chǎn)的現(xiàn)象發(fā)生。

1.3.2 半焦的熱態(tài)反應(yīng)性能

當(dāng)干餾爐內(nèi)溫度從500℃升到700℃時(shí)，在煤中的有機(jī)質(zhì)進(jìn)一步熱分解，導(dǎo)致縮合芳環(huán)上的短側(cè)鏈和聯(lián)結(jié)芳香環(huán)間的橋鍵開始斷裂，當(dāng)內(nèi)部應(yīng)力達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)就會(huì)形成裂紋，而裂紋的存在會(huì)降低半焦的強(qiáng)度［6］，半焦的熱態(tài)反應(yīng)性為81.00,反應(yīng)后轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度為31.90%。

由于此時(shí)沒有液態(tài)產(chǎn)物生成，干餾反應(yīng)未進(jìn)行徹底，半焦還處在沒有完全形成焦炭的階段，加之自身又是多裂紋結(jié)構(gòu)，這些原因就造成了半焦熱態(tài)反應(yīng)性偏高、強(qiáng)度偏低，半焦熱態(tài)指標(biāo)與普通焦炭存有差異，性能更接近于高爐噴吹用的無煙煤。

2 配煤實(shí)驗(yàn)

作為取代無煙煤的一種新“煤種”，半焦除了基礎(chǔ)理化指標(biāo)上要滿足中速磨制粉及高爐噴吹需要外，冶金工作者最為關(guān)心的問題就是與其它種類煤粉混合后，噴入到高爐后的應(yīng)用，尤其是混合煤粉燃燒性能的好壞以及替代煤粉的效果。為闡述這個(gè)問題，開展了實(shí)驗(yàn)室條件下的配煤及燃燒率測(cè)定實(shí)驗(yàn)，尋求適合的半焦配入比例，使高爐達(dá)到最佳噴吹效果。

2.1 配煤方法

多種煤粉的混合配制能夠避免單一煤種某些性能上的劣勢(shì)，最大限度達(dá)到煤粉配入后的合理利用［7］。依托現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備及裝置，在鞍鋼現(xiàn)有煤種條件下，利用minitab軟件，采用數(shù)學(xué)優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，開展了以煤粉種類作為影響因素，配入量為水平的半焦配煤實(shí)驗(yàn)研究。

2.2 配煤種類及水平

受到現(xiàn)場(chǎng)原煤倉個(gè)數(shù)（4個(gè)）和資源的限制，本次采用以2種無煙煤和1種煙煤作為基礎(chǔ)煤種，并將半焦視為另外一個(gè)因素，開展配入比例不超過15%優(yōu)化配煤實(shí)驗(yàn)，兼顧現(xiàn)有原煤種類、采購量和成本等諸多因素，以鞍鋼生產(chǎn)協(xié)力作業(yè)區(qū)正在使用配煤制度作為基準(zhǔn)參考，選定后的因素和配入比例設(shè)計(jì)見表4［8-10］。

表4 因素水平表（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

2.3 煤種優(yōu)化配比

由于混合煤粉噴入到高爐后，有眾多指標(biāo)影響到其使用效果，因此應(yīng)從整體考慮混配煤粉的性能，采用灰分、揮發(fā)分、固定碳、可磨性指數(shù)、發(fā)熱值及灰熔融性能等多種常用指標(biāo)作為混合煤粉性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，具體方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。

2.4 配煤方案確定

以太西、陽泉、神華和半焦4種煤作為影響因素開展配煤實(shí)驗(yàn)，通過優(yōu)化分析，煤種影響因素的主次順序依次為半焦、陽泉、神華、太西，或者是半焦、陽泉、太西、神華，其中神華和太西兩種煤粉在此次配煤方案中的影響較弱，從而得到最優(yōu)化的4組配煤比，具體配煤方案見表6。

3 混煤性能分析與討論

3.1 混合煤粉輸送性能

輸送性能是煤粉物理性能和輸送氣體流動(dòng)狀態(tài)的綜合反映，是一個(gè)動(dòng)態(tài)工藝參數(shù)，不僅反映煤粉所受重力對(duì)煤粉輸送過程的影響，還反映輸送氣體對(duì)煤粉在流化噴吹罐和輸送管道內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)的影響，輸送性能好壞對(duì)煤粉噴吹的重要意義是不言而喻的。為此，取廠內(nèi)高爐正在噴吹使用的混合煤粉及幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室優(yōu)化下配煤方案的混合煤粉，在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬高爐實(shí)際噴煤輸送速度，不同方案下的混煤輸送速度見表7。

表5 實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表6 不同煤種配加比例（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

表7 不同方案下混煤的輸送速度 (g·min-1)

幾種配煤方案下，除了方案3中煙煤配比略低外，其它混煤中煙煤配入量均接近或者超過40%，比現(xiàn)場(chǎng)使用的配煤方案中煙煤配比要高，而由于煙煤中含有較高的絲質(zhì)組，而絲質(zhì)組的粘性幾乎為零，顆粒間引力比較小，導(dǎo)致輸送過程中摩擦阻力損失變小。從表7可以看出，雖然配入一定量的半焦，幾種配煤方案下的混煤輸送速度要比現(xiàn)場(chǎng)正在使用的好些，而且都能夠滿足高爐噴吹工藝的需要，其中煙煤配比較高的方案2煤粉輸送性能要更好些。

3.2 混煤燃燒率研究

由于混煤煤粉最終要噴入到風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)，參與燃燒以及含鐵物料的還原，因此當(dāng)選擇半焦當(dāng)作一個(gè)新的“煤種”后，燃燒率才是最為核心的指標(biāo)，也是最能反應(yīng)高爐內(nèi)部的混合煤粉利用情況。由于煤是由大量相對(duì)分子質(zhì)量不同、分子結(jié)構(gòu)相似但又不完全相同的“相似化合物”、以芳香結(jié)構(gòu)為主的環(huán)狀化合物，各個(gè)單元間是通過脂肪族基團(tuán)或其它官能團(tuán)相互交聯(lián)［11］；而半焦由于其是焦化工藝下的產(chǎn)物，隨著溫度的升高，分子間交聯(lián)鍵的斷裂，煤中的有機(jī)質(zhì)進(jìn)一步熱分解和熱聚縮，致使其石墨化的程度要比煤粉高很多，火焰?zhèn)鞑ニ俣缺让悍垡?，將?huì)對(duì)半焦的燃燒造成一定影響。

為此，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室自主開發(fā)的煤粉燃燒性能分析裝置，開展不同煤種配比方案下的燃燒率測(cè)定實(shí)驗(yàn)，判斷煤粉的燃燒情況，分析在大氣環(huán)境中以及不同富氧率條件下的混合煤粉燃燒效果，對(duì)比結(jié)果見圖3。

從圖3可以看出，雖然煤粉中配入一定量的半焦，由于配入了較高比例的煙煤，幾種配煤方案下的混合煤粉燃燒率僅有2%左右的差異，可以滿足煤粉燃燒的需要，而且隨著富氧率的增加，無論是哪種配煤方案，燃燒率均呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，說明富氧作用對(duì)于改善煤粉燃燒率起到一定效果，但當(dāng)富氧率超過3%時(shí)，富氧作用對(duì)于改善煤粉燃燒率作用減小，相對(duì)而言，方案2煙煤配入比例最高，煤粉燃燒的效果最好。

3.3 理論置換比計(jì)算分析

適宜的煤焦置換比是高爐噴吹煤粉追求的核心指標(biāo)，由于半焦的固定碳含量略高于噴吹用的無煙煤，從這個(gè)方面來說，半焦在一定配入量下不會(huì)對(duì)置換比產(chǎn)生影響。由于鞍鋼此前也未進(jìn)行過混煤中配入半焦的高爐噴吹，因此，從理論上計(jì)算配入半焦噴吹時(shí)的理論置換比，對(duì)未來確定將其用于高爐噴吹有著重要的參考價(jià)值。本文采用北京科技大學(xué)晏偉教授的總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算的理論置換比結(jié)果對(duì)比見圖4。

計(jì)算結(jié)果表明，幾種配煤方案下的混合煤粉理論置換比都在0.95以上，遠(yuǎn)高于0.85噴煤行業(yè)要求的標(biāo)準(zhǔn)，因此，從置換比角度考慮，也完全能夠滿足高爐噴吹的需要。

4 結(jié)論

（1）半焦中灰分含量比普通焦炭和無煙煤要低，半焦噴入高爐后，燃料中灰分帶入量的減少，會(huì)有利于渣比的降低，促進(jìn)燃料比的下降。

（2）半焦與焦作、陽精等無煙煤粉可磨性指數(shù)相類似，不會(huì)影響混煤制粉和煤粉的出率及增加磨輥磨損及額外動(dòng)力消耗，對(duì)制粉工藝產(chǎn)生不利影響。

（3）半焦在微觀形態(tài)下，表現(xiàn)出不規(guī)整的薄片狀結(jié)構(gòu)，從熱量傳導(dǎo)的效果看，片狀形貌有利于煤粉顆粒的熱量傳遞，促進(jìn)內(nèi)部官能團(tuán)的斷裂，對(duì)于進(jìn)入高爐內(nèi)的燃燒有益。

（4）噴入半焦的自身發(fā)熱值不會(huì)減少高爐內(nèi)的熱量，也不會(huì)帶來風(fēng)口結(jié)焦、結(jié)渣等不利于高爐生產(chǎn)的現(xiàn)象發(fā)生，同時(shí)熱態(tài)指標(biāo)與普通焦炭存在差異，性能上更接近于高爐噴吹用的無煙煤。

（5）采用數(shù)學(xué)優(yōu)化配煤后，幾種配煤方案下與現(xiàn)場(chǎng)正在使用的混煤煤粉輸送速度比變化不大，燃燒率僅有2%左右的差異，理論置換比都在0.95以上。分析表明，半焦在一定量的配入情況下，完全可以作為高爐噴吹用煤。

［1］ 張海濱，吳鏗，周翔，等．煤粉特性及配煤研究［J］．中國冶金，2008，18（8）：3-5．

［2］ 李貴陽，李新華，李豪杰，等．高爐噴吹煤性能研究及實(shí)踐［J］．鋼鐵，2005，40（5）：10-11．

［3］ 張立國，車玉滿，劉德軍，等．鞍鋼鲅魚圈4038 m3高爐噴煤生產(chǎn)實(shí)踐［J］．煉鐵，2010，29（6）：7-9．

［4］ 湯清華，馬樹涵．高爐噴吹煤粉知識(shí)問答［M］．北京：冶金工業(yè)出版社，2002．

［5］ 周傳典．高爐煉鐵生產(chǎn)技術(shù)手冊(cè) ［M］．北京：冶金工業(yè)出版社，2002．

［6］ 解維偉．煤化學(xué)與煤質(zhì)分析［M］．北京：冶金工業(yè)出版社，2012．

［7］ 張立國，江治飛，王再義，等．鲅魚圈4038 m3高爐優(yōu)化配煤研究與應(yīng)用［J］．鋼鐵，2013，48（8 ）：25-26．

［8］ 李云雁，胡傳榮．實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理［M］．北京，化學(xué)工業(yè)出版社，2005．

［9］ 段健，金龍哲，歐盛南，等．模糊數(shù)學(xué)方法優(yōu)選高爐噴吹煤［J］．煤炭學(xué)報(bào)，2011，36（9）：1 559-1 564.

［10］ 王竹民，劉二浩，呂慶，等．邯鋼高爐噴煤煤種的選擇研究［J］．中國冶金，2009，19（6）：12-14．

［11］ 何選明．煤化學(xué)［M］．北京：冶金工業(yè)出版社，2012．