邯宝高炉喷吹煤种的优化选择

梁坤锋，吕庆，刘然，李建朝，杜林森，王竹民

(1.河北联合大学冶金与能源学院，河北省现代冶金技术重点实验室，河北唐山063009;2.河北钢铁集团邯郸钢铁公司，河北邯郸056000)

高炉喷吹煤粉的意义在于降低焦比，降低生铁成本，改善高炉冶炼过程，有利于高炉顺行，并为高炉使用高风温和富氧鼓风创造条件。同时喷煤可以扩大风口的回旋区，缩小呆滞区，增加煤气含量，改善矿石还原过程，提高煤气利用率，从而进一步改善高炉各项技术经济指标。此外，出于对资源、能源、设备等诸方面的综合考虑，高炉喷煤作为冶金行业大力推广的一项技术，具有显著的社会效益和经济效益。目前，邯宝高炉同时使用煤种仅一至二种，煤种单调难以提高置换比、煤源可选范围有限，远不能满足大喷吹的要求，煤源一旦发生问题，喷吹作业难以维持。从国内外高炉喷煤的发展趋势来看，采用混喷喷吹的高炉逐渐增多，既扩大了煤源使用范围，又可调整煤种特性，提高煤焦的置换比，取得良好的效果［1-4］。故多煤种混合喷吹是邯宝高炉低效稳产的必然趋势。

1 实验方法

实验所用煤种来源于邯钢集团邯宝分公司，包括7种无烟煤(高平、长治、无烟煤1#、潞安、煤焦库高平、仁达高平、煤焦库贫瘦煤)以及5种备选烟煤(河北济民、烟煤1#、煤焦库神华、煤焦库府谷、济民烟煤)。根据各单种煤的工业分析以及可磨性实验结果，选择较适宜混合喷吹用的煤种，制定不同的配煤方案，并进行相关的理化性能测试研究，最终确定邯宝高炉喷吹用煤种。其中，可磨性实验采用哈氏可磨仪根据GB/T2565《煤的可磨性指数测定方法》进行测定;煤粉爆炸性和着火点利用北京科技大学的CPITI-V型煤粉物理性能综合测试仪测定;煤粉灰熔点采用天龙HR-500微机灰熔点测定仪根据GB219《煤灰熔融性的测定方法》进行测定进行测定;燃烧性能利用煤粉燃烧实验装置测定。

2 结果与讨论

2.1 邯宝高炉喷吹用煤的的工业分析

煤的工业分析是煤质分析中最基本也是最重要的分析项目，是反映煤性能的重要指标，它包括煤的水分(Mt)、灰分(Ad)、挥发分(Vdaf)、固定碳(FCad)、全硫(St，ad)和可磨性(HGI)等一系列分析项目［5］。而可磨性是反映煤耐磨性的一项煤质指标，影响煤粉的加工成本以及高炉的生产成本。对喷吹用煤而言，可磨性越高越好。实验得到的邯宝各煤粉的工业分析及可磨性如表1所示。

喷吹煤粉质量，尤其是化学成分对喷吹量的提高具有重要的影响。对于喷吹用煤粉，要求灰分和S含量要低、固定碳含量高。由表1可知，所有备选煤种的灰分都比较低，均在15%以下，最低的为神华煤，仅为4.63%，这对降低高炉渣量以及提高喷吹煤粉的煤焦置换比有利。备选煤种的S含量都很低，均低于0.5%，有利于降低高炉冶炼的硫负荷。在所有烟煤中，只有神华煤、府谷煤的灰分含量低且其可磨性也最好，因此选定神华煤、府谷煤最为邯宝高炉喷吹用烟煤备选煤种。在七种无烟煤中，综合考虑工业分析指标及其可磨性，煤焦库高平煤、飞达煤应作为喷吹用无烟煤的备选煤种。

表1 邯宝用煤的工业分析及可磨性

2.2 邯宝高炉喷吹用煤的着火点与爆炸性研究

着火点是衡量煤粉燃烧性的主要指标，而煤燃烧性的优劣直接影响高炉顺行及经济效益。同时，喷吹用煤粉的爆炸性不要太强。表2和表3给出了邯宝高炉喷吹备选原煤和不同混煤的着火点及爆炸性实验结果。

表2 原煤着火点及爆炸性

由表2可知，实验所用烟煤的着火点均低于无烟煤。7种无烟煤的着火点温度较高，除长治煤(390℃)以外，其他6种无烟煤着火温度均在390℃以上;煤焦库高平无烟煤着火温度最高，为433℃。一般来说，煤的着火温度越低，越容易发生自燃现象，其燃烧率也较高。5种烟煤中，济民2#烟煤的着火点最低，为297℃，其次为府谷煤(306℃)、神华煤(312℃)、老张沟煤(331℃)和济民1#烟煤(343℃)。对于着火点温度较低的煤，磨煤等生产环节应注意安全。

混合煤粉的着火点及爆炸性见表3。由表3可知，混煤的着火点介于两种煤的着火点之间，且随烟煤配比的增加，混煤着火点降低。这是因为烟煤的挥发分高，有利于煤的燃烧。另一方面，煤粉的着火点还受煤化程度及各显微组分的影响［1，6］，一般来说，有机组分均使着火点升高，但壳质组在低变质阶段、惰性组在高变质阶段使着火点下降。此外，煤中水分含量大、灰分含量高也会提高着火点。综上所述，采用无烟煤种配加烟煤方式，可以降低入炉喷吹煤粉的着火点，达到提高燃烧效率，增加喷煤量，减少未燃煤粉的数量，改善高炉操作并降低成本的目的。

表3 混合煤粉的着火点及爆炸性

此外，由表2可知，各单种烟煤的爆炸性都很强。老张沟烟煤的返回火焰长度达800 mm，为强爆炸性煤;府谷烟煤、济民2#烟煤和神华烟煤的返回火焰长度分别为700 mm、560 mm和500 mm，为中强度爆炸性煤;济民1#烟煤返回火焰长度为325 mm，为中度爆炸性煤;其余无烟煤煤种均无爆炸性。而表3中混合煤的爆炸性都不高，这说明在烟煤中加入一定量的无烟煤，可以有效的抑制烟煤的爆炸性。

2.3 邯宝高炉喷吹用煤的灰熔点实验

煤燃烧后的残渣称煤灰，这不仅是一种“废物”，而且随着煤灰组成的不同，对煤气化、燃烧率以及大喷煤量后的高炉熔渣性能也有不同程度的影响。煤灰是在燃烧过程中，煤中无机矿物经过氧化、分解、化合等作用而产生的混合物。它的组成十分复杂，由多种矿物质组成，没有固定的熔点，仅有一个熔化温度区间，通常以变形温度(DT)、软化温度(ST)、半球温度(HT)和流动温度(FT)表示，开始熔化的温度远低于其中任一组分纯物质的熔点，这些组分在一定温度下还会形成共熔体，在熔化状态，还具有熔解煤灰中其它高熔点物质的性能，从而改变熔体的成分及其熔化温度。

煤灰熔融性是表征煤灰在一定条件下随加热温度而变化的变形、软化、呈半球和流动特征的物理状态，人们通常以这四个特征物理状态相对应的温度来表征煤灰熔融性。煤灰的熔融温度可反映出煤中矿物质在高炉中的动态，用以预测高炉结渣情况。在上述特征温度中，软化温度用途较广，一般用来选择合适的燃烧设备。例如，液态排渣则要求使用熔融温度低的煤种。高炉是液态排渣的气化设备，温度高，对煤灰熔融温度的适应范围较宽。但煤灰熔融温度低，粗粒度的煤粉在燃烧后，未燃烧部分易被熔融的灰份包裹，对提高煤粉的燃烧率不利。而煤灰完全流动温度如果过高，对高炉脱硫不利。

表4给出了各单种煤的灰熔点。由表4可知，无烟煤的灰熔点明显高于烟煤的灰熔点。无烟煤的流动温度(FT)都超过1500℃，烟煤的灰熔点偏低，流动温度(FT)在1250～1350℃，济民2#烟煤的灰熔点最低，仅为1268℃。

表4 各煤种的灰熔点实验结果

2.4 邯宝高炉喷吹用煤的燃烧性能

煤粉燃烧率是煤粉燃烧好坏的标志。煤粉燃烧率高，表明煤粉在高炉风口燃烧气化的完全程度［7］。如果煤粉在高炉风口燃烧率低，煤粉燃烧不完全，不仅会降低煤粉在高炉内的利用率，还会影响炉料的透气性和炉渣粘度，从而影响高炉生产。因此，对高炉喷煤来说，煤粉燃烧率衡量煤粉性能优劣和评价高炉风口燃烧状况好坏的一个重要指标，强化煤粉在风口前的燃烧是高炉进行大喷煤的一个基本的前提。各原煤燃烧率测试结果如表5所示，配煤煤粉的燃烧率测试结果如表6所示。

由表5可知，烟煤的燃烧率比无烟煤的燃烧率要高。5种烟煤中，神华烟煤的燃烧率最高，达到83.69%，其次为老张沟烟煤的燃烧率为82.53%，除济民2#烟煤外，其他烟煤的燃烧率都超过80%。无烟煤的燃烧率相对较低，7种无烟煤中，石嘴山无烟煤的燃烧率仅为68.51%。主要是因为无烟煤的煤化程度较深，主要显微成分为镜质组且基本上是完全失去细胞结构的镜质体，结构致密，而燃烧是由外向内的层层推进的层状燃烧，即使细磨至粒径全部在－200目以下，与烟煤相比，其燃烧率仍然较低。燃烧性好的煤种，着火温度低，燃烧率比较高。这可以使喷入高炉的煤粉能在有限空间和时间内尽可能地气化。此外燃烧性能好的煤种也可以磨粗一些，为降低磨煤能耗和炼铁成本提供了条件。

表5 原煤燃烧率实验结果

表6 配煤煤粉的燃烧率实验结果

由表6可知，混煤的燃烧率大于其加权平均值。说明使用混煤可以发挥无烟煤和烟煤各自的优点，促进煤粉的燃烧。随着烟煤比例的增加，煤粉燃烧率增加。

对于燃烧率较高的无烟煤，随着烟煤配比的增加，燃烧率呈现增大的趋势，但燃烧率的提高幅度不大;对于燃烧性能较差的无烟煤，配加烟煤能明显改善混煤的燃烧率。但是随着烟煤加入量的增加，尤其烟煤配比达到45%以上时，混煤燃烧率提高不显著。由以上配煤燃烧实验结果可以看出，贫瘦煤、高平配加神华煤是较好的混煤选择。

3 结论

(1)综合考虑煤粉的着火点、爆炸性、燃烧性能以及可磨性等理化性能，实验用7种无烟煤均适合高炉喷吹，高平煤(包括煤焦库高平无烟煤和仁达高平无烟煤)是最优选择煤种，其次为长治煤、飞达和潞安煤。石嘴山煤灰分含量较高，各项性能指标一般，故不是最佳选择。实验用5种烟煤均适合高炉喷吹，其中，神华烟煤是最优选择煤种，其次为府谷烟煤、济民2#、老张沟烟煤和济民1#烟煤。

(2)高炉喷吹用煤首选应是多种煤粉混合喷吹，在邯宝高炉配煤方案中，煤焦库高平无烟煤与神华烟煤组成的混煤为较好选择，其次为飞达无烟煤与神华烟煤组成的混煤，烟煤配加量在40% ～50%为最好。

［1］ 王竹民，刘二浩，吕庆等.邯钢高炉喷煤煤种的选择研究［J］.中国冶金，2009，19(6):10-14.

［2］ 刘建明，蒋胜.高炉喷吹混合煤实验［J］.钢铁钒钛，1998，19(3):34-38.

［3］ 张文强，郑学顺.唐钢新3号高炉喷煤将焦生产实践［J］.炼铁，2009，28(2):26-28.

［4］ 周瑜生，项仲庸.合理喷煤比的技术分析［J］.钢铁，2010，45(2):1-8.

［5］ 陈文敏，刘淑云.煤质及化验知识问答［M］.北京:化学工业出版社，2008.

［6］ 王竹民，刘然，吕庆等.煤岩组分对高炉喷吹煤粉燃烧率的影响［J］.钢铁研究学报，2010，22(5):23-26.

［7］ 张建良，黄冬华，张曦东等.新型高炉喷煤模拟燃烧实验装置设计［J］.北京科技大学学报，2009，31(5):633-637.