王振飛 張建良 李 飛 徐潤生 呂國明 王申洋 羅 寧
(1.國能集團(tuán)神東集團(tuán)有限責(zé)任公司，2.北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院，3.山西建龍實(shí)業(yè)有限公司)
在“碳達(dá)峰、碳中和”的國際背景下，作為僅次于電力行業(yè)的第二大碳排放行業(yè)，鋼鐵行業(yè)降低碳排放面臨著重大挑戰(zhàn)[1-3]。煉鐵能耗占鋼鐵聯(lián)合企業(yè)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(nèi)高爐噴吹煙煤比例很少達(dá)到50%以上[8-9]。煙煤含有大量含氫揮發(fā)分，燃燒性能優(yōu)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(jìn)行礦石還原，減少CO2排放；
同時(shí)煙煤價(jià)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(nèi)已有不少鋼鐵廠進(jìn)行過全煙煤噴吹生產(chǎn)實(shí)踐，**八鋼曾在2006年7月實(shí)現(xiàn)了高爐100%噴吹高揮發(fā)分、強(qiáng)爆炸性煙煤[11]。2008年達(dá)鋼集團(tuán)在450 m3小高爐上實(shí)現(xiàn)了全煙煤噴吹，實(shí)踐證明全煙煤噴吹有利于進(jìn)一步提高風(fēng)溫和冶煉強(qiáng)度，降低噸鐵成本，可為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益[12]。
然而由于煙煤化學(xué)反應(yīng)性較為活潑，在進(jìn)行全煙煤噴吹時(shí)，鋼鐵廠面臨著諸多挑戰(zhàn)，限制了高爐全煙煤噴吹技術(shù)推廣[13]。一方面，煙煤著火點(diǎn)較低、爆炸性較強(qiáng)，高爐全煙煤噴吹需嚴(yán)格控制噴吹、制粉系統(tǒng)的溫度和氧含量；
另一方面，煙煤燃燒性能優(yōu)于無煙煤，高爐全煙煤噴吹可大幅度提高煤比，這對磨機(jī)的制粉能力提出了新要求。如何在不改變現(xiàn)有制粉、噴吹設(shè)備的條件下，優(yōu)化煙煤噴吹參數(shù)以提高著火點(diǎn)、降低爆炸性和提高磨機(jī)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(shí)驗(yàn)樣品，展開了以下研究：對計(jì)劃噴吹各煙煤煤種進(jìn)行噴吹的基礎(chǔ)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(diǎn)和燃燒性能的變化規(guī)律；
通過調(diào)控?zé)熋旱牧６纫悦魑６葘熋罕ㄐ缘挠绊懀?br>結(jié)合山西建龍生產(chǎn)實(shí)際，提出制粉、儲(chǔ)運(yùn)和噴吹系統(tǒng)的溫度、氧含量等參數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)。明晰鋼企在逐步提高煙煤比例時(shí)安全性能的變化規(guī)律，找到山西建龍高爐安全、高效的噴吹全煙煤的技術(shù)措施。
文章選擇了山西建龍高爐噴吹常用的匯美匯通、鑫龍祥、內(nèi)蒙江化和國華能源四種煙煤作為實(shí)驗(yàn)用煙煤樣品，選用交城建升煤作為無煙煤樣品。煤樣經(jīng)105 ℃烘箱干燥8 h后進(jìn)行煤粉的工業(yè)分析和元素分析。
煤粉的安全性能在煤粉著火點(diǎn)、爆炸性檢測裝置上進(jìn)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(diǎn)和爆炸性的變化規(guī)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(diǎn)的影響，煙煤經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)篩篩分為粒度30～60目、60～100目、100～200目、大于200目四個(gè)粒級。
2.1 煤粉的性能分析
煤粉的成分分析結(jié)果見表1。
表1 煤粉的成分分析結(jié)果 %
由表1可知四種煙煤的揮發(fā)分在28%～32%之間，無煙煤的揮發(fā)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(fā)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(fā)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(zhuǎn)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(fā)分含量有關(guān)。煤粉的燃燒特性參數(shù)見表2。四種煙煤的開始燃燒溫度均不高于370 ℃，遠(yuǎn)低于交城建升無煙煤的460 ℃。四種煙煤中，內(nèi)蒙江化的綜合燃燒特性指數(shù)S最高，鑫龍祥的最低，表明內(nèi)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(zhuǎn)化速率
表2 煤粉的燃燒特性參數(shù)
不同煤粉灰成分檢測結(jié)果見表3，返回火焰長度、著火點(diǎn)和可磨指數(shù)見表4。其中匯美匯通煙煤的揮發(fā)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(fā)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(guān)[15]。交城建升無煙煤的揮發(fā)分含量較低，煤的變質(zhì)程度較高，故交城建升無煙煤的著火點(diǎn)遠(yuǎn)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(diǎn)較低，為329.33 ℃。
表3 煤粉的灰成分檢測結(jié)果 %
表4 不同煤粉的返回火焰長度、著火點(diǎn)和可磨指數(shù)
煙煤具有較低的著火點(diǎn)和較強(qiáng)的爆炸性，因此高爐全煙煤噴吹時(shí)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(huì)加速煤粉的氧化，引發(fā)生產(chǎn)安全事故[16-17]。在現(xiàn)有工藝下，降低磨機(jī)熱風(fēng)溫度、改善磨機(jī)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(jī)載氣溫度將會(huì)降低煙煤的制粉效率[18]。磨機(jī)制粉能力降低將成為高爐提高煙煤比例的限制環(huán)節(jié)。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(shù)低于50%，除了內(nèi)蒙江化煙煤外，其余煙煤將會(huì)增加磨機(jī)制粉的壓力。
2.2 煙煤粒度對噴吹安全性的影響
根據(jù)山西建龍現(xiàn)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(xué)者研究表明同種煤粉的粒度越小，其比表面積越大，燃燒時(shí)與空氣的接觸面積也越大[19-20]。適當(dāng)增大噴吹煤的粒度可顯著提高磨機(jī)的制粉能力以及煤粉儲(chǔ)運(yùn)和噴吹安全性。不同粒度煙煤的返回火焰長度和著火點(diǎn)見表5。
表5 不同粒度煙煤的返回火焰長度和著火點(diǎn)
煙煤粒度從200目增加到100～200目時(shí)，煙煤的返回火焰長度顯著縮短；
粒度大于100目后，除了內(nèi)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(xué)生進(jìn)行內(nèi)隱自殺意念的GNAT測量.共有283人參與測試，剔除實(shí)驗(yàn)結(jié)果無效數(shù)據(jù)15份，最終得到有效數(shù)據(jù)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(shí)驗(yàn).
粒度對煙煤著火點(diǎn)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(diǎn)時(shí)，煤粉與作為氧化劑的亞硝酸鈉的接觸面積越小；
同時(shí)粒度大的煤粉比表面積較小，受熱面積小，煤粉內(nèi)部揮發(fā)分的析出更加困難。利用煤粉著火點(diǎn)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(zhì)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(jié)合圖2可知a點(diǎn)處空間小于c點(diǎn)處，即加熱時(shí)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(shù)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(diǎn)逐漸升高。
圖2 不同粒度煤粉著火點(diǎn)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(dá)到100%煙煤噴吹是實(shí)現(xiàn)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(diǎn)和爆炸性變化規(guī)律，從而制定相應(yīng)的防護(hù)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(diǎn)和返回火焰長度，結(jié)果見表6。
表6 不同比例煙煤的混煤的著火點(diǎn)和返回火焰長度
在升溫過程中，揮發(fā)分首先析出并燃燒，揮發(fā)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(fā)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(diǎn)逐漸降低。此外，混煤的著火點(diǎn)介于對應(yīng)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(rèn)為400 mm的返回火焰長度是爆炸性強(qiáng)弱的分界線，返回火焰長度越長，爆炸性越強(qiáng)。混煤中匯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(tǒng)的溫度、氧含量需求均低于其余三種煤粉。混煤中鑫龍祥煙煤的比例為90%時(shí)，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(shí)，返回火焰長度為433 mm，高爐100%噴吹鑫龍祥煙煤時(shí)爆炸性較強(qiáng)。當(dāng)國華能源煙煤比例為90%時(shí)，混煤具有較強(qiáng)的爆炸性，而內(nèi)蒙江化比例80%就具有較強(qiáng)爆炸性，因此在高爐煙煤噴吹的過程中，當(dāng)這兩種煙煤比例高于80%時(shí)，應(yīng)合理控制煤粉的制粉、儲(chǔ)運(yùn)和噴吹系統(tǒng)的溫度和氧含量。
2.4 全煙煤噴吹系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化
山西建龍高爐制粉和噴吹系統(tǒng)存在煤粉倉的氧濃度高、磨機(jī)入口溫度過低和氧濃度波動(dòng)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(chǎn)，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，對煤粉制備和噴吹系統(tǒng)的溫度、氧含量等進(jìn)行優(yōu)化控制。
(1)溫度標(biāo)準(zhǔn)
磨煤機(jī)入口溫度小于280 ℃，磨機(jī)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(yīng)對O2含量進(jìn)行嚴(yán)格控制，確保在安全操作范圍內(nèi)。建議熱風(fēng)爐廢氣氧含量低于3%，磨煤機(jī)入口氧含量低于6%，磨煤機(jī)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(jiān)測系統(tǒng)與控制
煤粉自燃時(shí)首先釋放出CO，對CO濃度監(jiān)測可及時(shí)發(fā)現(xiàn)煤粉的自燃。在進(jìn)行全煙煤噴吹時(shí)，應(yīng)確定CO的濃度臨界值，當(dāng)粉倉、布袋箱CO濃度增加到臨界值時(shí)自動(dòng)報(bào)警并充氮系統(tǒng)以確保安全。建議磨機(jī)、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(dāng)增大煤粉粒度不僅可提高磨機(jī)產(chǎn)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(hù)時(shí)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(zhì)進(jìn)入磨機(jī)與襯板或磨輥相碰撞產(chǎn)生火花；
磨機(jī)在生產(chǎn)中斷煤或煤量過少時(shí)，磨輥與襯板相碰撞產(chǎn)生火花；
系統(tǒng)中某處積粉因氧化自燃而產(chǎn)生明火；
檢修后沒有及時(shí)清除焊渣等。
文章基于山西建龍高爐全煙煤噴吹的工業(yè)實(shí)踐，針對特定煙煤和無煙煤煤種進(jìn)行基礎(chǔ)性能檢測，系統(tǒng)研究了煙煤比例和煙煤粒度對噴吹安全性的影響規(guī)律，得出了以下結(jié)論：
(1)煙煤的氧含量和揮發(fā)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(jìn)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(nèi)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(diǎn)。
(3)煙煤比例逐漸由50%提高至100%過程中混煤的著火點(diǎn)逐漸降低，爆炸性逐漸增強(qiáng)。當(dāng)國華能源和內(nèi)蒙江化的占比高于80%時(shí)，應(yīng)合理控制煤粉的制粉、儲(chǔ)運(yùn)和噴吹系統(tǒng)的溫度和氧含量以保障生產(chǎn)。
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