高炉喷吹高挥发分“神华煤”的研究
2004-12-07 00:00 来源： 我的钢铁 作者：mysteel
阐述了采用试验方法对高挥发分“神华煤”爆炸性及燃烧性进行研究的过程。研究表明，将高挥发分“神华煤”用作高炉喷吹有2条有效途径：一是放宽喷吹煤粉粒径；二是与无烟煤混合喷吹。研究结果为高炉喷吹煤粉的优化和扩大煤种的选择范围提供了依据，并可减少高炉冶炼过程中CO2的排放。
1 前言
高炉炼铁采用喷煤技术能降低高炉焦比，降低生铁成本，提高产品的竞争力。同时，由于高炉消耗的焦炭量降低，可以减少炼焦生产对环境的污染，因此，各钢铁公司都在致力于提高煤粉的制备能力，改善高炉原料及冶炼条件，提高喷煤量。
目前，喷吹煤粉的工艺有2种：粉煤喷吹，煤的粒径一般磨到小于74μm，占80%；粒煤喷吹，煤的粒径上限为3.175mm，小于74μm的部分一般只占10%～30%。我国基本上采用粉煤喷吹，且大部分为无烟煤，煤需要细磨，磨煤设备投资高、出率低，磨煤成本相对较高。
近年来，受高炉喷煤量提高、适宜高炉喷吹用无烟煤资源减少、无烟煤灰分逐渐增高和煤质下降等因素制约，将变质程度较低、挥发分高、资源丰富的烟煤用于高炉喷吹，有益于合理地利用煤炭资源。
为此，本文探索高挥发分的“神华煤”在放宽粒径条件下其燃烧性及爆炸性的变化，同时也考察了几种煤配合使用的效果。研究结果可以为企业利用现有设备提高制粉能力，以及扩大喷吹煤种的选择范围提供依据。
2 “神华煤”作为高炉喷吹用煤的性能研究
2.1 爆炸性
高炉喷煤，通常将煤磨到<0.074mm，而且这部分煤粉要占80%以上，才能提高煤的燃烧率。然而，磨细后的煤粉具有较大的比表面积，容易发生爆炸，影响安全，因此高炉喷吹十分关心煤的爆炸性。煤的爆炸性与挥发分的高低成正比例关系，煤的挥发分高则爆炸性高，反之则低。通常认为高炉喷吹用煤的挥发分<10%是安全的，即喷吹无烟煤是安全的。为此，要扩大喷吹煤种的选择范围，选用高挥发分煤作为高炉喷吹用煤，首先要考虑喷吹用煤的安全性。试验对所选煤样做了爆炸性研究。
2.1.1 高挥发分烟煤单独使用时的爆炸性
试验选用3个矿的高挥发分“神华煤”为研究对象，它们都是挥发分在25%～35%之间的高挥发分烟煤，灰分均小于10%，最小的只有3.94%，硫含量在0.10%～0.40%之间，是低灰、低硫、低有害元素的不粘结煤种。对试验所选高挥发分煤，采用长管式煤粉爆炸性能测定仪测定煤粉返回火焰长度，以此评价所选煤种的爆炸性。一般认为，返回火焰长度大于400mm时为强爆炸性煤，小于400mm时则为弱爆炸性煤，若仅在火源处出现稀少火星或无火星的属无爆炸性煤。由试验给出的数据可以看出：当煤的粒径全部小于0.074mm时，这3种煤的火焰返回长度均大于700mm，都是强爆炸性煤；当粒径放宽到最大粒径为0.125mm时，它们的火焰返回长度就降到了400mm以下，变为弱爆炸性煤；当煤粉的最大粒径放宽到1.0mm时就属于无爆炸性煤，总的趋势是随着煤粒径上限的提高，爆炸性逐渐减弱。
试验结果表明，按常规磨煤处理，高炉不能安全地单独喷吹所选煤种。但是，所选煤种爆炸性与粒径关系表明，将煤粉粒径放到足够宽的条件下，能够改变其爆炸性，使这种高挥发分的煤成为安全的高炉喷吹用煤。因此，在采取相关的安全措施后，可以考虑适当放宽磨煤粒径，喷吹高挥发分优质烟煤。同时，由于放宽了磨煤粒径，可以提高喷煤系统的制粉能力。
2.1.2 “神华煤”与太西煤混合使用时的爆炸性
影响煤粉爆炸性能的因素很多。将挥发分低的无烟煤与高挥发分的烟煤进行混合配煤后，可降低高炉喷吹用煤的爆炸性。为测试所选高挥发分煤与无烟煤混合配煤对爆炸性的影响，将试验所选高挥发分“神华煤”与所选无烟煤（太西煤）分别细磨到0.074mm以下，以不同比例混合，测试混合煤的爆炸性，结果见表1。
表1 “神华煤”与太西煤不同配比时混合煤的爆炸性（返回火焰长度）
由表中数据可见，3个矿的高挥发分“神华煤”的返回火焰长度均大于700mm，属于强爆炸性煤；而无烟煤返回火焰长度为0mm，没有爆炸性。随着无烟煤配比的增加，爆炸性逐渐减弱，当无烟煤的比例增加到30%时，混合煤的返回火焰长度都下降到50mm以下，成为弱爆炸性煤。因此，从喷吹安全性考虑，如果用作高炉混合喷吹，这种高挥发分煤与无烟煤的配比极限值应为70%。
图1 燃烧率与平均粒径关系略
2.2 燃烧性
高炉喷吹煤粉，煤粉的燃烧性能十分重要。高炉喷煤生产实践表明，只要保证煤粉在风口燃烧带有较高的燃烧率，就不会给高炉的冶炼过程带来麻烦。煤粉在风口燃烧率不仅与风温、富氧有关，而且与煤种、粒径有关。为此，试验测试高挥发分煤在放宽粒径，采用混合配煤等情况下的煤粉燃烧率变化。
采用与爆炸性试验相同的煤样，进行煤的燃烧性能试验，计算煤的燃烧率。试验得到高挥发分煤燃烧率随粒径的变化见图1；对高挥发分煤与无烟煤以不同比例混合，得到燃烧率随混合比例的变化见图2。为消除试验方法对燃烧率的影响，以及比较不同煤种的燃烧性能，又对几种高炉喷吹常用无烟煤的燃烧率进行了测试，见表2。
表2 高炉喷吹用的几种无烟煤的燃烧率略
由图1可见，煤的燃烧率随平均粒径变化的趋势为：随粒径提高，煤的燃烧率先增加，达到一高点后再减小，呈现倒“V”型曲线。当煤的平均粒径很小时，燃烧率较低，大末煤为67.01%，活混煤为66.87%，榆末煤为57.40%；随着煤平均粒径的增加，燃烧率逐渐提高。将所选高挥发分煤的最大粒径控制在0.125mm的条件下磨煤，煤的燃烧率达到最大值，此时大末煤的燃烧率为80.16%（平均粒径0.081mm），活混煤为74.92%（平均粒径0.080mm），榆末煤为65.55%（平均粒径0.080mm）；再提高平均粒径，煤的燃烧率随煤平均粒径的增加而降低。但是，对试验选用的高挥发分煤，其平均粒径在0.25～1.00 mm范围内，燃烧率降低幅度不大。〖KH+50mm〗
图2 混合煤燃烧率与无烟煤所占比例关系略
由图2可见，3个矿的高挥发分“神华煤”的燃烧率都比较高，而无烟煤的燃烧率比较低；在高挥发分烟煤中配加无烟煤形成混合煤后，煤粉的燃烧率降低。无烟煤配煤比例增加，燃烧率减小，在无烟煤配加量不大时，燃烧性能较好的大末和活混煤配煤形成的混煤仍能保持较高的燃烧率，而燃烧性能稍差的煤种与末煤混合后燃烧率稍低。所选的高挥发分烟煤和无烟煤进行混合配煤后形成的混合煤，其燃烧率基本反映了按不同煤种组分比例进行燃烧率加和后的综合效果。
比较放宽粒径以后高挥发分烟煤与表2中无烟煤粉的燃烧结果可知，宽粒径烟煤的燃烧率明显高于无烟煤粉。即使平均粒径最大的烟煤，其燃烧率也明显高于无烟煤粉。
3 分析与讨论
3.1 不同煤种的燃烧机理
无烟煤变质程度较深，其燃烧方式是由外向内层层推进的层状燃烧。当颗粒较大时，颗粒表面积较小，燃烧率随之降低，燃烧率随粒径增大而降低。由于其致密结构决定的燃烧机理，即使细磨，使粒径全部在0.074mm以下，与烟煤相比，燃烧率仍然较低。
高挥发分烟煤是变质程度比较低的煤，含有较高的挥发分，受热后挥发分首先析出、燃烧，挥发分的大量析出可使煤的着火时间提前，实际燃烧时间延长。另外，高挥发分烟煤煤粒一旦进入高温环境在快速加热条件下，有可能产生爆裂，产生自动细化现象，煤粉燃烧时的动态粒径小于静态测试粒径。对高挥发分烟煤，即使磨煤时控制的粒径较粗，其燃烧率也维持在较高水平。因此，在相同燃烧条件下其燃烧率明显高于无烟煤。
3.2 合理喷吹高挥发分煤的途径
由试验结果可见，所选用高挥发分煤的燃烧性好,即使在放宽粒径条件下，也能保证较高的燃烧率，可以放宽喷吹粒径。考虑到喷吹的安全性，煤的平均粒径放宽到0.12～0.22mm之间，即最大粒径在控制0.25～0.5mm之间磨煤。这样既保证了喷吹的安全性，又保证了煤的充分燃烧。
配煤的结果表明，将所选高挥发分烟煤与无烟煤进行混合配煤，即使细磨到100%的粒径都在0.074mm以下，只要将高挥发分煤的配比限制在一定范围内，就可以控制混合煤的爆炸性，实现安全喷吹。对所选烟煤和无烟煤混合使用时，烟煤的比例在50%左右最好，这样即保证了安全性，又保证了煤粉的充分燃烧。
3.3 经济效益与社会效益
由于高挥发分烟煤燃烧率高，可以放宽磨煤粒径，因此可以降低煤粉制备费用大约30%，降低能耗大约50%。由于磨煤机出率提高，维修及运营成本的减少，可以给企业带来明显的经济效益。同时，采用高挥发分烟煤放宽粒径喷吹，工艺生产中碳含量下降，氢含量增加，可减少生产过程中CO2的排放量，对环境保护具有积极意义。
参考文献
1 John.O.Hanlon. Granular Coal Injection at British Steel, Ironmaking Conference Proceedings, 1994,245～254
2 杨天钧、苍大强、丁玉龙.高炉富氧煤粉喷吹.北京：冶金工业出版社.1996，30～31
3 王筱留、顾飞.对提高喷煤量的几个工艺技术问题的认识〔A〕.中国金属学会炼铁学会， 1995年炼铁学术年会论文集
4 顾飞、沙爱学、宋忠平.高炉喷吹煤粉的煤种及粒径研究.钢铁，1996(4)
5 M.H.Jukes、 Blast Furnace Granular Coal Injection. Metallurgical Plant and Technology International, 1993(2)
1 前言
高炉炼铁采用喷煤技术能降低高炉焦比，降低生铁成本，提高产品的竞争力。同时，由于高炉消耗的焦炭量降低，可以减少炼焦生产对环境的污染，因此，各钢铁公司都在致力于提高煤粉的制备能力，改善高炉原料及冶炼条件，提高喷煤量。
目前，喷吹煤粉的工艺有2种：粉煤喷吹，煤的粒径一般磨到小于74μm，占80%；粒煤喷吹，煤的粒径上限为3.175mm，小于74μm的部分一般只占10%～30%。我国基本上采用粉煤喷吹，且大部分为无烟煤，煤需要细磨，磨煤设备投资高、出率低，磨煤成本相对较高。
近年来，受高炉喷煤量提高、适宜高炉喷吹用无烟煤资源减少、无烟煤灰分逐渐增高和煤质下降等因素制约，将变质程度较低、挥发分高、资源丰富的烟煤用于高炉喷吹，有益于合理地利用煤炭资源。
为此，本文探索高挥发分的“神华煤”在放宽粒径条件下其燃烧性及爆炸性的变化，同时也考察了几种煤配合使用的效果。研究结果可以为企业利用现有设备提高制粉能力，以及扩大喷吹煤种的选择范围提供依据。
2 “神华煤”作为高炉喷吹用煤的性能研究
2.1 爆炸性
高炉喷煤，通常将煤磨到<0.074mm，而且这部分煤粉要占80%以上，才能提高煤的燃烧率。然而，磨细后的煤粉具有较大的比表面积，容易发生爆炸，影响安全，因此高炉喷吹十分关心煤的爆炸性。煤的爆炸性与挥发分的高低成正比例关系，煤的挥发分高则爆炸性高，反之则低。通常认为高炉喷吹用煤的挥发分<10%是安全的，即喷吹无烟煤是安全的。为此，要扩大喷吹煤种的选择范围，选用高挥发分煤作为高炉喷吹用煤，首先要考虑喷吹用煤的安全性。试验对所选煤样做了爆炸性研究。
2.1.1 高挥发分烟煤单独使用时的爆炸性
试验选用3个矿的高挥发分“神华煤”为研究对象，它们都是挥发分在25%～35%之间的高挥发分烟煤，灰分均小于10%，最小的只有3.94%，硫含量在0.10%～0.40%之间，是低灰、低硫、低有害元素的不粘结煤种。对试验所选高挥发分煤，采用长管式煤粉爆炸性能测定仪测定煤粉返回火焰长度，以此评价所选煤种的爆炸性。一般认为，返回火焰长度大于400mm时为强爆炸性煤，小于400mm时则为弱爆炸性煤，若仅在火源处出现稀少火星或无火星的属无爆炸性煤。由试验给出的数据可以看出：当煤的粒径全部小于0.074mm时，这3种煤的火焰返回长度均大于700mm，都是强爆炸性煤；当粒径放宽到最大粒径为0.125mm时，它们的火焰返回长度就降到了400mm以下，变为弱爆炸性煤；当煤粉的最大粒径放宽到1.0mm时就属于无爆炸性煤，总的趋势是随着煤粒径上限的提高，爆炸性逐渐减弱。
试验结果表明，按常规磨煤处理，高炉不能安全地单独喷吹所选煤种。但是，所选煤种爆炸性与粒径关系表明，将煤粉粒径放到足够宽的条件下，能够改变其爆炸性，使这种高挥发分的煤成为安全的高炉喷吹用煤。因此，在采取相关的安全措施后，可以考虑适当放宽磨煤粒径，喷吹高挥发分优质烟煤。同时，由于放宽了磨煤粒径，可以提高喷煤系统的制粉能力。
2.1.2 “神华煤”与太西煤混合使用时的爆炸性
影响煤粉爆炸性能的因素很多。将挥发分低的无烟煤与高挥发分的烟煤进行混合配煤后，可降低高炉喷吹用煤的爆炸性。为测试所选高挥发分煤与无烟煤混合配煤对爆炸性的影响，将试验所选高挥发分“神华煤”与所选无烟煤（太西煤）分别细磨到0.074mm以下，以不同比例混合，测试混合煤的爆炸性，结果见表1。
表1 “神华煤”与太西煤不同配比时混合煤的爆炸性（返回火焰长度）
由表中数据可见，3个矿的高挥发分“神华煤”的返回火焰长度均大于700mm，属于强爆炸性煤；而无烟煤返回火焰长度为0mm，没有爆炸性。随着无烟煤配比的增加，爆炸性逐渐减弱，当无烟煤的比例增加到30%时，混合煤的返回火焰长度都下降到50mm以下，成为弱爆炸性煤。因此，从喷吹安全性考虑，如果用作高炉混合喷吹，这种高挥发分煤与无烟煤的配比极限值应为70%。
图1 燃烧率与平均粒径关系略
2.2 燃烧性
高炉喷吹煤粉，煤粉的燃烧性能十分重要。高炉喷煤生产实践表明，只要保证煤粉在风口燃烧带有较高的燃烧率，就不会给高炉的冶炼过程带来麻烦。煤粉在风口燃烧率不仅与风温、富氧有关，而且与煤种、粒径有关。为此，试验测试高挥发分煤在放宽粒径，采用混合配煤等情况下的煤粉燃烧率变化。
采用与爆炸性试验相同的煤样，进行煤的燃烧性能试验，计算煤的燃烧率。试验得到高挥发分煤燃烧率随粒径的变化见图1；对高挥发分煤与无烟煤以不同比例混合，得到燃烧率随混合比例的变化见图2。为消除试验方法对燃烧率的影响，以及比较不同煤种的燃烧性能，又对几种高炉喷吹常用无烟煤的燃烧率进行了测试，见表2。
表2 高炉喷吹用的几种无烟煤的燃烧率略
由图1可见，煤的燃烧率随平均粒径变化的趋势为：随粒径提高，煤的燃烧率先增加，达到一高点后再减小，呈现倒“V”型曲线。当煤的平均粒径很小时，燃烧率较低，大末煤为67.01%，活混煤为66.87%，榆末煤为57.40%；随着煤平均粒径的增加，燃烧率逐渐提高。将所选高挥发分煤的最大粒径控制在0.125mm的条件下磨煤，煤的燃烧率达到最大值，此时大末煤的燃烧率为80.16%（平均粒径0.081mm），活混煤为74.92%（平均粒径0.080mm），榆末煤为65.55%（平均粒径0.080mm）；再提高平均粒径，煤的燃烧率随煤平均粒径的增加而降低。但是，对试验选用的高挥发分煤，其平均粒径在0.25～1.00 mm范围内，燃烧率降低幅度不大。〖KH+50mm〗
图2 混合煤燃烧率与无烟煤所占比例关系略
由图2可见，3个矿的高挥发分“神华煤”的燃烧率都比较高，而无烟煤的燃烧率比较低；在高挥发分烟煤中配加无烟煤形成混合煤后，煤粉的燃烧率降低。无烟煤配煤比例增加，燃烧率减小，在无烟煤配加量不大时，燃烧性能较好的大末和活混煤配煤形成的混煤仍能保持较高的燃烧率，而燃烧性能稍差的煤种与末煤混合后燃烧率稍低。所选的高挥发分烟煤和无烟煤进行混合配煤后形成的混合煤，其燃烧率基本反映了按不同煤种组分比例进行燃烧率加和后的综合效果。
比较放宽粒径以后高挥发分烟煤与表2中无烟煤粉的燃烧结果可知，宽粒径烟煤的燃烧率明显高于无烟煤粉。即使平均粒径最大的烟煤，其燃烧率也明显高于无烟煤粉。
3 分析与讨论
3.1 不同煤种的燃烧机理
无烟煤变质程度较深，其燃烧方式是由外向内层层推进的层状燃烧。当颗粒较大时，颗粒表面积较小，燃烧率随之降低，燃烧率随粒径增大而降低。由于其致密结构决定的燃烧机理，即使细磨，使粒径全部在0.074mm以下，与烟煤相比，燃烧率仍然较低。
高挥发分烟煤是变质程度比较低的煤，含有较高的挥发分，受热后挥发分首先析出、燃烧，挥发分的大量析出可使煤的着火时间提前，实际燃烧时间延长。另外，高挥发分烟煤煤粒一旦进入高温环境在快速加热条件下，有可能产生爆裂，产生自动细化现象，煤粉燃烧时的动态粒径小于静态测试粒径。对高挥发分烟煤，即使磨煤时控制的粒径较粗，其燃烧率也维持在较高水平。因此，在相同燃烧条件下其燃烧率明显高于无烟煤。
3.2 合理喷吹高挥发分煤的途径
由试验结果可见，所选用高挥发分煤的燃烧性好,即使在放宽粒径条件下，也能保证较高的燃烧率，可以放宽喷吹粒径。考虑到喷吹的安全性，煤的平均粒径放宽到0.12～0.22mm之间，即最大粒径在控制0.25～0.5mm之间磨煤。这样既保证了喷吹的安全性，又保证了煤的充分燃烧。
配煤的结果表明，将所选高挥发分烟煤与无烟煤进行混合配煤，即使细磨到100%的粒径都在0.074mm以下，只要将高挥发分煤的配比限制在一定范围内，就可以控制混合煤的爆炸性，实现安全喷吹。对所选烟煤和无烟煤混合使用时，烟煤的比例在50%左右最好，这样即保证了安全性，又保证了煤粉的充分燃烧。
3.3 经济效益与社会效益
由于高挥发分烟煤燃烧率高，可以放宽磨煤粒径，因此可以降低煤粉制备费用大约30%，降低能耗大约50%。由于磨煤机出率提高，维修及运营成本的减少，可以给企业带来明显的经济效益。同时，采用高挥发分烟煤放宽粒径喷吹，工艺生产中碳含量下降，氢含量增加，可减少生产过程中CO2的排放量，对环境保护具有积极意义。
参考文献
1 John.O.Hanlon. Granular Coal Injection at British Steel, Ironmaking Conference Proceedings, 1994,245～254
2 杨天钧、苍大强、丁玉龙.高炉富氧煤粉喷吹.北京：冶金工业出版社.1996，30～31
3 王筱留、顾飞.对提高喷煤量的几个工艺技术问题的认识〔A〕.中国金属学会炼铁学会， 1995年炼铁学术年会论文集
4 顾飞、沙爱学、宋忠平.高炉喷吹煤粉的煤种及粒径研究.钢铁，1996(4)
5 M.H.Jukes、 Blast Furnace Granular Coal Injection. Metallurgical Plant and Technology International, 1993(2)
