添加助燃剂对煤粉燃烧性能的影响
添加助燃剂对煤粉燃烧性能的影响
摘要：为改善煤粉的燃烧效果、提高喷煤置换比，分析了高炉喷煤催化助燃剂的催化助燃机理及开发应用情况。采用TG-DTG-DSC方法考察了不含碱金属元素的助燃剂对煤粉燃烧效果的影响，并在此基础上进行了T业试验。研究表明：助燃剂对煤粉的助燃效果存在一最佳比例，在龙钢条件下，高炉喷煤添加1．7％的助燃剂后喷煤比、焦比指标得到明显改善。
关键词：高炉；喷煤；催化助燃剂
生产实践证明，随着高炉喷煤量的增加，风口前煤粉的燃烧率有逐渐下降的趋势，对煤粉的充分利用不利。燃烧率下降，未燃煤粉量增多，会影响高炉顺行，从而成为影响喷煤量进一步提高的限制因素。因此，提高煤粉的燃烧率成为学者比较关注的热点，目前，采用较多的技术有提高风温及富氧率，采用烟煤、无烟煤混喷等，而应脂助燃剂的研究相对较少。有学者认为，在煤粉中添加助燃剂足能有效提高煤粉燃烧率的措施。根据龙钢现有环境，本试验在试验室条件下，在煤粉中添加助燃剂对煤粉燃烧情况进行试验研究。
1 高炉喷煤催化助燃研究
关于燃煤催化剂的作用机理，目前存在氧传递和电子转移2种理论解释。氧传递理论认为通过催化剂对气态反应物的作用能够促进燃烧。例如，在煤中加入CuS()4，在加热条件下CuS04分解生成Cu分子，导致下列不分枝链锁反应：
2Cu+02—2CuO
2CuO+C一2Cu+CO2
这个链锁反应使C+Oz=C0。的反应变得容易进行。电子转移理论认为在气固两相反应物接触界面各点上存在两相间的电动势，燃烧反应的难易取决于该电动势的大小。加入催化剂后，在两相问产生了极性相反的离子化电位差，从而减弱了原有的电动势，降低了燃烧反应活化能，使煤或焦炭的燃烧变得容易进行。2种理论从不同角度解释了煤催化燃烧现象。
国内外许多学者对燃煤催化剂进行了大量实验研究。综合分析这些研究，可得出下列结论。
1)燃煤催化剂提高了煤的挥发分析出速率，降低了煤的着火温度，缩短了点火延迟时间，加快了焦炭燃尽速率，并具有脱硫脱氮的明显作用。
2)不同催化剂的催化作用是不同的。当阴离子一定时，不同阳离子的催化活性顺序是Cs>Rb>K>Na>Ba>Li>Sr>Ca>Mg>
Be，另有Cr>Mn、Fe>Ni、Co>Ca、Zn>Al、Cu>K等；当阳离子一定时，不同阴离子的催化活性顺序是OH>CO3>Cl>SO4，另外Ac的活性常在OH和C03上下。
3)碱金属、碱土金属和过渡元素的氧化物、氢氧化物及其盐类可用作燃煤催化剂；某些工业废物也是廉价的燃煤催化剂，例如造纸黑液、电石渣、铁渣、糠醛渣等
。
4)煤中灰分是内在的催化剂，灰分对外加催化剂的作用具有明湿影响。
2 高炉喷煤加入助燃剂应用试验
2．1 强化煤粉燃烧的催化助燃剂存在的问题
1)助燃剂在其它行业应用较多，但大部分助燃剂含有碱金属，而高炉恰恰对碱金属比较忌讳。
2)不含碱金属元素的助燃剂一般催化助燃效果差，加入量大，最好是2％～8％，当添加量小于1％时，效果不明显。
3)助燃剂危及安全生产，高炉喷煤尤其是喷吹烟煤是1项安全性要求极高的技术，系统含氧量升高、着火点降低等均会带来新的安全隐患。
4)国内外高炉喷煤尚未有工业性应用的报导。尽管为了强化高炉内煤粉的燃烧，许多学者进行了相关研究，但尚未进入工业性应用阶段。在国外，Tata钢厂7号高炉试验用了助燃添加剂来提高煤的燃烧率，首次使用效果令人可喜，表现在煤比增加上，即在吨铁i00 120 kg喷煤比时煤比增加了约10％。但采用的助燃添加剂为液态。一般在制粉前输送于煤床上使用，吨煤加入量约350～600 ml。
为此根据有关材料的性能，按照上述催化燃烧的机理，本试验选定了10余种材料作为添加剂
配方试验的原材料。
2．2 实验室应用试验
2．2．1 试验条件
本试验所用煤粉全部取自龙钢生产现场。试验所用助燃添加剂为新开发的助燃剂，其配方暂以1号和2号代码标识。将煤与助燃剂分别干燥、磨到全部小于0．074 mm，按一定比例(0.4％"--4％)将煤粉与助燃剂混合。试样质量35 mg，
氧气20 ml／min，升温速率30～50℃／min，起始温度25℃。试验对比分析加入不同比例的煤粉助燃剂前后的着火点、质量变化和燃烧时间，同时研究助燃剂加入量对煤粉燃烧效率的影响。
2．2．2试验方法
采用TGDTGDSC热分析方法。TG法(Thermo Gravimetric Analysis)是在程序温度控制下测量试样的质量随温度变化的1种技术，以一定的升温速度加热天平坩埚中的试样，记录试样的质量随温度的变化；将试样质量对时间求导，则得出导数热重分析DTG曲线，称为微商热重曲线。扫描量热法DSC(Differential Scanning Calorimetry)测定的是使样品与参比物温差为零时输入的能量与温度的关系。
2．2．3试验装置
采用德国NETZSCH公司生产的STA449C热重分析仪，该设备具有以下优点：一是它所采用的同步热分析(STA)技术可对1个试样同时做出TG和DSC／DTG(热重微分曲线)分析，TG和DSC／DTG分开做时，试样的各向异性和几何形状对试验结果的影响以及试验产生的样品气氛不一致对反应平衡的影响；二是该设备温度可达到1 650℃。
2．2．4燃烧率的计算方法
煤粉在高炉风口条件下的
燃烧过程中，煤粉的灰分是不可燃物质，不能进行燃烧，全部进入未燃煤粉中。因而，在高炉风口条件下的燃烧过程中，煤粉的灰分总量保持平衡。利用喷吹的煤粉量、煤粉的灰分含量、未燃煤粉的数量和灰分含量，根据灰分总量平衡就可以求出煤粉在高炉风口喷吹条件下的燃烧率。在试验过程中，喷进燃烧炉的实际煤粉量与计算所得的煤粉喷进量之间存在误差，因此使用可燃物质平衡计算法计算的煤粉燃烧率将偏大。为了保证用灰量平衡计算方法计算的煤粉燃烧率的精度，必须要求原煤和未燃煤粉的灰分分析绝对可靠，但原煤和未燃煤粉并不是非常均匀的，喷进燃烧炉的实际煤粉灰分与原煤灰分往往存在一定的差距，未燃煤粉的实际值与分析值也存在着差距，煤粉取样要有代表性。基于以上原冈，为保证试验结果的准确性，计算算术平均值，以煤粉燃烧率的算术平均值作为该种煤粉在煤粉燃烧炉中的燃烧率。
生产中助燃剂的加入方式为：在原煤进入中速磨之前(如果配煤则在配煤完成后)直接加入煤粉助燃剂，然后随原煤进入磨机，喷煤同常规操作。
2．3 试验结果
2．3．1 添加不同比例的助燃剂对煤燃烧率的影响
该试验主要研究了添加不同比例的助燃剂对煤的燃烧率影响。试验结果见表1及图1～图4。
试验条件下，助燃剂添加o．4％～4％，煤粉燃烧率提高了3％～7％，喷煤助燃添加剂对高炉设备与冶炼过程无害，通过理论计算焦比可降低6--8 kg／t。以置换比为0．8计算，吨铁可提高喷煤量8～10 kg。
助燃剂对煤粉的助燃效果存在1个最佳比例1．7％，大于或小于此值，助燃效果降低。这是因为煤粉中加入助燃添加剂会产生2种不同的效应：一是催化效应，促进煤的燃烧；另一个则是添加剂覆盖一部分碳表面，阻塞部分孔口，从而增加扩散阻力，阻碍煤的燃烧。当添加剂量较低时，前者起主导作用，使着火点下降较快，随着添加量进一步增加，前者减弱，后者渐强，从而使着火点下降缓慢甚至微升。
2．3．2富氧条件对煤粉燃烧率的影响
由图5至图8可以看出，无论单种煤还是混合煤粉的燃烧率均随鼓风富氧率的增加而相应提高，产生这种现象的原因是：在高炉风口条件下，固定碳的燃烧速度主要受氧在碳颗粒表面传质速度的限制，煤粉颗粒的燃烧速度与燃烧空间的氧成正比关系。因此，鼓风含氧量的增加有助于固定碳燃烧速度的明显提高，改善煤粉在高炉风口区的燃烧过程，从而提高煤粉在高炉风口喷吹条件下的燃烧率。
当鼓风富氧率从1％升高到3％时，l号煤粉40％粒度组成的燃烧率提高了
8．6％，70％粒度组成的燃烧率提高了6．5％；2号煤粉40％粒度组成的燃烧率提高了4．8％，70％粒度组成的燃烧率提高了6．2％；混合煤粉(1：1：1)40％粒度组成的燃烧率提高了10．7％，70％粒度组成的燃烧率提高了9．4％；混合煤粉(2：1)40％粒度组成的燃烧率提高了10．6％，70％粒度组成的燃烧率提高了11．2％。同时，我们发现随鼓风富氧率的逐渐提高，煤粉燃烧率升高的幅度有所降低。但富氧提高的隹铁成本是与鼓风中富氧率成一定比例关系的。考虑到经济因素，高炉喷煤在目前的技术经济条件下，富氧率不宜太高，以3％左右比较适宜。
3 结论
1)加入助燃剂可明显改善煤粉燃烧的动力学条件，助燃剂的助燃效果存在一最佳比例范围，在本次试验当中，煤粉中添加1．7％的新型助燃剂，吨铁煤比提高了8～10 kg。
2)高炉添加适量的喷煤助燃剂可明显提高煤粉利用率，起到提高喷煤量、降低焦比的效果。
3)增加煤粉中小于0．074mm的比例，提高富氧率，提高风温后，混合煤粉的燃烧率可大大提高，而在加人助燃剂后，能有效改善粉煤的燃烧特性。