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强化煤粉燃烧的添加剂研究

　　周明石　欧阳德刚　张奇光　肖坤伟
　　(武汉钢铁(集团)公司)

　　陆晓华　李如松　刘汉珍
　　(华中理工大学)
摘　要　在武钢高炉喷吹的无烟煤粉中掺入相当于煤粉量2 %的由几种材料组成的添加剂以改善煤粉燃烧性能。经差热分析仪的静态试验和滴管燃烧炉、卧式燃烧炉的动态试验，优选出强化煤粉燃烧的添加剂。经反复试验证明：优选的添加剂在实验室条件下，使煤粉着火温度降低20～30 ℃，燃烧速度提高近一倍，燃烧效率提高6 %，充分改善了煤粉的燃烧性能。
关键词　燃烧性能　强化燃烧　添加剂
A NEW ADDITIVES TO ENHANCE COAL POWDER COMBUSTION
　　ZHOU Mingshi　OUYANG Degang　ZHANG Qiguang　XIAO Kunwei
　　(Wuhan Iron & Steel(Group) Co.)
　　LU Xiaohua　LI Rusong　 LIU Hanzhen
　　(Huazhong University of Science and Technology)
ABSTRACT　About 2 % additives composed of several materials is added in the anthracite powder to improve the combustion properties of coal powder in BFs operation at WISCO.The composition of additives is optimized through the static experiment on heat balance and dynamic experiment on dropper combustion furnace and horizontal combustion furnace.Under the experiment conditions the following results have been obtained; the ignition temperature decreased by 20～30 ℃，the combustion rate increased nearly by 100 %,the combustion efficiency increased by 6 % and the combustion properties improved obviously.
KEY WORDS　combustion property,intensified combustion enhanced，additives
1　前言
　　随着焦炭供应的日趋紧张和炼铁燃料成本的不断提高，高炉喷吹煤粉的效果越来越引起冶金工作者的重视。影响煤粉喷吹量和置换比的因素很多，如高炉入炉风温、原料条件、设备状况、操作水平及煤粉自身性能、质量等。笔者认为，煤粉的燃烧性能参数，即煤粉的着火点、燃烧速度及燃烧效率等对煤粉喷吹的数量和质量影响甚大。就煤粉的燃烧而言，喷入高炉内的煤粉应在较短的时间内完成燃烧。如果煤粉在一定的时间内不能完全燃烧，则未完全燃烧的碳粒同灰分熔渣混在一起，将可能附集在风口燃烧区的焦炭上。这样，一方面减少了空气与焦炭的接触面积，影响焦炭的燃烧速度；另一方面混有碳粒的灰分熔渣的粘度大，流动性差，堵塞焦炭的可能性增大，而影响焦炭的透气性，导致高炉生产过程的压差升高，最终又影响喷煤量的提高和喷煤效果。降低煤粉的着火点、提高燃烧速度及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，在煤粉中掺入适量的添加剂，以降低煤粉入炉的着火温度，提高燃烧速度和燃烧效率。
2　试验研究的机理分析
　　煤粉中掺入改善其燃烧性能的添加剂，提高煤粉燃烧效率从理论上分析是可行的。进一步分析掺入添加剂改善燃烧效率的机理，从而寻求强化煤粉燃烧的添加剂的配方。
　　根据目前所采用的煤粉燃烧技术认为：煤粉的燃烧是其在受压空气作用下，流经煤粉管道，再经过煤粉燃烧器，然后喷入燃烧室进行的。在进行中有三个基本过程，即煤粉的加热、着火和燃烧。通过改善这三个基本过程来改善煤粉的燃烧特性。
　　煤种及其微观组成对煤粉燃烧的影响研究表明，活性体粒子具有较强的热变种性，活性体粒子的破泡和膨胀，基本依赖于塑性发展速率和挥发分气体释放速率的平衡。在活性体粒子的燃烧过程中，燃烧不仅发生在固体表面，并且由于其孔性而发生在颗粒内部，从而有效地提高了其燃烧特性。
　　由灰分对煤粉燃烧的影响研究可知，灰分中各种矿物对煤燃烧的潜在影响包括以下几个方面：热力影响；辐射特性影响；颗粒破裂特性影响；催化燃烧；阻碍燃烧。从煤粉燃烧飞灰的形成过程看，燃烧前，原煤粉的挥发分、碳和灰本身已有一定裂纹，加热后挥发分逸出，碳开始燃烧而被消耗，灰分开始熔融。裂纹进一步扩大和加深。继续燃烧，则灰分出现凝聚现象，热熔化的灰分杂质熔在一起，在燃尽的末期，随着裂纹的进一步加深，变弱的碳结构发生破裂，碎片将完全燃烧而留下灰分，生成碎片的数目取决于每个原始煤粒所能形成的飞灰颗粒的数目。
　　对于灰分的催化作用，许多研究结果表明，一些碱性物质已经表现出可增加焦炭的反应性，特别是在低温时，这种作用更加明显。
　　根据上述燃烧机理，改善煤粉燃烧特性，提高活性粒子浓度和煤粉破裂性能，前人的经验是加入碱性物质，有利于原始煤粉裂纹的扩展加深，提高飞灰熔体凝聚性能，有望提高煤粉破裂的性能。另外从活性粒子的燃烧来看，低温时，熔体的形成有利于煤粒的变形和煤粒的表面燃烧，达到提高活性粒子的数目。为此根据有关材料的性能，按照上述催化燃烧的机理，选定了10余种材料作为添加剂配方试验的原材料。
3　试验过程及结果分析
　　试验过程分为静态和动态两步。静态试验在差热分析仪上进行，以确定添加剂的基本配方。动态试验在滴管燃烧炉和卧式燃烧炉上进行，以验证添加剂对改善煤粉燃烧性能的作用及效果。
3.1　静态试验
3.1.1　添加剂选用材料的催化性能试验
　　根据原材料的化学性能，先将多种不同的对高炉生产无不利影响的单组分材料分为两批，通过正交设计，用差热分析仪试验。
　　做材料的催化性能试验时，添加剂所用材料的量在煤粉量的0.5 %～6.0 %范围内选择。在差热分析仪上，将掺有添加剂的煤粉与原煤粉在同等条件下进行对比试验，测定煤粉的着火温度和燃烧速度。从首批试样的结果分析，选用的材料组成的添加剂大部分能改善煤粉燃烧性能，着火温度由399 ℃降低到365 ℃，燃烧速度由1.01 mg/min提高到2.42 mg/min。但是有的材料组合成的添加剂没有催化燃烧的效果，反而有阻碍燃烧的负作用。定性试验表明，适宜的材料种类和数量的组合是添加剂能否改善煤粉燃烧性能的关键。
　　在上述试验的基础上，为了扩大添加剂选材的范围和寻求更佳更稳定的催化效果，除了增加新的试验材料外，还调整了添加剂材料的用量，使材料的用量控制在煤粉量的0.01 %～3.0 %的范围。淘汰了有负作用的材料和配方，保留催化效果明显的组分。再次试验的结果表明，调整后的添加剂使煤粉的燃烧性能普遍改善，其中着火温度最高可降低34 ℃，燃烧速度最高可提高100 %以上。分析表明：E材料不论是对煤粉着火温度的影响，还是对燃烧速度的提高都是最明显的，因此E材料是煤粉添加剂的首选材料。
3.1.2　添加剂配方的选定
　　经过催化性能试验及正交设计计算分析，E材料的催化燃烧的效果十分明显。配合H、J两种材料共同使用，添加剂对煤粉催化燃烧的效果更佳。将三种材料组合的添加剂催化试验结果列于表1。
　　表 1为差热分析仪反复试验的平均结果，其数据表明，1号、2号添加剂由E、H、J三种材料组成，占煤粉量2.1 %，充分改善了煤粉燃烧性能。其中着火温度降低21～29 ℃，燃烧速度提高近一倍。
3.2　滴管燃烧炉试验
　　滴管燃烧炉是实验室进行动态试验的主要设备之一(图 1)。
表 1　添加剂不同配方的催化效果
　　Table 1　Catalylic effect of different additive composition

序号
添加剂材料代号及用量
(占煤粉量)/%
着火
温度/
℃
燃烧速度/
mg*min-1
E
H
J
K
1
0.05
2.0
0.05
—
425
2.61
2
0.05
2.0
0.03
—
433
2.35
3
0.05
—

0.05
—
428
0.77
4
0.05
—
0.03
—
467
1.05
5
0.05
0.05
0.05
—
437
1.90
6
0.05
—
—
0.05
440
1.79
原煤
—
—
—
—
454
1.24

图 1　滴管燃烧炉流程示意图
　　Fig.1　Schematic diagram of dropper combustion furnace
　　　　滴管燃烧炉的煤粉燃烧试验是在炉内温度，一次、二次风量，给煤速度等条件相同的情况下，掺有添加剂的煤粉同原煤进行对比试验。添加剂使用表1中的1号2号配方，另外两个试样的添加剂材料作了适量调整，对比试验的结果列于表2。
表 2　滴管燃烧炉试验结果
　　Table 2　Experimental results in dropper
combustion furnace

配方编号
原煤
1
2
3
4
燃烧效率/%
27.45
61.09
36.90
41.23
43.19
CO/%
0.04
0.014
0.035
0.025
0.03
CO2/%
1.5
5.0
3.0
4.0
1.5

　　滴管燃烧炉的燃烧效率试验是在900 ℃的温度下进行的，从试验的结果看，在相同的燃烧条件下，掺有添加剂的煤粉与原煤相比，燃烧率有明显提高，烟气中的CO含量普遍降低，CO2含量升高。同时在试验过程中发现，原煤在燃烧过程中仅有火星闪烁，而掺有添加剂的煤粉在燃烧时有较明亮的火焰。
3.3　卧式燃烧炉试验
　　经过滴管炉燃烧试验后将添加剂配方筛选调整，在卧式燃烧炉上进一步进行燃烧效率试验。
　　卧式炉的总长度为4 m，横截面为0.35 m×0.5 m，燃烧室设计热负荷为3 344 kJ/h，截面热负荷为1.91 GJ/(m2*h)。燃烧室两侧墙沿程开有测孔，可进行温度测量，并可观察炉内燃烧火焰。灰渣样则采用等速取样系统在尾部观察孔取得。卧式燃烧炉流程图见图2。

图 2　卧式燃烧炉流程示意图
　　Fig.2　Schematic diagram of horizontal combustion furnace
1—鼓风机；2—空气加热器；3—风管；4—二次风分配器；5—煤粉仓；
6—给粉机；7—一次风调节阀；8—直流电机；9—二次风调节阀；
10—观察孔；11—燃烧室本体；12—测量孔；13—旋风分配器
　　卧式燃烧炉的试验参数在对比试验期间基本保持不变。
　　卧式燃烧炉的试验结果列于表3。试验结果表明，掺有添加剂的1号、2号煤粉样的燃烧效率不论在何种状态下均高于原煤。两种不同的添加剂掺入煤粉中，在稳定燃烧的状况下其燃烧效率是接近的。而2号煤粉样更易达到稳定状况，且燃烧温度高。
表 3　卧式燃烧炉试验结果
　　Table 3　Experimental results in horizontal
combustion furnace

煤样编号
稳定状况时燃烧
效率/%
停油15 min燃
烧效率/%
原煤
84.02
80.8
1
89.9
82.8
2
90.7
89.4

3.4　添加剂对不同煤粉粒度的影响
　　由差热分析仪的静态试验及滴管炉、卧式炉的燃烧试验表明，1号添加剂的配方对改善煤粉燃烧性能的综合效果最为明显。
　　为了明确添加剂对不同粒度煤粉的影响，以表1的1号添加剂配方为基础对不同粒度组成的煤粉进行对比试验。添加剂对煤粉燃烧性能的影响示于图3。在现场生产所要求的粒度下，添加剂对煤粉燃烧性能的改善效果更为明显。
4　结语
　　(1) 通过差热分析仪试验，使用研制的煤粉添加剂，使武钢现场用无烟煤粉在实验室条件下，着火温度降低20～30 ℃，燃烧速度提高近一倍。
　　(2) 经滴管炉和卧式炉的燃烧试验，研制的添加剂可以使煤粉在稳定的燃烧状况下燃烧效率提高6 %。
　　(3) 添加剂所使用的原材料对高炉生产无不利影响；添加剂的使用量相当于煤粉量的2.1 %，便于高炉生产的控制。
　　(4) 煤粉粒度只要达到现场生产的要求，添加剂就能达到改善煤粉燃烧性能的较佳效果。

图 3　煤粉粒度与着火温度、燃烧速度的关系
　　Fig.3　Relation between ignition temperature,combustion
rate and coal powder size
●—无添加剂；○—掺添加剂