半焦作為高爐噴吹用煤研究

張立國，任偉，劉德軍，張偉，王再義，鄧偉

（鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

半焦是介于普通焦炭和原煤之間一種焦化產物，多用于電石、鐵合金等產品的生產，由于熱態性能和抗破碎性能差等原因，過去未能引起冶金工作者的足夠重視，對于其如何應用于高爐生產就更鮮有報道和研究。隨著近幾年行業產能過剩帶來的競爭激化及利潤下降問題，如何降低生產成本，就成為冶金企業能否生存的關鍵所在，半焦具有低于噴吹用無煙煤百元以上的采購價格優勢，若能將其用于高爐噴吹，就可以達到有效降低成本的目的。為研究其是否能滿足作為高爐噴吹用煤的需要，本文針對半焦性能做出分析，開展了不同配入水平下的優化配煤系列實驗，并就混和煤粉中配入半焦后的輸送速度、燃燒率、煤焦置換比等情況進行了分析，闡述了在一定配入量下，半焦可以作為高爐噴吹用煤。

1 半焦性能分析

噴吹煤種的選擇，尤其是煤種自身理化性能和熱態下的指標優劣，對于混合配煤及高爐噴吹效果有著直接的影響［1-2］。而半焦是由泥煤、褐煤和高揮發分的低變質煙煤（主要包括長焰煤、不粘煤、弱粘煤）等經低溫(500～700℃)干餾得到的固體產物，由于要將其作為一種高爐噴吹用的燃料，因此，分析半焦基本成分和元素組成，掌握制粉性能和微觀下的形貌，了解發熱值、灰熔融性等特性，對于解釋其能否作為高爐噴吹用煤就有著重要的意義。

1.1 半焦工業分析及元素分析

工業和元素組成分析是了解噴吹燃料性能最為直接手段，作為由劣質煤粉經過干餾工藝而獲得的產物，只有準確掌握了基礎成分，才能以此作為初步判斷的依據，其是否能夠起到替代部分噴吹煤粉的效果，半焦的工業及元素分析結果見表1。

表1 半焦工業及元素分析（質量分數）%

從表1可以看出，由于形成半焦的煤粉都為變質程度較輕的煤粉，煤粉中有機質殘存物較多，致使形成半焦后，其中灰分含量較普通焦炭和無煙煤中略低，而燃料中的灰分進入高爐后，會發生一系列吸熱反應最后形成爐渣，從這個角度講，半焦噴入高爐后，燃料中灰分帶入量的減少，會有利于渣比的降低，促進燃料比的下降。

1.2 半焦制粉性能及微觀形貌分析

1.2.1 制粉性能

可磨性對噴吹效果并沒有直接影響，但煤粉的可磨性較小，表明煤的硬度大，會給制粉工藝帶來麻煩，增加動力消耗，同時使噴吹設備，特別是噴槍的壽命降低［3］，適度的煤粉硬度和煤粉出率有利于速磨制粉。半焦等煤種可磨性指數測定見表2。

表2 煤種可磨性指數

從表2可以看出，半焦與焦作、陽精等無煙煤粉可磨性指數相似，從制粉和煤粉出率的角度來看，半焦投入中速磨后，不會影響混煤制粉和煤粉的出率、增加磨輥磨損及額外動力消耗，對制粉工藝產生不利影響。

1.2.2 半焦微觀形貌

生產實踐表明，混煤的輸送、燃燒性能的優劣都與其微觀下的顆粒形貌有著密切關系，而噴吹用煤粉是由1～300 μm各種大小不一、形狀各異的微粒組成的顆粒群，通過噴吹工藝后最終噴入到高爐內參與燃燒。為此，在實驗室條件下，將成品半焦制得小于74 μm的粉末，并取高爐噴吹用的混煤煤粉，用掃描電鏡對比2種顆粒群微觀下形態，微觀形貌見圖1和圖2。

從圖1和圖2中可以看到，經過研磨成小粒度后，在放大100倍的條件下，半焦與高爐噴吹用的混合煤粉為2個截然不同的微觀形態，混合煤粉呈現出了尺寸各異的粒狀結構，而半焦在微觀形態下，表現出不規整的薄片狀結構。從熱量傳導的效果看，片狀的形貌顯然更有利于煤粉顆粒的熱量傳遞，促進內部官能團的斷裂，對于進入高爐內的燃燒有益，這樣來說，研磨后的半焦不會對在高爐內部燃燒造成影響。

1.3 半焦熱態性能

1.3.1 發熱值和灰熔融性能

煤粉是以其放出的熱量和形成的還原劑CO，來代替焦炭在高爐內提供熱源和還原劑，發熱值越高，置換比也就越大［4-5］，同時半焦是由一些變質程度較低的煤，經低溫干餾得到的產物，噴入高爐后，能否產生風口結焦、結渣等不良現象，也有待進一步考察。實驗室條件下半焦等煤種發熱值和灰熔融性能測定結果見表3。

表3 半焦等煤種發熱值和灰熔融性能

從表3可以看出，半焦的發熱值除了略低于太西煤以外，比其它鞍鋼常用的一些煤種如焦作煤等都要高，從這個角度來講，噴入半焦后不會減少高爐內的熱量，同時從半焦灰熔融性能的測定結果來看，其灰熔融性能要高于目前高爐最高使用風溫（1 250℃）100℃以上，半焦的噴入也不會帶來風口結焦、結渣等不利于高爐生產的現象發生。

1.3.2 半焦的熱態反應性能

當干餾爐內溫度從500℃升到700℃時，在煤中的有機質進一步熱分解，導致縮合芳環上的短側鏈和聯結芳香環間的橋鍵開始斷裂，當內部應力達到一定標準時就會形成裂紋，而裂紋的存在會降低半焦的強度［6］，半焦的熱態反應性為81.00,反應后轉鼓強度為31.90%。

由于此時沒有液態產物生成，干餾反應未進行徹底，半焦還處在沒有完全形成焦炭的階段，加之自身又是多裂紋結構，這些原因就造成了半焦熱態反應性偏高、強度偏低，半焦熱態指標與普通焦炭存有差異，性能更接近于高爐噴吹用的無煙煤。

2 配煤實驗

作為取代無煙煤的一種新“煤種”，半焦除了基礎理化指標上要滿足中速磨制粉及高爐噴吹需要外，冶金工作者最為關心的問題就是與其它種類煤粉混合后，噴入到高爐后的應用，尤其是混合煤粉燃燒性能的好壞以及替代煤粉的效果。為闡述這個問題，開展了實驗室條件下的配煤及燃燒率測定實驗，尋求適合的半焦配入比例，使高爐達到最佳噴吹效果。

2.1 配煤方法

多種煤粉的混合配制能夠避免單一煤種某些性能上的劣勢，最大限度達到煤粉配入后的合理利用［7］。依托現有實驗設備及裝置，在鞍鋼現有煤種條件下，利用minitab軟件，采用數學優化試驗設計方法，開展了以煤粉種類作為影響因素，配入量為水平的半焦配煤實驗研究。

2.2 配煤種類及水平

受到現場原煤倉個數（4個）和資源的限制，本次采用以2種無煙煤和1種煙煤作為基礎煤種，并將半焦視為另外一個因素，開展配入比例不超過15%優化配煤實驗，兼顧現有原煤種類、采購量和成本等諸多因素，以鞍鋼生產協力作業區正在使用配煤制度作為基準參考，選定后的因素和配入比例設計見表4［8-10］。

表4 因素水平表（質量分數）%

2.3 煤種優化配比

由于混合煤粉噴入到高爐后，有眾多指標影響到其使用效果，因此應從整體考慮混配煤粉的性能，采用灰分、揮發分、固定碳、可磨性指數、發熱值及灰熔融性能等多種常用指標作為混合煤粉性能的評價標準，具體方案及實驗結果見表5。

2.4 配煤方案確定

以太西、陽泉、神華和半焦4種煤作為影響因素開展配煤實驗，通過優化分析，煤種影響因素的主次順序依次為半焦、陽泉、神華、太西，或者是半焦、陽泉、太西、神華，其中神華和太西兩種煤粉在此次配煤方案中的影響較弱，從而得到最優化的4組配煤比，具體配煤方案見表6。

3 混煤性能分析與討論

3.1 混合煤粉輸送性能

輸送性能是煤粉物理性能和輸送氣體流動狀態的綜合反映，是一個動態工藝參數，不僅反映煤粉所受重力對煤粉輸送過程的影響，還反映輸送氣體對煤粉在流化噴吹罐和輸送管道內流動狀態的影響，輸送性能好壞對煤粉噴吹的重要意義是不言而喻的。為此，取廠內高爐正在噴吹使用的混合煤粉及幾個實驗室優化下配煤方案的混合煤粉，在實驗室條件下模擬高爐實際噴煤輸送速度，不同方案下的混煤輸送速度見表7。

表5 實驗方案和實驗結果

表6 不同煤種配加比例（質量分數）%

表7 不同方案下混煤的輸送速度 (g·min-1)

幾種配煤方案下，除了方案3中煙煤配比略低外，其它混煤中煙煤配入量均接近或者超過40%，比現場使用的配煤方案中煙煤配比要高，而由于煙煤中含有較高的絲質組，而絲質組的粘性幾乎為零，顆粒間引力比較小，導致輸送過程中摩擦阻力損失變小。從表7可以看出，雖然配入一定量的半焦，幾種配煤方案下的混煤輸送速度要比現場正在使用的好些，而且都能夠滿足高爐噴吹工藝的需要，其中煙煤配比較高的方案2煤粉輸送性能要更好些。

3.2 混煤燃燒率研究

由于混煤煤粉最終要噴入到風口回旋區內，參與燃燒以及含鐵物料的還原，因此當選擇半焦當作一個新的“煤種”后，燃燒率才是最為核心的指標，也是最能反應高爐內部的混合煤粉利用情況。由于煤是由大量相對分子質量不同、分子結構相似但又不完全相同的“相似化合物”、以芳香結構為主的環狀化合物，各個單元間是通過脂肪族基團或其它官能團相互交聯［11］；而半焦由于其是焦化工藝下的產物，隨著溫度的升高，分子間交聯鍵的斷裂，煤中的有機質進一步熱分解和熱聚縮，致使其石墨化的程度要比煤粉高很多，火焰傳播速度比煤粉要慢，將會對半焦的燃燒造成一定影響。

為此，應用實驗室自主開發的煤粉燃燒性能分析裝置，開展不同煤種配比方案下的燃燒率測定實驗，判斷煤粉的燃燒情況，分析在大氣環境中以及不同富氧率條件下的混合煤粉燃燒效果，對比結果見圖3。

從圖3可以看出，雖然煤粉中配入一定量的半焦，由于配入了較高比例的煙煤，幾種配煤方案下的混合煤粉燃燒率僅有2%左右的差異，可以滿足煤粉燃燒的需要，而且隨著富氧率的增加，無論是哪種配煤方案，燃燒率均呈現上升的趨勢，說明富氧作用對于改善煤粉燃燒率起到一定效果，但當富氧率超過3%時，富氧作用對于改善煤粉燃燒率作用減小，相對而言，方案2煙煤配入比例最高，煤粉燃燒的效果最好。

3.3 理論置換比計算分析

適宜的煤焦置換比是高爐噴吹煤粉追求的核心指標，由于半焦的固定碳含量略高于噴吹用的無煙煤，從這個方面來說，半焦在一定配入量下不會對置換比產生影響。由于鞍鋼此前也未進行過混煤中配入半焦的高爐噴吹，因此，從理論上計算配入半焦噴吹時的理論置換比，對未來確定將其用于高爐噴吹有著重要的參考價值。本文采用北京科技大學晏偉教授的總結的經驗公式，計算的理論置換比結果對比見圖4。

計算結果表明，幾種配煤方案下的混合煤粉理論置換比都在0.95以上，遠高于0.85噴煤行業要求的標準，因此，從置換比角度考慮，也完全能夠滿足高爐噴吹的需要。

4 結論

（1）半焦中灰分含量比普通焦炭和無煙煤要低，半焦噴入高爐后，燃料中灰分帶入量的減少，會有利于渣比的降低，促進燃料比的下降。

（2）半焦與焦作、陽精等無煙煤粉可磨性指數相類似，不會影響混煤制粉和煤粉的出率及增加磨輥磨損及額外動力消耗，對制粉工藝產生不利影響。

（3）半焦在微觀形態下，表現出不規整的薄片狀結構，從熱量傳導的效果看，片狀形貌有利于煤粉顆粒的熱量傳遞，促進內部官能團的斷裂，對于進入高爐內的燃燒有益。

（4）噴入半焦的自身發熱值不會減少高爐內的熱量，也不會帶來風口結焦、結渣等不利于高爐生產的現象發生，同時熱態指標與普通焦炭存在差異，性能上更接近于高爐噴吹用的無煙煤。

（5）采用數學優化配煤后，幾種配煤方案下與現場正在使用的混煤煤粉輸送速度比變化不大，燃燒率僅有2%左右的差異，理論置換比都在0.95以上。分析表明，半焦在一定量的配入情況下，完全可以作為高爐噴吹用煤。

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