节煤助燃剂

高炉喷吹煤粉添加助燃剂的研究

巨建涛1 , 梁林旺1 ,张朝晖1 ,杨双平1 ,高建民2 ,石自新2

(1. 西安建筑科技大学冶金工程学院, 陕西西安710055 ;2. 酒泉钢铁(集团) 公司翼城公司,山西翼

城043500 )

摘　要:为了改善煤粉燃烧性能,实现节能降焦,将助燃剂加入高炉喷吹用煤粉后进行燃烧试验,根据高

炉生产特点,选择不同比例的活性石灰、石灰石、硫酸铜、氯化铁以及二氧化锰作为助燃剂。实验结果表

明,添加不同配方的助燃剂均能使燃煤的着火温度降低、燃尽温度提前以及失重率增加,其中以2 号配

方的效果最佳。同时采用计算放热面积法对比分析助燃剂加入量对粉煤燃烧效率的影响,表明2 号配

方的加入量为3 %时效果最佳。

关键词:高炉喷煤;助燃剂;燃烧

中图分类号: TF538. 6 + 3 　　文献标识码:A 　　文章编号:100121447 (2008) 0320036204

作者简介:巨建涛(1973 - ) ,男,陕西省乾县人,工程师,主要从事钢铁冶金方面的研究.近年来,我国钢铁工业得到了前所未有的快速增长。随着我国钢铁产量的增长,钢铁工业已经成为能源消耗和污染物排放的大户,其能耗占到了工业能耗的15 % ,污染排放物占工业污染物排放总量的14 %左右。实现钢铁工业稳定发展的同时,企业如何合理利用资源,节能降耗,提高经济和社会效益,对实施可持续发展战略有着十

分重要的意义。在高炉炼铁技术中,高炉喷煤技术已经成为高炉下部调剂的主要手段,也是现代高炉实现降焦节能、改善经济技术指标控制环境污染的重要措施。然而随着喷煤比的不断提高,煤粉在高炉内的燃烧条件恶化,燃烧率降低,煤焦置换比有所下降。同时,大量未燃煤粉和碳黑滞留在软熔带和滴落带,降低了炉内的透气性和透液性,造成液泛现象提前出现,从而造成高炉下部矿料难行或

·36 ·

2008 年　6 月

第36 卷第3 期

钢铁研究

Research on Iron & Steel

J une 　2008

Vol . 36 　No. 3

 

悬料。

为解决高炉风口前未燃尽煤粉数量增多及高炉料层透气性和透液性降低的问题,就必须采取强化燃烧的措施,促使煤粉在高炉风口区快速燃烧。降低煤粉的着火点、提高燃烧效率都有利于煤粉在短时间内完全燃烧。为了提高煤粉自身燃烧性能,在煤粉中加入适量的助燃剂,可降低煤粉入炉的着火温度,提高燃烧效率,降低高炉的入炉焦比。

1 　实验方法及条件

1. 1 　实验用煤选择

根据翼钢公司煤炭资源特点,选择单煤种进行燃烧实验。选取洪洞烟煤和翼城无烟煤作为实验用煤,煤粉成分见表1 ,表中为工业分析基成分。

表1 　翼钢喷吹用煤的工业分析%

名　　称挥发分灰分固定碳

烟煤20. 43 14. 94 76. 83

无烟煤11. 22 12. 24 72. 69

混合煤14. 29 13. 14 74. 07

注:烟煤与无烟煤混合比例为1 ∶21. 2 　助燃剂成分选择高炉喷煤助燃剂能够降低煤粉入炉的着火温度,提高燃烧效率。对此,国内外众多学者进行了大量的研究和实践。魏国等[ 1 ] 研究认为在煤粉中添加1 %～3 %的NaCl 、MnO2 和生石灰可以缩短煤粉着火时间,强化煤粉燃烧,提高煤粉的燃烧率。徐万仁等[ 2 ] 研究认为采用Fe ( NO3 ) 3 或CaCl2 浸渍煤粉后,对煤粉具有较强的催化作用。武增华等[3 ] 认为,CuSO4 是较好的催化剂,它对煤的均相着火和非均相着火都起到了催化作用。沈峰满等[4 ] 认为在煤粉中添加MnO2 可使其受热分出活性氧,加快煤粉着火初期的火焰传播速度,从而提高煤粉的燃烧率。总结以上研究成果,并针对翼钢公司高炉喷煤的实际状况,另外,考虑到含K+ 和Na + 的物质对高炉碱负荷的增加,对冶炼带来不利影响,因此选取的原料均不含K+ 和Na + 。本次实验用煤粉助燃剂成分见表2 。

表2 　煤粉助燃剂的主要组成( wB) %

配方编号活性石灰石灰石硫酸铜氯化铁MnO2

1 80 10 10 - -

2 70 10 5 5 10

3 80 10 - 10 -

1. 3 　实验设备及方法

实验采用热重分析法分析添加不同配方助燃剂对煤粉的助燃效果,并研究助燃效果好的助燃剂配方加入量对煤粉燃烧性能的影响。实验仪器为德国NETZSCH2STA 449/ 6/ G热重分析仪,升温速度为20 ℃/ min。在空气为介质的条件下测试温度范围为室温至1 000 ℃,所有热重数据均由与热天平配用的计算机系统自动采集与处理。

2 　实验结果与分析

2. 1 　不同配方助燃剂对煤粉的助燃效果图1 、图2 分别给出了助燃剂添加量为3 %条件下不同配比的助燃剂对煤粉燃烧性能的影响。其中0 号代表原煤。表3 列出了热重法分析燃煤添加催化剂前后的主要性能指标。第3 期巨建涛,等:高炉喷吹煤粉添加助燃剂的研究·37　·

表3 　热重法分析燃煤添加助燃剂前后的

主要性能指标

配方着火点/ ℃ 燃尽温度/ ℃ 相对燃尽时间/ %

0 506. 5 684. 6 0. 0

1 506. 1 676. 5 - 4. 3

2 482. 5 633. 1 - 15. 4

3 477. 8 634. 9 - 11. 8

由图1 、图2 及表3 可看出,加入不同配方助燃剂对煤粉燃烧率的影响趋势基本相同,但影响程度不同。以2 号配方为例,与不添加助燃剂的煤粉相比,添加3 %的2 号配方助燃剂后,煤粉着火点降低了24 ℃,燃尽温度降低了51. 5 ℃,相对燃尽时间减少了15. 4 %。综合分析,2 配方最佳,最高可使燃烧率提高10 %～20 %左右。同时实验结果也表明不同种类的催化剂按照一定的比例复合构成的助燃剂将会比单一化合物催化剂取得更优的催化效果。在2 号配方的助燃剂中,既包含化剂也包含催化剂。氧化剂有助于提供燃烧在预热段、燃烧段和燃烬所必需的活性氧,促进煤在燃烧过程中释放可燃的挥发分和碳粒的燃烧。而催化剂中的铜、铁、锰等金属化合物受热分解出金属离

子,促进C = O 键的形成和加强,削弱煤中C2C 键使之易断裂,且C = O 键作为电子给予体与具有未满d 能带的过滤金属形成络合物CO2M+ (M+为添加剂的金属离子) ,该络合物担负着反应活性中心的作用。按照氧传递理论[ 5 ,6 ] 认为在加热条件下催化剂首先被还原成金属(或低价金属氧化物) ,然后依靠金属(或低价金属氧化物) 吸附氧气,使金属(或低价金属氧化物) 氧化得到金属氧化物(或高价金属氧化物) ,紧接着碳再次还原金属氧化物(或高价金属氧化物) ,就这样金属(或低金属氧化物) 一直处于氧化2还原循环中,在金属(或低价金属氧化物) 和氧化物(或高价金属氧化物) 2 种状态来回变动。从宏观上,氧原子不断从金属(或低价金属氧化物) 向碳原子传递,加快氧气扩散速度,使煤燃烧反应易于进行。2. 2 　加入量对煤粉催化效果的影响根据上述结果,采用2 号配方研究了助燃剂加入量对煤粉燃烧性能的影响,图3 给出了添加2 号配方1. 0 %～ 4. 0 %助燃剂后煤粉DTG曲线。图3 助燃剂不同加入量与原煤的DTG对比曲线图从图3 中可以看出,煤粉在添加了助燃剂后,助燃剂加入量为1 %和2 %试样的DTG曲线上的峰值变化不大,而添加了3 %试样的燃烧峰增高显著,但加入量4 %时试样的DTG曲线与加入量3 %时试样的DTG曲线相比较反而有下降的

趋势,由此可以看出助燃剂的添加量直接影响助燃效果。添加量不足,达不到强化燃烧的作用,而添加量过多,由于添加物包裹在炭粒表面,堵塞气孔,将导致煤的燃烧性能下降。助燃剂的添加量存在1 个最佳添加量比值。在实验条件一致的情况下,由于DSC 峰面积( S) 与所产生的总热量变化成正比。因此,峰面积增量就等于热量增量。根据国际热分析联合会( ICPA) 定义的峰面积为峰和基线之间所包围的

面积。如图4 所示ABCA 即为本实验中采用的峰面积,AC 为放热结束段DSC 曲线的外延。采用该方法利用软件可以测得原煤试样的放热面积为S = 16. 96 cm2 。同样可以测出其它试样的放热面积,结果见图5 。图5 表明,添加量在3 %的粉煤试样的放热面积达到了最大值,即燃烧效率最高。而加入量超过3 %以后放热面积减少,燃

烧效率有下降趋势。

3 　结　论

(1) 初步分析翼钢高炉喷煤用粉煤的燃烧特性,研究了合适的煤粉助燃剂对粉煤的助燃效果。结果表明,助燃剂能有效改善粉煤的燃烧特性,助燃剂在煤的燃烧过程中,主要充当了氧的活性载体,促进氧从气相向碳表面扩散,从而降低了其着火温度、提前燃尽温度, 以2 号配方效果最为显著。

·　38　·　钢铁研究第36 卷

(2) 采用计算放热面积法对比研究了2 号配方加入量对粉煤试样性能的影响。实验结果表明,加入量在3 %时,粉煤试样的放热面积最大,超过3 %以后燃烧效率有下降趋势。

[参考文献]

[ 1 ] 　魏国,杜鹤桂,刁日升. 攀钢高炉煤粉混加添加剂的实验研

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[ 2 ] 　徐万仁,杜鹤桂. 催化剂对煤粉燃烧催化剂的影响[J ] . 燃烧

化学学报,1995 ,23 (3) :2722277.

[ 3 ] 　武增华,寇鹏,许玲. 催化剂对煤的燃烧特性影响的计算机

辅助研究( Ⅳ) 过渡金属类催化剂对于煤燃烧的催化机制和

作用[J ] . 计算机与应用化学,1998 ,15 (1) :49252.

[ 4 ] 　沈峰满,彭雪飞,赵庆杰. MnO2 对煤粉燃烧的助燃作用及

机理[J ] . 钢铁,1998 ,33 (9) :123.

[5 ] 　徐谷衡. 煤催化燃烧机理[J ] . 同济大学学报,1993 , 21 (3) :

4152420.

[ 6 ] 　肖健立,康华,王振阳. 燃煤催化剂催化机理的探讨[J ] . 煤

炭技术,2002 , 21 (11) : 73275.

(收稿日期:2007211206)

(上接第6 页)

图4 　各种脱锰剂的使用效率知,铁氧化物是1 种最经济且比较有效的脱锰剂,是唯一1 种脱锰后不对铁水产生污染的材料。

(2) 铁氧化物有FeO 和Fe2O3 2 种形式,由于Fe2 O3 中w (O) 高于FeO中的,按质量分数计算,前者脱锰效率是后者的1. 35 倍。

(3) 选取了5 种含铁氧化物较高的原材料即铁精矿A、铁精矿B、除尘粉A、除尘粉B 和氧化铁皮,脱锰率由高到低排序为:铁精矿A、氧化铁

皮、除尘粉B、铁精矿B、除尘粉A。

(4) 铁红是w (Fe2O3 ) 最高的材料,而铁精矿A 的脱锰率与铁红非常相近,故铁精矿A 的脱锰率基本上达到了Fe2O3 能力的极限。

(5) 由于SiO2 氧势低于MnO ,脱锰反应总伴随脱硅反应,这2 种反应在5 min 左右基本就达到最大脱除率,10 min 后开始逐渐产生回硅、回锰现象,40 min 后脱硅率由90 %降到70 %左右,脱锰率由80 %降到40 %左右。

(收稿日期:2008201210__