蔣友源¹，鄭林¹，劉竹林²，但家云¹，郝春暉²，張波²

（1.湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司，湖南湘潭411101；2.湖南工業(yè)大學(xué)冶金與材料工程學(xué)院，湖南株洲412007）

　　摘要：基于煤粉及煤粉與生物質(zhì)炭的混合試樣進(jìn)行工業(yè)分析、熱重分析。研究煤粉中占不同比例的生物質(zhì)炭對(duì)煤粉燃燒率的影響。結(jié)果表明，隨著生物質(zhì)炭所占比例的增加，試樣的著火點(diǎn)硫含量均降低，燃燒速度加快，燃燒率增加，有利于高爐的冶煉。

　　高爐采用煤粉代替部分焦炭進(jìn)行噴吹熔煉，可有效降低生鐵生產(chǎn)成本，強(qiáng)化冶煉[1-2]。但由于煤炭資源的不可再生，尋求一種清潔、可再生資源進(jìn)行替代就成為必然趨勢(shì)。生物質(zhì)燃料作為一種可再生資源，我國(guó)的儲(chǔ)量非常豐富，總量相當(dāng)于50億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。生物質(zhì)燃料如麥秸稈的可燃成分碳、氫總量可達(dá)到40%以上，而且其中的灰分以及硫、磷含量很低，可以在高爐煉鐵中替代部分碳質(zhì)燃料[3]。日本JFE公司[4]研究了生物質(zhì)燃料在300℃下干燥粉碎，與煤混合后在焦?fàn)t內(nèi)經(jīng)過(guò)干儲(chǔ)工序制成焦炭，用作高爐煉鐵。

　　在高爐噴吹過(guò)程中，煤粉的燃燒率對(duì)高爐冶煉至關(guān)重要，燃燒率太低則噴入的煤粉不能及時(shí)燃燒而產(chǎn)生過(guò)多的未燃煤粉，隨著煤氣流上升，附著在焦炭表面，堵塞了焦炭的孔隙，從而影響高爐的透氣性，造成高爐爐況異常和噴煤資源的浪費(fèi)。據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)[5-8]，打煤粉燃燒率大于85%時(shí)，高爐各項(xiàng)指標(biāo)正常，可以獲得較大的煤焦置換比，有效地降低生鐵生產(chǎn)成本。生物質(zhì)燃料應(yīng)用于高爐噴吹，需探明生物質(zhì)燃料的混入比例對(duì)煤粉的燃燒率的影響，并確定較佳的混入比例，為實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)燃煤粉噴吹的工業(yè)化提供理論參考。

　　1試驗(yàn)

　　1.1原料

　　試驗(yàn)用煤粉為湘鋼4號(hào)高爐煉鐵現(xiàn)場(chǎng)采集的標(biāo)準(zhǔn)樣品，荔枝木炭為外購(gòu)。原料進(jìn)行預(yù)處理，其步驟如下：

　　（1）破碎：先將荔枝木炭粉放入額式破碎機(jī)中，破碎為15mm的顆粒，然后用密封式化驗(yàn)制樣粉碎機(jī)粉碎10min，得到小于120μm的生物質(zhì)炭試樣。

　　（2）配樣：將荔枝木炭粉按質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、20%和30%的配比方案進(jìn)行炭、煤混合，混勻后從這3種混合試樣及生物質(zhì)炭粉和煤粉中各自稱(chēng)取50g得到5組試樣，裝袋備用。將荔枝質(zhì)炭與煤粉的3種混合試樣分別用“B10”、“B20”、“B30”表示，其下標(biāo)表示混合樣中配加生物質(zhì)炭的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。

　　1.2工業(yè)分析

　　工業(yè)分析[9]也叫技術(shù)分析或者實(shí)用分析，是一種常用的煤炭化驗(yàn)手段，包括對(duì)燃料中的灰分、揮發(fā)分、水分的測(cè)定以及固定碳的計(jì)算。本試驗(yàn)主要采用工業(yè)分析儀（SDTGA5000，德國(guó)）對(duì)試樣的水分、揮發(fā)分及灰分進(jìn)行測(cè)定。

　　1.3燃燒率的計(jì)算

　　燃燒率的測(cè)定：每次試驗(yàn)從準(zhǔn)備好的試樣中稱(chēng)取5mg樣品均勻地鋪在微機(jī)差熱天平（HCT-4，北京恒久）的氧化鋁堆堀底部。設(shè)置空氣流量為60ml/min，升溫速率為10℃/min，將試樣由室溫加熱至900℃，保證試樣燃燒完全（試樣重量不再發(fā)生明顯變化）。

　　計(jì)算燃燒率時(shí)，僅考慮試樣中可燃物的燃燒失重。燃燒率的計(jì)算公式如下：

　　2結(jié)果分析與討論

　　2.1試樣的工業(yè)分析結(jié)果

　　5種碳質(zhì)燃料試樣的工業(yè)分析結(jié)果見(jiàn)表1。

　　由表1可知，煤粉中混加生物質(zhì)炭能夠明顯提高煤粉中的揮發(fā)分含量，且灰分含量明顯降低。燃料中灰分的減少有利于高爐冶煉。同時(shí)根據(jù)文獻(xiàn)[10]，煤粉中的揮發(fā)分含量每增加10%，燃燒率提高18%?19%。對(duì)于高爐噴吹用煤粉來(lái)說(shuō)，揮發(fā)分含量適當(dāng)提高，促進(jìn)高爐內(nèi)的間接還原，有利于高爐煉鐵生產(chǎn)。其次，試驗(yàn)煤粉中混加荔枝木炭，可顯著降低煤粉中的硫含量，且生物質(zhì)炭的混合比例越大，煤粉中的硫含量越小。降低煤粉中的硫含量有利于高爐冶煉低硫生鐵，提高生鐵質(zhì)量、減少渣量、降低生產(chǎn)成本。此外，煤粉中配加生物質(zhì)炭后，固定碳含量降低，故煤粉中生物質(zhì)炭的配加比例不應(yīng)過(guò)高。

　　2.2煤粉與混合試樣的燃燒過(guò)程

　　采用微機(jī)差熱天平對(duì)試樣進(jìn)行了熱重一差熱分析，圖1分別為煤粉和20%的荔枝木炭與80%的煤粉混合試樣的TG-DTG-DTA曲線。

　　由圖1可知，試樣的燃燒過(guò)程可分為3個(gè)階段：開(kāi)始預(yù)熱階段、燃燒階段和燃盡階段。在預(yù)熱階段，試樣由室溫開(kāi)始加熱，溫度升高，試樣中的水分開(kāi)始蒸發(fā)并有少量的揮發(fā)分析出，TG曲線略微下降，DTG曲線有一個(gè)很小的失重峰，DTA曲線有一個(gè)輕微的吸熱峰。當(dāng)溫度升高到試樣的著火溫度后，試樣中的揮發(fā)分大量析出并燃燒，引燃試樣中的固定碳，進(jìn)入燃燒階段，TG曲線呈階梯狀迅速下降，DTG曲線出現(xiàn)兩個(gè)峰值，失重速率變化明顯，DTA曲線有兩個(gè)明顯的放熱峰。對(duì)于煤粉來(lái)說(shuō)，第一個(gè)放熱峰是煤粉中的揮發(fā)分大量析出并燃燒產(chǎn)生的，第二個(gè)是由于固定碳燃燒放出了大量的熱量；對(duì)于混合試樣而言，第一個(gè)放熱峰產(chǎn)生于試樣中的揮發(fā)分和生物質(zhì)炭中的固定碳燃燒，第二個(gè)峰產(chǎn)生于煤粉中的固定碳燃燒產(chǎn)生。固定碳燃燒完畢后，試樣進(jìn)入燃盡階段，在該階段試樣幾乎已經(jīng)不再燃燒，失重量非常小，TG曲線和DTG曲線基本為直線，燃燒結(jié)束。

　　采用TG-DTG切線[11-12]對(duì)TG-DTG-DTA結(jié)果進(jìn)行分析，可以確定試樣燃燒的著火溫度，如表2所示。

　　煤粉中配加荔枝木炭能使試樣的著火點(diǎn)降低，且混合試樣中生物質(zhì)炭所占的比例越大，著火點(diǎn)越低。這主要是因生物質(zhì)炭中含有較高的揮發(fā)分，揮發(fā)分含量高則著火點(diǎn)低。故將生物質(zhì)炭和煤粉混合后，試樣中的揮發(fā)分含量增加，著火溫度隨之降低。

　　為了更直觀地觀察煤粉及煤粉與生物質(zhì)炭的混合試樣燃燒過(guò)程的差異，對(duì)其TG曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖2所示。

　　由圖2可知，向煤粉中添加生物質(zhì)炭后，試樣燃燒的TG曲線下降加速，即試樣的燃燒速度加快，燃燒時(shí)間變短，試樣燃燒更充分。這主要是因?yàn)槊悍壑刑砑恿松镔|(zhì)炭后，揮發(fā)分的含量增加，使著火點(diǎn)降低，揮發(fā)分的燃燒釋放出大量的熱量預(yù)熱了固定碳[13]，且生物質(zhì)炭中的固定碳為多孔結(jié)構(gòu)[14]，能夠與助燃?xì)怏w充分接觸，促進(jìn)了燃燒過(guò)程的進(jìn)行。

　　2.3試樣燃燒率的計(jì)算結(jié)果與分析

　　對(duì)試樣進(jìn)行熱重分析試驗(yàn)后，可根據(jù)燃燒率的計(jì)算公式計(jì)算試樣的燃燒率。高爐內(nèi)的溫度很高，煤粉進(jìn)入高爐后馬上就會(huì)上升到著火溫度進(jìn)行燃燒，因此，本次試驗(yàn)僅計(jì)算試樣燃燒至500℃，600℃和700℃時(shí)的燃燒率，如圖3所示。

　　由圖3可知，混合試樣的燃燒率均高于單一煤粉，且隨著溫度的增高和木質(zhì)炭配加比例增大而增高。在500℃時(shí)，混合試樣的燃燒率要高于湘鋼噴吹用煤粉的燃燒率，其主要原因是荔枝木炭中的揮發(fā)分含量高于煤粉中的揮發(fā)分，向煤粉中加入生物質(zhì)炭后，混合試樣中的揮發(fā)分含量增加，且木炭的著火溫度為350?400℃，所以500℃時(shí)混合試樣燃燒率提高。當(dāng)溫度升高到600℃時(shí)，煤粉的燃燒率比500℃時(shí)提高了7.43%；混合試樣的燃燒率高于煤粉，且隨著生物質(zhì)炭配加比例而增加。當(dāng)溫度升高到700℃，煤粉的燃燒率分別為74.66%，混合試樣的燃燒率均大于82.16%，且添加比例為30%時(shí)，混合試樣的燃燒率達(dá)到90.73%。

　　3結(jié)論

　　（1）生物質(zhì)炭具有灰分含量低、揮發(fā)分含量高、硫含量低的優(yōu)點(diǎn)，煤粉中配加生物質(zhì)炭可以提高煤粉的質(zhì)量和燃燒率，有利于高爐的冶煉。

　　（2）隨著生物質(zhì)炭比例的增加，試樣的著火點(diǎn)降低，燃燒速度加快，試樣的燃燒率增加，且混合試樣的燃燒率均大于82.16%。

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