喷吹煤对焦炭热性能影响的研究

韦 欢 周永平 张红丽

(安阳钢铁集团有限责任公司)

0 前言

近年来，国内高炉煤粉喷吹技术有了长足的进步，先进的高炉喷煤比指标已经达到200 kg/t以上［1-2］。安钢高炉的煤比平均达到150 kg/t以上;6号、7号高炉在2009年平均煤比就到达158 kg/t，单月煤比到达170 kg/t，日煤比甚至高达180 kg/t以上;1号、2号高炉煤比也达到150 kg/t以上，单月煤比可达170 kg/t以上。在如此高的煤比情况下，煤粉的完全燃烧是不可能的，势必会产生未燃煤粉，大量未燃煤粉的存在会对高炉造成一系列的危害，如增加料柱压力，影响炉渣流动性，降低煤焦置换比等。

同时，由于焦比的降低，延长了焦炭在高炉内的停留时间，加速了焦炭的劣化。焦煤资源的紧张使得优质炼焦煤价格上涨。因此，宝钢、攀登、太钢等一大批企业非常注重对未燃煤粉［3-5］(煤粉反应性)对焦炭高温性能的影响的研究。笔者就不同煤种的反应特性以及其反应特性对焦炭热性能的影响进行了研究，以期对喷吹煤配煤结构的优化起到指导作用。

1 试验原理

煤粉反应性实质上是表示煤中未燃碳与CO2的作用能力。随着对高炉喷煤煤比的进一步提高，反应性在喷煤中的意义更为明显。由于未燃煤粉的活性远高于焦炭，不同未燃煤粉活性差异将影响高炉冶炼过程。首先，在炉内未燃煤粉将优先焦炭气化。在高炉高温区，消耗的碳既有未燃煤粉中的碳，也有焦炭中的碳。由于未燃煤粉活性大于焦炭。因此，高炉高温区消耗的碳将首先是未燃煤粉中的碳，其结果减缓了焦炭气化反应造成的焦炭强度劣化进程，使焦炭下降到风口回旋区时仍能保持足够的强度和粒度，有利高炉顺行。未燃煤粉的活性越高，对焦炭的保护作用就越明显，在焦炭质量一定时，可允许高炉喷吹更多煤粉，而不至于由于焦炭热态强度过低，导致高炉难行，其次，活性高的未燃煤粉在炉内气化速率高，可以迅速气化消耗，不致随煤气逸出，不会以未燃碳的形式从炉顶排出，因此高炉就有提高煤粉喷吹量的空间。未燃煤粉随着煤气上升，在高温区将与铁的氧化物发生反应，进行直接还原，其机理为：

因此，直接还原反应的程度与C被气化的能力有关。在高炉内，焦炭和未燃煤粉都可以提供C，因此焦炭和煤粉的气化耦合在一起。气化能力高的C将优先气化，反应能力低的C将会有大量的剩余，故反应性好的未燃煤粉优先反应，保护反应性较差的焦炭。因此，高炉喷吹要选择反应性好的煤种，以保护焦炭。

2 试验过程

2.1 试样制备

焦样的制备参照GB4000-83进行，焦样粒度为23 mm～25 mm;试验用干馏煤的制备参照GB2008进行，试样粒度为3 mm～6 mm。安钢喷吹用煤的工业分析、灰分成分及灰熔点见表1、表2。

表1 煤粉工业分析

表2 灰成分及灰熔点分析

2.2 试验设备

试验中采用的设备主要有高温反应器、精密温度控制置、热电偶、转子流量计、数字电压表、电子天平。

2.3 试验方法

参照焦炭的反应性及反应后强度试验标准(4000-2008)进行，试样分两组，一组为200 g焦炭，另一组为焦炭与干馏煤(考虑到高炉大喷煤时未燃煤粉增多，以及尽可能减小干馏煤过少带来的误差，将干馏煤量定在50 g;装样方式为在反应管底部先加入干馏煤样，再加入焦样)，将干燥后试样在1100℃时与5 L/mim的CO2反应，反应后焦炭全部装入Ⅰ型转鼓，以20 r/min运行30 min后，取出筛分、称量、记录各筛级质量。

焦炭反应性(CRI)=(反应前质量-反应后质量)/反应前质量×100%

焦炭反应后强度(CSR)=转鼓后大于10 mm试样质量/反应后残余焦炭质量×100%

3 试验结果及分析

3.1 煤粉的反应性

1)单种煤反应性。煤的反应性是指在一定温度条件下，煤与C02或H2O蒸汽的反应能力。几种喷吹煤的反应性检测结果见表3。

由表3可以看出，反应性较好的煤有烟煤A、无烟煤B;反应性较差的煤有无烟煤C、无烟煤E。由于煤在形成过程的变质程度的不同，其物理化学性质上存在很大的不同，其半焦颗粒的反应形式也不同。半焦反应过程可分为层状反应和内孔反应。不同的煤种，由于挥发分不同、灰分不同及灰渣特性不同，生成的半焦孔隙率也不同，出现层状反应和内孔反应的概率不同，因此对半焦的反应速度产生影响，低灰分、高挥发分煤由于挥发分析出，产生较多的孔隙，且这些孔隙能得以较好保留，内孔反应比例较高。烟煤变质程度较低，具有较高的挥发分和较低的灰分，在加热过程中，挥发分优先逸出，在煤粉颗粒表面和内部形成较多的孔洞，这增加了CO2与煤粉反应的比表面积，促进了反应，因此，烟煤A具有较高的反应性。根据杜鹤桂、杨俊和等［6］人研究认为碱土金属元素对焦炭熔损反应的催化活性顺序为：Be≈Mg＜Ba≈Sr＜Ca，Fe在元素状态下和铁氧化物［Fe1-XO4和Fe3O4］具有催化作用，铁氧化物由高价向低价转化时，可增加Fe催化的反应活性，并用矿物质催化指数MCI来表示各矿物质对焦炭的作用。MCI可综合反映不同矿物质对煤和焦炭的作用能力，用以下公式表示：

表3 单种煤反应性 %

式中：Ad——煤或焦中干基灰分，%;

Vd——煤的干基挥发分，%;

Fe2O3——分别为相应矿物质在煤焦中灰分中的百分含量，%。

结合表2、公式(4)可以看出，烟煤A、无烟煤B和无烟煤D的灰成分中含有较多的Fe2O3和CaO，该矿物质可以提高煤粉的反应性，而在无烟煤C的灰分中含有很高的Al2O3，所以无烟煤C具有较低的反应性。

2)挥发分对反应性的影响。目前使用单一喷吹煤的高炉很少，在进行混合喷吹时，如何优化喷吹煤粉的结构显得十分重要，根据安钢高炉实际喷吹状况，将烟煤A比例最高定为40%。在本实验中通过提高烟煤A的比例来提高喷吹煤的挥发分，混合无烟煤由无烟煤B、无烟煤D、无烟煤E按1∶1∶1混合而成。挥发分含量变化对混合煤反应性的影响见表4。

表4 挥发分对混合煤反应性的影响

由表4可以看出，随着挥发分的升高，混合煤的反应性也是提高的，其原因为随着挥发分的增加，在加热的过程中，混合煤中挥发分逐渐逸出，在煤粉颗粒表面和内部形成大量的孔洞，随着挥发分的增加，所形成的孔洞数量也逐渐增加，并在未燃煤粉的颗粒和颗粒之间由表面孔洞形成通道，通道的数量也与挥发分的高低相关，这些孔洞和由这些孔洞形成的通道，有利于CO2吸附在未燃煤粉表面和渗透内部，增加了反应的比表面积，因而提高了未燃煤粉的反应性。

3)灰分对混合煤粉反应性的影响。由于各单种煤的灰成分不同，通过添加不同的灰成分改变混合煤的灰成分。单种煤种的灰分是通过国标GB T212-2008煤炭工业分析方法制得。添加灰分比例为5%，混合煤由烟煤A：无烟煤B：无烟煤C：无烟煤D按1∶1∶1∶1组成。灰成分对混合煤反应性的影响见表5。

表5 灰成分对混合煤反应性的影响 %

由表5可以看出，无烟煤B的灰成分对混合煤具有较好的催化作用，其次是烟煤A的灰成分，再依次是无烟煤D、无烟煤E、无烟煤C。这是因为无烟煤B、无烟煤D和无烟煤E的灰分中不含Al2O3，烟煤A的灰分虽然含有Al2O3但同时含有较高的CaO、Fe2O3和MgO，无烟煤C煤的灰分中含有较高的Al2O3。

3.2 煤粉对焦炭热性能的影响

1)煤种对焦炭热性能的影响。由于煤粉在微观结构、变质程度、化学成分及加热分解特性等方面的不同，灰导致煤粉反应性的不同，对焦炭热性能的影响的影响也不同。煤粉添加量为5%，煤种对焦炭热性能的影响见表6。

表6 煤种对焦炭热性能的影响

由表6可以看出，与未添加任何煤粉的基准样相比，添加无烟煤B、无烟煤D和烟煤A后，焦炭的反应性有较大幅度的降低，反应后强度有较大幅度的提高，这主要因为是未燃煤粉与焦炭相比具有较高的挥发分，随着挥发分的逸出，留下较多小空隙，提高了煤粉的比表面积;其次与焦炭相比未燃煤粉具有较细的粒度，未燃煤粉必然具有较大的比表面。以上因素使得未燃煤粉与焦炭相比具有较高的反应性，在遇到CO2等氧化性气体时，优先焦炭反应，从而保护了焦炭，由于每种煤具有不同的反应性，故对焦炭的保护作用也不同;结合表3可以看出，未燃煤粉对焦炭的保护作用的大小与其反应性有密切的正相关关系。无烟煤C煤对焦炭的反应性和反应后强度的影响不大，这可能与无烟煤C的灰成分组成有关，相对于其它无烟煤，其灰成分含有较高的Al2O3成分，Al2O3可抑制煤粉的反应性，从而导致无烟煤C的反应性较低。

2)煤粉挥发分对焦炭热性能的影响。本试验是通过在配合煤中增加烟煤A的比例来提高配合煤挥发分含量。混合煤由无烟煤C、无烟煤D和无烟煤B按1∶1∶1混合而成，添加量为5%。挥发分对焦炭热性能的影响见表7。

表7 挥发分对焦炭热性能的影响

由表7可以看出，随着烟煤A比例的增加，焦炭的反应性呈下降趋势，反应后强度呈上升趋势，说明随煤粉中挥发分的升高，混合煤对焦炭的保护增强。这是因为随着烟煤A比例的增加，混合煤的挥发分升高，反应性也增加。

3)未燃煤粉(高温干馏煤)对不同质量焦炭热性能的影响。分别取三组不同质量焦炭试样，编号分别为1#、2#、3#，与由无烟煤C、无烟煤 B、无烟煤 D 和烟煤A的未燃煤粉按1∶1∶1∶1混合而成，添加量为5%。未燃煤粉对不同质量焦炭CRI的影响见表8。

表8 未燃煤粉对不同质量焦炭CRI的影响

由表8可以看出，1#～3#焦炭试样，从热性能看，1#试样质量最差，2#试样次之，3#试样质量最好;当在各焦炭试样中加入高反应性干馏煤样后，3种焦炭的反应性均呈不同程度下降，反应后强度升高，说明高炉喷吹高反应性煤有利于改善焦炭的热性能;比较添加前后试样热性能的改善发现，1#试样反应性改善为 3.98%;3#试样改善为 2.02%，2#试样改善在1#试样与3#试样改善之间，这表明喷吹高反应性煤，减小了不同质量焦炭反应性的差别，进一步考察焦炭的反应后强度也可看出类似趋势，即喷吹高反应性煤，减小了不同焦炭反应后强度的差别，这表明未燃煤粉对质量较差的焦炭的热性能的改善更为明显。

4 结论

通过研究不同煤种的反应特性和未燃煤粉对焦炭高温性能的影响，可以对高炉喷吹煤配煤的合理化配比起到一定的指导作用。本试验得出如下结论：

1)煤粉的反应性与煤种相关。

2)煤粉的反应性随着煤粉挥发分的增加呈上升趋势。

3)煤粉的反应性与煤粉的灰成分相关，一些元素可以促进煤粉的反应性，某些元素能抑制煤粉的反应性。

4)煤粉的反应性远高于焦炭的反应性。

5)高炉喷吹高反应性煤可抑制焦炭的熔损反应，降低焦炭的反应性，提高焦炭的反应后强度。

6)高炉喷吹高反应性煤对抑制焦炭的熔损反应作用与其反应性相关，反应性高的煤粉所形成的未燃煤粉对焦炭的熔损反应抑制作用强。

7)喷吹高反应性煤粉对劣质焦炭热性能的改善效果更佳。

［1］ 徐万仁，李荣壬，钱晖.宝钢高炉大量喷煤时煤粉在炉内的利用状况［J］.钢铁，2000，35(5)：5-9.

［2］ 张寿荣，毕学工.关于大量喷煤高炉的某些理论问题的思考［J］.钢铁，2004，39(2)：8-13，42.

［3］ 张华，张建良，柏凌，郭豪.太钢高炉喷吹煤粉燃烧性和反应性的研究［J］.炼铁，2008，27(1)：53-56.

［4］ 刁日升，胡宾生.攀钢高炉未燃煤粉对炉渣流动性的影响［J］.钢铁，2004，39(9)：14-16.

［5］ 郁庆瑶，曹进，沈峰满.未燃煤粉对炉内焦炭反应性能影响研究［J］.宝钢技术，2006(B11)：31-33.

［6］ 杨俊和，冯安祖，杜鹤桂.矿物质催化指数与焦炭反应性关系［J］.钢铁，2001，36(6)：5-9