黑山褐煤热解提质特性及其半焦制备高炉喷吹适用性研究

程志红

(潞安集团营销总公司，山西 长治 046204)

在所有煤炭资源中，褐煤约占到全世界煤炭储量的2/5左右；我国褐煤储量也很大，约为煤炭总储量的17%以上[1]。随着优质高阶煤消耗量的增加和可利用资源量的逐渐减少，褐煤高效利用也逐渐引起了各国的重视。

褐煤是典型的低阶煤，由于其挥发分和氧含量较高，易于风化和自然，而且热值较低，因此其使用受到了极大的限制。而褐煤经过干馏提质后得到的半焦挥发分大幅降低，有效的改善了褐煤的性能[2-3]。经过干馏提质后得到的半焦不仅降低了低阶褐煤的挥发分，提高了安全性，而且还具有低灰、低硫、气化效率高和反应性好等优点。这些优点正好与喷吹煤的基本要求参数相吻合。因此，采用干馏提质技术得到的半焦可以部分替代价格较高的无烟煤、贫煤和贫瘦煤，从而降低喷吹原料成本，提高企业经济效益[4-7]。褐煤干馏提质利用不仅是顺应国家能源优化政策，合理高效梯级利用煤炭资源；而且低阶煤提质产业属于国家循环经济发展的重要领域，具有节能减排、高附加值和技术革新等一系列优势，因此低阶煤提质半焦用于喷吹煤在市场经济中富有极大的生命力和广阔的前景。本文通过煤焦性能分析及低温干馏研究，考察了褐煤干馏时间和干馏温度对内蒙黑山褐煤提质半焦性能的影响；并在研究的基础上结合喷吹煤性能的要求，提出了内蒙黑山褐煤提质制备喷吹煤的关键技术。

1 褐煤制备喷吹煤的主要参数及评价指标

1.1 褐煤制备喷吹煤的主要参数

高炉喷煤对现代高炉炼铁技术来说具有革命性的重大意义。首先采用高炉喷煤代替焦炭，可以减少高炉炼铁对焦炭的需求，而减少对焦炭的需求，就可以减少生产焦炭或少建焦炉，从而减少对环境的污染。其次，高炉喷吹可以缓解我国主焦煤的短缺，优化炼铁系统用能结构，降低能耗，实现结构节能。再者高炉喷煤，可以降低炼铁系统的系统投资和运行成本。同时高炉喷吹是调剂炉况热制度的有效手段，通过喷吹可改善高炉炉缸工作状态，提高高炉稳定性；另外可提高高炉风，加大冶炼强度，提高生铁产量水平。

高炉喷煤是通过向高炉内喷煤替代部分焦炭提供炼铁所需的热量以及还原剂。喷吹的煤粉或焦粉的燃料理化指标对其输送速度、燃烧效率、高炉炉缸工作状态、稳定性以及还原反应整体效率都有很明显的影响。因此，高炉炼铁对喷吹的煤粉及焦粉等燃料的爆炸性能、燃烧性能、可磨性能、反应活性以及输送性能等具有很高的要求[8]。喷吹燃料的性能参数指标满足基本指标要求是保证喷吹性能的前提基本要求。喷吹燃料的基本参数指标见表1[9]。根据原有喷吹燃料理化参数指标的不同，掺配的粉煤和半焦粉的种类和数量也有所不同，当原始喷吹燃料的理化参数优于表1的数据时，就可以向原喷吹燃料中掺入部分低指标参数的煤粉或焦粉等；而且原始喷吹燃料的理化参数越优，可以掺混的煤粉或焦粉等越高，而且对其指标要求更低。

表1 喷吹燃料的基本参数 %

1.2 褐煤制备喷吹煤评价指标

参照表1，确定以挥发分作为评价所制备半焦是否合适作为喷吹煤的首要指标。若经过干馏所制备的半焦挥发分值低于喷吹煤基本参数的指标值(< 15%)，则满足普通喷吹燃料的挥发分指标；若挥发分值达到< 8 %，则满足特级喷吹燃料的指标。然后进一步测定干馏半焦的灰分和硫含量等其他指标，最后综合评价其是否满足喷吹燃料的基本指标。

2 黑山煤特点及其热解特性

2.1 黑山煤的煤质特点

表2 煤质分析 %

黑山煤的煤质分析见表2。从表2可以看出，黑山煤属于低灰(3.90%)和低硫(0.26%)煤；热值较高；而且热值较高，Qgr,v,d为31.70 MJ/kg。与表1的数据对比可以判断，经过干馏后得到的半焦应该可以达到喷吹燃料的基本参数要求，甚至达到特级喷吹燃料的基本要求。

2.2 黑山煤热解特性

不同升温速率的黑山褐煤热解特性如图1所示。从图1可以发现，随着加热速率的增加，失重率增加，从5℃/min的17.17%增加到20℃/min的26.07%。这主要是由于随着升温速率的增加，煤发生快速热解，大分子断裂产生的小分子快速排出，减少了分子与分子，气体分子与固体分子之间的缩合二次反应[10-12]。因此，快速热解降低了半焦的收率，可以增加气、液相产物产率。

图1 黑山褐煤的TG-DTG曲线

另外从图1的DTG图可知，快速热解的热解速率也明显高于慢速热解，且最大失重速率峰也向高温区变化。在120℃之前主要是干燥脱水，120～350 ℃进行脱吸，煤释放出吸附在毛隙孔中的气体，如CH4、CO2、CO和N2等，而在外观上基本不发生变化。350～550 ℃，此时煤剧烈分解，解聚，析出大量的焦油和气体，并在5000 ℃左右出现最大失重速率峰。这是由于在500 ℃左右时析出焦油量最大，在此阶段由于热解，生成气、液(焦油)、固(尚未分解的煤粒)三相为一体的胶质体，使煤发生了软化、熔融、流动和膨胀。550～650 ℃时， 胶质体分解、缩聚、固化成半焦。650～750℃，半焦分解析出大量气体，主要是H2和少量CH4，同时半焦因分解出气体收缩而产生裂纹。750 ℃以后半焦进一步分解，继续析出少量气体，同时分解的残留物进一步缩聚，芳香碳网不断增大，排列规则化，半焦转变成具有一定强度和块度的焦炭。

3 干馏提质半焦作为喷吹燃料性能分析

黑山褐煤500℃和600℃ 提质后半焦的工业分析和元素如表3所示。

表3 黑山褐煤不同温度半焦的工业分析和元素 %

从表3的数据分析可以看出，随着褐煤提质温度的提高，所得到的提质半焦的挥发分越低，500℃和600℃提质后得到的半焦的挥发分均低于15%，500℃时的挥发分可以达到普通喷吹煤的基本参数，温度提升到600℃时，所得到半焦的挥发分可以达到特级喷吹煤的基本参数要求。而且其碳含量也逐渐升高，从500℃的79.17%提高到600℃的86.84%。这主要是由于随着热解温度的升高，原煤中的含H和O的不饱和键随着提质温度的升高而减少，其基本结构中的芳环缩合度增加；表明半焦主要有大分子网状结构构成[13-15]。

制作喷吹煤除了要考察挥发分外，从表1的基本参数要求数据中还可以看到，还需要考虑灰、水和硫的最终含量。从表3的数据中可以看到，经过500℃和600℃提质干馏后得到的提质半焦水分、硫分和灰分也均达到了喷吹煤的基本指标。进一步从表4的发热量对比可以看出，经过提质后半焦的发热量也明显增加。经500℃和600℃提质后，半焦的高位发热量比原褐煤分别提高了5.7%和8.0%，而低位发热量分别比原有褐煤提高了3.4%和11.91%。而一般无烟煤的高位发热量在25.12-32.65 MJ/kg之间，从表4的数据中也可以看出，经过提质后得到半焦的发热量也可以达到无烟煤的标准。因此黑山褐煤经过干馏提质后的基本参数完全可以满足喷吹煤的要求，其不仅可以制作普通喷吹煤，而且可以制作特级喷吹煤。

表4 黑山褐煤提质半焦的发热量

根据GB/T 4000-2008《焦炭反应性及反应后强度试验方法》对黑山褐煤提质半焦的反应性进行了测试，结果如表5所示。从表5的数据中可以看到，随着干馏温度的升高，所得到半焦的二氧化碳反应性有所降低。但都在70%以上，表明黑山褐煤提质得到半焦反应活性整体较好，这也符合喷吹燃料的基本要有，符合高炉的操作。

表5 黑山提质半焦的二氧化碳反应性

4 结论

通过对黑山褐煤热解提质特性及其半焦制备高炉喷吹适用性研究得出以下结论：

(1)经过干馏提质的黑山半焦具有低灰、低硫、高反应活性、高发热量等优良的特性，其基本参数达到了喷吹煤基本参数的要求，甚至经过工艺参数的调控，可以达到目前国内主流特级喷吹燃料(煤)的性质，是一种比较有竞争优势的喷吹原材料。

(2)同时研究表明，通过控制干馏提质的参数，可以达到改善低温提质半焦性能的目的。因此，通过深入的研究，对在优质喷吹煤原料中增加廉价的其他燃料，实现劣质煤等高效梯级资源化利用，提高企业效益和竞争力都具有重要的意义，因此建议相关企事业单位加强该方面的理论和应用研究。