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(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)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(tuán)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(diào)節(jié)爐況的重要手段之一，已被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外高爐生產(chǎn)。但受限于環(huán)境問題，煉鐵行業(yè)的煤炭產(chǎn)量大幅縮減。與此同時(shí)，我國(guó)鋼鐵產(chǎn)量一直居高不下，2019年粗鋼產(chǎn)量達(dá)到9.96億t，同比增長(zhǎng)8.3%；生鐵產(chǎn)量為8.09億t，同比增長(zhǎng)5.3%。而鐵前系統(tǒng)能源消耗及溫室氣體排放量占整個(gè)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(guān)注。目前，國(guó)內(nèi)外高爐混煤噴吹標(biāo)準(zhǔn)參差不齊，僅需在確保無爆炸性的條件下，根據(jù)不同煤種的工業(yè)分析結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)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(jìn)行混合噴吹，目的是利用煙煤燃燒性好的特點(diǎn)來促進(jìn)無煙煤在風(fēng)口回旋區(qū)的燃燒。

孔德文等人對(duì)不同煤粉混合燃燒特性的研究結(jié)果表明，無煙煤、貧瘦煤中添加煙煤后，混煤在風(fēng)口回旋區(qū)的燃燒率提高，而煙煤對(duì)無煙煤燃燒性能的改善主要體現(xiàn)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(duì)燃燒率的影響規(guī)律，結(jié)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?yàn)闊熋簱]發(fā)分的釋放為碳素燃燒提供了充足的熱量，從而對(duì)混煤的燃燒起到了促進(jìn)作用。李昊堃等人研究了高爐噴吹煤粉在高爐內(nèi)的有效利用情況，結(jié)果表明利用煤粉在風(fēng)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(píng)價(jià)煤粉使用價(jià)值，以新的評(píng)價(jià)方法為指導(dǎo)進(jìn)行了噴吹煤結(jié)構(gòu)的調(diào)整，達(dá)到了提高噴吹煤粉利用率和降低燃料比的目的。

現(xiàn)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(xì)致的優(yōu)化。在高爐實(shí)際生產(chǎn)過程中，現(xiàn)場(chǎng)煤種較為繁雜，優(yōu)化配煤較為困難。針對(duì)這一問題，常用方法是先對(duì)單種煤的揮發(fā)分、灰分、著火點(diǎn)、爆炸性、燃燒性和反應(yīng)性等煤粉高爐噴吹指標(biāo)進(jìn)行基礎(chǔ)研究，再根據(jù)單種煤的性能進(jìn)行合理分析搭配，保證混煤高爐噴吹的安全性、熱量供應(yīng)以及經(jīng)濟(jì)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(shí)驗(yàn)室配煤研究手段，對(duì)煤粉進(jìn)行高爐噴吹指標(biāo)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(diǎn)、爆炸性以及燃燒性能等，對(duì)混煤進(jìn)行了客觀性能評(píng)價(jià)，從而為鞍鋼高爐配煤噴吹生產(chǎn)提供有效指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)研究的樣品為鞍鋼高爐現(xiàn)階段噴吹使用的金帛灣煙煤、陽泉無煙煤和張臺(tái)子無煙煤，為方便在文中討論，金帛灣煙煤簡(jiǎn)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(jié)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(jié)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(huì)增加制粉成本，降低產(chǎn)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(yīng)關(guān)注硫負(fù)荷增加對(duì)鐵水質(zhì)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(biāo)，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(fēng)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(jìn)而影響高爐生產(chǎn)的穩(wěn)定和順行；揮發(fā)分含量過高，為了確保生產(chǎn)過程的安全，需對(duì)制粉、輸送和噴吹設(shè)備提出較高的氧含量和溫度控制要求。因此，單獨(dú)將無煙煤和煙煤應(yīng)用到高爐噴吹，經(jīng)濟(jì)性和安全性難以同時(shí)兼顧。目前，鞍鋼大高爐風(fēng)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(chǔ)進(jìn)行配煤實(shí)驗(yàn)，通過研究比較不同揮發(fā)分含量條件下混煤的著火點(diǎn)、爆炸性、燃燒性等指標(biāo)，確定更優(yōu)的高爐噴吹混煤的配煤方案。

在實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)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(jìn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 2 Proportions （Mass Fraction）of Various Coal in Different Coal Blending Schemes %

1.3 實(shí)驗(yàn)方法與設(shè)備

取粒度在0.074 mm以下的煤粉作為實(shí)驗(yàn)樣品。采用長(zhǎng)管式煤粉爆炸性測(cè)定裝置對(duì)噴吹煤粉的爆炸性進(jìn)行檢測(cè)，具體裝置如圖1所示。

圖1 長(zhǎng)管式煤粉爆炸性測(cè)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(cè)時(shí)利用壓縮空氣將噴槍中的煤粉噴入石英玻璃管內(nèi)，當(dāng)煤粉云團(tuán)接觸到1 050℃的火源時(shí)會(huì)被快速引燃，通過攝像機(jī)抓拍石英管中返回火焰的長(zhǎng)度，以返回火焰的長(zhǎng)度值表示煤粉的爆炸性。若僅在火源處出現(xiàn)稀少的火星或無火星，則該煤粉樣品無爆炸性；若產(chǎn)生火焰并長(zhǎng)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(qiáng)爆炸性。

噴吹煤粉著火點(diǎn)測(cè)定裝置如圖2所示。將煤粉樣品和NaNO以質(zhì)量比4:3的比例混勻后置于微型電爐的鉑片上的凹槽內(nèi)，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(jī)系統(tǒng)觀察樣品的著火狀態(tài)，測(cè)定著火溫度。

圖2 噴吹煤粉著火點(diǎn)測(cè)定裝置Fig.2 Measuring Device for Ignition Point of Pulverized Coal Injection

采用北京恒久光學(xué)儀器公司生產(chǎn)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(yīng)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(zhuǎn)化率（

x

）曲線以及轉(zhuǎn)化速率（d

x

/d

t

）曲線可以利用熱重設(shè)備自動(dòng)讀取的數(shù)據(jù)繪制而得。煤粉燃燒轉(zhuǎn)化率的計(jì)算公式見式（1）。

式中，

m

為煤粉樣品初始質(zhì)量，mg；

m

為燃燒進(jìn)行到t時(shí)刻的混煤質(zhì)量，mg；

m

為燃燒結(jié)束后的質(zhì)量，mg。

2 結(jié)果與討論

2.1 混煤工業(yè)分析、元素分析

由于煤粉化學(xué)成分結(jié)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(jié)果采用加權(quán)平均的方式計(jì)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(jié)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(dá)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(duì)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(xiàn)，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(shù)對(duì)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(fù)荷，對(duì)于改善鐵水質(zhì)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(huì)造成噴吹煤粉與焦炭的置換比降低，進(jìn)而會(huì)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(jìn)行混煤時(shí)無煙煤的占比不宜低于40%，2無煙煤與煙煤進(jìn)行混煤時(shí)無煙煤的占比不宜低于42%。

2.2 混煤爆炸性、著火點(diǎn)

為了明晰制粉和噴吹過程的安全性，對(duì)不同樣品進(jìn)行了爆炸性測(cè)定。測(cè)定結(jié)果表明，煙煤返回火焰長(zhǎng)度超過800 mm，具有較強(qiáng)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(chǎn)過程的安全。

在上述研究基礎(chǔ)上對(duì)不同混煤方案著火點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同混煤方案著火點(diǎn)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(diǎn)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(yīng)釋放熱量，促進(jìn)了無煙煤的著火和燃燒。當(dāng)煙煤添加比例從60%（方案7）升高到65%（方案9）時(shí)，混煤著火點(diǎn)降低幅度最大；當(dāng)煙煤添加比例從53%（方案4）增加到66%（方案10）時(shí)，混煤的著火點(diǎn)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(diǎn)降低的趨勢(shì)相對(duì)比較均勻。10種方案中混煤的著火點(diǎn)都在330℃以上，能夠保證儲(chǔ)運(yùn)和制粉過程的安全，同時(shí)噴吹到高爐風(fēng)口的混煤也能快速著火燃燒，提高了噴吹煤粉在風(fēng)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(duì)不同混煤樣品的燃燒性進(jìn)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(gè)階段，第一階段為室溫至350℃左右，煤粉樣品燃燒反應(yīng)曲線基本保持不變，為樣品的預(yù)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(zhuǎn)化速率曲線中顯現(xiàn)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(jīng)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(gè)明顯的峰值；第四階段溫度超過650℃，此時(shí)樣品已經(jīng)燃燒完全，為燃盡階段，殘留物主要為灰分。同時(shí)，隨著煙煤添加比例的增大，燃燒轉(zhuǎn)化率曲線明顯向左偏移，燃燒特征溫度參數(shù)降低，混煤的著火性能和燃盡性能得到改善。且通過轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化速率峰值逐漸升高，第三階段轉(zhuǎn)化速率峰值相應(yīng)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(jìn)一步定量研究不同煙煤添加配比對(duì)混煤燃燒性能的影響規(guī)律，引用綜合燃燒特性指數(shù)

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(zhuǎn)化速率，s；

R

為平均燃燒轉(zhuǎn)化速率，s；

T

為開始著火溫度（失重5%時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度），℃；

T

為燃盡溫度 （失重95%時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度），℃。煙煤和1無煙煤混合的燃燒特征參數(shù)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(shù)

S

值發(fā)現(xiàn)，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(shí) （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(shù)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(shù)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(jié)合表5的綜合燃燒特征參數(shù)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(shù)逐漸增大，但與表4對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(shù)值均低于煙煤和1無煙煤的混煤?？梢?，1無煙煤與煙煤的混煤燃燒時(shí)具有較好的燃燒性能，進(jìn)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(shù)Table 5 Parameters for Combustion Characteristics of Mixture of Bituminous Coal and No.2 Anthracite Coal

結(jié)合上述各分析結(jié)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(chǔ)上得出，選用煙煤和1無煙煤混煤進(jìn)行噴吹時(shí)，揮發(fā)分含量控制在22%（方案7）時(shí)最優(yōu)，此時(shí)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(jìn)行噴吹時(shí)，揮發(fā)分含量控制在20%時(shí)（方案4）最優(yōu)，此時(shí)煙煤的配比為53%，2無煙煤的配比為47%。對(duì)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(jié)論

（1）本研究系統(tǒng)分析了鞍鋼高爐煤粉進(jìn)行高爐噴吹的基礎(chǔ)性能和工藝性能，結(jié)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(dú)進(jìn)行高爐噴吹。

（2）混煤實(shí)驗(yàn)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(jìn)行高爐噴吹，其中前者進(jìn)行高爐噴吹的燃燒性能要優(yōu)于后者。