周曉玉

高爐噴吹煤粉粒度對流動性和噴流性的影響

周曉玉

煤粉的流動性和噴流性對高爐噴吹系統(tǒng)有重要的影響。文章采用Carr粉體特性評價方法，選取3種典型的噴吹煤種研究不同變質(zhì)程度煤粉粒度對煤粉流動性指數(shù)和噴流性指數(shù)的影響。結(jié)果表明，低變質(zhì)煙煤和高變質(zhì)煙煤煤粉的流動性指數(shù)隨煤粉粒度增大呈增大趨勢，煤粉的噴流性指數(shù)則呈減小趨勢，無煙煤粉的流動性指數(shù)和噴流性指數(shù)隨粒徑的變化趨勢不明顯；煤粉的流動性指數(shù)隨變質(zhì)程度的提高而呈減小的趨勢；煤粉的噴流性指數(shù)一般隨變質(zhì)程度提高而呈增大的趨勢。

噴吹煤粉 流動性指數(shù) 噴流性指數(shù)

高爐噴吹煤粉是現(xiàn)代高爐煉鐵生產(chǎn)廣泛采用的技術(shù)，是現(xiàn)代高爐爐況調(diào)節(jié)重要的技術(shù)手段之一。高爐噴吹煤粉可以降低焦比，改善高爐冶煉過程，對降低生鐵生產(chǎn)成本，提高高爐技術(shù)經(jīng)濟指標十分有利[1,2]。高爐噴吹工藝經(jīng)過長期的發(fā)展，已經(jīng)成為一種成熟的煉鐵技術(shù)[3]。

目前，我國用于高爐噴吹的煤種主要有無煙煤、貧煤、貧瘦煤、氣煤、長焰煤、不黏煤和弱黏煤[4]，按照變質(zhì)程度不同可劃分為低變質(zhì)煙煤、高變質(zhì)煙煤和無煙煤。無煙煤的固定碳含量高、爆炸性低、安全性高，但燃燒性能及可磨性指數(shù)較差；而煙煤的燃燒性能和可磨性較好，但固定碳含量低，大量使用時置換比低，煤的揮發(fā)分含量高，安全性低。因而將不同煤種混配，可以揚長避短，發(fā)揮各自煤種的長處。多種噴吹煤種配合使用是高爐噴吹的發(fā)展趨勢[5-7]。

煤粉流動性和噴流性對高爐噴吹系統(tǒng)有重要影響。煤粉的流動性表征管道運輸、堆放過程中煤粉的輸送性能；煤粉的噴流性是指煤粉噴入高爐后，在風口回旋區(qū)的彌散性。通常認為，在同樣的外部條件下，煤粉在風口回旋區(qū)彌散度越大，相應(yīng)的煤粉燃燒率越高，煤粉放出的有效熱量越高[8]。煤粉的噴流性在一定程度上可以表征煤粉的燃燒性能。高爐噴吹煤粉的流動性越高，輸送性能越好；而煤粉的噴流性越高，則燃燒性能越好。Carr粉體特性指數(shù)是實驗室判定高爐噴吹煤粉流動性和噴流性較好的方法[9,10]。

目前，高爐噴煤工藝有粒煤噴吹工藝和粉煤噴吹工藝[11]。粉煤噴吹工藝一般要求煤粉的粒徑＜200目的含量在70%以上，而粒煤噴吹工藝中煤粉的粒徑上限較大，＜200目的含量只占10%-30%[12]。無論是粉煤噴吹工藝還是粒煤噴吹工藝中，粒度對煤粉的流動性和噴流性均有影響，不同變質(zhì)程度、不同粒度煤粉的性質(zhì)有所差異。因而本文選取國內(nèi)常用的、不同變質(zhì)程度的噴煤煤種，利用Carr粉體特性指數(shù)法系統(tǒng)研究不同變質(zhì)程度煤粉粒度對流動性和噴流性的影響，以期對噴吹混煤流動性指數(shù)和噴流性指數(shù)的預測提供指導。

1.實驗方案

1.1 實驗用煤

實驗用原料煤選用鋼鐵廠常用的、典型的低變質(zhì)煙煤、高變質(zhì)煙煤和無煙煤，分別以A、B、C代替。三種原料煤的煤質(zhì)指標見表1。

*煤中鉀和鈉總量的計算方法：

w(K+Na)=[0.830w(K2O)+0.742w(Na2O)]Ad/100

式中：w(K+Na)：煤中鉀和鈉的總量，%；

0.830 ：鉀占氧化鉀的系數(shù)；

w(K2O)：煤灰中氧化鉀的含量，%

0.742 ：鈉占氧化鈉的系數(shù)；

w(Na2O)：煤灰中氧化鈉的含量，%

Ad：煤的干基灰分含量，%。

由表1可知，實驗用煤的灰分含量（Ad）均小于10%，而全硫含量（St,d）均小于0.05%，均為優(yōu)良的高爐噴吹煤種；煤中的磷含量（Pd）和鉀鈉總量含量較低，這對高爐操作是十分有利的；三種煤的發(fā)熱量均較高，固定碳含量隨變質(zhì)程度提高而增大[13]。需要注意的是，除了高變質(zhì)煙煤的哈氏可磨性指數(shù)（HGI）較高外，低變質(zhì)煙煤和無煙煤的可磨性指數(shù)（HGI）較低，對原料煤的制粉過程帶來不利影響。

1.2 制粉及篩分

三種原料煤樣品經(jīng)顎式破碎機破碎至6mm，經(jīng)過空氣平衡后加入到球磨機中磨制2小時，將制得的粉體樣品經(jīng)不同圓孔篩篩分制備不同粒級的樣品，見表2。

表1 實驗用煤的煤質(zhì)指標 %

表2 篩子的孔徑與網(wǎng)目的關(guān)系

1.3 流動性和噴流性測試

1960年代英國人卡爾（Carr）綜合研究粉體流動性和噴流性的影響因素，提出了表征粉體特性的卡爾指數(shù)?？栔笖?shù)包括流動性指數(shù)和噴流性指數(shù)。

流動性指數(shù)（Fw）是粉體的自然坡度角、壓縮率、板勺角、均勻度等項指數(shù)的加權(quán)和，計算式如式（1）所示：

其中：θr為粉體的自然坡度角、CP為粉體的壓縮率、θs為粉體的板勺角、Ch為粉體的均勻度。

噴流性指數(shù)（Fd）是在流動性指數(shù)的基礎(chǔ)上，與崩潰角、差角和分散度等項指數(shù)加權(quán)求和得出，如式（2）所示：

其中：FW為粉體的流動性指數(shù)，θf為粉體的崩潰角，θd為粉體的差角，Ds為粉體的分散度。

自然坡度角、壓縮率、板勺角、均勻度、崩潰角、差角、分散度的定義以及流動性指數(shù)和噴流性指數(shù)評價表見文獻[9]。

本文采用BT-1001型粉體綜合特性測試儀測試噴吹煤粉的流動性指數(shù)和噴流性指數(shù)。松裝密度、振實密度、自然坡度角、崩潰角、板勺角、分散度通過儀器直接測量，而差角和分散度通過相應(yīng)公式計算而得。

2.結(jié)果分析

2.1 流動性指數(shù)和噴流性指數(shù)分析

2.1.1 低變質(zhì)煙煤的流動性指數(shù)和噴流性指數(shù)分析

由圖1可知，隨著煤粉粒度增大，低變質(zhì)煙煤的流動性指數(shù)急劇增大，當粒度大于0.147mm時，流動性指數(shù)基本不變；隨著煤粉粒度增大，低變質(zhì)煙煤的噴流性指數(shù)急劇減小，當粒度大于0.147mm時，噴流性指數(shù)基本不變。

2.1.2 高變質(zhì)煙煤的流動性指數(shù)和噴流性指數(shù)分析

由圖2可知，隨著煤粉粒度增大，高變質(zhì)煙煤的流動性指數(shù)呈急劇增大，當粒度大于0.495mm時，流動性指數(shù)基本不變；隨著煤粉粒度增大，高變質(zhì)煙煤的噴流性指數(shù)急劇減小，當粒度大于0.495mm時，噴流性指數(shù)基本不變。

圖1 低變質(zhì)煙煤的流動性指數(shù)和噴流性指數(shù)隨煤粉粒度的變化趨勢 mm

圖2 高變質(zhì)煙煤的流動性指數(shù)和噴流性指數(shù)隨煤粉粒度的變化趨勢 mm

2.1.3 無煙煤的流動性指數(shù)和噴流性指數(shù)分析

由圖3可知，無煙煤不同粒度煤粉的流動性指數(shù)和噴流性指數(shù)基本保持不變，隨粒度的變化趨勢不明顯。

2.2 變質(zhì)程度對煤粉流動性指數(shù)和噴流性指數(shù)的影響

由圖4可知，隨著變質(zhì)程度的提高，不同粒徑煤粉的流動性指數(shù)均呈減小的趨勢。由圖5可知，煤粉的噴流性指數(shù)與變質(zhì)程度的關(guān)系較為復雜，粒度小于0.074mm（200目）的煤粉的噴流性指數(shù)隨變質(zhì)程度提高而呈降低趨勢，其他粒度煤粉的噴流性指數(shù)隨變質(zhì)程度提高而呈增大的趨勢。

圖3 無煙煤的流動性指數(shù)和噴流性指數(shù)隨煤粉粒度的變化趨勢 mm

圖4 煤粉的流動性指數(shù)隨變質(zhì)程度的變化趨勢

圖5 煤粉的噴流性指數(shù)隨變質(zhì)程度的變化趨勢

2.3 綜合分析

不同粒度煤粉的性質(zhì)不同，隨著煤粉粒度的減小，煤粉中惰質(zhì)組的含量增加而鏡質(zhì)組的含量相對降低[14]。煤巖組分性質(zhì)的差異可能是導致煤粉流動性指數(shù)和噴流性指數(shù)出現(xiàn)差異的原因。無煙煤中鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組的性質(zhì)趨同[15]，因而不同粒度煤粉的流動性指數(shù)和噴流性指數(shù)基本一致。

不同變質(zhì)程度、不同粒徑的煤粉流動性指數(shù)和噴流性指數(shù)出現(xiàn)差異，對利用變質(zhì)程度、煤粉粒徑二元參數(shù)預測噴吹混煤的流動性指數(shù)和噴流性指數(shù)具有重要意義。此外高爐噴吹用煤關(guān)注指標較多，下一步實驗還需要結(jié)合其他指標綜合進行分析評價。

3.結(jié)論

（1）對于低變質(zhì)煙煤和高變質(zhì)煙煤來講，隨著煤粉粒度增大，煤粉的流動性指數(shù)均呈增大趨勢，噴流性指數(shù)均呈減小趨勢；無煙煤粉的流動性指數(shù)和噴流性指數(shù)隨粒徑的變化趨勢不明顯；

（2）煤粉的流動性指數(shù)隨變質(zhì)程度的提高而呈減小的趨勢；煤粉的噴流性指數(shù)與變質(zhì)程度的關(guān)系較為復雜，煤粉的噴流性指數(shù)一般隨變質(zhì)程度提高而呈增大的趨勢，小于0.074mm（200目）的煤粉的噴流性指數(shù)隨變質(zhì)程度提高而呈降低趨勢，原因還需進一步探究。

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（作者單位:中鋼設(shè)備有限公司）