邯鋼高爐噴吹用煤配加除塵灰的研究

王明松，馮 帥

（河鋼集團(tuán)邯鋼公司邯寶煉鐵廠，河北 邯鄲056000）

高爐噴吹煤粉可以有效減少焦炭的用量，進(jìn)而減少焦化行業(yè)對(duì)煉焦煤資源的整體需求，從而降低煤焦化產(chǎn)生的環(huán)境污染，同時(shí)噴吹煤粉又可以作為一項(xiàng)調(diào)節(jié)高爐冶煉的有效手段，為高爐富氧鼓風(fēng)創(chuàng)造條件［1］。邯鋼焦化除塵灰是在干熄焦冷卻過(guò)程、裝煤過(guò)程中產(chǎn)生的大量粉塵，并由除塵器收集的一種除塵灰。高爐除塵灰是高爐在生產(chǎn)過(guò)程中隨高爐煤氣一起排出的原燃料的粉塵。二者均是細(xì)小顆粒，若能添加到磨機(jī)系統(tǒng)隨成品煤進(jìn)入煤粉倉(cāng)，并噴吹至高爐，不僅增加了經(jīng)濟(jì)效益，而且可實(shí)現(xiàn)廢棄物綜合利用，對(duì)于環(huán)保有著重大意義［2］。

1 噴吹用煤和除塵灰的指標(biāo)分析

煤質(zhì)指標(biāo)的基本分析分為工業(yè)分析和元素分析。通過(guò)工業(yè)分析可以初步了解煤的性質(zhì)，大致判斷煤的種類和用途。工業(yè)分析包括對(duì)水分、灰分、揮發(fā)分的測(cè)定和固定碳的計(jì)算4項(xiàng)內(nèi)容。通過(guò)元素分析可以測(cè)定高爐噴吹煤中碳、氫、氧、氮、硫等元素的含量，從而對(duì)噴吹煤的化學(xué)成分進(jìn)行最直觀的分析和了解。本試驗(yàn)選用邯鋼的1種煙煤、1種無(wú)煙煤、焦化除塵灰、高爐除塵灰，工業(yè)分析和元素分析見(jiàn)表1所示。

由表1可知，工業(yè)分析中煙煤的固定碳含量為54.91%，無(wú)煙煤的固定碳含量為80.11%，遠(yuǎn)高于煙煤。無(wú)煙煤灰分為9.69%，煙煤灰分為7.93%，低于無(wú)煙煤。煙煤的揮發(fā)分含量達(dá)到30%以上，具有強(qiáng)爆炸性，且容易自燃。煙煤水分為6.28%，吸水性較強(qiáng)，無(wú)煙煤水分在1.5%以下。

元素分析中，煙煤碳元素為66.33%，無(wú)煙煤為80.29%，一般來(lái)說(shuō)，碳元素含量越高，煤的發(fā)熱值也就越高。煙煤和無(wú)煙煤的H元素含量在3.8%～4.3%之間，差異不大。煙煤的氧元素含量為13.9%，無(wú)煙煤僅有4.04%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于煙煤。煤中氧元素是有害元素，碳元素與氧元素結(jié)合，消耗了有效碳元素，發(fā)熱值會(huì)降低。噴吹用煤要求硫含量越低越好，避免硫負(fù)荷過(guò)重造成鐵水質(zhì)量問(wèn)題。煙煤和無(wú)煙煤硫元素含量分別為0.31%、0.39%，均符合邯鋼噴吹用煤的規(guī)定要求（S≤0.5%）。

表1 工業(yè)分析和元素分析Table 1 Industrial analysis and elementary analysis

焦化除塵灰為焦?fàn)t除塵灰，固定碳含量較高，達(dá)到79.58%，揮發(fā)分和硫含量較低，分別為2.38%、0.42%。水分含量極低，僅為0.88%。高爐除塵灰是高爐在生產(chǎn)過(guò)程中隨高爐煤氣一起排出的原燃料的粉塵以及高溫區(qū)激烈反應(yīng)而產(chǎn)生的微粒，含有鐵和碳等多種元素，是鋼鐵企業(yè)主要固體排放物之一。高爐除塵灰固定碳含量?jī)H為37.87%，灰分高達(dá)57.69%，硫含量偏高，均不利于高爐噴吹。

粘結(jié)性指數(shù)G是判斷煤的粘結(jié)性和結(jié)焦性的主要指標(biāo)，用于評(píng)價(jià)煤在加熱過(guò)程中的粘結(jié)能力，粘結(jié)性強(qiáng)的煤在高爐風(fēng)口易結(jié)焦，造成風(fēng)口燒壞和堵塞噴槍，不能作為高爐噴吹使用，高爐噴吹用煤要求G＜5。角質(zhì)層最大厚度Y值代表膠質(zhì)體的特性和數(shù)量，是煤結(jié)焦性能好壞的重要標(biāo)志，高爐噴吹用煤要求 Y＜10mm［3］。

2 噴吹用煤和除塵灰的灰分化學(xué)組成及灰熔點(diǎn)

煙煤、無(wú)煙煤、除塵灰的灰分化學(xué)組成如表2所示，灰熔點(diǎn)如表3所示。

表2 灰分的化學(xué)組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 2 Chemical composition of the ash（%）

由表2可知，煙煤灰分中堿金屬（K2O＋Na2O）的含量為3.02%，因此煙煤堿金屬含量為3.02%×7.93%＝0.24%，無(wú)煙煤堿金屬含量為1.84%×9.69%＝0.18%。焦化除塵灰堿金屬含量為（0.42%＋0.68%）×17.16%＝0.19%，因此，配加焦化除塵灰不會(huì)增加高爐堿負(fù)荷。高爐除塵灰堿金屬含量為（0.38%＋0.14%）×57.69%＝0.30%，含量略高。

煙煤和無(wú)煙煤灰分中ZnO含量為零，焦化除塵灰中ZnO含量為0.003%，對(duì)高爐冶煉影響較小。高爐除塵灰ZnO含量為0.13%，含量略高，不利于高爐冶煉。

煙煤和無(wú)煙煤灰分中Fe2O3含量分別為8.63%、4.46%，焦化除塵灰灰分中 Fe2O3含量為12.12%，略高；高爐除塵灰灰分中Fe2O3含量為68.66%，高出較多。煙煤、無(wú)煙煤、焦化除塵灰鐵元素含量在3.22%～8.84%之間，差別不大。高爐除塵灰灰分鐵元素含量達(dá)到49.57%，灰分為57.69%，高爐除塵灰含鐵量達(dá)到28.60%，密度高、流動(dòng)性差，基本無(wú)法噴吹使用。

煤的灰分是由Si、Al、Fe、Ca等元素的氧化物及其之間的化合物構(gòu)成的復(fù)雜的混合物，由于各種氧化物成分和含量的不同，灰熔點(diǎn)不盡相同。根據(jù)灰熔點(diǎn)可以預(yù)判煤在高爐風(fēng)口處結(jié)渣的情況，對(duì)于高爐噴煤有著重要的意義。邯鋼高爐對(duì)噴吹用煤灰熔點(diǎn)要高于1150℃。由表3可知，煙煤的灰熔點(diǎn)明顯低于無(wú)煙煤的灰熔點(diǎn)。煙煤灰熔融性溫度較低，在1190℃左右開(kāi)始變形，1193℃開(kāi)始軟化，流動(dòng)溫度在1211℃。無(wú)煙煤灰分的變形溫度、軟化溫度、半球溫度、流動(dòng)溫度都高于1500℃，這是因?yàn)闊o(wú)煙煤中Al2O3含量較高的緣故。兩種除塵灰的熔融性溫度較高，與無(wú)煙煤接近。變形溫度、軟化溫度均在1400℃以上，半球溫度和流動(dòng)溫度均高于1500℃。由上述分析可知，煙煤和無(wú)煙煤按一定配比，在保證較高燃燒率的情況下，可以配加一定量的除塵灰使用。

表3 噴吹用煤和除塵灰的灰熔點(diǎn)（℃）Table 3 Fusion point of injected coal and dust（℃）

3 噴吹用煤和除塵灰的燃燒率

3.1 單品種煤和除塵灰的燃燒率

煤粉燃燒率是衡量噴吹用煤的重要指標(biāo)，噴吹煤粉燃燒率越高，發(fā)出熱量越多，可有效代替焦炭的發(fā)熱、還原作用，有利于高爐降低焦比。燃燒率低，發(fā)出熱量少，未燃煤粉量增多，會(huì)惡化高爐料層的透氣性，使高爐壓差升高，導(dǎo)致高爐減風(fēng)操作，影響高爐順行。

高爐噴吹設(shè)備試驗(yàn)裝置如圖1所示。煤粉放入噴吹瓶?jī)?nèi)，使用壓縮空氣噴吹。加熱爐模擬高爐熱風(fēng)爐產(chǎn)生高溫氣體，與煤粉在燃燒爐進(jìn)口混合后，噴入燃燒爐，利用除塵器收集未燃煤粉。使用馬弗爐測(cè)得原煤和未燃煤粉的灰分，采用灰分平衡法計(jì)算燃燒率［4－5］，如公式（1）所示。

式中：R—煤粉燃燒率，%；

A1—未燃煤粉的灰分含量，%；

A0—煤粉燃燒前的灰分含量，%。

邯鋼噴吹用煤和除塵灰的灰分、揮發(fā)分、燃燒率如表4所示。

由表4可知，煤粉的灰分和揮發(fā)分含量是影響煤粉燃燒率的重要因素之一。隨著灰分含量的升高，燃燒率明顯下降。焦化除塵灰燃燒率為56.70%，與無(wú)煙煤比較接近，可以少量配加使用。高爐除塵灰灰分高達(dá)57.69%，燃燒率僅有17.21%，基本不能燃燒。

圖1 煤粉燃燒爐結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch of stove for pulverized coal combustion

表4 噴吹用煤和除塵灰的燃燒率（%）Table 4 Burning rate of original coal and dust（%）

煙煤揮發(fā)分含量為30.88%，揮發(fā)分含量越高，燃燒率也較高。煤粉的燃燒分為以下3個(gè)階段，煤粉受熱分解析出揮發(fā)分、揮發(fā)分的燃燒放熱、固定碳的燃燒。煤粉在高爐風(fēng)口區(qū)燃燒過(guò)程中，揮發(fā)分含量高的煤種能釋放出較多的揮發(fā)分，而且揮發(fā)分的燃燒放熱為風(fēng)口區(qū)碳素的燃燒提供了足夠的熱量，從而促進(jìn)了煤粉的充分燃燒。無(wú)煙煤揮發(fā)分含量為9.18%，兩種除塵灰揮發(fā)分含量在2.0%～3.7%之間，這也是燃燒率較低的原因之一。

3.2 混合煤粉配加除塵灰的燃燒率

煙煤和無(wú)煙煤混合噴吹能夠相互促進(jìn)燃燒，提高高爐的煤焦置換比，合理的配煤使混合煤粉的爆炸性大幅度降低，燃燒性能相對(duì)提高，未燃煤粉降低，有利于高爐順行。邯鋼高爐噴吹混煤中煙煤比例為40%，無(wú)煙煤比例為60%， 試驗(yàn)亦按此混煤。綜合兩種除塵灰的性能分析，選用焦化除塵灰配加使用，通過(guò)試驗(yàn)確定合適配加比例。焦化除塵灰按不同比例添加到混煤中，得出燃燒率，如圖2所示。

圖2 煤粉配加除塵灰的燃燒率Fig.2 Combustion rate of mixed coal adding dust ash

由圖2可知，隨著除塵灰含量的增加，混合煤粉的燃燒率呈下降趨勢(shì)。混煤燃燒率的加權(quán)平均值為69.30%，實(shí)際燃燒率為74.21%，可見(jiàn)，煙煤和無(wú)煙煤混合噴吹能夠相互促進(jìn)燃燒。當(dāng)除塵灰的配加比例為3%時(shí)，燃燒率為72.28%，下降了1.93%，配加比例超過(guò)6%后，燃燒率開(kāi)始明顯下降，配比達(dá)到12%時(shí)，燃燒率低至60%以下，混煤燃燒率降低造成未燃煤粉含量增加，惡化了高爐料層的透氣性，對(duì)高爐冶煉不利。綜上所述，混煤中配加6%以下的焦化除塵灰，燃燒率在70%以上，可以滿足高爐噴吹要求。

4 結(jié)論

（1）焦化除塵灰固定碳含量為79.58%，揮發(fā)分和硫含量較低，堿金屬含量為0.19%，燃燒率為56.70%，可以少量配加使用。高爐除塵灰固定碳含量?jī)H為37.87%，灰分高達(dá)57.69%，燃燒率僅有17.21%，不能添加使用。

（2）隨著焦化除塵灰含量的增加，混合煤粉的燃燒呈下降趨勢(shì)。混煤中配加6%以下的焦化除塵灰，燃燒率在70%以上，可以和煤粉混合用于高爐噴吹。