高爐噴吹煤粉粒度對流動性和噴流性的影響

周曉玉

高爐噴吹煤粉粒度對流動性和噴流性的影響

周曉玉

煤粉的流動性和噴流性對高爐噴吹系統有重要的影響。文章采用Carr粉體特性評價方法，選取3種典型的噴吹煤種研究不同變質程度煤粉粒度對煤粉流動性指數和噴流性指數的影響。結果表明，低變質煙煤和高變質煙煤煤粉的流動性指數隨煤粉粒度增大呈增大趨勢，煤粉的噴流性指數則呈減小趨勢，無煙煤粉的流動性指數和噴流性指數隨粒徑的變化趨勢不明顯；煤粉的流動性指數隨變質程度的提高而呈減小的趨勢；煤粉的噴流性指數一般隨變質程度提高而呈增大的趨勢。

噴吹煤粉 流動性指數 噴流性指數

高爐噴吹煤粉是現代高爐煉鐵生產廣泛采用的技術，是現代高爐爐況調節重要的技術手段之一。高爐噴吹煤粉可以降低焦比，改善高爐冶煉過程，對降低生鐵生產成本，提高高爐技術經濟指標十分有利[1,2]。高爐噴吹工藝經過長期的發展，已經成為一種成熟的煉鐵技術[3]。

目前，我國用于高爐噴吹的煤種主要有無煙煤、貧煤、貧瘦煤、氣煤、長焰煤、不黏煤和弱黏煤[4]，按照變質程度不同可劃分為低變質煙煤、高變質煙煤和無煙煤。無煙煤的固定碳含量高、爆炸性低、安全性高，但燃燒性能及可磨性指數較差；而煙煤的燃燒性能和可磨性較好，但固定碳含量低，大量使用時置換比低，煤的揮發分含量高，安全性低。因而將不同煤種混配，可以揚長避短，發揮各自煤種的長處。多種噴吹煤種配合使用是高爐噴吹的發展趨勢[5-7]。

煤粉流動性和噴流性對高爐噴吹系統有重要影響。煤粉的流動性表征管道運輸、堆放過程中煤粉的輸送性能；煤粉的噴流性是指煤粉噴入高爐后，在風口回旋區的彌散性。通常認為，在同樣的外部條件下，煤粉在風口回旋區彌散度越大，相應的煤粉燃燒率越高，煤粉放出的有效熱量越高[8]。煤粉的噴流性在一定程度上可以表征煤粉的燃燒性能。高爐噴吹煤粉的流動性越高，輸送性能越好；而煤粉的噴流性越高，則燃燒性能越好。Carr粉體特性指數是實驗室判定高爐噴吹煤粉流動性和噴流性較好的方法[9,10]。

目前，高爐噴煤工藝有粒煤噴吹工藝和粉煤噴吹工藝[11]。粉煤噴吹工藝一般要求煤粉的粒徑＜200目的含量在70%以上，而粒煤噴吹工藝中煤粉的粒徑上限較大，＜200目的含量只占10%-30%[12]。無論是粉煤噴吹工藝還是粒煤噴吹工藝中，粒度對煤粉的流動性和噴流性均有影響，不同變質程度、不同粒度煤粉的性質有所差異。因而本文選取國內常用的、不同變質程度的噴煤煤種，利用Carr粉體特性指數法系統研究不同變質程度煤粉粒度對流動性和噴流性的影響，以期對噴吹混煤流動性指數和噴流性指數的預測提供指導。

1.實驗方案

1.1 實驗用煤

實驗用原料煤選用鋼鐵廠常用的、典型的低變質煙煤、高變質煙煤和無煙煤，分別以A、B、C代替。三種原料煤的煤質指標見表1。

*煤中鉀和鈉總量的計算方法：

w(K+Na)=[0.830w(K2O)+0.742w(Na2O)]Ad/100

式中：w(K+Na)：煤中鉀和鈉的總量，%；

0.830 ：鉀占氧化鉀的系數；

w(K2O)：煤灰中氧化鉀的含量，%

0.742 ：鈉占氧化鈉的系數；

w(Na2O)：煤灰中氧化鈉的含量，%

Ad：煤的干基灰分含量，%。

由表1可知，實驗用煤的灰分含量（Ad）均小于10%，而全硫含量（St,d）均小于0.05%，均為優良的高爐噴吹煤種；煤中的磷含量（Pd）和鉀鈉總量含量較低，這對高爐操作是十分有利的；三種煤的發熱量均較高，固定碳含量隨變質程度提高而增大[13]。需要注意的是，除了高變質煙煤的哈氏可磨性指數（HGI）較高外，低變質煙煤和無煙煤的可磨性指數（HGI）較低，對原料煤的制粉過程帶來不利影響。

1.2 制粉及篩分

三種原料煤樣品經顎式破碎機破碎至6mm，經過空氣平衡后加入到球磨機中磨制2小時，將制得的粉體樣品經不同圓孔篩篩分制備不同粒級的樣品，見表2。

表1 實驗用煤的煤質指標 %

表2 篩子的孔徑與網目的關系

1.3 流動性和噴流性測試

1960年代英國人卡爾（Carr）綜合研究粉體流動性和噴流性的影響因素，提出了表征粉體特性的卡爾指數。卡爾指數包括流動性指數和噴流性指數。

流動性指數（Fw）是粉體的自然坡度角、壓縮率、板勺角、均勻度等項指數的加權和，計算式如式（1）所示：

其中：θr為粉體的自然坡度角、CP為粉體的壓縮率、θs為粉體的板勺角、Ch為粉體的均勻度。

噴流性指數（Fd）是在流動性指數的基礎上，與崩潰角、差角和分散度等項指數加權求和得出，如式（2）所示：

其中：FW為粉體的流動性指數，θf為粉體的崩潰角，θd為粉體的差角，Ds為粉體的分散度。

自然坡度角、壓縮率、板勺角、均勻度、崩潰角、差角、分散度的定義以及流動性指數和噴流性指數評價表見文獻[9]。

本文采用BT-1001型粉體綜合特性測試儀測試噴吹煤粉的流動性指數和噴流性指數。松裝密度、振實密度、自然坡度角、崩潰角、板勺角、分散度通過儀器直接測量，而差角和分散度通過相應公式計算而得。

2.結果分析

2.1 流動性指數和噴流性指數分析

2.1.1 低變質煙煤的流動性指數和噴流性指數分析

由圖1可知，隨著煤粉粒度增大，低變質煙煤的流動性指數急劇增大，當粒度大于0.147mm時，流動性指數基本不變；隨著煤粉粒度增大，低變質煙煤的噴流性指數急劇減小，當粒度大于0.147mm時，噴流性指數基本不變。

2.1.2 高變質煙煤的流動性指數和噴流性指數分析

由圖2可知，隨著煤粉粒度增大，高變質煙煤的流動性指數呈急劇增大，當粒度大于0.495mm時，流動性指數基本不變；隨著煤粉粒度增大，高變質煙煤的噴流性指數急劇減小，當粒度大于0.495mm時，噴流性指數基本不變。

圖1 低變質煙煤的流動性指數和噴流性指數隨煤粉粒度的變化趨勢 mm

圖2 高變質煙煤的流動性指數和噴流性指數隨煤粉粒度的變化趨勢 mm

2.1.3 無煙煤的流動性指數和噴流性指數分析

由圖3可知，無煙煤不同粒度煤粉的流動性指數和噴流性指數基本保持不變，隨粒度的變化趨勢不明顯。

2.2 變質程度對煤粉流動性指數和噴流性指數的影響

由圖4可知，隨著變質程度的提高，不同粒徑煤粉的流動性指數均呈減小的趨勢。由圖5可知，煤粉的噴流性指數與變質程度的關系較為復雜，粒度小于0.074mm（200目）的煤粉的噴流性指數隨變質程度提高而呈降低趨勢，其他粒度煤粉的噴流性指數隨變質程度提高而呈增大的趨勢。

圖3 無煙煤的流動性指數和噴流性指數隨煤粉粒度的變化趨勢 mm

圖4 煤粉的流動性指數隨變質程度的變化趨勢

圖5 煤粉的噴流性指數隨變質程度的變化趨勢

2.3 綜合分析

不同粒度煤粉的性質不同，隨著煤粉粒度的減小，煤粉中惰質組的含量增加而鏡質組的含量相對降低[14]。煤巖組分性質的差異可能是導致煤粉流動性指數和噴流性指數出現差異的原因。無煙煤中鏡質組和惰質組的性質趨同[15]，因而不同粒度煤粉的流動性指數和噴流性指數基本一致。

不同變質程度、不同粒徑的煤粉流動性指數和噴流性指數出現差異，對利用變質程度、煤粉粒徑二元參數預測噴吹混煤的流動性指數和噴流性指數具有重要意義。此外高爐噴吹用煤關注指標較多，下一步實驗還需要結合其他指標綜合進行分析評價。

3.結論

（1）對于低變質煙煤和高變質煙煤來講，隨著煤粉粒度增大，煤粉的流動性指數均呈增大趨勢，噴流性指數均呈減小趨勢；無煙煤粉的流動性指數和噴流性指數隨粒徑的變化趨勢不明顯；

（2）煤粉的流動性指數隨變質程度的提高而呈減小的趨勢；煤粉的噴流性指數與變質程度的關系較為復雜，煤粉的噴流性指數一般隨變質程度提高而呈增大的趨勢，小于0.074mm（200目）的煤粉的噴流性指數隨變質程度提高而呈降低趨勢，原因還需進一步探究。

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（作者單位:中鋼設備有限公司）