白曉光 楊 帆 黃雅彬 張建良 胡孝天 黨 晗 徐潤(rùn)生

(1.內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司，2.北京科技大學(xué))

鋼鐵行業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，同時(shí)也是CO2排放大戶，約占全國(guó)總排放量的16%，而高爐煉鐵工序的排放量占鋼鐵全流程總排放量的70%左右，加上相關(guān)聯(lián)的燒結(jié)和焦化等工序，占比可達(dá)鋼鐵全流程的90%左右。隨著焦炭資源的日益匱乏和價(jià)格攀升，利用其他能源來(lái)代替焦炭已成為當(dāng)務(wù)之急[1]。

高爐噴吹煤粉于上世紀(jì)60年代開始在鋼鐵工業(yè)煉鐵工序中規(guī)模應(yīng)用，也是目前降焦降本的主要手段，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有重要意義[2]。早在上世紀(jì)60年代中期，國(guó)內(nèi)首鋼1號(hào)高爐建成噴煤系統(tǒng)并投入生產(chǎn)，取得了較好的效果[3]。隨后，鞍鋼、濟(jì)鋼等相繼在高爐生產(chǎn)工作中應(yīng)用了噴吹煤粉技術(shù)，目前國(guó)內(nèi)大部分鋼鐵企業(yè)噴煤比在120～190 kg/t，先進(jìn)鋼鐵企業(yè)噴煤比達(dá)到200 kg/t以上[4-7]。

然而在高爐冶煉中，當(dāng)煤比提高到一定程度后，煤焦置換比、煤氣利用率、高爐內(nèi)部透氣透液性、風(fēng)口回旋區(qū)的理論燃燒溫度、燃燒率和煤粉利用率等指標(biāo)下降，影響高爐穩(wěn)定順行[8-12]。選擇合適的煤種進(jìn)行噴吹，提升燃燒率和利用率，保證高爐冶煉穩(wěn)定順行，是各鋼鐵企業(yè)實(shí)現(xiàn)技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)可觀、環(huán)?？衫m(xù)的必要工作[13-16]。

使用包鋼提供的9種煤樣(無(wú)煙煤、煙煤和混煤)為試驗(yàn)原料，分別進(jìn)行了工業(yè)分析、元素分析、可磨性、噴流特性、著火點(diǎn)、爆炸性和燃燒性的研究，通過(guò)帶有特性指數(shù)的綜合性能指標(biāo)，建立相應(yīng)的煤粉性價(jià)比評(píng)價(jià)模型，為包鋼噴吹合適的高性價(jià)比煤種提供指導(dǎo)。

1 煤粉基礎(chǔ)性能分析

1.1 工業(yè)分析與元素分析

對(duì)包鋼9種煤樣進(jìn)行了工業(yè)分析和元素分析，結(jié)果見表1。

表1 包鋼9種煤樣工業(yè)分析和元素分析

包鋼9種煤樣大部分固定碳含量在70%～80%之間，且中低揮發(fā)分含量及熱值較高，整體的工業(yè)性質(zhì)較好，有利于高爐噴吹。根據(jù)煤粉的灰分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，除7號(hào)煤樣外，其余均屬于中低等灰分煤粉。9號(hào)煤樣的固定碳含量較高，而且灰分含量只有5.67%，屬于特低灰分煤粉，噴吹9號(hào)煤樣有利于提高煤焦的置換比，減少高爐的冶煉渣量，從而降低燃料比。5號(hào)煤樣的工業(yè)分析特征代表了國(guó)內(nèi)大多數(shù)的高爐噴吹煙煤，即固定碳含量和灰分含量較低，而揮發(fā)分含量較高。高爐噴吹要求灰分含量小于12%，包鋼9種煤樣均能夠較好地滿足高爐噴吹的要求。1和4號(hào)煤樣的揮發(fā)分含量小于12%，揮發(fā)分含量最高的是5號(hào)煤樣為34.55%。無(wú)煙煤中4號(hào)煤樣揮發(fā)分含量高，煙煤中5號(hào)煤樣揮發(fā)分含量高，混煤中3號(hào)煤樣揮發(fā)分含量高，在選擇高爐噴吹用煤時(shí)需要進(jìn)行篩選，以保證高爐的安全生產(chǎn)[17]。包鋼9種煤樣硫含量皆較低，除4號(hào)煤樣外，其余煤樣的硫含量都在1%以下，屬于低硫煤，2、5和8號(hào)煤樣的硫含量都在0.5%以下，屬于特低硫煤。無(wú)煙煤中硫含量較低的是1號(hào)煤樣，煙煤中硫含量較低的是2號(hào)煤樣，混煤中硫含量較低的是8號(hào)煤樣。如果煤中硫含量過(guò)高，在噴吹配煤時(shí)應(yīng)稍加注意[18]。

1.2 可磨性分析

可磨性代表了煤被磨碎成煤粉的難易程度，可磨性指數(shù)越大則容易粉碎，反之則難粉碎，直接影響到高爐制粉能耗和成本[19]。該研究采用哈德格羅夫法測(cè)定包鋼9種煤樣的可磨性數(shù)值HGI，結(jié)果如表2所示。

表2 包鋼9種煤樣的HGI和安全性能

高爐噴吹用煤的可磨性指數(shù)應(yīng)在60～90之間，低于50的煤很硬且難磨。高于90的煙煤雖然易磨，但往往是黏結(jié)性過(guò)強(qiáng)，可能給磨煤和輸煤造成困難。除了4號(hào)煤樣外，包鋼其余煤樣的可磨性指數(shù)都在50～60之間，屬于可磨性較差的煤，其中可磨性指數(shù)最低的5號(hào)煤樣(煙煤)僅為52，屬于較難磨的煤種。無(wú)煙煤中可磨性指數(shù)較大的是4號(hào)煤樣，煙煤中可磨性指數(shù)較大的是2號(hào)煤樣，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中可能造成制粉工序的成本過(guò)高。

1.3 高爐噴吹安全性能分析

高爐生產(chǎn)過(guò)程中噴吹煤粉的安全性能同樣值得重點(diǎn)關(guān)注，選擇74 μm粒級(jí)以下的煤粉，采用長(zhǎng)管式爆炸性測(cè)試儀和微型電爐著火點(diǎn)測(cè)定裝置分別測(cè)定9種煤樣的爆炸性和著火點(diǎn)，結(jié)果如表2所示。

一般來(lái)講，煤的揮發(fā)分含量越高，煤的爆炸程度越強(qiáng)，以火焰返回長(zhǎng)度來(lái)衡量爆炸性的有無(wú)或強(qiáng)弱。2號(hào)煤樣爆炸性弱，而5號(hào)煤樣爆炸性強(qiáng)，因此從安全角度出發(fā)，5號(hào)煤樣需要配加無(wú)煙煤來(lái)降低混煤的揮發(fā)分，減弱其爆炸性。

1、4號(hào)煤樣的著火點(diǎn)溫度超過(guò)450 ℃，6、9號(hào)煤樣的著火點(diǎn)溫度在400～450 ℃之間，這四種煤樣安全性較好。無(wú)煙煤中著火點(diǎn)較高的是4號(hào)煤樣，煙煤中著火點(diǎn)較高的是5號(hào)煤樣，混煤中著火點(diǎn)較高的是9號(hào)煤樣，綜合來(lái)看，4號(hào)煤樣的高爐噴煤安全性能最高。

1.4 噴流特性分析

煤粉的噴流特性指數(shù)是指煤粉在風(fēng)口回旋區(qū)的彌散程度，而風(fēng)口彌散程度又是影響風(fēng)口前燃燒率的重要因素之一[20]。Carr流動(dòng)指數(shù)是實(shí)驗(yàn)室判定煤粉流動(dòng)性的重要指標(biāo)，通過(guò)查閱相關(guān)流動(dòng)性指數(shù)表，對(duì)不同煤粉的流動(dòng)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。煤粉的制備、輸送以及設(shè)備的防磨等都涉及氣固兩相的流動(dòng)問(wèn)題，且與煤粉流動(dòng)性指數(shù)息息相關(guān)[3]。包鋼9種煤樣的流動(dòng)特性和噴流特性如表3所示。

表3 包鋼9種煤樣的流動(dòng)特性和噴流特性

同樣的外部條件下，煤粉在風(fēng)口回旋區(qū)彌散度越大，相應(yīng)的煤粉燃燒率越高，以煤代焦效果越明顯。包鋼9種煤樣噴流特性指數(shù)較好，均在60以上，其中3、5、8和9號(hào)煤樣的噴流特性指數(shù)均超過(guò)了70，噴流特性指數(shù)最高的是8號(hào)煤樣達(dá)到81。無(wú)煙煤中噴流特性指數(shù)較高的為4號(hào)煤樣，煙煤中噴流特性指數(shù)較高的為5號(hào)煤樣，混煤中噴流特性指數(shù)較高的為8號(hào)煤樣。包鋼9種煤樣的流動(dòng)特性指數(shù)與噴流特性指數(shù)可以滿足管道內(nèi)燃料的運(yùn)輸要求，且煤樣噴入高爐后具有較好的彌散度、利于燃燒，對(duì)高爐冶煉有著十分有利的影響。

1.5 燃燒性分析

熱重法是眾多學(xué)者研究煤粉燃燒性的主要手段之一，該研究采用北京恒久生產(chǎn)的HCT-3微機(jī)差熱天平對(duì)包鋼的9種煤樣進(jìn)行了燃燒性的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用Φ5 mm×3 mm氧化鋁坩堝盛放樣品，樣品重量為(5±0.2)mg，反應(yīng)氣氛為空氣，升溫速率為20 ℃/min，終點(diǎn)溫度900 ℃。轉(zhuǎn)化率(TG)曲線和轉(zhuǎn)化速率(DTG)曲線通過(guò)采集的失重?cái)?shù)據(jù)繪制得到，樣品的轉(zhuǎn)化率(x)計(jì)算公式如下：

(1)

式中：m0代表樣品初始質(zhì)量；mt代表反應(yīng)進(jìn)行到t時(shí)刻樣品的質(zhì)量；m∞代表實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)的最終質(zhì)量。

整個(gè)燃燒過(guò)程可以大致分為3個(gè)階段，即反應(yīng)開始階段、迅速失重階段及反應(yīng)結(jié)束階段。在迅速失重階段，燃燒性曲線的斜率越大，燃盡溫度越低，則燃燒性越好。因此，燃燒性最好的是5號(hào)煤樣，其揮發(fā)分較高，更容易被點(diǎn)燃發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；燃燒性最差的是6號(hào)煤樣，與其揮發(fā)分含量大小相關(guān)。揮發(fā)分對(duì)燃燒過(guò)程有積極的影響，當(dāng)揮發(fā)分含量較低時(shí)，灰成分會(huì)對(duì)煤的燃燒過(guò)程有一定的抑制作用。

為了更直觀的定量分析包鋼9種煤樣的燃燒特性，提取了其燃燒特性參數(shù)，引入了綜合燃燒特性指數(shù)S，具體計(jì)算公式如下：

(2)

式中：(dx/dt)max為最大燃燒速率；(dx/dt)mean為平均燃燒速率；Ti為著火溫度(失重5%時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度)；Th為燃盡溫度(失重95%時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度)。

從燃燒特性參數(shù)(表4)可以看出，絕大部分煤樣的綜合燃燒特性指數(shù)S都在1.5×1013附近，僅有5、8號(hào)煤樣的S在3.5×1013附近，在燃燒曲線中則體現(xiàn)為，在550 ℃時(shí)，5、8號(hào)煤樣已經(jīng)基本反應(yīng)完畢。無(wú)煙煤中1號(hào)煤樣的燃燒性較好，煙煤中5號(hào)煤樣的燃燒性較好，混煤中8號(hào)煤樣的燃燒性較好。好的燃燒性體現(xiàn)在煤粉在風(fēng)口迅速完成燃燒，為高爐提供更多熱量的同時(shí)降低未燃煤粉量，對(duì)高爐冶煉十分有利。

表4 包鋼9種煤樣的燃燒特性參數(shù)

2 煤粉綜合性能評(píng)價(jià)

以上對(duì)包鋼9種噴吹煤樣做出了全面的性能研究，并結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，建立噴吹煤綜合性能評(píng)估方法，用理論指導(dǎo)配煤結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對(duì)煤粉的流動(dòng)特性指數(shù)、噴流特性指數(shù)、可磨性指數(shù)、熱值、爆炸性和灰分分別賦予權(quán)重值來(lái)評(píng)價(jià)煤粉的綜合性能Ci[21]。

(3)

式中：L為流動(dòng)特性指數(shù)；P為噴流特性指數(shù)；M為可磨性指數(shù)；QV為熱值；F為火焰返回長(zhǎng)度；A為灰分。

通過(guò)計(jì)算得到9種煤粉的綜合性能指標(biāo)如表5所示。包鋼的9種煤樣中，無(wú)煙煤和煙煤的綜合性能指標(biāo)要高于混煤的綜合性能指標(biāo)，無(wú)煙煤中綜合性能指標(biāo)較高的是4號(hào)煤樣，煙煤中綜合性能指標(biāo)較高的是2號(hào)煤樣，混煤中綜合性能指標(biāo)較高的是9號(hào)煤樣。無(wú)煙煤和煙煤的綜合性能指標(biāo)較高，當(dāng)其硫含量相對(duì)較低時(shí)，不考慮生產(chǎn)成本的情況下可以單獨(dú)用于高爐噴吹；否則應(yīng)與其他煤粉的混配來(lái)優(yōu)化綜合性能指標(biāo)。

表5 包鋼煤種綜合性能指標(biāo)

3 煤粉性價(jià)比評(píng)價(jià)模型

對(duì)于生產(chǎn)管理者，通常需要在煤種性能與實(shí)際成本之間找尋一個(gè)合適的平衡點(diǎn)，力求高爐所使用的煤具有最高的性價(jià)比，保證企業(yè)效益最大化。研究采用了左海濱等建立的高爐噴吹煤粉性價(jià)比評(píng)價(jià)模型，引入了煤粉有效發(fā)熱值的概念，綜合考慮不同煤種的購(gòu)入成本和制粉成本，對(duì)于不同的煤樣進(jìn)行性價(jià)比排序[22]。

3.1 煤粉有效發(fā)熱值

風(fēng)口前是碳過(guò)剩的環(huán)境，煤粉進(jìn)入風(fēng)口后，會(huì)經(jīng)歷脫水、煤粉分解、灰分造渣以及硫的燃燒轉(zhuǎn)化，定義有效發(fā)熱值Q為煤粉總的燃燒釋放熱減去以上幾項(xiàng)耗熱后的凈熱量[22]。

Q=QC-QH2O-QC-H-Qash-QS

(4)

式中：QC為固定碳不完全燃燒釋放的熱量；QH2O為水分解消耗的熱量；QC-H為碳?xì)浠衔锓纸庀牡臒崃?；Qash為灰分形成爐渣消耗的熱量；QS為脫硫消耗的熱量。

3.2 煤粉性價(jià)比模型

高爐噴煤實(shí)際成本包括干基成本和制粉成本，文中有效發(fā)熱值采用干基進(jìn)行計(jì)算，為了保持匹配，這里也使用干基成本。干基成本和制粉成本計(jì)算公式如式(5)和式(6)所示[23]。

(5)

(6)

式中：Pg為干基成本；Pr為購(gòu)入成本，購(gòu)入成本以2021年9月包鋼實(shí)際交易成本為準(zhǔn)；Mf為水分含量；Pz為制粉成本；Mb為標(biāo)準(zhǔn)可磨性指數(shù)；M為可磨性指數(shù)；Qd為標(biāo)準(zhǔn)煤電耗；Pd為單位成本。

性價(jià)比計(jì)算公式如式(7)所示。

(7)

式中：K為性價(jià)比系數(shù)；Q為有效發(fā)熱值。

通過(guò)計(jì)算得到包鋼9種煤樣的有效發(fā)熱值、制粉成本、噴吹成本以及性價(jià)比系數(shù)見表6。

表6 包鋼9種煤樣評(píng)價(jià)模型相關(guān)參數(shù)

制粉成本直接受可磨性影響，無(wú)煙煤中制粉成本較低的是4號(hào)煤樣，煙煤中制粉成本較低的是2號(hào)煤樣。采購(gòu)成本主要受發(fā)熱值影響。兩種成本最終決定噴吹成本，不同煤種的噴吹成本有所不同。同時(shí)不同煤樣在性價(jià)比上也存在差異，混煤的性價(jià)比整體上要比無(wú)煙煤和煙煤的性價(jià)比高，混煤的性價(jià)系數(shù)比基本都保持在5以上，無(wú)煙煤和煙煤的性價(jià)比系數(shù)都在5以下。無(wú)煙煤中性價(jià)比較高的是1號(hào)煤樣，煙煤中性價(jià)比較高的是2號(hào)煤樣，混煤中性價(jià)比較高的是9號(hào)煤樣。

根據(jù)包鋼9種煤樣的綜合性能評(píng)價(jià)以及性價(jià)比模型可得，無(wú)煙煤中性能最好的是1號(hào)煤樣，煙煤中性能最好的是2號(hào)煤樣，混煤中性能最好的是9號(hào)煤樣。

4 結(jié)論

(1)包鋼9種煤樣的灰分含量普遍較低，均屬于低灰分煤粉，且固定碳含量處于較高水平，除1、4號(hào)煤樣外，其余均屬于低硫煤，整體發(fā)熱值水平較高，有利于高爐生產(chǎn)。9種煤樣均具有較好的噴流特性，不僅有利于煤粉在風(fēng)口回旋區(qū)燃燒率的提高，同時(shí)能夠保證煤粉在風(fēng)口前端的穩(wěn)定輸送。

(2)2號(hào)煤樣的煙煤具有弱爆炸性。5號(hào)煤樣具有較強(qiáng)的爆炸性及較低的著火點(diǎn)，因此安全性能較低。熱重分析的結(jié)果表明，無(wú)煙煤中1號(hào)煤樣的燃燒性較好，煙煤中5號(hào)煤樣的燃燒性較好，混煤中8號(hào)煤樣的燃燒性較好。

(3)根據(jù)綜合性能指標(biāo)的評(píng)價(jià)來(lái)看，無(wú)煙煤中較好的是4號(hào)煤樣，煙煤中較好的是2號(hào)煤樣，混煤中較好的是9號(hào)煤樣。通過(guò)建立煤粉噴吹性價(jià)比模型得出，無(wú)煙煤中性能最好的是1號(hào)煤樣，煙煤中性能最好的是2號(hào)煤樣，混煤中性能最好的是9號(hào)煤樣。