氧化鈰和氧化鎂對高爐噴吹用煤燃燒率的影響

劉明明 馮 帥 李 杰

（河鋼集團邯鋼公司邯寶煉鐵廠）

0 前言

煤粉燃燒率能夠直接反映煤粉在高爐風口回旋區的燃燒情況，對高爐有著重要的意義。若風口回旋區煤粉的燃燒率偏低，會導致過多的未燃煤粉進入爐內，從而造成高爐壓差升高，操作困難，影響高爐正常生產，也限制著煤比的提高[1]。同時，煤粉燃燒率過低，會導致能源浪費，增加煉鐵成本。鐵前系統想進一步提高經濟效益，必須提高煤比，降低焦比。提高煤粉的燃燒效率是提高高爐噴煤量的一條有效途徑。在高爐噴吹用煤中添加助燃劑可提高煤粉的燃燒率[2]，筆者通過研究氧化鈰和氧化鎂對煤粉燃燒率的影響，分析了其影響機理。

1 試驗

1.1 試驗原料

試驗煤粉為邯鋼1#、2#高爐噴吹用混合煤粉，其中煙煤比例為45%，煤粉粒度小于0.074 mm的占70%，工業分析和元素分析見表1。

從表1可以看出，煙煤的固定碳含量為54.04%，無煙煤的為81.13%。煙煤的灰分和揮發分較高，分別為13.86%和31.74%。煙煤和無煙煤的S含量為0.4%和0.49%，符合高爐噴吹用煤要求。

1.2 試驗設備及方法

試驗選用煤粉燃燒爐，其結構如圖1所示。

試驗過程：稱取20 g混合煤粉放入噴煤瓶，煤粉經噴煤管和熱風氣體混合后進入燃燒爐，熱風爐溫度為900 ℃，燃燒爐溫度為1 300 ℃。煤粉在燃燒爐燃燒后，氣體通過除塵器排出，未燃煤粉則留在收灰槽內。根據灰分平衡法計算煤粉的燃燒率R，未燃煤粉的灰分含量和煤粉燃燒前的灰分含量可以通過馬弗爐加熱測得，燃燒率為：

圖1 煤粉燃燒爐結構

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，%。

2 試驗結果及分析

2.1 氧化鈰對煤粉燃燒率的影響

稱取20 g混合煤粉，在原煤中配加不同比例的助燃劑氧化鈰進行燃燒率檢測，試驗風溫設定為900 ℃，燃燒爐溫度設定為1 300 ℃。制定了6種試驗方案，編號為0#～5#，氧化鈰的添加量依次是0、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%、1.4%，測定其燃燒率R，試驗結果見表2。差值為配加助燃劑后煤粉燃燒率與原煤（未加助燃劑）燃燒率之差。

表2 煤粉燃燒試驗結果

從表2可以看出，隨著助燃劑氧化鈰含量的增加，混合煤粉的燃燒率逐漸升高，但增加幅度不盡相同。混合煤粉的燃燒率為72.96%，當助燃劑氧化鈰的添加量為0.6%時，燃燒率為76.05%，增加了3.09%；當助燃劑氧化鈰添加量為1.0%時，燃燒率為80.65%，增加了7.69%。氧化鈰的添加量在0～1.0%之間時，助燃效果比較明顯。當助燃劑氧化鈰的添加量為1.2%和1.4%時，燃燒率分別為81.49%、82.39%，增長幅度變慢。

隨著氧化鈰添加量的增大，煤粉的燃燒率明顯提高，而在超過1.0%以后，隨著氧化鈰添加量的增大，煤粉燃燒率增加的幅度變緩。當氧化鈰在煤粉中的添加量從0增加到1.0%時，煤粉的燃燒率提高了7.69%，但當氧化鈰在煤粉中的添加量從1.0%增加到1.4%時，煤粉的燃燒率只提高了1.74%。考慮到氧化鈰為稀土資源，價格昂貴，其使用成本會隨著氧化鈰添加量的增加而呈比例提高，兼顧兩方面考慮，助燃劑氧化鈰在煤粉中的添加量應控制在1.0%以下。

2.2 氧化鈰對未然煤粉SEM圖的影響

原煤的未燃煤粉和添加1%氧化鈰燃燒后的未燃煤粉的SEM圖及局部放大圖如圖2～3所示。

圖2 未燃煤粉的SEM圖

圖3 未燃煤粉的SEM重點區域圖

從圖2和圖3可以看出，原煤未燃煤粉的顆粒直徑大于添加氧化鈰后未燃煤粉的直徑，添加助燃劑氧化鈰未燃煤粉的顆粒外貌形狀不規則，煤粉顆粒表面存在較多的孔洞及裂縫，因此可以判斷助燃劑對煤粉的燃燒起促進作用，加速了煤粉的燃燒。氧化鈰為稀土氧化物，在煤粉燃燒時起到催化作用，加快脫碳裂解反應，促進煤粉顆粒中大分子支鏈和芳香環支鏈的斷裂，在煤粉的表面形成裂縫和孔洞，即增大了煤粉顆粒的表面積，C與O可充分結合，從而提高了煤粉的燃燒率[3]。

2.3 氧化鎂對煤粉燃燒率的影響

稱取20 g混合煤粉，在原煤中配加不同比例的助燃劑氧化鎂進行燃燒率檢測，試驗風溫設定為900 ℃，燃燒爐溫度設定為1 300 ℃。制定了7種試驗方案，編號為6#～12#，氧化鎂的添加量依次是0、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%、1.4%，1.6%，測定其燃燒率R，試驗結果見表3。差值為配加助燃劑后煤粉燃燒率與原煤（未加助燃劑）燃燒率之差。

表3 煤粉燃燒試驗結果

從表3可以看出，隨著氧化鎂添加比例的提高，煤粉燃燒率逐漸升高，由此可見，助燃劑氧化鎂對煤粉的燃燒有一定的促進作用。原混合煤粉的燃燒率為72.96%，當助燃劑氧化鎂的添加量為0.6%時，燃燒率為74.13%，提高了1.17%；當氧化鎂的添加量為1.0%時，燃燒率為76.78%，提高了3.82%；當氧化鎂的添加量為1.2%時，燃燒率為78.11%，提高了5.15%；繼續提高氧化鎂含量，煤粉的燃燒率增長幅度變緩，當氧化鎂的添加量為1.6%時，燃燒率為78.89%，與氧化鎂添加量為1.0%時相比，燃燒率僅僅提高了0.78%。氧化鎂對C燃燒反應具有促進作用，能夠防止碳粒子的生成和烴分子的聚向，從而提高煤粉在高爐噴吹條件下的燃燒性能。

隨著氧化鎂添加量的升高，煤粉的燃燒率也明顯提高，而在氧化鎂的添加量超過1.2%以后，煤粉的燃燒率提高的幅度變緩。當氧化鎂在煤粉中的添加量從0增加到1.2%時，煤粉的燃燒率提高了5.15%。但當氧化鎂的添加量從1.0%增加到1.6%時，煤粉的燃燒率只提高了0.78%。這是因為氧化鎂為非可燃惰性物質，若非可燃惰性物質加入過多則可燃物量就相對降低，而非可燃惰性物質升溫需要吸收熱量，從而使燃燒放出的熱量降低，導致燃燒率增長緩慢。氧化鎂的最佳添加量應控制為1.2%左右。

2.4 氧化鎂對未然煤粉SEM圖的影響

原煤未燃煤粉和添加1%氧化鎂的未燃煤粉的SEM圖及局部放大圖如圖4、圖5所示。

圖4 未燃煤粉的SEM圖

圖5 未燃煤粉的SEM重點區域圖

從圖4和圖5可以看出，原煤未燃煤粉顆粒的分布比較均勻，在掃描電子顯微鏡下主要以大顆粒的形態存在。添加氧化鎂后未燃煤粉出現較多的小顆粒及碎片，大顆粒表面變得不規則，表面出現較大孔洞及大量裂紋。這是因為氧化鎂對未燃煤粉顆粒具有很好的分散作用，氧化鎂能吸附大分子的揮發分，使得煤粉固定碳表面局部過熱，促進芳香環的進一步縮聚，因此添加助燃劑氧化鎂的未燃煤粉顆粒的直徑明顯變小[4]。同時，逸出的小碎片可以與O充分接觸，從而提高了煤粉的燃燒率。

2.5 氧化鎂和氧化鈰助燃效果對比分析

助燃劑氧化鎂和氧化鈰均能提高煤粉的燃燒率，但程度不盡相同，氧化鎂和氧化鈰助燃效果對比分析如圖6所示。

圖6 氧化鎂和氧化鈰助燃效果對比分析

從圖6可以看出， 當氧化鎂和氧化鈰添的加量均為0.6%時，煤粉的燃燒率分別為74.13%、76.05%，氧化鈰的助燃效果較好，高出1.87%；當氧化鎂和氧化鈰添加量均為1.0%時，煤粉的燃燒率分別為76.78%、80.65%，相差最大，達到3.87%。氧化鈰的助燃效果優于氧化鎂。

3 結論

（1）助燃劑氧化鈰能明顯提高煤粉的燃燒率。兼顧助燃效果和經濟效益方面考慮，氧化鈰在煤粉中的添加量應控制在1.0%以內，慎重使用。（2）助燃劑氧化鎂能提高煤粉的燃燒率，但助燃效果低于助燃劑氧化鈰。工業實踐考慮其添加量應控制為1.2%左右為宜。