王培平，陳旺生，孟 康

（武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北武漢，430081）

高爐噴煤是從高爐風(fēng)口向爐內(nèi)直接噴吹適度粒徑范圍的無(wú)煙煤或煙煤，以替代焦炭用于提供熱量和起到還原劑的作用，從而降低焦比和生鐵成本。然而，隨著噴煤比的不斷提高，煤粉在高爐內(nèi)的燃燒條件惡化，燃燒效率降低，煤焦置換比有所下降［1］。因此，提高煤粉的燃燒效率成為研究的熱點(diǎn)。目前，強(qiáng)化煤粉燃燒的手段主要有提高風(fēng)溫、富氧噴煤、噴吹配煤和添加催化助燃劑等［2］，其中高爐噴吹配煤不僅可以充分利用我國(guó)煤炭資源，而且其各組分相互促進(jìn)燃燒，可提高煤粉的燃燒率和煤焦的置換比；而添加催化助燃劑也是實(shí)現(xiàn)燃煤高效、潔凈燃燒的強(qiáng)有力措施［3］。目前煤催化助燃機(jī)理主要有氧傳遞學(xué)說(shuō)和電子轉(zhuǎn)移學(xué)說(shuō)［4－6］，這兩種理論均認(rèn)為，堿金屬、堿土金屬和過(guò)渡元素的氧化物、氫氧化物及其鹽類幾乎都具有催化助燃作用，且具有催化活性的一般規(guī)律，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：一是對(duì)揮發(fā)分燃燒的催化作用；二是對(duì)固定碳燃燒的催化作用。

本文著重研究提高高爐噴吹配煤的燃燒效率，基于以上煤催化燃燒的反應(yīng)機(jī)理，在配煤中干法混合不同比率的催化助燃劑輕燒白云石、冷軋酸洗氧化鐵粉和錳礦粉，探討催化助燃劑種類及其添加量對(duì)煤粉著火點(diǎn)和燃盡率的影響，以確定匹配的催化助燃劑種類及其最佳添加量。

1 試驗(yàn)

1.1 配合煤的制備及表征

將混合無(wú)煙煤（神火、恒源、青町和四川）、神華煙煤和焦粉分別按52%、40%和8%的質(zhì)量配比混合并制備成200目以下的配合煤粉。按照GB／T212—2008對(duì)配合煤進(jìn)行工業(yè)分析和元素分析，結(jié)果如表1所示。由表1中可以看出，該配合煤的固定碳含量為71.03%，揮發(fā)分含量為18.53%，發(fā)熱值高；碳、氧和氫元素含量高，氮和硫元素含量較低，燃燒所需理論空氣量大，因此不僅適合于高爐噴吹，還有利于富氧和高風(fēng)溫操作。

表1 配合煤樣的工業(yè)分析和元素分析結(jié)果（wB／%）Table 1 Proximate and ultimate analysis of blended coals

1.2 催化助燃劑的表征

試驗(yàn)以廉價(jià)的輕燒白云石、冷軋酸洗氧化鐵粉（以下簡(jiǎn)稱氧化鐵粉）和錳礦粉作為高爐催化助燃劑。采用X’Pert PRO型XRD衍射儀分析催化助燃劑的物相組成，采用Nova 400 Nano型EDS能譜儀和SEA100A Ro HS型熒光光譜儀分析催化助燃劑的表面元素組成和化學(xué)成分，采用Nova 400 Nano型掃描電鏡觀察催化助燃劑的表面形貌和活性組分分散度。

1.3 催化助燃煤樣的制備

單一催化樣是將輕燒白云石、氧化鐵粉、錳礦粉均分別按1.5%、3.0%、4.5%、6.0%的配比與優(yōu)質(zhì)配合煤干法混合而成，復(fù)合催化樣是將輕燒白云石、氧化鐵粉、錳礦粉按40%、30%、30%的配比充分混合成復(fù)合催化劑后再與優(yōu)質(zhì)配合煤進(jìn)行混合而成。

1.4 熱重分析

熱重靜態(tài)燃燒試驗(yàn)在STA409型熱綜合分析儀上進(jìn)行，試驗(yàn)條件如下：升溫速率為30℃／min；工作溫度從室溫上升至1 000℃；工作氣氛為空氣，氣體流量為100 m L／min；煤樣質(zhì)量為10±1 mg，煤粉細(xì)度為200目以下。

1.5 沉降爐試驗(yàn)

沉降爐在一定程度上可以模擬高爐噴煤高溫燃燒的反應(yīng)過(guò)程和燃燒效果，以燃盡率的高低來(lái)反映爐內(nèi)煤粉的燃燒性能。沉降爐試驗(yàn)條件：給粉量為0.5 g／min；氣氛為4%富氧（25%氧氣，75%氮?dú)猓?；溫度? 150℃。采用馬弗爐二次高溫焙燒可以獲得原煤和灰樣中的灰分量，再根據(jù)灰分示蹤法計(jì)算不同燃燒溫度下煤的燃盡率，計(jì)算公式如下：

式中：Bc為配合煤的燃盡率，%；A0、Ai分別為原煤和灰樣的灰分（干燥基）。

2 結(jié)果與分析

2.1 催化助燃劑的結(jié)構(gòu)

由催化助燃劑的XRD分析發(fā)現(xiàn)，輕燒白云石的物相為屬于面心立方晶系的Mg O和CaO、六方晶系的Ca（OH）2及三角晶系的Ca Mg（CO3）2，高溫下Ca Mg（CO3）2將被分解成MgO和CaO；氧化鐵粉的物相為α－Fe2O3，屬于三角晶系結(jié)構(gòu)，高溫下還有少量相似結(jié)構(gòu)的Cr2O3存在；錳礦粉的物相為屬于六方晶系的Mn O2、立方晶系的Fe Mn O3、單斜晶系的Al（OH）3和三斜晶系的SiO2，高溫下Fe Mn O3被分解為Mn O2和Fe2O3。由此可見，輕燒白云石、冷軋酸洗氧化鐵粉和錳礦粉的晶系結(jié)構(gòu)分維度很高，因而與煤粉接觸面積大，而且其物相組分都具有堿金屬或過(guò)渡堿金屬氧化物間接傳遞氧的功能。

催化助燃劑的表面元素組成和化學(xué)成分分別如表2、表3所示。從表2中可以看出，輕燒白云石、氧化鐵粉和錳礦粉元素組成中都含有大量的氧、少量的Si和Al，幾乎不含或含有極少量的K、Na。從表3中可見，輕燒白云石含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)接近90%的Mg O和CaO，氧化鐵粉的主要成分為約98%的Fe2O3，錳礦粉成分較復(fù)雜，主要含有約24%的SiO2、40%的Mn O和23%的Fe2O3，除SiO2外，這些化學(xué)成分都屬于堿金屬或者過(guò)渡堿金屬氧化物，具有很好的催化活性。

表2 催化助燃劑表面元素組成Table 2 Surface elemental compositions of combustion－supporting agents

表3 催化助燃劑化學(xué)組成Table 3 Chemical compositions of combustion－supporting agents

催化助燃劑的表面形貌如圖1所示。由圖1中可見，輕燒白云石結(jié)構(gòu)呈疊合薄餅狀和棉花狀，孔結(jié)構(gòu)不緊密，分散度較高；氧化鐵粉結(jié)構(gòu)呈琥珀?duì)?，孔結(jié)構(gòu)疏松，分散度很高；錳礦粉孔結(jié)構(gòu)稍緊密，分散度不是很高。

通過(guò)以上分析可知，輕燒白云石、氧化鐵粉和錳礦粉都含有大量直接或間接促進(jìn)氧傳遞作用的堿金屬或過(guò)渡金屬氧化物，且物相分形維度高，孔隙結(jié)構(gòu)疏松或不夠緊密，分散度較高，可以作為煤粉燃燒的助燃劑。另外，輕燒白云石是白云石礦與一定的燃料混合經(jīng)過(guò)焙燒加工而成的礦物材料，可作為煉鐵過(guò)程中良好的造渣熔劑；氧化鐵粉是冷軋酸洗工藝回收得到的再生產(chǎn)品，可作為高爐冶煉的含鐵原料，并最終將被還原成金屬鐵，而不會(huì)給高爐冶煉帶來(lái)不利的影響；錳礦粉來(lái)源廣，一方面其化學(xué)成分中的Mn O2和Fe2O3具有較強(qiáng)的催化活性，可加速煤的燃燒，另一方面，MnO2最終會(huì)以Mn O的形態(tài)進(jìn)入爐渣和以金屬M(fèi)n的形態(tài)進(jìn)入生鐵，有利于改善生鐵質(zhì)量［7］。因此，它們可以作為高爐噴煤的催化助燃劑，而不影響高爐冶煉。

圖1 催化助燃劑的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM images of combustion－supporting agents

2.2 催化助燃劑對(duì)煤粉燃燒特性的影響

原配合煤的著火點(diǎn)為467.7℃，燃盡率為76.0%。添加催化助燃劑后配合煤的著火點(diǎn)和燃盡率如圖2所示。

圖2 催化助燃劑對(duì)煤的著火點(diǎn)和燃盡率的影響Fig.2 Effect of catalytic combustion－supporting agents on the igintion temqerature and burn－off rate of the blended coals

不同種類的催化助燃劑對(duì)煤粉催化燃燒的情況是不同的。從圖2中可以看出，當(dāng)催化助燃劑添加量相同時(shí)，添加不同種類的催化助燃劑，配合煤著火溫度降低程度不同，燃盡率升高幅度也不同。

當(dāng)添加量為1.5%和3.0%時(shí)，添加氧化鐵粉、復(fù)合催化劑、輕燒白云石和錳礦粉的配合煤著火溫度依次升高，燃盡率依次降低，表明此添加量下氧化鐵粉對(duì)促進(jìn)配合煤粉煤粉燃燒的效果更好。

當(dāng)添加量為4.5%時(shí)，添加復(fù)合催化劑、氧化鐵粉、輕燒白云石和錳礦粉的配合煤著火溫度依次升高，配合煤燃盡率分別為80.8%、79.1%、78.1%和78.3%，可見此添加量下添加有復(fù)合催化劑的配合煤更易著火燃燒，其著火點(diǎn)為441.6℃，比原配合煤著火溫度降低了26.1℃，且其燃盡率最高，相對(duì)原配合煤燃盡率提高了4.8個(gè)百分點(diǎn)。

當(dāng)添加量為6.0%時(shí)，添加復(fù)合催化劑、輕燒白云石、氧化鐵粉和錳礦粉的配合煤著火溫度依次升高，配合煤燃盡率分別為78.6%、77.7%、78.5%和78.0%，表明此添加量下復(fù)合催化劑促進(jìn)配合煤燃燒的效果更好，著火溫度較低，燃盡率最高。

綜上分析可知，不同添加量下，催化劑種類對(duì)煤催化燃燒效果有不同的影響。根據(jù)著火溫度最低和燃盡率最高的原則，這4種催化劑的催化活性從大到小依次為：復(fù)合催化劑＞氧化鐵粉＞錳礦粉＞輕燒白云石。

同種催化劑在不同添加量情況下的煤粉燃燒特性也不相同，由圖2中可見，隨著添加量的增加，添加不同催化劑的煤粉燃燒的著火點(diǎn)和燃盡率呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，因而催化活性也不同。

隨著輕燒白云石添加量的增加，配合煤著火溫度先下降后上升，但都低于原配合煤的著火溫度，添加量為3.0%時(shí)其著火溫度降低最為明顯，比原配合煤的著火點(diǎn)降低了14.6℃。隨著輕燒白云石添加量的增加，配合煤粉的燃盡率先增大后降低，在添加量為3.0%時(shí)配合煤粉的燃盡率最高，達(dá)到79.1%，比原配合煤的燃盡率提高了3.1個(gè)百分點(diǎn)，白云石的最佳添加量為3.0%。

隨著氧化鐵粉添加量的增加，煤粉著火溫度呈先下降后上升的趨勢(shì)，且都低于原配合煤的著火溫度，添加量為3.0%時(shí)，其著火點(diǎn)比原配合煤的著火點(diǎn)降低了25.5℃，其燃盡率也是先增大后減小，但總體上都大于原配合煤的燃盡率?？梢娞砑友趸F粉對(duì)煤粉具有顯著的催化效果。添加3.0%的氧化鐵粉時(shí)煤粉的燃盡率高達(dá)80.4%，較原配合煤提高了4.4個(gè)百分點(diǎn)，氧化鐵粉的最佳添加量為3.0%。

分別添加有錳礦粉與氧化鐵粉的配合煤的著火點(diǎn)及燃盡率曲線隨添加量的變化趨勢(shì)基本相同，其催化規(guī)律也基本相同，可見錳礦粉的最佳添加量也為3.0%，與原配合煤相比，添加助燃劑的煤粉著火溫度降低了14.4℃，燃盡率提高了3.9個(gè)百分點(diǎn)。

當(dāng)復(fù)合催化劑的添加量為4.5%時(shí)，配合煤粉的著火點(diǎn)最低，為441℃，燃盡率最高，約為80.8%。與原配合煤相比，添加復(fù)合催化劑后煤粉的著火溫度降低了26.1℃，燃盡率提高了4.8個(gè)百分點(diǎn)，復(fù)合催化劑的最佳添加量為4.5%。

綜上所述，對(duì)于單一催化來(lái)說(shuō)，3.0%為催化劑的最佳添加量；對(duì)于復(fù)合催化來(lái)說(shuō)，4.5%為復(fù)合催化劑的最佳添加量。這是因?yàn)槊褐屑尤氪呋紕?huì)產(chǎn)生兩種截然不同的效應(yīng)［2，7］：一是催化助燃效應(yīng)，促進(jìn)煤的燃燒和燃盡；二是覆蓋炭表面效應(yīng)，添加的助燃劑會(huì)覆蓋一部分炭表面，使氧的傳遞受阻，阻礙煤的充分燃燒。當(dāng)催化助燃劑添加量較低時(shí)，前者起主導(dǎo)作用，使煤粉著火點(diǎn)下降較快；當(dāng)催化助燃劑達(dá)到最佳添加量時(shí)，配合煤的著火溫度最低，煤粉最容易著火，燃盡率最高，催化效果最明顯；當(dāng)催化助燃劑用量大于最佳添加量時(shí)，前者作用效果減弱，后者的影響漸強(qiáng)，導(dǎo)致煤粉著火溫度緩慢上升，燃盡率下降。

3 結(jié)論

（1）輕燒白云石、氧化鐵粉和錳礦粉均可作為煤催化助燃劑，且不影響高爐冶煉。

（2）輕燒白云石、氧化鐵粉、錳礦粉和復(fù)合催化劑都對(duì)煤粉的燃燒反應(yīng)具有較好的助燃作用，其催化活性從大到小依次為：復(fù)合催化助燃劑＞氧化鐵粉＞錳礦粉＞輕燒白云石。

（3）配合煤粉燃燒最適宜的催化助燃劑種類為冷軋酸洗氧化鐵粉或復(fù)合催化助燃劑，其最佳添加量分別為3.0%和4.5%。

［1］ 蔡漳平，王金華.高爐噴煤助燃劑的應(yīng)用研究［J］.山東冶金，2006，28（5）：20－30.

［2］ 楊雙平，丁學(xué)鎖.添加助燃劑對(duì)煤粉燃燒性能的影響［J］.鋼鐵研究，2010，38（1）：8－11.

［3］ 秦瑾.助燃添加劑對(duì)水泥工業(yè)劣質(zhì)煤燃燒性能的影響及機(jī)理研究［D］.武漢：武漢科技大學(xué)，2011：6－7.

［4］ 徐谷衡，蔣君衍，張鶴聲.煤催化著火機(jī)理［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，1993，21（3）：415－420.

［5］ 馬振興，趙洪賓，董振強(qiáng).燃煤催化劑［J］.鍋爐技術(shù)，2000，31（4）：5－7.

［6］ He Xuanming，Jin Qin，Liu Ruizhi，et al.Catalytic combustion of inferior coal in cement industry by thermogravimetric analysis［J］.Energy Sources，Part A：Recovery，Utilization，and Environmental Effects，2011，18：105－109.

［7］ 羅曄，孫思平，徐蕾，等.高爐噴煤助燃劑的催化燃燒效果及其工業(yè)應(yīng)用［J］.潔凈煤技術(shù)，2009，15（3）：56－58.