王廣偉，曾宇，張建良，姜喆，滕海鵬，張楠，張翠柳

（1.北京科技大學冶金與生態(tài)工程學院，北京100083；2.鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠，遼寧 鞍山 114021；3.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

高爐噴吹煤粉作為煉鐵過程中節(jié)能降焦、調節(jié)爐況的重要手段之一，已被廣泛應用于國內外高爐生產。但受限于環(huán)境問題，煉鐵行業(yè)的煤炭產量大幅縮減。與此同時，我國鋼鐵產量一直居高不下，2019年粗鋼產量達到9.96億t，同比增長8.3%；生鐵產量為8.09億t，同比增長5.3%。而鐵前系統(tǒng)能源消耗及溫室氣體排放量占整個鋼鐵行業(yè)的70%左右，迫于節(jié)能減排雙重壓力，高爐噴吹煤粉優(yōu)化搭配得到越來越多鋼鐵企業(yè)的關注。目前，國內外高爐混煤噴吹標準參差不齊，僅需在確保無爆炸性的條件下，根據不同煤種的工業(yè)分析結果進行簡單混合。其中鋼鐵企業(yè)采用的較為廣泛的做法是將煙煤和無煙煤進行混合噴吹，目的是利用煙煤燃燒性好的特點來促進無煙煤在風口回旋區(qū)的燃燒。

孔德文等人對不同煤粉混合燃燒特性的研究結果表明，無煙煤、貧瘦煤中添加煙煤后，混煤在風口回旋區(qū)的燃燒率提高，而煙煤對無煙煤燃燒性能的改善主要體現在揮發(fā)分的析出階段。馮帥通過粉煤燃燒裝置研究了混煤優(yōu)化搭配后對燃燒率的影響規(guī)律，結果表明隨著煙煤添加比例的提高，混煤的燃燒率逐漸上升，這是因為煙煤揮發(fā)分的釋放為碳素燃燒提供了充足的熱量，從而對混煤的燃燒起到了促進作用。李昊堃等人研究了高爐噴吹煤粉在高爐內的有效利用情況，結果表明利用煤粉在風口前不完全燃燒釋放發(fā)熱量的有效熱值能夠更優(yōu)的評價煤粉使用價值，以新的評價方法為指導進行了噴吹煤結構的調整，達到了提高噴吹煤粉利用率和降低燃料比的目的。

現階段，鞍鋼高爐噴吹煤粉搭配比例主要為49%煙煤、46%無煙煤以及5%焦化除塵灰。然而，隨著高爐噴吹煤比以及高爐操作水平的提升，混煤方案需要更細致的優(yōu)化。在高爐實際生產過程中，現場煤種較為繁雜，優(yōu)化配煤較為困難。針對這一問題，常用方法是先對單種煤的揮發(fā)分、灰分、著火點、爆炸性、燃燒性和反應性等煤粉高爐噴吹指標進行基礎研究，再根據單種煤的性能進行合理分析搭配，保證混煤高爐噴吹的安全性、熱量供應以及經濟效益。本文基于目前鞍鋼高爐噴吹使用的煙煤和無煙煤，通過實驗室配煤研究手段，對煤粉進行高爐噴吹指標分析。通過研究煤粉的工業(yè)分析、元素分析、發(fā)熱值、著火點、爆炸性以及燃燒性能等，對混煤進行了客觀性能評價，從而為鞍鋼高爐配煤噴吹生產提供有效指導。

1 實驗部分

1.1 實驗樣品

實驗研究的樣品為鞍鋼高爐現階段噴吹使用的金帛灣煙煤、陽泉無煙煤和張臺子無煙煤，為方便在文中討論，金帛灣煙煤簡稱為煙煤，兩種無煙煤分別命名為1無煙煤和2無煙煤，三種煤粉的工業(yè)分析、元素分析及發(fā)熱值結果如表1所示。

表1 三種煤粉的工業(yè)分析、元素分析及發(fā)熱值結果Table 1 Results of Proximate Analysis,Elemental Analysis and Calorific Values of Three Kinds of Pulverized Coal

從表1可以看出，鞍鋼使用煙煤的水分含量較高，會增加制粉成本，降低產量；灰分和硫含量較低，揮發(fā)分含量較高，發(fā)熱值較低。1、2無煙煤的揮發(fā)分含量較低，固定碳含量和發(fā)熱值較高，且2無煙煤的灰分含量較高。另外，值得注意的是，兩種無煙煤中硫含量都較高，使用過程中應關注硫負荷增加對鐵水質量的影響。

1.2 配煤方案

揮發(fā)分含量是高爐噴煤優(yōu)化搭配的重要參考指標，揮發(fā)分含量低有利于提高噴吹煤粉和焦炭的置換比，但煤粉在風口前燃燒率不高，大噴煤條件下容易生成過多的未燃煤粉，進而影響高爐生產的穩(wěn)定和順行；揮發(fā)分含量過高，為了確保生產過程的安全，需對制粉、輸送和噴吹設備提出較高的氧含量和溫度控制要求。因此，單獨將無煙煤和煙煤應用到高爐噴吹，經濟性和安全性難以同時兼顧。目前，鞍鋼大高爐風口前噴吹混煤的揮發(fā)分含量約為21%，因此，以揮發(fā)分21%為基礎進行配煤實驗，通過研究比較不同揮發(fā)分含量條件下混煤的著火點、爆炸性、燃燒性等指標，確定更優(yōu)的高爐噴吹混煤的配煤方案。

在實驗方案設計過程中控制混煤的揮發(fā)分含量，使其分別為19%、20%、21%、22%和23%，在5種不同揮發(fā)分含量下，煙煤分別與1、2無煙煤進行混合搭配。不同配煤方案中各煤種的比例如表2所示。從表2可以看出，隨著混煤揮發(fā)分含量的增加，煙煤的配比不斷提高。

表2 不同配煤方案中各煤種的比例（質量分數）Table 2 Proportions （Mass Fraction）of Various Coal in Different Coal Blending Schemes %

1.3 實驗方法與設備

取粒度在0.074 mm以下的煤粉作為實驗樣品。采用長管式煤粉爆炸性測定裝置對噴吹煤粉的爆炸性進行檢測，具體裝置如圖1所示。

圖1 長管式煤粉爆炸性測定裝置Fig.1 Long-tube Measuring Device for Explosibility of Pulverized Coal

稱取1 g煤粉樣品放置于噴槍中，檢測時利用壓縮空氣將噴槍中的煤粉噴入石英玻璃管內，當煤粉云團接觸到1 050℃的火源時會被快速引燃，通過攝像機抓拍石英管中返回火焰的長度，以返回火焰的長度值表示煤粉的爆炸性。若僅在火源處出現稀少的火星或無火星，則該煤粉樣品無爆炸性；若產生火焰并長度小于400 mm，則該煤粉樣品有弱爆炸性；若返回火焰大于400 mm，則該煤粉具有強爆炸性。

噴吹煤粉著火點測定裝置如圖2所示。將煤粉樣品和NaNO以質量比4:3的比例混勻后置于微型電爐的鉑片上的凹槽內，煤粉在凹槽中裝滿抹平后通電加熱，隨著溫度的逐漸升高，煤粉樣品開始冒煙并著火，采用光電管和微機系統(tǒng)觀察樣品的著火狀態(tài)，測定著火溫度。

圖2 噴吹煤粉著火點測定裝置Fig.2 Measuring Device for Ignition Point of Pulverized Coal Injection

采用北京恒久光學儀器公司生產的熱重分析儀（HTC-1）分析不同煤粉樣品的燃燒性能。首先取約5 mg煤粉樣品盛裝于規(guī)格為

Φ

5 mm×3 mm的氧化鋁坩堝中，然后將坩堝置于105℃烘箱中烘干4 h，以脫除煤樣中的外水。為了保證煤粉樣品的充分燃燒，反應過程中通入60 mL/min空氣，樣品加熱的升溫速率為20℃/min?；烀喝紵D化率（

x

）曲線以及轉化速率（d

x

/d

t

）曲線可以利用熱重設備自動讀取的數據繪制而得。煤粉燃燒轉化率的計算公式見式（1）。

式中，

m

為煤粉樣品初始質量，mg；

m

為燃燒進行到t時刻的混煤質量，mg；

m

為燃燒結束后的質量，mg。

2 結果與討論

2.1 混煤工業(yè)分析、元素分析

由于煤粉化學成分結果具有加和性，本研究中混煤的工業(yè)分析、元素分析和發(fā)熱值結果采用加權平均的方式計算獲得，具體如表3所示。

表3 混煤工業(yè)分析、元素分析及發(fā)熱值結果Table 3 Results of Proximate Analysis,Elemental Analysis and Calorific Value of Blended Coal

從表3可以看出，隨著煙煤比例逐漸增加，混煤中灰分和固定碳的含量逐漸降低。方案2煤樣的灰分含量最高，達到了8.17%；方案9煤樣的灰分含量最低，僅為5.80%，較低的灰分含量能夠減少渣量，對提高噴煤比和降低燃料比具有積極的作用。比較分析不同樣品中硫元素的含量發(fā)現，各方案中混煤硫含量在0.60%～0.73%范圍，均低于目前鞍鋼高爐使用焦炭中的硫含量，滿足高爐噴吹煤粉技術對硫含量的要求。高爐冶煉過程中的硫主要由燃料帶入，降低噴吹煤種硫含量，能夠減少高爐硫負荷，對于改善鐵水質量和降低脫硫燃料消耗具有重要意義。另外，隨著煙煤配比的增加，混煤的發(fā)熱值逐漸降低。高爐噴吹煤粉要求有較高的發(fā)熱值為高爐冶煉過程中礦石的還原和渣鐵的熔化提供足夠的熱量，較低的發(fā)熱值會造成噴吹煤粉與焦炭的置換比降低，進而會引起燃料比的升高。為保證鞍鋼高爐噴吹煤粉保持較高的煤焦置換比，1無煙煤與煙煤進行混煤時無煙煤的占比不宜低于40%，2無煙煤與煙煤進行混煤時無煙煤的占比不宜低于42%。

2.2 混煤爆炸性、著火點

為了明晰制粉和噴吹過程的安全性，對不同樣品進行了爆炸性測定。測定結果表明，煙煤返回火焰長度超過800 mm，具有較強的爆炸性，無煙煤沒有爆炸性，10種混煤方案制備出的混煤樣品亦無爆炸性，說明無煙煤的添加抑制了混合煤的爆炸性，本研究中所有混煤方案都可以保證制粉和噴吹生產過程的安全。

在上述研究基礎上對不同混煤方案著火點進行測量，結果如圖3所示。

圖3 不同混煤方案著火點變化曲線Fig.3 Change Curves of Ignition Points by Different Coal Blending Schemes

從圖3可以看出，隨著混煤揮發(fā)分含量的增加，煤粉樣品著火點明顯降低，主要原因是煙煤中揮發(fā)分在較低溫度條件下熱解釋放，與空氣中的氧發(fā)生氧化反應釋放熱量，促進了無煙煤的著火和燃燒。當煙煤添加比例從60%（方案7）升高到65%（方案9）時，混煤著火點降低幅度最大；當煙煤添加比例從53%（方案4）增加到66%（方案10）時，混煤的著火點從344.2℃降低到333.2℃；且隨著揮發(fā)分的階梯式遞增，混煤著火點降低的趨勢相對比較均勻。10種方案中混煤的著火點都在330℃以上，能夠保證儲運和制粉過程的安全，同時噴吹到高爐風口的混煤也能快速著火燃燒，提高了噴吹煤粉在風口回旋區(qū)的燃燒率。

2.3 燃燒性能分析

2.3.1 煙煤和1無煙煤混合燃燒性能分析

利用熱重分析儀對不同混煤樣品的燃燒性進行分析。煙煤和1無煙煤的混煤燃燒曲線如圖4所示。從圖4可以看出，不同配煤方案條件下，混煤的燃燒失重曲線形狀類似，但也存在著明顯的差異。整體來看，混煤的燃燒曲線可以分為四個階段，第一階段為室溫至350℃左右，煤粉樣品燃燒反應曲線基本保持不變，為樣品的預熱階段，在此階段中僅有少量的水分析出；第二階段是350～520℃，混煤樣品快速失重，為樣品著火燃燒階段，在轉化速率曲線中顯現出明顯的峰值，此階段燃燒失重主要由混煤中煙煤的燃燒造成；第三階段在520～650℃，此階段煙煤已經燃燒殆盡，無煙煤開始著火和快速燃燒，在燃燒速率曲線中顯示為第二個明顯的峰值；第四階段溫度超過650℃，此時樣品已經燃燒完全，為燃盡階段，殘留物主要為灰分。同時，隨著煙煤添加比例的增大，燃燒轉化率曲線明顯向左偏移，燃燒特征溫度參數降低，混煤的著火性能和燃盡性能得到改善。且通過轉化速率曲線可以看出，隨著煙煤添加比例的升高，第二階段轉化速率峰值逐漸升高，第三階段轉化速率峰值相應減弱。

圖4 煙煤和1#無煙煤的混煤燃燒曲線Fig.4 Combustion Curves of Coal Blended by Bituminous Coal and No.1 Anthracite Coal

為了進一步定量研究不同煙煤添加配比對混煤燃燒性能的影響規(guī)律，引用綜合燃燒特性指數

S

（s·℃）來比較不同混煤方案燃燒性能的優(yōu)劣。

式中，

R

為最大燃燒轉化速率，s；

R

為平均燃燒轉化速率，s；

T

為開始著火溫度（失重5%時對應的溫度），℃；

T

為燃盡溫度 （失重95%時對應的溫度），℃。煙煤和1無煙煤混合的燃燒特征參數如表4所示，可以看出，隨著煙煤添加比例的升高，混煤的開始燃燒溫度以及燃盡溫度都有所降低，從而說明煙煤添加比例增加更有利于混煤在低溫區(qū)完成燃燒。通過比較不同樣品綜合燃燒特性指數

S

值發(fā)現，隨著煙煤含量的增加，

S

值先降低后增加，在混煤揮發(fā)分含量為20%時 （方案3），

S

值最低，僅為 3.85×10s·℃。

表4 煙煤和1#無煙煤混合的燃燒特征參數Table 4 Parameters for Combustion Characteristics of Mixture of Bituminous Coal and No.1 Anthracite Coal

2.3.2 煙煤和2無煙煤混合燃燒性能分析

煙煤和2無煙煤的混煤燃燒曲線如圖5所示，煙煤和2無煙煤混合的燃燒特征參數如表5所示。從圖5可以看出，煙煤和2無煙煤的混煤燃燒性變化規(guī)律與圖4基本一致。結合表5的綜合燃燒特征參數可以看出，除方案6外，煙煤和2無煙煤混煤的綜合燃燒特性指數逐漸增大，但與表4對比發(fā)現，在揮發(fā)分質量分數為19%、21%、23%條件下，煙煤和2無煙煤的混煤綜合燃燒特性指數值均低于煙煤和1無煙煤的混煤?？梢姡?無煙煤與煙煤的混煤燃燒時具有較好的燃燒性能，進行高爐噴吹的效果要優(yōu)于2無煙煤與煙煤的混煤。

圖5 煙煤和2#無煙煤的混合燃燒曲線Fig.5 Combustion Curves of Coal Blended by Bituminous Coal and No.2 Anthracite Coal

表5 煙煤和2#無煙煤混合的燃燒特征參數Table 5 Parameters for Combustion Characteristics of Mixture of Bituminous Coal and No.2 Anthracite Coal

結合上述各分析結果，在保證混煤具有足夠的發(fā)熱值及較好的燃燒性能基礎上得出，選用煙煤和1無煙煤混煤進行噴吹時，揮發(fā)分含量控制在22%（方案7）時最優(yōu)，此時煙煤的配比為60%，1無煙煤的配比為40%；選用煙煤和2無煙煤進行噴吹時，揮發(fā)分含量控制在20%時（方案4）最優(yōu)，此時煙煤的配比為53%，2無煙煤的配比為47%。對比兩種方案，方案7具有較高的碳含量、低的硫含量以及高的綜合燃燒性能，即1無煙煤混煤的燃燒性能優(yōu)于2無煙煤混煤。

3 結論

（1）本研究系統(tǒng)分析了鞍鋼高爐煤粉進行高爐噴吹的基礎性能和工藝性能，結果表明，鞍鋼高爐使用的煙煤具有較低的灰分和硫含量，并且具有較好的燃燒性能，但發(fā)熱值較低，兩種無煙煤具有較高的固定碳含量和發(fā)熱值，但其灰分和硫含量較高，且燃燒性能較差。無煙煤和煙煤都不宜單獨進行高爐噴吹。

（2）混煤實驗表明，煙煤與無煙煤混合搭配能夠抑制混煤的爆炸性，降低著火溫度和改善燃燒性能。綜合考慮成分、熱值以及燃燒性能的影響，兩種無煙煤最優(yōu)化搭配分別為60%煙煤+40%1無煙煤和53%煙煤+47%2無煙煤兩種方案進行高爐噴吹，其中前者進行高爐噴吹的燃燒性能要優(yōu)于后者。