高炉喷吹用煤指标的冶金性能试验与研究

杨 陶，刘 崇，吴宏亮，高 鹏，王阿鹏，刘 纲，郝团伟

(1.马钢股份公司炼铁总厂，安徽 马鞍山 243011；2.河钢集团钢研总院，河北 石家庄 050023；3.清华大学信息国家研究中心，北京 100084；4.江阴兴澄特种钢铁有限公司，江苏 无锡 214429)

伴随国内外高炉喷吹煤粉工艺的进步以及优质炼焦原料的枯竭，高炉喷吹煤粉技术在炼铁工序中的作用日益明显，因此国内各大钢企加大了对喷吹工艺的研发投入。经过不断攻关高炉煤比大幅提升，但诸多钢铁厂技术人员仅关注煤种的工业分析与元素分析结果，对之外的指标不甚了解[1]。近年来，钢铁企业对高炉内部煤粉反应的指标参数和燃烧行为持有较高的关注度，希冀以科学合理的用煤指标用于指导生产，以达到合理用煤、提高煤比的目的。事实上，煤粉的其他理化性能诸如爆炸性、流动性、着火点、燃烧性等也影响着高炉的喷煤指标[2]。这些指标的高低不仅影响着煤粉燃烧与煤焦置换比，在生产中还可能磨损煤粉输运设施、引起风口结焦、煤枪堵枪等生产事故问题[3-4]。为详细掌握喷吹煤的性能，以改善高炉煤粉喷吹效果和提高煤比，为选择高炉喷吹煤种提供理论依据。因此，对高炉用煤的冶金指标进行了系统性的分析。

1 喷吹用煤的选择指标

基于高炉生产对喷吹煤种性能的基本要求，将煤种的诸多指标划分为基础性能、燃烧性能、反应性能、可磨性能及流动性能等指标。

1.1 基础性能指标

工业分析中的挥发分、灰分含量与元素分析中的碳、氢、氧、硫含量构成了喷吹煤种的基础性能指标。

就工业分析结果而言，煤粉中灰分越低越好且含量小于15%为宜；挥发分与煤粉燃烧性成正相关关系，但较高含量的挥发分不仅会引发安全事故，还会导致煤粉的发热量和置换比降低[5-6]。煤粉燃烧环节脱硫过程因消耗石灰且耗热而需要大量的焦炭；氧含量表征煤粉中碳/氢等可燃性物质被氧化的情况；而煤粉中的氢可提高高炉下部料柱的透气性和煤气中有效成分[7]。

1.2 燃烧性能指标

煤种燃烧性与鼓风中O2含量、风温、煤粉粒度及成分均有紧密相关[8]。为确保高炉风口前的煤粉在全部燃烧，以提高高炉铁水产量和煤比，应喷吹燃烧性好的煤。煤粉的着火点、燃烧率以及爆炸性构成了燃烧性能的评价指标。

1.2.1 着火点

为促使煤粉快速着火并燃烧，应喷吹低着火点的煤粉，但此煤粉仓贮时易引发安全事故。实验中将煤样置于微型电炉的铂片上后通电升温，借助于光电管测量煤粉的燃烧温度。

1.2.2 燃烧率

本研究采用静态热重法来计算煤粉的燃烧率，并测量温度为1 200 ℃时的燃烧情况。

1.2.3 爆炸性

一般认为挥发分含量低于10%的煤粉无爆炸性，而大于25%的为强爆炸性煤[9]。实验中将1 g、74 μm的煤粉置于长管式测试设备玻璃管内1 050 ℃火源上，通过观察煤粉爆炸时返回火焰长度来判断其爆炸性强弱。

1.3 可磨性能指标

本实验利用哈德格罗夫法判定煤种的可磨性指数(HGI)，可磨性指数表示在相同磨煤工艺条件下不同煤种的粉碎难易程度，且可磨性指数分布在60～90较合适[10]。指数低于50的煤很硬因而研磨性差，大于90的煤易磨但有较强的黏结性，给煤粉输运带来了困难。

1.4 反应性能指标

煤种的反应性影响着高炉的耗煤、耗氧及煤气成分等，且与高炉内煤粉的燃烧情况直接相关，强反应性煤反应迅速且效率高。

1.5 流动性能指标

煤粉的流动、喷流特性构成了煤种的流动性能指标。煤粉的流动特性、喷流特性分别与煤粉的输送能力、回旋区的弥散度成正相关关系[11]。利用BT-1000型粉体综合特性测试仪测定煤粉的流动、喷流参数，基于数据分析，得到煤粉的流动性能指标。

2 试验结果与讨论

2.1 基础性能指标

由于煤种的产地和煤质特性差异，因此在采购喷吹用煤时须充分考虑煤种的理化性能。由表1中数据测试结果可以看出：煤粉的挥发分含量分布在8.64%～35.11%，且只有6#煤粉为烟煤，其余均为无烟煤。

表1 煤粉的基础性能测定结果 %

由表1可知，煤粉中碳含量随挥发分和灰分含量增加而降低[12]。2#煤种由于挥发分和灰分含量偏低，因此含有较高碳，其含量为93.08%。6#煤由于含有35.11%挥发分、6.03%灰分而导致其碳含量较低，仅为84.21%。

由元素数据可知：6#煤种含有9.17%的氧，并且考虑其碳含量偏低，所以具有较低的发热值；且除6#煤外，其余煤中的硫含量偏高，均超过了0.5%，最高达到了0.79%。

通过对各煤种基础性能测试结果的分析，1#、2#和7#煤种建议可作为喷吹用煤，但需与6#煤混合使用。

2.2 燃烧性能指标

表2为各煤种的着火点、燃烧性及爆炸性的测试结果。

表2 煤粉的燃烧性能测定结果

由表2中的数据可知，煤种的着火点在382～524 ℃，均达到了高炉对喷吹用煤的要求，其中6#煤的着火点最低，为382.3 ℃；1#煤的着火点最高，为524.8 ℃；5#煤的灰分最高因而延迟了煤粉的燃烧，着火点为504.9 ℃。目前使用的七种煤着火点顺序为：1#>2#>4#>5#>7#>3#>6#。

根据煤种的燃烧率测试结果可知：6#煤的燃烧性最佳，其燃烧率为92.5%，原因是由于煤种的挥发分高，而挥发分在较低温度下便可析出及燃烧，这就为碳的燃烧创造了条件，从而促进了煤粉的燃烧[13]。5#煤含有12.63%的挥发，但是氧含达到了3.37%，导致煤粉燃烧性较差，降低了煤粉燃烧率。虽然1#煤粉的碳含量很高，但挥发分含量较低，导致煤粉不易燃烧。各煤粉的燃烧率排序为：6#>3#>7#>4#>2#>1#>5#。

由煤种的爆炸性数据分析可知，6#煤的火焰返回长度为305 mm，属弱爆炸性煤，其余煤的火焰返回长度为0 mm，均为无爆炸性煤，综合分析，除了1#和5#煤由于燃烧性较差，且着火点偏好，在使用过程中应尽量避免使用该煤。

2.3 可磨性

图1为7种煤粉可磨性测试结果，则煤粉的可磨性指数顺序为：4#>3#>5#>6#>2#>7#>1#，除了1#、2#、7#煤外，其余煤粉的可磨性指数在80～90，均能够满足喷出煤粉的要求，若大量使用可磨性指数小于60的3种煤粉，将会增加磨煤能耗。

图1 煤粉的可磨性测定结果

2.4 流动性和喷流性

煤粉流动性和喷流性相关参数测定结果如表3所示。

表3 煤粉的流动性和喷流性测定结果

分析表3中的数据可知，所测煤种的流动性和喷流性顺序均为：7#>6#>1#>5#>3#>2#>4#。由煤粉的流动性能指标数据可知，除7#煤，其余煤的流动性均为中等偏下；且除2#和4#煤，其余煤粉喷流性均较强。

2.5 反应性

表4为不同富氧率下煤的反应性测定。

表4 不同富氧率下煤的反应性测定

由表4可知，随富氧率的提高，煤粉中的未反应碳含量降低，说明煤粉的反应性升高，且富氧率达到3%以后反应性变化不大。

3 单煤特性分析

通过对各煤种的冶金性能进行测试与分析，可得出如下结果：

(1)1#。1#煤粉的挥发分、灰分含量均小于10%，因此碳含量较高，从而煤粉热值较高，但煤粉可磨性偏低，在制粉过程中能耗较高，且着火点偏高、燃烧性较差、流动性较低，因此在生产过程中要警惕粘结喷煤枪，基于上述数据分析，不建议将该煤用作高炉喷吹用煤。

(2)2#。该煤的挥发分、灰分含量均在9%左右，因此煤粉含碳量最高，煤粉的热值较高；可磨性指数一般，但符合高炉对喷吹用煤的要求；但其燃烧性、流动性、喷流性均较差，因此在配煤过程中不建议大量使用该煤种。

(3)3#。该煤种的挥发分、灰分含量偏高，同时含有较高含量的碳，燃烧性、可磨性和反应性指数均达标，但煤种的硫含量偏高，且流动性一般。

(4)4#。该煤种的挥发分、灰分含量偏高，且碳、氢含量较高，氧含量较低，煤粉的燃烧性、可磨性和反应性较好，但流动性极差。

(5)5#。该煤种的挥发分、灰分含量偏高，且具有较高的碳含量，可磨性良好，氧含量和硫含量偏高，燃烧性、流动性和反应性一般。

(6)6#。该煤是唯一的烟煤，含有较高的挥发分和较低的灰分，碳含量偏低，硫含量也较低，可磨性、燃烧性、反应性较好。

(7)7#。该煤种的挥发分、灰分、碳含量均适中，氢含量较高，而氢可强化高炉下部料柱的透气性；煤粉的可磨性较差，硫含量高，但是燃烧性、流动性和反应性较好。

配煤过程中需要混煤具有合适的挥发分含量、流动性以及燃烧性等基本特性，从上述的煤粉特性数据可以看出，各个煤粉之间的性能存在差异，因此通过互补搭配，合理利用各种煤粉，基于煤粉的基础特性，利用取长补短的策略进行配煤实验，最大限度挖掘各煤粉的优势，因此在喷煤过程中，建议最佳的配煤方案是3#+6#，其次是4#+6#。

4 结 论

通过对高炉喷吹用煤各项冶金指标的归纳分析，并以现阶段所使用的七种高炉喷吹煤粉为研究对象，对各煤粉的冶金性能进行了试验研究及并对可行性指标进行了理论分析，根据检测结果充分掌握了该厂煤粉总体的性能，并推荐高炉喷吹用煤种为3#+6#或是4#+6#。