煙煤特性及其對噴吹安全性的影響研究

王振飛 張建良 李 飛 徐潤生 呂國明 王申洋 羅 寧

(1.國能集團神東集團有限責任公司，2.北京科技大學冶金與生態工程學院，3.山西建龍實業有限公司)

在“碳達峰、碳中和”的國際背景下，作為僅次于電力行業的第二大碳排放行業，鋼鐵行業降低碳排放面臨著重大挑戰[1-3]。煉鐵能耗占鋼鐵聯合企業總能耗70%，降低煉鐵能耗是重中之重，高爐噴吹煙煤是降低高爐能耗的有效措施[4-7]。

由于無煙煤具有較高的熱值和可靠的安全性，所以高爐以噴吹無煙煤為主，國內高爐噴吹煙煤比例很少達到50%以上[8-9]。煙煤含有大量含氫揮發分，燃燒性能優于無煙煤，所以高爐噴吹煙煤不僅可提高噴煤量，而且所含的氫可以部分替代碳進行礦石還原，減少CO2排放；同時煙煤價格低，因此噴吹煙煤可以降低碳排放和冶煉成本[10]。目前國內已有不少鋼鐵廠進行過全煙煤噴吹生產實踐，新疆八鋼曾在2006年7月實現了高爐100%噴吹高揮發分、強爆炸性煙煤[11]。2008年達鋼集團在450 m3小高爐上實現了全煙煤噴吹，實踐證明全煙煤噴吹有利于進一步提高風溫和冶煉強度，降低噸鐵成本，可為企業帶來巨大的經濟效益[12]。

然而由于煙煤化學反應性較為活潑，在進行全煙煤噴吹時，鋼鐵廠面臨著諸多挑戰，限制了高爐全煙煤噴吹技術推廣[13]。一方面，煙煤著火點較低、爆炸性較強，高爐全煙煤噴吹需嚴格控制噴吹、制粉系統的溫度和氧含量；另一方面，煙煤燃燒性能優于無煙煤，高爐全煙煤噴吹可大幅度提高煤比，這對磨機的制粉能力提出了新要求。如何在不改變現有制粉、噴吹設備的條件下，優化煙煤噴吹參數以提高著火點、降低爆炸性和提高磨機制粉能力對高爐噴吹全煙煤具有重要意義。

文章以山西建龍高爐常用噴吹煤種為實驗樣品，展開了以下研究：對計劃噴吹各煙煤煤種進行噴吹的基礎性能和工藝性能研究，以探求不同煙煤的高爐噴吹性能；通過不斷提高混煤中煙煤的比例，以了解混煤的爆炸性、著火點和燃燒性能的變化規律；通過調控煙煤的粒度以明晰粒度對煙煤爆炸性的影響；結合山西建龍生產實際，提出制粉、儲運和噴吹系統的溫度、氧含量等參數控制標準。明晰鋼企在逐步提高煙煤比例時安全性能的變化規律，找到山西建龍高爐安全、高效的噴吹全煙煤的技術措施。

1 實驗及檢測方法

文章選擇了山西建龍高爐噴吹常用的匯美匯通、鑫龍祥、內蒙江化和國華能源四種煙煤作為實驗用煙煤樣品，選用交城建升煤作為無煙煤樣品。煤樣經105 ℃烘箱干燥8 h后進行煤粉的工業分析和元素分析。

煤粉的安全性能在煤粉著火點、爆炸性檢測裝置上進行測定；煤粉的燃燒性能通過熱重天平檢測；煤粉灰成分和堿金屬含量分別由等離子體光譜儀(Agilent 5900 ICP-OES)和XRF測得；煤粉的可磨性由哈氏可磨儀測得[8-10]。為了掌握逐步提高煙煤比例過程中混煤的著火點和爆炸性的變化規律，文章提出了將煙煤的比例按10%增幅逐步由50%增至100%的混煤方案；為了研究粒度對煤粉爆炸性和著火點的影響，煙煤經標準篩篩分為粒度30～60目、60～100目、100～200目、大于200目四個粒級。

2 結果與分析

2.1 煤粉的性能分析

煤粉的成分分析結果見表1。

表1 煤粉的成分分析結果 %

由表1可知四種煙煤的揮發分在28%～32%之間，無煙煤的揮發分14.48%，煙煤的氧含量約為無煙煤的5倍，但氮含量和硫含量顯著低于無煙煤，表明高爐全煙煤噴吹可有效減少氮氧化物排放和爐缸脫硫壓力[14]。四種煙煤中，匯美匯通煙煤具有較高的灰分、揮發分和氧含量，表明匯美匯通煙煤熱值相低于其余煙煤，而國華能源煙煤具有較高的固定碳含量、適宜的揮發分含量以及極低的灰分，所以國華能源煙煤具有較高的熱值。

五種煤粉的燃燒率和轉化速率見圖1。四種煙煤的燃燒率基本相同，且處于交城建升的左方，表明煙煤的燃燒溫度低于無煙煤的，這與煙煤較高的揮發分含量有關。煤粉的燃燒特性參數見表2。四種煙煤的開始燃燒溫度均不高于370 ℃，遠低于交城建升無煙煤的460 ℃。四種煙煤中，內蒙江化的綜合燃燒特性指數S最高，鑫龍祥的最低，表明內蒙江化煤燃燒特性最好。

圖1 噴吹煤燃燒過程中燃燒率和轉化速率

表2 煤粉的燃燒特性參數

不同煤粉灰成分檢測結果見表3，返回火焰長度、著火點和可磨指數見表4。其中匯美匯通煙煤的揮發分含量最高，灰中的CaO含量最低，匯美匯通煙煤的爆炸性低于其余三種煙煤，表明影響煤粉爆炸性的因素除了揮發分含量外還有灰中的CaO含量，這主要與CaO對煤中碳燃燒的催化作用有關[15]。交城建升無煙煤的揮發分含量較低，煤的變質程度較高，故交城建升無煙煤的著火點遠高于煙煤。四種煙煤中，國華能源的灰分中CaO含量較高，因此國華能源煙煤的著火點較低，為329.33 ℃。

表3 煤粉的灰成分檢測結果 %

表4 不同煤粉的返回火焰長度、著火點和可磨指數

煙煤具有較低的著火點和較強的爆炸性，因此高爐全煙煤噴吹時必須考慮制粉過程中的溫度和氧含量。過高的溫度和氧含量都會加速煤粉的氧化，引發生產安全事故[16-17]。在現有工藝下，降低磨機熱風溫度、改善磨機密封性能是保證煙煤制粉安全性的主要措施。然而煙煤含水量一般高于無煙煤，過低的磨機載氣溫度將會降低煙煤的制粉效率[18]。磨機制粉能力降低將成為高爐提高煙煤比例的限制環節。因此了解煙煤和無煙煤的可磨性差異具有重要意義。四種煙煤的可磨性都低于交城建升無煙煤，其中匯美匯通和國華能源兩種煙煤的可磨指數低于50%，除了內蒙江化煙煤外，其余煙煤將會增加磨機制粉的壓力。

2.2 煙煤粒度對噴吹安全性的影響

根據山西建龍現場的制粉情況可知，噴吹煤中粒度小于74 μm的煤粉約占73%。眾多學者研究表明同種煤粉的粒度越小，其比表面積越大，燃燒時與空氣的接觸面積也越大[19-20]。適當增大噴吹煤的粒度可顯著提高磨機的制粉能力以及煤粉儲運和噴吹安全性。不同粒度煙煤的返回火焰長度和著火點見表5。

表5 不同粒度煙煤的返回火焰長度和著火點

煙煤粒度從200目增加到100～200目時，煙煤的返回火焰長度顯著縮短；粒度大于100目后，除了內蒙江化有極短的返回火焰外，其余煙煤返回火焰長度為0 mm，無爆炸性，表明粒度增大后煤粉的爆炸性顯著降低。

采取整群抽樣的方式，抽取廣西某高校大學生進行內隱自殺意念的GNAT測量.共有283人參與測試，剔除實驗結果無效數據15份，最終得到有效數據268份，其中男生105人，女生163人，平均年齡為(19.03±1.46)歲.所有被試均為右利手，視力及矯正視力正常，熟悉電腦的基本操作，之前未參加過類似實驗.

粒度對煙煤著火點影響顯著。煤粉的粒度越大，其表面積越小，在檢測煤粉的著火點時，煤粉與作為氧化劑的亞硝酸鈉的接觸面積越??；同時粒度大的煤粉比表面積較小，受熱面積小，煤粉內部揮發分的析出更加困難。利用煤粉著火點檢測裝置采用固體氧化劑法，使用0.2 mm以下的空氣干燥煤樣，干燥后與亞硝酸鈉以1∶0.75的質量比混合，將煤粉試樣置于微型電爐的鉑片上以4.5～5 ℃/min的加熱速度通電逐漸升溫。結合圖2可知a點處空間小于c點處，即加熱時粒度較大的煤粉顆粒間的空隙較大，而空隙主要由空氣填充，由于空氣的傳熱系數低于煤粉顆粒，因此空隙大的煤粉堆不利于接收來自鉑金屬加熱片的熱量。綜上所述，隨著煤粉粒度增大，其著火點逐漸升高。

圖2 不同粒度煤粉著火點檢測

2.3 煙煤比例對噴吹安全性的影響

逐步提高混煤中煙煤的比例，最終達到100%煙煤噴吹是實現高爐全煙煤噴吹較好的選擇。為了了解此過程中混煤的著火點和爆炸性變化規律，從而制定相應的防護措施，文章測定了混煤中煙煤比例逐漸由50%提高至100%過程中混煤的著火點和返回火焰長度，結果見表6。

表6 不同比例煙煤的混煤的著火點和返回火焰長度

在升溫過程中，揮發分首先析出并燃燒，揮發分越高對混煤中的固定碳的引燃作用越顯著；而混煤的揮發分含量隨著煙煤比例的增加而增加，因此隨著煙煤比例的增加，混煤的著火點逐漸降低。此外，混煤的著火點介于對應的煙煤和無煙煤之間。隨著煙煤比例的增加，制粉和噴吹過程煤粉自燃的可能性逐漸增加。

隨著煙煤比例的提高，混煤煤粉的返回火焰長度逐漸延長。一般認為400 mm的返回火焰長度是爆炸性強弱的分界線，返回火焰長度越長，爆炸性越強?；烀褐袇R美匯通煙煤的比例即使提高100%，混煤的返回火焰長度僅為343 mm，也低于400 mm的分界線，表明高爐100%噴吹匯美匯通煙煤對制粉和噴吹系統的溫度、氧含量需求均低于其余三種煤粉?；烀褐婿锡埾闊熋旱谋壤秊?0%時，混煤的返回火焰長度僅為332 mm，爆炸性較弱；鑫龍祥煙煤的比例為100%時，返回火焰長度為433 mm，高爐100%噴吹鑫龍祥煙煤時爆炸性較強。當國華能源煙煤比例為90%時，混煤具有較強的爆炸性，而內蒙江化比例80%就具有較強爆炸性，因此在高爐煙煤噴吹的過程中，當這兩種煙煤比例高于80%時，應合理控制煤粉的制粉、儲運和噴吹系統的溫度和氧含量。

2.4 全煙煤噴吹系統參數優化

山西建龍高爐制粉和噴吹系統存在煤粉倉的氧濃度高、磨機入口溫度過低和氧濃度波動過大以及布袋出口氧濃度高的問題，為保障全煙煤噴吹的安全生產，結合現場實際，對煤粉制備和噴吹系統的溫度、氧含量等進行優化控制。

(1)溫度標準

磨煤機入口溫度小于280 ℃，磨機出口溫度介于70～90 ℃，布袋溫度小于85 ℃，成品煤倉溫度低于80 ℃。

(2)氧含量和溫度的控制

在制粉和噴吹過程中應對O2含量進行嚴格控制，確保在安全操作范圍內。建議熱風爐廢氣氧含量低于3%，磨煤機入口氧含量低于6%，磨煤機出口氧含量低于6%，布袋箱體出口氧含量低于8%，成品煤倉氧含量低于8%。

(3)CO監測系統與控制

煤粉自燃時首先釋放出CO，對CO濃度監測可及時發現煤粉的自燃。在進行全煙煤噴吹時，應確定CO的濃度臨界值，當粉倉、布袋箱CO濃度增加到臨界值時自動報警并充氮系統以確保安全。建議磨機、布袋箱體、成品煤倉CO濃度低于500×10-6。

(4)煤粉粒度的合理控制

適當增大煤粉粒度不僅可提高磨機產量，還可有效減小煤粉的比表面積，即減小了煤粉與氧氣的接觸面積，煤粉燃燒得到有效抑制。

(5)開車及檢修維護時的安全控制

明火是引起爆炸的原因之一。明火來源廣泛，比如原煤中的鐵器物質進入磨機與襯板或磨輥相碰撞產生火花；磨機在生產中斷煤或煤量過少時，磨輥與襯板相碰撞產生火花；系統中某處積粉因氧化自燃而產生明火；檢修后沒有及時清除焊渣等。

3 結論

文章基于山西建龍高爐全煙煤噴吹的工業實踐，針對特定煙煤和無煙煤煤種進行基礎性能檢測，系統研究了煙煤比例和煙煤粒度對噴吹安全性的影響規律，得出了以下結論：

(1)煙煤的氧含量和揮發分含量高于無煙煤，氮和硫元素含量、可磨性和著火溫度低于無煙煤，高爐進行全煙煤噴吹可有效減少氮氧化物排放和和爐缸脫硫壓力。

(2)煙煤的粒度從200目增大到100～200目后，煙煤的爆炸性變得很弱，且粒度大于100目后，除了內蒙江化有極短的返回火焰外，其余煙煤無爆炸性；增大煤粉粒度可顯著提高煙煤的著火點。

(3)煙煤比例逐漸由50%提高至100%過程中混煤的著火點逐漸降低，爆炸性逐漸增強。當國華能源和內蒙江化的占比高于80%時，應合理控制煤粉的制粉、儲運和噴吹系統的溫度和氧含量以保障生產。