高炉喷吹黄陵弱粘煤的原煤特性的研究

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第44卷第6期钢铁Vol_44，No．62009年6月IronandStee1June2009高炉喷吹黄陵弱粘煤的原煤特性的研究毕学工，杨福，梁尚国，邹明金。，郭玉保，马世强(1．武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室，湖北武汉430081；2．武汉钢铁股份有限公司技术质量部，湖北武汉430080；3．武汉钢铁(集团)公司研究院炼铁室，湖北武汉430083；4．陕西黄陵矿业集团有限责任公司煤炭运销公司，陕西黄陵727307)摘要：对黄陵弱粘煤的物理和化学性能进行了系统的研究，探讨了高炉喷吹黄陵弱粘煤的可行性。结果证实，黄陵弱粘煤具有许多优点，完全满足高炉喷吹用煤的基本要求；其着火温度低、爆炸性较强、具有一定的粘结性和可磨性较差等缺点，可以通过无烟煤和贫瘦煤的搭配使用得到解决。视搭配煤种的不同，黄陵弱粘煤的配比不宜超过3O~4o～5O。关键词：弱粘煤；高炉；喷吹；性能；配比中图分类号：TF538．6文献标识码：A文章编号：0449—749X(2009)06-0014—06Study0fRawCoalCharacteristics0fHuanglingSlightly—CakingCoalforBlastFurnaceInjectionBIXue—gong，YANGFu，LIANGShang—guo，ZOUMing—jin。，GUOYu—bao，MAShi—qiang(1．KeyLaboratoryforFerrousMetallurgyandResourcesUtilizationofMinistryofEducation，WuhanUniversityofScienceandTechnology，Wuhan430081，Hubei，China；2．TechnicalandQualityDivision，WuhanIronandSteelCo．，Ltd．，Wuhan430080，Hubei，China；3．IronmakingDivision，ResearchInstituteofWuhanIronandSteelCorporation(Group)，Wuhan430083，Hubei，China；4．TransportandSaleCompany，ShaanxiHuanglingMiningCorporationCo．，Ltd．，Huangling727307，Shaanxi，China)Abstract：Systematicstudywerecarriedoutonthephysico—chemicalpropertiesofHuanglingslightly-cakingcoalandthefeasibilityofitsinjectionintotheblastfurnace．TheresultsshowthatHuanglingslightly-cakingcoalhasanum—berofadvantagesandthereforefullymeetsthebasicrequirementsofcoalsusedforblastfurnaceinjection．Itsdraw—backssuchaslowerignitingpoints，relativelystrongexplosivity，havingcertainextentofcakingabilityandpoorergrindabilitycanbedissolvedbymeansofmixingitwithanthraciteandleancoals．Upontheranksofcoaltobemixedwith，theblendingratiosofHuanglingslightly-cakingcoalshouldnotexceed30一50．Keywords：slightly—cakingcoal；blastfurnace；injection；property；blendingratio据1997年世界能源会议统计，至1996年底，世速度，对高炉炼铁的可持续发展发挥了极其重要的界煤炭探明的可采储量共计10438．64亿t，炼焦煤作用。高炉喷吹煤种最初是无烟煤，因为它具有固比例不到10l1]。中国煤炭的可开采储量是1450定碳含量高、热值高、置换比高、安全性好的优点，但亿t，其中肥煤和主焦煤合占9．34，储量约135亿缺点是着火温度高、燃烧性差，而且中国无烟煤储量t。中国炼焦煤一般是中灰、中硫品种，低灰、低硫的少。由于烟煤与无烟煤相比具有着火温度低、燃烧优质炼焦煤比较少。而且中国炼焦煤在地理分布上性好等优点，随后发展了无烟煤和烟煤混合喷吹的极不平衡，一半以上储量集中在山西省，更加快了中技术，重点解决了防止烟煤爆炸的安全问题。根据国炼焦煤资源的消耗速度。以2006年的消耗速度，企业掌握煤炭资源的情况，又逐渐发展了无烟煤、烟估计中国的主焦煤和肥煤资源在7O年内将消耗殆煤、贫煤、贫瘦煤的混合喷吹技术。本文的目的就是尽，全世界的主焦煤和肥煤资源也将在90年内消耗系统地弄清黄陵弱粘煤的煤质，分析在高炉喷吹中殆尽_2]。从风口喷吹煤粉以煤代焦，不仅可以降低的适应性，以及在高炉喷吹配合煤中的合理配生铁成本，更重要的是能够延缓炼焦煤资源的消耗比。作者简介：毕学工(1945一)，男，博士，教授；E-mail：xuegong@public．wh．hb．ca；修订日期：2008—09—22 第6期毕学工等：高炉喷吹黄陵弱粘煤的原煤特性的研究果见表1。表中还列出了结晶水的含量。1煤的基本性质由表1可知，检测的煤样是典型的黄陵弱粘煤，1．1煤的化学成分固定碳的质量分数为60．O4，灰分含量与武钢高对黄陵弱粘煤进行了工业分析和元素分析，结炉目前使用的无烟煤相当、比贫瘦煤低。表1黄陵弱粘煤的工业分析、元素分析和结晶水含量(质量分数)．Table1Analysisofproximate，elementandcrystalwatercontentofHuanglingslightly-cakingcoal％1．2煤岩显微组分定量分析到5O，平均最大反射率较小，粘结性较弱。为了进一步判定检测煤样所属等级，进行了煤1．3煤灰的全分析岩显微组分定量分析，结果如表2所示。煤灰成分的变化对煤的喷吹性能带来影响。硫、磷含量高可能使高炉铁水的质量下降；碱金属含表2黄陵弱粘煤的煤岩显微组分量高增加高炉的碱负荷，加剧焦炭在高炉炉身部位定量分析结果(质量分数)的粒度降级；氧化铝含量高会加大高炉的渣量、使炉Table2ResultsofmaceralanalysisofHuangling渣的流动性变差，影响高炉顺行。slightly-cakingcoa1％测定的黄陵弱粘煤的灰分化学成分列在表3组分镜质组V惰质组I壳质组E矿物组M中。由表3可知，黄陵弱粘煤灰中的碱金属含量很弱粘煤42．353．20．93．60．736低，酸性脉石含量较低，碱性脉石含量较高(CaO的质量分数高达11．41，一般煤在2～6范围)，由表2可以看出，煤样中镜质组的质量分数不这些对高炉冶炼都是有利的因素。表3黄陵弱粘煤灰的全分析(质量分数)Table3CompleteanalysisofHuanglingslightly-cakingcoalash皇!垒!!!!!!墨rj!!三!!圣!!!里48．2226．472．4211．410．740．650．380．76<0．010．0172．061．52<0．012煤与储存、制粉、输送有关的性质2．1煤的着火点采用的是ZHD-01型着火点测定仪，系参考美国一家活性炭经营公司的技术研制而成的。测定原理是找出试样1和试样2的温差开始加大的温度寇廷赠点，即为煤样的着火点。试样粒度为2～31Tim，因此测定结果(图1)对于判断煤粉是否自燃更有指导意义。测定的黄陵弱粘煤的着火点等于199℃，永城无烟煤的着火点等于468℃。还测定了5O无烟煤+50弱粘煤的混合煤粉的着火点，发现与图1黄陵弱粘煤的着火点测定曲线100％弱粘煤的着火点完全相等。这表明，将2种不Fig．1MeasuringCHIVesofignitingpointof同着火温度的煤混合，混合煤的着火点由着火温度Huanglingslightly-cakingcoal较低的煤种决定。2．2煤的爆炸性煤及其与永城无烟煤、潞安贫瘦煤形成的配煤的爆采用长管式煤粉爆炸性测试仪测定了黄陵弱粘炸性，结果见表4。 钢铁第44卷表4黄陵弱粘煤及其配煤的爆炸性煤灰中各种矿物的硬度差别很大，粘土类矿物Table4ExplosivityofHuanglingslightly。caking的莫氏硬度为2，而石英和磁铁矿、黄铁矿等的莫氏coalanditsblends硬度为7～8。因此，含软矿物多的煤，制成的煤粉返回火焰爆炸性可能细颗粒含量较多；含硬矿物多的煤，粗颗粒含量配比长度／ram评价可能较多。煤粉水分过大流动性差。工业分析测得的水分不准，因为它与天气条件等许多外部因素有关。按照美国ASTMD1412标准测定煤的平衡水分。使用平衡水分大的煤，可能在输煤系统，特别在喷煤系统产生堵塞或造成流量减少。研究发现，平衡含水量和煤中粘土类矿物的种类和含量密切相关。高岭土吸水能力很差，而蒙托石、坡缕石、层状的伊利石和蒙脱石混合物的吸水性很强。检测新煤种的无机矿物组成，有助于预测是否会在高炉操作中造成麻实际工程应用中，一般认为，被测煤粉引爆形成烦，以便提前采取对策。的返回火焰长度大于600mm就可认定煤粉具有强为了更加全面地评价黄陵弱粘煤的高炉喷吹性爆炸性，在4OO～600mm之间则煤粉具有中强度爆能，采用了位置敏感X一光粉末衍射法(xRI)_PSD)炸性，小于400mm则煤粉具有弱爆炸性，若仅在火检测了它的无机矿物组成，并用扫描电子显微镜的源处出现稀少火星或无火星的属于无爆炸性煤。影微观分析对XRD-PSD的分析结果进行了验证。结响煤粉返回火焰长度的主要因素有挥发分含量、粒果见图2和表5。度、水分、灰分等条件。由表4可知，黄陵弱粘煤的火焰返回长度大于400mlTl，属中强爆炸性煤。但是混入一半左右无烟煤和贫瘦煤以后，爆炸性显著减弱，基本上不再具有爆炸性。这说明，采用黄陵弱粘煤和无烟煤、贫瘦煤混合喷吹，不存在安全问题。2．3煤的无机矿物组成20／(。)煤中无机化合物的成分对煤的堆存、制粉和输图2黄陵弱粘煤的x_光粉末衍射图谱送过程都有重要影响_3]。Fig．2SpectrumsofHuanglingslightly-cakingcoal，XRD表5黄陵弱粘煤灰分中的矿物的质量分数(x．光粉末衍射分析结果)Table5MineralscontentsinHuanglingslightly-cakingcoalash(resultsfromXRDanalysis)化学式矿物用于定量匹配的峰面积质量分数／CaC03石灰石Si02石英A12si2(OH)4高岭土Fe2O3赤铁矿由图2和表5可知，黄陵弱粘煤中不含坡缕石、为标准，即HGI一100是可磨性好的煤(即较软的蒙托石等强吸水性粘土类矿物，因此不会对高炉喷煤，类似于中国的峰峰煤)。其它煤与之比较，HGI煤的制粉和喷吹系统造成不利影响。越小，煤越难磨，磨煤机的产量越低。2．4煤的可磨性由于无法得到美国宾州煤作为测定可磨性的标煤的可磨性是估算磨煤机出力和耗电量等设计准，中国规定必须采用煤炭科学研究总院研制的四参数的基础，可用可磨性指数表征。中国普遍采用种哈氏可磨性指数各不相同的煤作为标准物质对实哈特葛罗夫可磨性指数(HGI)，是以美国宾州煤作际使用的哈氏仪进行校正。根据四种标准煤的测定 第6期毕学工等：高炉喷吹黄陵弱粘煤的原煤特性的研究结果，绘制了标准图，然后在标准图上查出黄陵弱粘由图4可知，在混喷黄陵弱粘煤时，增加弱粘煤煤的可磨性。用这种方法比简单地用可磨性计算公的配比对改善煤粉的流动性作用明显，在<0．074式得到的结果更加可靠。测定的黄陵弱粘煤的可磨mm占5O作用时达到最大值。性为53，说明它属于比较难磨的煤种。3煤与喷吹和燃烧有关的性质2．5煤的流动性一般采用休止角、压缩度、平板角三项指数的加3．1煤的灰熔融性权和计算粉体的流动性指数。流动性指数越高，流高炉喷吹煤灰熔点应高些。煤灰熔点低，容易动性越好。采用BT一1000型粉体综合特性测试仪造成喷枪前和风口结渣和导致不完全燃烧。采用投测定了黄陵弱粘煤及其配煤的流动性。测试前，煤影观测法测定了黄陵弱粘煤灰的软熔性，结果如表样要经过预先干燥。单种煤和配煤的测试结果分别6所示。显示在图3、4中。表6黄陵弱粘煤灰的熔融性Table6FusibilityofHuanglingslightly-cakingcoalash℃靶需由表6可知，黄陵弱粘煤的灰分的软熔温度比较高，半球点接近1400℃，对高炉喷吹不会造成不利影响。3．2煤的粘结性图3单种煤的流动性与粒度的关系Fig．3Relationbetweenfluidityandgranularity粘结指数用来评价煤在加热过程中的粘结能ofsingletypescoal力，用G或G来表示。胶质层最大厚度y值直接反映了煤的胶质体的特性和数量，是煤的结焦性能好坏的一个标志。一般y值大的烟煤均用于炼焦，y值为0或极低的烟煤可作为高炉喷吹用煤。一般高炉喷吹烟煤应控制y值小于10mm。测定的黄陵弱粘煤的G值为16．o5，y值为0，说明有一定的粘结性。在模拟高炉条件进行燃烧试验时，发现了喷枪头部有结焦现象，而且随着试验次数的增加，结焦现象越来越严重。因此，黄陵弱粘煤用于高炉喷吹时，对使用量应适当加以限制。3．3煤的粒度分布和比表面积采用英国马尔文公司生产的Mastersizer@2000激光粒度仪测定了煤粉的粒度分布。为了保图4混合煤的流动性与粒度的关系证煤粉测试时充分地分散，用无水乙醇作为分散剂。Fig．4Relationbetweenfluidityand3种不同弱粘煤配比的无烟煤和弱粘煤配煤的频率granularityofcoalblends曲线如图5所示，图中c一7、c一6、c一5分别代表弱粘煤由图3可以看出，单种煤的流动性与粒度的关配比等于40、45、50的煤样。由图5可知，在系因煤种而异。一般认为粉体流动性随粒度变细而dO．074mm部分含量固定为9O的情况下，随着变差，无烟煤刚好符合这一规律；而贫瘦煤粒度变细弱粘煤配比的增加，曲线的尖峰向左移动，频率曲线对它的流动性没有明显影响。至于黄陵弱粘煤，中变得较为平坦。这说明增加弱粘煤配比有利于提高等粒度(<0．074mm占50～7O)时煤粉的流动煤粉中细颗粒的含量。测试结果还表明，当弱粘煤性最好，太细或太粗流动性都变差。在占50～配比从40％增加到50时，占9O体积部分的平80的粒度下，黄陵弱粘煤的流动性最好。均粒度从71．663肚m缩小到63．386p．m，减小了8 钢铁第44卷杂个||m以上。细粒度含量的增加，有利于改善煤粉这可能意味着，在高炉采用无烟煤、弱粘煤和贫瘦煤的燃烧性，对提高高炉煤比有利。3种煤混合喷吹时，增加弱粘煤的用量不一定能够改善煤粉的反应性。图5弱粘煤配比对煤粉粒度组成的影响(d0．074mm部分含量固定为90％)Fig．5Effectofslightly-cakingcoalblendingratioonpulverizedcoalsizedistribution激光粒度仪还同时给出了煤粉的比表面积。结果显示，对于无烟煤和弱粘煤的一混∞骞合专煤Ⅲ)越粉，当豢辎弱粘煤温度／℃图6弱粘煤配比对煤粉反应放热配比从40增加到45、50时，表面积从0．475速度的影响(无烟煤加弱粘煤)m。／g分别增大到0．483m／g和0．521m。／g。因Fig．6Effectofslightly-cakingcoalblendingratio此，增加弱粘煤配比有利于煤粉燃烧。onheatreleasingratesofpulverizedcoal3．4煤的反应性煤的反应性有对氧气的反应性和对二氧化碳的3．5煤的燃烧性反应性2种。煤的反应性与煤的气化和燃烧有密切模拟高炉风口区的反应条件测试煤粉的燃烧关系，反映了煤在高炉中的消耗情况。因此，煤的反率，所得结果更接近高炉实际。模拟试验在立式煤应性是评价气化或燃烧用煤的一项重要指标。粉燃烧炉上进行，空气经高温炉预热，可达900～采用了德国耐驰公司NETZCHSTA449C型1000℃，燃烧炉为立式电炉，内径为50mm，用硅碳综合热分析仪测定了黄陵弱粘煤的反应性。试样质棒加热，最大功率10kVA，炉温可达1250～1300量17mg，粒度一般为0．699～O．500mm，在研究粒℃。根据燃烧前后灰分的含量计算燃烧率。度影响时可调；升温速度10℃／min，在空气中进行测定了不同粒度的黄陵弱粘煤、无烟煤和贫瘦燃烧；试验结果用失重曲线(TG)和反应放热速度曲煤的燃烧率，结果见图7。图7清楚地显示，黄陵弱线(DSC)表示。粘煤的燃烧性优于贫瘦煤，而贫瘦煤的燃烧性又优图6显示了弱粘煤配比对无烟煤和弱粘煤混煤于无烟煤。因此，用弱粘煤部分代替无烟煤和贫瘦的反应性的影响，图中5号代表弱粘煤配比等于煤，能够提高煤粉的燃烧率。测定结果表明，向无烟5O的煤样。由图6可以看出，对于用无烟煤和弱煤中混入一半左右的弱粘煤，煤粉燃烧率最多大约粘煤配制的混合煤粉，增加弱粘煤配比可加快煤的可提高6。采用3种煤混喷，用弱粘煤代替贫瘦燃烧，缩短燃烬时间。从DSC图上得知，当弱粘煤煤，弱粘煤配煤为3O时燃烧率最高，增加配比燃配比从4O增加到50时，燃烧实际结束温度降低烧率反而有所下降。这一结果与反应性的测试结果了7℃，而且在无烟煤和弱粘煤的灰分含量基本相刚好吻合。因此，3种煤混合喷吹时宜将弱粘煤的同的条件下，增加弱粘煤配比残重没有明显改变。配比控制在30以内。但对于由无烟煤、弱粘煤和贫瘦煤3种煤配制的混4对黄陵弱粘煤高炉啧吹性能的综合合煤粉，增加弱粘煤配比、相应减少贫瘦煤配比，煤评价粉在开始阶段的燃烧速度虽然加快，但燃烧实际结束温度却略微升高，而且在弱粘煤的灰分含量比贫归纳起来，黄陵弱粘煤的化学成分具有“三高四瘦煤灰分含量低差不多2的情况下，增加弱粘煤低”的特点(质量分数)，即挥发分含量高(V一的配比，煤样的残重还有所增加，即燃烧不够完全。31．67)、氢含量高(H一4．63)、氧化钙含量高 第6期毕学工等：高炉喷吹黄陵弱粘煤的原煤特性的研究测喷吹时的结焦问题，及时采取措施和调整弱粘煤的配比。黄陵弱粘煤在喷吹煤中的合适配比，如果是和无烟煤混喷，不宜超过50；如果是和无烟煤、贫瘦煤混喷，则不宜超过30。碍5结论(1)化学成分具有“三高四低”的特点(即挥发分、氢含量、碱性氧化物含量高，灰分、硫分、碱金属和酸性脉石含量低)，有利于提高煤焦置换比和降低渣量。(2)不含强吸水性粘土类矿物，不会对煤的堆图7磨煤粒度对煤粉燃烧率的影响存和输送系统造成不利影响。Fig．7Effectofcoalgrindingsizeon(3)流动性良好。combustibilityofpulverizedcoal(4)反应性和燃烧性明显优于武钢高炉生产上使用的无烟煤和贫瘦煤。但黄陵弱粘煤也有一些明(w(CaO)一11．41)；灰分含量低(Ad一9．88)、显的缺点，主要为：着火温度低；爆炸性较强；具有硫分低(S．一0．32)、碱金属含量低(叫(KO+一定的粘结性；可磨性较差，因此，最好将黄陵弱粘NaO)一1．O3)、酸性脉石含量低(W(Al2O。+煤和无烟煤、贫瘦煤搭配使用，扬长避短，保证高炉SiO)一74．69)。因此，喷吹黄陵弱粘煤，有利于安全生产。改善高炉内铁矿石的还原，提高煤焦置换比，减少渣量和保证炉况顺行。参考文献：黄陵弱粘煤的流动性和无烟煤、贫瘦煤基本相[13周师庸．重新评价气煤类煤对焦炭质量的贡献[A]．中国金属同，不含吸水性强的粘土类矿物，因此使用黄陵弱粘学会，1997中国钢铁年会论文集[C]，北京：冶金工业出版社，1997，294．(ZHOUShi—Rong．AppraisingOverAgaintheDis—煤不会对煤粉的处理系统造成不利影响。虽然黄陵tributionofGasCoalstoCokeProperties[A1．ChineseSociety弱粘煤的爆炸性较强，但配人3O以上的无烟煤或forMetals，1997CSMAnnualMeetingPr0ceedings[c]．Bei—贫瘦煤后，基本上没有爆炸性。jing：MetallurgicalIndustryPublisher，1997，294．)在无烟煤和贫瘦煤中混入黄陵弱粘煤，制得的[23刘竹林，毕学工，史世庄．21世纪生态高炉的发展[J]．钢铁，煤粉中细颗粒所占比例增加，平均粒径减小；向无烟2008，43(7)，l_(LIUZhu—lin，BIXue—gong，SHIShi—zhuang．煤和贫瘦煤中混入弱粘煤能够提高煤粉的反应性；Developmentof21CenturyEcologicalBlastFurnace[J]．IronAndSteel，200843(7)：1．)弱粘煤的燃烧性明显优于无烟煤和贫瘦煤。[3]RuthPouhney．CoalPropertiesandTheirEffectsonPlantOp—综上所述，可以断定黄陵弱粘煤完全适合用于eration[A]．TheIronandSteelInstituteofJapan．The4In—高炉喷吹。存在的问题，一是着火点较低不到200ternationalConferenceonScienceandTechnologyofIronmak—℃，需要密切监测和防止自燃；二是可磨性较差，需ing[C]．Osaka：TheIronandSteelInstituteofJapan，2006，要限制其使用量；三是有一定的粘结性，需要密切监609．