黑山褐煤熱解提質(zhì)特性及其半焦制備高爐噴吹適用性研究

程志紅

(潞安集團(tuán)營(yíng)銷總公司，山西 長(zhǎng)治 046204)

在所有煤炭資源中，褐煤約占到全世界煤炭?jī)?chǔ)量的2/5左右；我國(guó)褐煤儲(chǔ)量也很大，約為煤炭總儲(chǔ)量的17%以上[1]。隨著優(yōu)質(zhì)高階煤消耗量的增加和可利用資源量的逐漸減少，褐煤高效利用也逐漸引起了各國(guó)的重視。

褐煤是典型的低階煤，由于其揮發(fā)分和氧含量較高，易于風(fēng)化和自然，而且熱值較低，因此其使用受到了極大的限制。而褐煤經(jīng)過(guò)干餾提質(zhì)后得到的半焦揮發(fā)分大幅降低，有效的改善了褐煤的性能[2-3]。經(jīng)過(guò)干餾提質(zhì)后得到的半焦不僅降低了低階褐煤的揮發(fā)分，提高了安全性，而且還具有低灰、低硫、氣化效率高和反應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)正好與噴吹煤的基本要求參數(shù)相吻合。因此，采用干餾提質(zhì)技術(shù)得到的半焦可以部分替代價(jià)格較高的無(wú)煙煤、貧煤和貧瘦煤，從而降低噴吹原料成本，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益[4-7]。褐煤干餾提質(zhì)利用不僅是順應(yīng)國(guó)家能源優(yōu)化政策，合理高效梯級(jí)利用煤炭資源；而且低階煤提質(zhì)產(chǎn)業(yè)屬于國(guó)家循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要領(lǐng)域，具有節(jié)能減排、高附加值和技術(shù)革新等一系列優(yōu)勢(shì)，因此低階煤提質(zhì)半焦用于噴吹煤在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)中富有極大的生命力和廣闊的前景。本文通過(guò)煤焦性能分析及低溫干餾研究，考察了褐煤干餾時(shí)間和干餾溫度對(duì)內(nèi)蒙黑山褐煤提質(zhì)半焦性能的影響；并在研究的基礎(chǔ)上結(jié)合噴吹煤性能的要求，提出了內(nèi)蒙黑山褐煤提質(zhì)制備噴吹煤的關(guān)鍵技術(shù)。

1 褐煤制備噴吹煤的主要參數(shù)及評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.1 褐煤制備噴吹煤的主要參數(shù)

高爐噴煤對(duì)現(xiàn)代高爐煉鐵技術(shù)來(lái)說(shuō)具有革命性的重大意義。首先采用高爐噴煤代替焦炭，可以減少高爐煉鐵對(duì)焦炭的需求，而減少對(duì)焦炭的需求，就可以減少生產(chǎn)焦炭或少建焦?fàn)t，從而減少對(duì)環(huán)境的污染。其次，高爐噴吹可以緩解我國(guó)主焦煤的短缺，優(yōu)化煉鐵系統(tǒng)用能結(jié)構(gòu)，降低能耗，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)節(jié)能。再者高爐噴煤，可以降低煉鐵系統(tǒng)的系統(tǒng)投資和運(yùn)行成本。同時(shí)高爐噴吹是調(diào)劑爐況熱制度的有效手段，通過(guò)噴吹可改善高爐爐缸工作狀態(tài)，提高高爐穩(wěn)定性；另外可提高高爐風(fēng)，加大冶煉強(qiáng)度，提高生鐵產(chǎn)量水平。

高爐噴煤是通過(guò)向高爐內(nèi)噴煤替代部分焦炭提供煉鐵所需的熱量以及還原劑。噴吹的煤粉或焦粉的燃料理化指標(biāo)對(duì)其輸送速度、燃燒效率、高爐爐缸工作狀態(tài)、穩(wěn)定性以及還原反應(yīng)整體效率都有很明顯的影響。因此，高爐煉鐵對(duì)噴吹的煤粉及焦粉等燃料的爆炸性能、燃燒性能、可磨性能、反應(yīng)活性以及輸送性能等具有很高的要求[8]。噴吹燃料的性能參數(shù)指標(biāo)滿足基本指標(biāo)要求是保證噴吹性能的前提基本要求。噴吹燃料的基本參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1[9]。根據(jù)原有噴吹燃料理化參數(shù)指標(biāo)的不同，摻配的粉煤和半焦粉的種類和數(shù)量也有所不同，當(dāng)原始噴吹燃料的理化參數(shù)優(yōu)于表1的數(shù)據(jù)時(shí)，就可以向原噴吹燃料中摻入部分低指標(biāo)參數(shù)的煤粉或焦粉等；而且原始噴吹燃料的理化參數(shù)越優(yōu)，可以摻混的煤粉或焦粉等越高，而且對(duì)其指標(biāo)要求更低。

表1 噴吹燃料的基本參數(shù) %

1.2 褐煤制備噴吹煤評(píng)價(jià)指標(biāo)

參照表1，確定以揮發(fā)分作為評(píng)價(jià)所制備半焦是否合適作為噴吹煤的首要指標(biāo)。若經(jīng)過(guò)干餾所制備的半焦揮發(fā)分值低于噴吹煤基本參數(shù)的指標(biāo)值(< 15%)，則滿足普通噴吹燃料的揮發(fā)分指標(biāo)；若揮發(fā)分值達(dá)到< 8 %，則滿足特級(jí)噴吹燃料的指標(biāo)。然后進(jìn)一步測(cè)定干餾半焦的灰分和硫含量等其他指標(biāo)，最后綜合評(píng)價(jià)其是否滿足噴吹燃料的基本指標(biāo)。

2 黑山煤特點(diǎn)及其熱解特性

2.1 黑山煤的煤質(zhì)特點(diǎn)

表2 煤質(zhì)分析 %

黑山煤的煤質(zhì)分析見(jiàn)表2。從表2可以看出，黑山煤屬于低灰(3.90%)和低硫(0.26%)煤；熱值較高；而且熱值較高，Qgr,v,d為31.70 MJ/kg。與表1的數(shù)據(jù)對(duì)比可以判斷，經(jīng)過(guò)干餾后得到的半焦應(yīng)該可以達(dá)到噴吹燃料的基本參數(shù)要求，甚至達(dá)到特級(jí)噴吹燃料的基本要求。

2.2 黑山煤熱解特性

不同升溫速率的黑山褐煤熱解特性如圖1所示。從圖1可以發(fā)現(xiàn)，隨著加熱速率的增加，失重率增加，從5℃/min的17.17%增加到20℃/min的26.07%。這主要是由于隨著升溫速率的增加，煤發(fā)生快速熱解，大分子斷裂產(chǎn)生的小分子快速排出，減少了分子與分子，氣體分子與固體分子之間的縮合二次反應(yīng)[10-12]。因此，快速熱解降低了半焦的收率，可以增加氣、液相產(chǎn)物產(chǎn)率。

圖1 黑山褐煤的TG-DTG曲線

另外從圖1的DTG圖可知，快速熱解的熱解速率也明顯高于慢速熱解，且最大失重速率峰也向高溫區(qū)變化。在120℃之前主要是干燥脫水，120～350 ℃進(jìn)行脫吸，煤釋放出吸附在毛隙孔中的氣體，如CH4、CO2、CO和N2等，而在外觀上基本不發(fā)生變化。350～550 ℃，此時(shí)煤劇烈分解，解聚，析出大量的焦油和氣體，并在5000 ℃左右出現(xiàn)最大失重速率峰。這是由于在500 ℃左右時(shí)析出焦油量最大，在此階段由于熱解，生成氣、液(焦油)、固(尚未分解的煤粒)三相為一體的膠質(zhì)體，使煤發(fā)生了軟化、熔融、流動(dòng)和膨脹。550～650 ℃時(shí)， 膠質(zhì)體分解、縮聚、固化成半焦。650～750℃，半焦分解析出大量氣體，主要是H2和少量CH4，同時(shí)半焦因分解出氣體收縮而產(chǎn)生裂紋。750 ℃以后半焦進(jìn)一步分解，繼續(xù)析出少量氣體，同時(shí)分解的殘留物進(jìn)一步縮聚，芳香碳網(wǎng)不斷增大，排列規(guī)則化，半焦轉(zhuǎn)變成具有一定強(qiáng)度和塊度的焦炭。

3 干餾提質(zhì)半焦作為噴吹燃料性能分析

黑山褐煤500℃和600℃ 提質(zhì)后半焦的工業(yè)分析和元素如表3所示。

表3 黑山褐煤不同溫度半焦的工業(yè)分析和元素 %

從表3的數(shù)據(jù)分析可以看出，隨著褐煤提質(zhì)溫度的提高，所得到的提質(zhì)半焦的揮發(fā)分越低，500℃和600℃提質(zhì)后得到的半焦的揮發(fā)分均低于15%，500℃時(shí)的揮發(fā)分可以達(dá)到普通噴吹煤的基本參數(shù)，溫度提升到600℃時(shí)，所得到半焦的揮發(fā)分可以達(dá)到特級(jí)噴吹煤的基本參數(shù)要求。而且其碳含量也逐漸升高，從500℃的79.17%提高到600℃的86.84%。這主要是由于隨著熱解溫度的升高，原煤中的含H和O的不飽和鍵隨著提質(zhì)溫度的升高而減少，其基本結(jié)構(gòu)中的芳環(huán)縮合度增加；表明半焦主要有大分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成[13-15]。

制作噴吹煤除了要考察揮發(fā)分外，從表1的基本參數(shù)要求數(shù)據(jù)中還可以看到，還需要考慮灰、水和硫的最終含量。從表3的數(shù)據(jù)中可以看到，經(jīng)過(guò)500℃和600℃提質(zhì)干餾后得到的提質(zhì)半焦水分、硫分和灰分也均達(dá)到了噴吹煤的基本指標(biāo)。進(jìn)一步從表4的發(fā)熱量對(duì)比可以看出，經(jīng)過(guò)提質(zhì)后半焦的發(fā)熱量也明顯增加。經(jīng)500℃和600℃提質(zhì)后，半焦的高位發(fā)熱量比原褐煤分別提高了5.7%和8.0%，而低位發(fā)熱量分別比原有褐煤提高了3.4%和11.91%。而一般無(wú)煙煤的高位發(fā)熱量在25.12-32.65 MJ/kg之間，從表4的數(shù)據(jù)中也可以看出，經(jīng)過(guò)提質(zhì)后得到半焦的發(fā)熱量也可以達(dá)到無(wú)煙煤的標(biāo)準(zhǔn)。因此黑山褐煤經(jīng)過(guò)干餾提質(zhì)后的基本參數(shù)完全可以滿足噴吹煤的要求，其不僅可以制作普通噴吹煤，而且可以制作特級(jí)噴吹煤。

表4 黑山褐煤提質(zhì)半焦的發(fā)熱量

根據(jù)GB/T 4000-2008《焦炭反應(yīng)性及反應(yīng)后強(qiáng)度試驗(yàn)方法》對(duì)黑山褐煤提質(zhì)半焦的反應(yīng)性進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如表5所示。從表5的數(shù)據(jù)中可以看到，隨著干餾溫度的升高，所得到半焦的二氧化碳反應(yīng)性有所降低。但都在70%以上，表明黑山褐煤提質(zhì)得到半焦反應(yīng)活性整體較好，這也符合噴吹燃料的基本要有，符合高爐的操作。

表5 黑山提質(zhì)半焦的二氧化碳反應(yīng)性

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)黑山褐煤熱解提質(zhì)特性及其半焦制備高爐噴吹適用性研究得出以下結(jié)論：

(1)經(jīng)過(guò)干餾提質(zhì)的黑山半焦具有低灰、低硫、高反應(yīng)活性、高發(fā)熱量等優(yōu)良的特性，其基本參數(shù)達(dá)到了噴吹煤基本參數(shù)的要求，甚至經(jīng)過(guò)工藝參數(shù)的調(diào)控，可以達(dá)到目前國(guó)內(nèi)主流特級(jí)噴吹燃料(煤)的性質(zhì)，是一種比較有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的噴吹原材料。

(2)同時(shí)研究表明，通過(guò)控制干餾提質(zhì)的參數(shù)，可以達(dá)到改善低溫提質(zhì)半焦性能的目的。因此，通過(guò)深入的研究，對(duì)在優(yōu)質(zhì)噴吹煤原料中增加廉價(jià)的其他燃料，實(shí)現(xiàn)劣質(zhì)煤等高效梯級(jí)資源化利用，提高企業(yè)效益和競(jìng)爭(zhēng)力都具有重要的意義，因此建議相關(guān)企事業(yè)單位加強(qiáng)該方面的理論和應(yīng)用研究。