孟 凡 彩

(兗州煤業(yè)股份有限公司 選煤管理中心，山東 鄒城 273500)

高爐噴吹用煤對煤質(zhì)的要求較高。我國高爐噴吹煤種在很長時期內(nèi)一直堅持以噴吹無煙煤為主[1]。無煙煤具有固定碳高、熱值高、置換比高、安全性好的優(yōu)點，但也存在著火溫度高、燃燒性差、燃燒率低等缺點。此外，我國無煙煤儲量相對較少，煤質(zhì)不完全符合要求，造成噴吹用無煙煤供不應(yīng)求，價格持續(xù)升高。無煙煤與低變質(zhì)煙煤相配，可有效降低低變質(zhì)煤的爆炸性[2]。

分析國內(nèi)外高爐噴吹煤的發(fā)展趨勢可知，噴吹單一煤種不理想，采用混煤噴吹，可以發(fā)揮煙煤與無煙煤兩種煤的煤質(zhì)優(yōu)勢，互補缺陷，煤粉燃燒率明顯提高，置換比上升[3]。從高爐噴吹工藝特點來看，采用煙煤與無煙煤混噴，在技術(shù)及經(jīng)濟上優(yōu)于無煙煤單獨噴吹。煙煤揮發(fā)分高、著火點低，易于燃燒，同樣條件可擴大噴吹量;煙煤含氫高于無煙煤，氫還原能力強，在爐內(nèi)高溫區(qū)可代替碳參加直接還原。且煙煤黏性低，擴散能力強，更有利于鐵礦石的還原。寶鋼、首鋼、鞍鋼等企業(yè)采用混煤噴吹，降低煉鐵焦比，煤焦置換比提高0.1～0.15，已取得良好的效果[4]。因而，噴吹技術(shù)先進(jìn)的高爐采用多煤種混合噴吹，既可擴大煤源的使用范圍，又可利用不同煤種特性，提高了煤焦的置換比并已取得良好的效果。

目前國內(nèi)外普遍采用配煤噴吹[5-14]，在配煤中盡可能提高低階煙煤的比例及降低原料成本已成為發(fā)展趨勢和研究重點。低階煙煤具有爆炸性強等弱點，需與優(yōu)質(zhì)的高變質(zhì)煤相配才能降低爆炸性。以下通過配煤實驗分析兗礦陜蒙基地金雞灘煤在配煤中的優(yōu)勢及降低爆炸性的效果，并提出了基于金雞灘煤的優(yōu)化配煤方案。

1 煤質(zhì)分析與配煤實驗

1.1 配煤實驗方案

綜合煤源、煤質(zhì)及目標(biāo)市場，選擇太西無煙煤與金雞灘煤進(jìn)行配煤實驗。為保證與高爐用噴吹煤粉的粒度一致，將煤分別制備成<0.074 mm煤粉[15]。金雞灘煤及太西煤粉的煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)見表1，配煤實驗方案見表2。

1.2 爆炸性實驗

依據(jù)AQ 1045—2007《煤塵爆炸性鑒別規(guī)范》，應(yīng)用長管式煤粉爆炸性測試儀測定配合煤粉的爆炸性。實驗前，需將待測煤樣磨細(xì)至0.074 mm以下，使其全部通過0.074 mm篩子，并在干燥箱內(nèi)用105 ℃～110 ℃干燥2 h。用天平稱取(1±0.1)g樣品裝入試樣管內(nèi)，將試樣聚集在試樣管的尾端，插入彎管。打開空氣壓縮機開關(guān)，將初始?xì)鈮赫{(diào)節(jié)至0.05 MPa。按下啟動按鈕，將試樣噴進(jìn)玻璃管內(nèi)造成煤塵云，觀察并記錄火焰長度。對產(chǎn)生火焰的試驗，還需進(jìn)行添加巖粉試驗，直至混合粉塵不再出現(xiàn)火焰為止。

表1 配煤用金雞灘煤和太西煤的煤質(zhì)分析

表2 金雞灘煤與太西無煙煤的配煤方案

1.3 燃燒特性實驗

熱重分析儀由于具有靈敏度高、反應(yīng)條件易于控制、反應(yīng)過程易于觀察及自動化程度高等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于煤的熱解、氣化和燃燒等的研究[16]。

利用德國耐馳STA 499 F3熱重分析儀可獲取煤燃燒特性TG-DTG曲線。燃燒試驗的升溫速率為20 ℃/min，氣氛為100 mL/min空氣，初始溫度30 ℃，燃燒終溫1 000 ℃。

通過TG-DTG法確定相應(yīng)的燃燒特性參數(shù)，如圖1所示[17]。在DTG曲線上，過峰值點A作垂線與TG曲線交于B點，過B點作TG曲線的切線，該切線與TG曲線上揮發(fā)分開始失重時D平行基線的交點C所對應(yīng)的溫度即定義為著火溫度Te，而切線與TG曲線上失重結(jié)束時G平行基線的交點E所對應(yīng)的溫度定義為燃盡溫度Tf，其中A點所對應(yīng)的失重速率即為最大燃燒速率(dw/dt)max，溫度即為最大速率對應(yīng)溫度Tp。

1.4 粉體流動特性

1960年代英國人卡爾(Carr)綜合研究影響粉體流動性和噴流性的因素，提出了表征粉體特性的卡爾指數(shù)?？栔笖?shù)包括流動性指數(shù)和噴流性指數(shù)。流動性指數(shù)(Fw)是粉體的自然坡度角、壓縮率、板勺角、均勻度等項指數(shù)的加權(quán)和，計算式詳見式(1):

Fw=Cp+θr+θs+Ch

(1)

其中，θr為粉體的自然坡度角，Cp為粉體的壓縮率，θs為粉體的板勺角，Ch為粉體的均勻度。

噴流性指數(shù)(Fd)是在流動性指數(shù)的基礎(chǔ)上與崩潰角、差角和分散度等項指數(shù)加權(quán)求和而得，詳見式(2):

Fd=Fw+θf+θd+Ds

(2)

其中，F(xiàn)w為粉體的流動性指數(shù)，θf為粉體的崩潰角，θd為粉體的差角，Ds為粉體的分散度。

自然坡度角、壓縮率、板勺角、均勻度、崩潰角、差角、分散度的定義以及流動性指數(shù)和噴流性指數(shù)評價表參見文獻(xiàn)[18]。此文采用BT-1001型粉體綜合特性測試儀測試噴吹煤粉的流動性指數(shù)和噴流性指數(shù)。松裝密度、振實密度、自然坡度角、崩潰角、板勺角、分散度通過儀器直接測量，而差角和分散度通過相應(yīng)公式計算而得。

2 結(jié)果與討論

2.1 配煤的煤質(zhì)特征

金雞灘煤與太西煤配煤后的煤質(zhì)特征見表3。金雞灘煤和太西煤相配后，灰分(Ad)、揮發(fā)分產(chǎn)率(Vdaf)和全硫(St,d)隨配煤中金雞灘煤比例的變化如圖2～圖4所示。

從圖2～圖4可看出，隨著金雞灘煤配入量的逐漸增加，配煤的灰分逐漸降低，配煤的揮發(fā)分產(chǎn)率及全硫含量逐漸增大。

表3 金雞灘煤與太西無煙煤的配煤的煤質(zhì)特征

圖2 金雞灘煤和太西配煤灰分(Ad)隨金雞灘煤比例的變化

圖3 金雞灘煤和太西配煤揮發(fā)分產(chǎn)率(Vdaf)隨金雞灘煤比例的變化

圖4 金雞灘煤和太西配煤全硫(St,d)隨金雞灘煤比例的變化

2.2 配煤爆炸性及著火溫度

金雞灘煤和太西煤相配后的著火溫度和爆炸性見表4，爆炸性返回火焰長度及抑制爆炸性加巖粉量隨金雞灘煤配入量的變化如圖5所示。從圖5可知，配煤的爆炸性返回火焰長度和抑制爆炸性加巖粉量均隨著金雞灘煤配入量的增加而增大。當(dāng)配煤中金雞灘煤的配入量超過55%時，配煤的爆炸性快速升高，出現(xiàn)1個明顯的階躍。當(dāng)金雞灘煤與太西煤的配比為35∶65時，配煤爆炸性(返回火焰長度為50 mm)仍較大，說明金雞灘煤和太西煤兩種煤配煤噴吹，金雞灘煤配比應(yīng)不超過35%。

金雞灘煤和太西煤相配，著火溫度隨金雞灘煤配入量的變化如圖6所示。由于金雞灘煤的著火溫度較低，而太西煤的著火溫度高，隨著金雞灘煤配入量的逐漸增加，配煤的著火溫度也逐漸降低。

表4 金雞灘煤與太西無煙煤配煤的著火溫度和爆炸性分析結(jié)果

圖5 金雞灘煤與太西煤相配時爆炸性隨金雞灘煤配入量的變化

2.3 配煤的燃燒特性

金雞灘煤與太西煤配煤的熱天平燃燒特性曲線如圖7所示，燃燒特性參數(shù)見表5。隨著金雞灘煤配入量的增加，煤的著火溫度、最大燃燒溫度均降低，而最大燃燒速率提高，配入一定量的金雞灘煤可改善配煤的燃燒特性。

2.4 配煤的流動性和噴流性

采用粉體綜合物性測定儀對金雞灘煤和太西煤的配煤測定其流動性指數(shù)與噴流性指數(shù)，試驗結(jié)果見表6。金雞灘煤和太西煤配煤的流動性指數(shù)和噴流性指數(shù)隨金雞灘煤配入量的變化如圖8所示。

圖6 金雞灘煤與太西煤相配時著火溫度隨金雞灘煤配入量的變化

由圖8可知，金雞灘煤與太西煤相配時流動性指數(shù)及噴流性指數(shù)波動并不大，流動性均欠佳而噴流性均相當(dāng)強。

3 結(jié) 論

此研究模擬高爐噴吹用煤條件，通過配煤實驗分析金雞灘煤在配煤中的優(yōu)勢及降低爆炸性的途徑，提出高爐噴吹優(yōu)化配煤方案，主要結(jié)論如下:

(1)配煤的灰分(Ad)及揮發(fā)分產(chǎn)率(Vdaf)基本上隨配煤中金雞灘煤比例增加而線性降低，說明配煤過程的混合比較均勻，樣品的代表性強。

圖7 金雞灘煤與太西煤配煤的燃燒特性曲線

表5 金雞灘煤與太西煤配煤的燃燒特性參數(shù)

表6 金雞灘煤與太西煤配煤的流動性與噴流性

(續(xù) 表)

圖8 金雞灘煤與太西煤相配時流動性和噴流性指數(shù)隨金雞灘煤配入量的變化

(2)配煤的爆炸性返回火焰長度和抑制爆炸性加巖粉量均隨著金雞灘煤的配入量的增加而增大。當(dāng)金雞灘煤與太西煤相配時，金雞灘煤的配比應(yīng)不超過35%，配煤無爆炸性。

(3)從配煤的著火溫度測試及熱天平燃燒特性研究中均可發(fā)現(xiàn)，隨著金雞灘煤配入比例增加，配煤的燃燒溫度降低，燃燒速率提高，金雞灘煤對改善配煤的燃燒特性有重要作用。

(4)分析配煤的流動性指數(shù)和噴流性指數(shù)可知，配入金雞灘煤并不會改變配煤的流動性和噴流性。