高炉喷吹煤粉的粉体流动性与煤质相关性

D0I:10.13374/.issn1001-053x.2012.04.013 第34卷第4期 北京科技大学学报 Vol.34 No.4 2012年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2012 高炉喷吹煤粉的粉体流动性与煤质相关性 张卫东12》祁成林) 张建良)四马超” 1)北京科技大学治金与生态工程学院，北京1000832)首钢京唐钢铁有限责任公司，唐山063200 ☒通信作者，E-mail:jl.zhang@metall.sth.cdu.cm 摘要利用Cr粉体流动指数法评价高炉喷吹煤粉的流动特性及喷流特性，研究了煤岩显微组分、变质程度等煤质特性对 高炉喷吹煤粉流动性的影响.研究发现，流动特性与喷流特性几乎呈负相关.煤变质程度对煤粉流动特性及喷流特性都有显 著影响.变质程度低的烟煤，流动特性差，喷流特性好：变质程度高的无烟煤，流动特性好，喷流特性差.镜质组体积分数为 60%~70%时，流动特性指数较差：体积分数在83%~95%，由于影响因素较多，流动特性与镜质组没有相关性.丝质组与喷 流特性正相关，与流动特性负相关.矿旷物质与煤粉流动性无相关性. 关键词高炉：喷煤：流动性：显微组分 分类号TF053 Correlation between the powder flow ability and coal quality of pulverized coal for a blast furnace ZHANG Wei--long,2),QI Cheng-in',ZHANG Jian--liang)☒，MA Chao》 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Shougang Jingtang United Iron Steel Co.Ld,Tangshan 063200,China Corresponding author E-mail:jl.zhang@metall.ustb.edu.cn ABSTRACT Carr's flowability index was used to evaluate the flow ability and the jet flow characteristic of pulverized coal for a blast furnace.The effects of coal characteristics including maceral and coal rank on the flow ability during pulverized coal injection in a blast furnace were investigated.The results show that the correlation between the flow ability and the jet flow characteristic is almost nega- tive.Coal rank has remarkable effect on the flow ability and the jet flow characteristic.Bituminous coal with a low metamorphic grade has a poor flow ability and an excellent jet flow characteristic,but anthracite coal with a high metamorphic grade has an excellent flow ability and a poor jet flow characteristic.When the volume fraction of vitrinite is between 60%and 70%,the flowability index is poor. There is no correlation between the flow ability and vitrinite when the volume fraction of vitrinite is between 83%and 90%because of too many influencing factors.Inertinite shows a positive correlation with the jet flow but a negative correlation with the flow ability.It is not correlative between mineral and the flow ability. KEY WORDS blast furnaces:pulverized coal injection:fluidity:maceral 高炉喷吹工艺从煤粉的制备、输送、分配、计量 常可以认为，在同样的外部条件下，煤粉在风口回旋 到设备的防磨等方面，均涉及气固两相流动的问 区弥散度越大，相应的煤粉燃烧率越高，煤粉放出的 题.煤粉流动性对高炉喷吹用煤的整个喷吹过程 有效热量随之增高，用低价的煤粉代替高价的焦炭 都有着非常重要的意义.煤粉的流动性包含流动特 的效果更加明显. 性与喷流特性两部分：流动特性主要是管道运输、堆 目前，关于如何在实验室测量与现场较为接近 放等高炉外部煤粉的输送性能；煤粉的喷流特性则 的高炉喷吹煤粉的流动性研究较少.有学者使用安 是指煤粉喷入高炉后，在风口回旋区的弥散性.通 息角来判断煤粉的输送性能，通常认为煤粉的安息 收稿日期：20110202 基金项目：国家科技支撑计划资助项目(2011BAC01B02)

第 34 卷 第 4 期 2012 年 4 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 34 No． 4 Apr． 2012 高炉喷吹煤粉的粉体流动性与煤质相关性 张卫东1，2) 祁成林1) 张建良1) 马 超1) 1) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 2) 首钢京唐钢铁有限责任公司，唐山 063200 通信作者，E-mail: jl． zhang@ metall． ustb． edu． cn 摘 要 利用 Carr 粉体流动指数法评价高炉喷吹煤粉的流动特性及喷流特性，研究了煤岩显微组分、变质程度等煤质特性对 高炉喷吹煤粉流动性的影响． 研究发现，流动特性与喷流特性几乎呈负相关． 煤变质程度对煤粉流动特性及喷流特性都有显 著影响． 变质程度低的烟煤，流动特性差，喷流特性好; 变质程度高的无烟煤，流动特性好，喷流特性差． 镜质组体积分数为 60% ～ 70% 时，流动特性指数较差; 体积分数在 83% ～ 95% ，由于影响因素较多，流动特性与镜质组没有相关性． 丝质组与喷 流特性正相关，与流动特性负相关． 矿物质与煤粉流动性无相关性． 关键词 高炉; 喷煤; 流动性; 显微组分 分类号 TF053 Correlation between the powder flow ability and coal quality of pulverized coal for a blast furnace ZHANG Wei-dong1，2) ，QI Cheng-lin1) ，ZHANG Jian-liang1) ，MA Chao 1) 1) School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Shougang Jingtang United Iron ＆ Steel Co． Ltd，Tangshan 063200，China Corresponding author E-mail: jl． zhang@ metall． ustb． edu． cn ABSTRACT Carr's flowability index was used to evaluate the flow ability and the jet flow characteristic of pulverized coal for a blast furnace． The effects of coal characteristics including maceral and coal rank on the flow ability during pulverized coal injection in a blast furnace were investigated． The results show that the correlation between the flow ability and the jet flow characteristic is almost nega￾tive． Coal rank has remarkable effect on the flow ability and the jet flow characteristic． Bituminous coal with a low metamorphic grade has a poor flow ability and an excellent jet flow characteristic，but anthracite coal with a high metamorphic grade has an excellent flow ability and a poor jet flow characteristic． When the volume fraction of vitrinite is between 60% and 70% ，the flowability index is poor． There is no correlation between the flow ability and vitrinite when the volume fraction of vitrinite is between 83% and 90% because of too many influencing factors． Inertinite shows a positive correlation with the jet flow but a negative correlation with the flow ability． It is not correlative between mineral and the flow ability． KEY WORDS blast furnaces; pulverized coal injection; fluidity; maceral 收稿日期: 2011--02--02 基金项目: 国家科技支撑计划资助项目( 2011BAC01B02) 高炉喷吹工艺从煤粉的制备、输送、分配、计量 到设备的防磨等方面，均涉及气固两相流动的问 题［1］． 煤粉流动性对高炉喷吹用煤的整个喷吹过程 都有着非常重要的意义． 煤粉的流动性包含流动特 性与喷流特性两部分: 流动特性主要是管道运输、堆 放等高炉外部煤粉的输送性能; 煤粉的喷流特性则 是指煤粉喷入高炉后，在风口回旋区的弥散性． 通 常可以认为，在同样的外部条件下，煤粉在风口回旋 区弥散度越大，相应的煤粉燃烧率越高，煤粉放出的 有效热量随之增高，用低价的煤粉代替高价的焦炭 的效果更加明显． 目前，关于如何在实验室测量与现场较为接近 的高炉喷吹煤粉的流动性研究较少． 有学者使用安 息角来判断煤粉的输送性能，通常认为煤粉的安息 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2012.04.013

第4期 张卫东等：高炉喷吹煤粉的粉体流动性与煤质相关性 431· 角越小，煤粉的流动性越好，因为新磨碎的煤粉表面 性及喷流特性的影响出发，研究不同的煤质对管道 吸附气体，在煤粉表面形成气膜，煤粉表面的气膜可 堆积、存储、管道流动特性和煤粉在风口区弥散度的 使煤粉颗粒之间的摩擦阻力减小.此外，新磨煤粒 影响. 均带同性电荷，具有相互之间的斥力，这也是造成煤 实验设备采用BT-1000型粉体综合特性测试 粉流动性减小的一个重要原因回.但是，笔者认为 仪.煤粉采用最为常见的七种高炉喷吹用煤，分别 以安息角作为高炉喷吹煤粉的流动性的判定依据， 选取无烟煤、贫瘦煤和烟煤，几乎包含了中国常用高 论据略显不足，且安息角也不易测量.Car粉体流 炉喷吹用煤的所有煤质 动指数法是实验室判定高炉喷吹煤粉流动性较好的 实验用煤粉70%以上粒度小于0.074mm.在 方法，方便且更加接近高炉喷吹实际情况.王玉会 工业分析中，煤粉均采用空气干燥基，七种煤的工业 等对煤粉粒度、煤粉含水率对煤粉的Car流动性指 分析结果如表1所示；煤岩分析采用OPTON一蔡 数的影响做了详细的研究同.本文的研究首先是针 司一Ⅱ反射显微镜数点法观测，其煤岩成分分析结 对煤粉的灰分、挥发分和固定碳对煤粉在管道中的 果如表2所示 流动特性及喷流特性的影响，重点介绍不同喷吹用 表1煤粉的工业分析结果（质量分数） 煤的煤岩组分与流动特性及喷流特性的关系，期望 Table 1 Proximate analysis results of the coal samples 可以对指导高炉大喷吹合理配煤及作为高煤比操作 编号 煤种 挥发分 灰分 固定碳 的一个理论指导依据 1 阳泉煤 5.75 10.45 83.80 1实验原料与方法 潞安煤A 7.28 10.36 82.36 潞安煤B 11.48 10.39 78.13 采用Car流动指数法来评价高炉喷吹煤粉的 官地喷煤 12.99 8.62 78.39 流动性A).Car指数的测定方法主要是以大量的 5 清徐煤 14.29 10.16 75.55 实验数据为基础，然后将实验数据与Car表对照以 6 神华煤 30.24 7.77 61.99 及指数加和，最终得出判别不同煤粉流动特性及喷 7 府谷煤 34.28 6.66 59.06 流特性好坏的数据.本文仅从煤粉的煤质对流动特 表2煤粉的显微组分分析结果（体积分数） Table 2 Composition analysis results of coal maceral % 编号 煤种 镜质组 半镜质组 丝质组 半丝质组 壳质组 黏土类 碳酸盐 1 阳泉煤 89.30 2.34 9.36 潞安煤A 88.29 2.44 9.27 3 潞安煤B 92.61 0.50 6.90 官地喷煤 92.61 1.14 0.56 0.57 5.11 清徐煤 86.00 0.40 6.64 6 神华煤 59.21 6.93 10.05 17.82 0.40 4.95 0.20 府谷煤 52.14 7.98 23.93 9.97 1.14 3.74 1.14 煤岩组分分为七个小种类，镜质组、半镜质组、 匀度，以上数据皆由实验测得.煤粉的喷流特性包 丝质组、半丝质组、壳质组、黏土类和碳酸盐.由于 括崩溃角、差角、分散度和流动特性。崩溃角、差角 有些数值在某一煤种上没有体现，所以把以上七小 和分散度由实验测得.将测定值对照Cr流动性指 类归纳为三大类：镜质组*=镜质组+半镜质组；丝 数表求出各指数，然后对各指数求和得到煤粉的流 质组*=丝质组+半丝质组；矿物质*=壳质组+黏 动性评价 土类+碳酸盐 压缩率是通过松装密度和振实松装密度得到 的，压缩率越低则煤粉越不容易在煤粉仓、罐中压 2结果与讨论 实.自然坡度角即煤粉自然堆积的角度.均匀度由 2.1煤粉的流动性结果 日本株式会社清新企业LMS-30激光衍射、散射式 煤粉流动性包括煤粉的流动特性及喷流特性， 粒度分布测定仪测量，其分散剂为水，其值表示煤粉 流动特性主要包括自然坡度角、压缩率、板勺角和均 颗粒的均匀程度，该值对煤粉燃烧程度影响较大

第 4 期 张卫东等: 高炉喷吹煤粉的粉体流动性与煤质相关性 角越小，煤粉的流动性越好，因为新磨碎的煤粉表面 吸附气体，在煤粉表面形成气膜，煤粉表面的气膜可 使煤粉颗粒之间的摩擦阻力减小． 此外，新磨煤粒 均带同性电荷，具有相互之间的斥力，这也是造成煤 粉流动性减小的一个重要原因［2］． 但是，笔者认为 以安息角作为高炉喷吹煤粉的流动性的判定依据， 论据略显不足，且安息角也不易测量． Carr 粉体流 动指数法是实验室判定高炉喷吹煤粉流动性较好的 方法，方便且更加接近高炉喷吹实际情况． 王玉会 等对煤粉粒度、煤粉含水率对煤粉的 Carr 流动性指 数的影响做了详细的研究［3］． 本文的研究首先是针 对煤粉的灰分、挥发分和固定碳对煤粉在管道中的 流动特性及喷流特性的影响，重点介绍不同喷吹用 煤的煤岩组分与流动特性及喷流特性的关系，期望 可以对指导高炉大喷吹合理配煤及作为高煤比操作 的一个理论指导依据． 1 实验原料与方法 采用 Carr 流动指数法来评价高炉喷吹煤粉的 流动性［4--5］． Carr 指数的测定方法主要是以大量的 实验数据为基础，然后将实验数据与 Carr 表对照以 及指数加和，最终得出判别不同煤粉流动特性及喷 流特性好坏的数据． 本文仅从煤粉的煤质对流动特 性及喷流特性的影响出发，研究不同的煤质对管道 堆积、存储、管道流动特性和煤粉在风口区弥散度的 影响． 实验设备采用 BT--1000 型粉体综合特性测试 仪． 煤粉采用最为常见的七种高炉喷吹用煤，分别 选取无烟煤、贫瘦煤和烟煤，几乎包含了中国常用高 炉喷吹用煤的所有煤质． 实验用煤粉 70% 以上粒度小于 0. 074 mm． 在 工业分析中，煤粉均采用空气干燥基，七种煤的工业 分析结果如表 1 所示; 煤岩分析采用 OPTON--蔡 司--Ⅱ反射显微镜数点法观测，其煤岩成分分析结 果如表 2 所示． 表 1 煤粉的工业分析结果( 质量分数) Table 1 Proximate analysis results of the coal samples % 编号 煤种 挥发分 灰分 固定碳 1 阳泉煤 5. 75 10. 45 83. 80 2 潞安煤 A 7. 28 10. 36 82. 36 3 潞安煤 B 11. 48 10. 39 78. 13 4 官地喷煤 12. 99 8. 62 78. 39 5 清徐煤 14. 29 10. 16 75. 55 6 神华煤 30. 24 7. 77 61. 99 7 府谷煤 34. 28 6. 66 59. 06 表 2 煤粉的显微组分分析结果( 体积分数) Table 2 Composition analysis results of coal maceral % 编号 煤种 镜质组 半镜质组 丝质组 半丝质组 壳质组 黏土类 碳酸盐 1 阳泉煤 89. 30 — 2. 34 — — 9. 36 — 2 潞安煤 A 88. 29 — 2. 44 — — 9. 27 — 3 潞安煤 B 92. 61 — 0. 50 — — 6. 90 — 4 官地喷煤 92. 61 1. 14 0. 56 — 0. 57 5. 11 — 5 清徐煤 86. 00 — 0. 40 — — 6. 64 — 6 神华煤 59. 21 6. 93 10. 05 17. 82 0. 40 4. 95 0. 20 7 府谷煤 52. 14 7. 98 23. 93 9. 97 1. 14 3. 74 1. 14 煤岩组分分为七个小种类，镜质组、半镜质组、 丝质组、半丝质组、壳质组、黏土类和碳酸盐． 由于 有些数值在某一煤种上没有体现，所以把以上七小 类归纳为三大类: 镜质组★ = 镜质组 + 半镜质组; 丝 质组★ = 丝质组 + 半丝质组; 矿物质★ = 壳质组 + 黏 土类 + 碳酸盐． 2 结果与讨论 2. 1 煤粉的流动性结果 煤粉流动性包括煤粉的流动特性及喷流特性， 流动特性主要包括自然坡度角、压缩率、板勺角和均 匀度，以上数据皆由实验测得． 煤粉的喷流特性包 括崩溃角、差角、分散度和流动特性． 崩溃角、差角 和分散度由实验测得． 将测定值对照 Carr 流动性指 数表求出各指数，然后对各指数求和得到煤粉的流 动性评价． 压缩率是通过松装密度和振实松装密度得到 的，压缩率越低则煤粉越不容易在煤粉仓、罐中压 实． 自然坡度角即煤粉自然堆积的角度． 均匀度由 日本株式会社清新企业 LMS--30 激光衍射、散射式 粒度分布测定仪测量，其分散剂为水，其值表示煤粉 颗粒的均匀程度，该值对煤粉燃烧程度影响较大，一 ·431·

·432 北京科技大学学报 第34卷 般认为均匀度大将使燃烧率较低.由于水分对煤粉 在烘箱于110℃下烘干，然后进行各个指数的测定 流动性的影响较大，所以在实验前先把磨好的煤粉 测得结果如表3所示 表3煤粉的Car流动性指数及喷流特性指数 Table 3 Carr's flowability index and jet flow index of coal samples 松散松装密度/振实松装密度/自然坡板勺压缩均匀崩遗差角/ 分散 流动性流动性喷流性 喷流性 煤种 (g"cm-3) (gm)度角/(~)角1（°）率1%度角1)() 度1% 指数 描述 指数 描述 阳泉煤 74.20 98.0 35.058.6024.285.1428.56.5 9.05 64.5 父 59.5 为 潞安煤A 54.71 83.2 49.0 72.6034.245.2840.09.015.60 53.0 57.5 中 璐安煤B 78.50 90.0 37.0 68.3012.785.35 39.07.5 17.84 73.5 好 61.0 中 官地喷煤 81.50 96.5 45.5 68.2015.544.93 30.0 9.0 4.50 68.5 普通 55.0 中 清徐煤 84.50 93.5 40.5 54.67 9.63 5.50 34.5 6.0 11.22 78.0 好 59.0 中 神华煤 69.00 89.8 39.5 68.8323.165.15 31.58.026.10 58.0 中 65.0 安 府谷煤 57.50 75.5 42.074.5023.845.1929.013.032.00 55.5 差 78.5 好 流动特性指数由压缩率、自然坡角、板勺角和均 (1)固定碳与流动特性指数的关系.固定碳是 匀度决定.如表3所示，各煤粉对应的均匀度，对照 影响煤粉与管道之间的摩擦程度重要因素.本实验 Car指数表，对应值相差不大.压缩率、自然坡角和 研究得出的固定碳与流动特性指数的关系如图1 板勺角都表示煤粉的堆积、输送性能。压缩率即为 所示. 振实松装密度与松散松装密度之差与振实松装密度 80 的商值.清徐煤流动特性好，主要是因为松散松装 ·流动特性指数 密度高，单位体积所装的煤粉较多，压缩率低，同时 75 板勺角小，塑性较差，这种煤粉有利于在管道内随着 效70 气流的输送.对于喷流性的判断，神化煤与府谷煤 65 的分散度较大，也就是所谓的在风口前的弥散度较 大，这是造成喷流性能较好的重要原因.从表3还 烟煤 能得出，流动性好的煤粉，喷流特性必然较差：流动 55 性差的煤粉对煤粉管道的摩擦较大，喷流特性较强， 在风口回旋区内的覆盖面积较广.因此，与无烟煤 60 65 70 75 80 85 固定碳质量分数% 相比，烟煤除了本身含氢较多容易促进燃烧外，自身 图1固定碳质量分数与Cr流动特性指数的关系 的喷流性亦较高，在风口回旋区易燃烬. Fig.I Relationship between the mass fraction of fixed carbon and 2.2煤粉工业分析结果与流动性的关系 Carr's flowability index 工业分析也称作高炉治炼喷吹煤粉的技术分析 或实用分析，其中包括水分、灰分、挥发分和固定碳. 从图1可以看出，煤粉流动特性指数随固定碳 煤工业分析是炼铁工作者初步了解煤质特性的主要 质量分数的增加呈先缓慢递增后快速递减的趋势. 指标，也是基本手段，是评价煤质的基本依据因.本 烟煤的固定碳质量分数为57%~63%，流动特性指 文通过研究工业分析煤粉中的组分对高炉喷吹煤粉 数为55~60，流动特性指数较低.随着煤变质程度 流动特性及喷流特性的影响，为炼铁操作人员提供 的升高，即由烟煤变化到贫瘦煤固定碳质量分数达 简单的初步判定高炉喷吹煤粉的流动特性及喷流特 到75%~80%，流动特性指数也达到较高的数值. 性的方法.实验过程中，煤粉在110℃下烘干，所以 当煤质再升高，由贫瘦煤变化到无烟煤时，固定碳质 认为煤粉中不含游离水，而结合水都算在挥发分中. 量分数超过80%，流动特性指数迅速下降.由此可 2.2.1煤粉工业分析中不同组分与流动特性指数 见，当单种煤粉固定碳质量分数在75%左右时，该 的关系 煤粉流动特性指数最佳. 流动特性指数是评价煤粉在高炉喷吹过程中的 (2)灰分与流动特性指数的关系.在煤粉中， 输送性能，以及煤粉与管道之间的摩擦程度，煤粉中 除了固定碳对管道有摩擦作用，煤粉中灰分对流动 的固定碳及灰分是影响流动特性指数的重要因素 特性指数依然有影响，这种影响如图2所示

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 般认为均匀度大将使燃烧率较低． 由于水分对煤粉 流动性的影响较大，所以在实验前先把磨好的煤粉 在烘箱于 110 ℃ 下烘干，然后进行各个指数的测定 测得结果如表 3 所示． 表 3 煤粉的 Carr 流动性指数及喷流特性指数 Table 3 Carr's flowability index and jet flow index of coal samples 煤种 松散松装密度/ ( g·cm － 3 ) 振实松装密度/ ( g·cm － 3 ) 自然坡 度角/( °) 板勺 角/( °) 压缩 率/% 均匀 度 崩溃 角/( °) 差角/ ( °) 分散 度/% 流动性 指数 流动性 描述 喷流性 指数 喷流性 描述 阳泉煤 74. 20 98. 0 35. 0 58. 60 24. 28 5. 14 28. 5 6. 5 9. 05 64. 5 中 59. 5 中 潞安煤 A 54. 71 83. 2 49. 0 72. 60 34. 24 5. 28 40. 0 9. 0 15. 60 53. 0 差 57. 5 中 璐安煤 B 78. 50 90. 0 37. 0 68. 30 12. 78 5. 35 39. 0 7. 5 17. 84 73. 5 好 61. 0 中 官地喷煤 81. 50 96. 5 45. 5 68. 20 15. 54 4. 93 30. 0 9. 0 4. 50 68. 5 普通 55. 0 中 清徐煤 84. 50 93. 5 40. 5 54. 67 9. 63 5. 50 34. 5 6. 0 11. 22 78. 0 好 59. 0 中 神华煤 69. 00 89. 8 39. 5 68. 83 23. 16 5. 15 31. 5 8. 0 26. 10 58. 0 中 65. 0 好 府谷煤 57. 50 75. 5 42. 0 74. 50 23. 84 5. 19 29. 0 13. 0 32. 00 55. 5 差 78. 5 好 流动特性指数由压缩率、自然坡角、板勺角和均 匀度决定． 如表 3 所示，各煤粉对应的均匀度，对照 Carr 指数表，对应值相差不大． 压缩率、自然坡角和 板勺角都表示煤粉的堆积、输送性能． 压缩率即为 振实松装密度与松散松装密度之差与振实松装密度 的商值． 清徐煤流动特性好，主要是因为松散松装 密度高，单位体积所装的煤粉较多，压缩率低，同时 板勺角小，塑性较差，这种煤粉有利于在管道内随着 气流的输送． 对于喷流性的判断，神化煤与府谷煤 的分散度较大，也就是所谓的在风口前的弥散度较 大，这是造成喷流性能较好的重要原因． 从表 3 还 能得出，流动性好的煤粉，喷流特性必然较差; 流动 性差的煤粉对煤粉管道的摩擦较大，喷流特性较强， 在风口回旋区内的覆盖面积较广． 因此，与无烟煤 相比，烟煤除了本身含氢较多容易促进燃烧外，自身 的喷流性亦较高，在风口回旋区易燃烬． 2. 2 煤粉工业分析结果与流动性的关系 工业分析也称作高炉冶炼喷吹煤粉的技术分析 或实用分析，其中包括水分、灰分、挥发分和固定碳． 煤工业分析是炼铁工作者初步了解煤质特性的主要 指标，也是基本手段，是评价煤质的基本依据［6］． 本 文通过研究工业分析煤粉中的组分对高炉喷吹煤粉 流动特性及喷流特性的影响，为炼铁操作人员提供 简单的初步判定高炉喷吹煤粉的流动特性及喷流特 性的方法． 实验过程中，煤粉在 110 ℃ 下烘干，所以 认为煤粉中不含游离水，而结合水都算在挥发分中． 2. 2. 1 煤粉工业分析中不同组分与流动特性指数 的关系 流动特性指数是评价煤粉在高炉喷吹过程中的 输送性能，以及煤粉与管道之间的摩擦程度，煤粉中 的固定碳及灰分是影响流动特性指数的重要因素． ( 1) 固定碳与流动特性指数的关系． 固定碳是 影响煤粉与管道之间的摩擦程度重要因素． 本实验 研究得出的固定碳与流动特性指数的关系如图 1 所示． 图 1 固定碳质量分数与 Carr 流动特性指数的关系 Fig． 1 Relationship between the mass fraction of fixed carbon and Carr's flowability index 从图 1 可以看出，煤粉流动特性指数随固定碳 质量分数的增加呈先缓慢递增后快速递减的趋势． 烟煤的固定碳质量分数为 57% ～ 63% ，流动特性指 数为 55 ～ 60，流动特性指数较低． 随着煤变质程度 的升高，即由烟煤变化到贫瘦煤固定碳质量分数达 到 75% ～ 80% ，流动特性指数也达到较高的数值． 当煤质再升高，由贫瘦煤变化到无烟煤时，固定碳质 量分数超过 80% ，流动特性指数迅速下降． 由此可 见，当单种煤粉固定碳质量分数在 75% 左右时，该 煤粉流动特性指数最佳． ( 2) 灰分与流动特性指数的关系． 在煤粉中， 除了固定碳对管道有摩擦作用，煤粉中灰分对流动 特性指数依然有影响，这种影响如图 2 所示． ·432·

第4期 张卫东等：高炉喷吹煤粉的粉体流动性与煤质相关性 ·433· 80 ·流动特性指数 80 75 ·喷流特性指数 贫瘦煤 75 烟煤 70 65 g60 尤烟煤 烟 60 55 贫瘦燥 ■ ■ 50 6.57.07.58.08.59.09.510.010.511.0 10 152025 3035 灰分质量分数% 挥发分质量分数% 图2灰分质量分数与Car流动特性指数的关系 图3挥发分质量分数与喷流特性指数的关系 Fig.2 Relationship between the mass fraction of ash and Carr's flow Fig.3 Relationship between the mass fraction of volatile and jet flow ability index index 如图2所示：灰分与流动特性指数的关系趋势 灰分对煤粉喷流特性指数的影响示于图4.高 与固定碳与流动特性指数趋势基本相同，烟煤灰分 炉喷吹煤粉，行业规定煤粉灰分质量分数必须小于 较小，流动特性指数较差：贫瘦煤灰分质量分数为 12%.当所研究的煤粉灰分质量分数从6.5%增加 8.5%~10.0%,流动特性指数较好：无烟煤灰分超 到8.5%，喷流特性指数呈减少趋势，虽然灰分质量 过10%，流动特性指数呈迅速递减的趋势且流动性 分数超过8.5%后，煤粉的喷流指数有所增加，但基 指数相差较大，这主要是在灰分递增的过程中，流动 本上仍属于较差的水平.此现象与低挥发分、高灰 特性指数降低得太快所致.根据煤岩分析，图1和 分在风口区不易燃烧刚好吻合，也可以作为解释低 图2如此变化的原因可以认为是，一般变质程度较 挥发分、高灰分在风口不易燃烧的重要原因之一· 低的烟煤，固定碳低，灰分低，而变质程度相对较高 的贫瘦煤及无烟煤，固定碳高，灰分也要比烟煤高一 花 ·喷流特性指数 些.从显微类型来看，煤的相对密度随着变质程度 的增大而增大也是原因之一切 70 2.2.2煤粉工业分析中不同组分与喷流特性指数 65 关系 喷流特性指数是评价煤粉在高炉喷吹过程中在 60 风口回旋区的弥散程度.煤粉在高炉风口前回旋区 燃烧较为特殊，距离短1~3m,燃烧时间短只有10~ 6.57.07.58.08.59.09.510.010.511.0 灰分质量分数% 20ms,温度高2050~2300℃，这种燃烧情况下，煤 图4灰分质量分数与喷流特性指数的关系 粉在高炉风口前的弥散度即煤粉的喷流特性，将会 Fig.4 Relationship between the mass fraction of ash and jet flow in- 成为煤粉在风口前燃烧程度的限制性环节.通过流 dex 动特性指数、分散度、差角和崩溃角建立起煤粉喷流 特性指数的评价体系.煤粉中的挥发分及灰分含量 2.3煤粉煤岩组分与煤粉流动性之间的关系 是影响喷流特性指数的重要因素.本实验研究中得 长期以来高炉实际生产过程中是以混煤的挥发 出的挥发分与喷流特性指数之间的关系如图3 分来决定煤粉的燃烧性能，这种经验判断的方式来 所示. 预测煤粉的燃烧性能，虽然极不科学，但是仍然取得 从图3可以看出，煤粉挥发分质量分数在15% 了一定的效果.这种方法有一定的理论基础，煤粉 以下时，即煤粉的变质程度在贫瘦煤以下时.高炉 的燃烧性能与煤的化学成分密切相关，也会受到煤 内煤粉的喷吹特性较差，也就是说，无烟煤和贫瘦煤 质的影响.煤是一种极其复杂的有机物质混合体， 的喷流特性指数较差：烟煤区域，煤粉喷流特性指数 挥发分相同、变质程度相似的情况下，煤粉的显微组 较好，且随着煤粉挥发分质量分数的增加，喷流特性 分是否相同，决定着煤粉的流动性，若煤粉显微组分 指数增加较快.从图3的规律中可以得出，挥发分 不同，它们的流动特性指数及喷流特性指数就会有 越高，煤粉的喷流特性指数越大. 很大的不同.因此仅用煤粉的工业分析来判断煤粉

第 4 期 张卫东等: 高炉喷吹煤粉的粉体流动性与煤质相关性 图 2 灰分质量分数与 Carr 流动特性指数的关系 Fig． 2 Relationship between the mass fraction of ash and Carr's flow ability index 如图 2 所示: 灰分与流动特性指数的关系趋势 与固定碳与流动特性指数趋势基本相同，烟煤灰分 较小，流动特性指数较差; 贫瘦煤灰分质量分数为 8. 5% ～ 10. 0% ，流动特性指数较好; 无烟煤灰分超 过 10% ，流动特性指数呈迅速递减的趋势且流动性 指数相差较大，这主要是在灰分递增的过程中，流动 特性指数降低得太快所致． 根据煤岩分析，图 1 和 图 2 如此变化的原因可以认为是，一般变质程度较 低的烟煤，固定碳低，灰分低，而变质程度相对较高 的贫瘦煤及无烟煤，固定碳高，灰分也要比烟煤高一 些． 从显微类型来看，煤的相对密度随着变质程度 的增大而增大也是原因之一［7］． 2. 2. 2 煤粉工业分析中不同组分与喷流特性指数 关系 喷流特性指数是评价煤粉在高炉喷吹过程中在 风口回旋区的弥散程度． 煤粉在高炉风口前回旋区 燃烧较为特殊，距离短1 ～ 3 m，燃烧时间短只有10 ～ 20 ms，温度高 2 050 ～ 2 300 ℃，这种燃烧情况下，煤 粉在高炉风口前的弥散度即煤粉的喷流特性，将会 成为煤粉在风口前燃烧程度的限制性环节． 通过流 动特性指数、分散度、差角和崩溃角建立起煤粉喷流 特性指数的评价体系． 煤粉中的挥发分及灰分含量 是影响喷流特性指数的重要因素． 本实验研究中得 出的挥发 分 与 喷 流 特 性 指 数 之 间 的 关 系 如 图 3 所示． 从图 3 可以看出，煤粉挥发分质量分数在 15% 以下时，即煤粉的变质程度在贫瘦煤以下时． 高炉 内煤粉的喷吹特性较差，也就是说，无烟煤和贫瘦煤 的喷流特性指数较差; 烟煤区域，煤粉喷流特性指数 较好，且随着煤粉挥发分质量分数的增加，喷流特性 指数增加较快． 从图 3 的规律中可以得出，挥发分 越高，煤粉的喷流特性指数越大． 图 3 挥发分质量分数与喷流特性指数的关系 Fig． 3 Relationship between the mass fraction of volatile and jet flow index 灰分对煤粉喷流特性指数的影响示于图 4． 高 炉喷吹煤粉，行业规定煤粉灰分质量分数必须小于 12% ． 当所研究的煤粉灰分质量分数从 6. 5% 增加 到 8. 5% ，喷流特性指数呈减少趋势，虽然灰分质量 分数超过 8. 5% 后，煤粉的喷流指数有所增加，但基 本上仍属于较差的水平． 此现象与低挥发分、高灰 分在风口区不易燃烧刚好吻合，也可以作为解释低 挥发分、高灰分在风口不易燃烧的重要原因之一． 图 4 灰分质量分数与喷流特性指数的关系 Fig． 4 Relationship between the mass fraction of ash and jet flow in￾dex 2. 3 煤粉煤岩组分与煤粉流动性之间的关系 长期以来高炉实际生产过程中是以混煤的挥发 分来决定煤粉的燃烧性能，这种经验判断的方式来 预测煤粉的燃烧性能，虽然极不科学，但是仍然取得 了一定的效果． 这种方法有一定的理论基础，煤粉 的燃烧性能与煤的化学成分密切相关，也会受到煤 质的影响． 煤是一种极其复杂的有机物质混合体， 挥发分相同、变质程度相似的情况下，煤粉的显微组 分是否相同，决定着煤粉的流动性，若煤粉显微组分 不同，它们的流动特性指数及喷流特性指数就会有 很大的不同． 因此仅用煤粉的工业分析来判断煤粉 ·433·

·434 北京科技大学学报 第34卷 的组分与高炉喷吹煤粉的流动特性及喷流特性之间 80 的关系存在一定的局限性，不能全面反映煤粉的 ■喷流特性指数 特性. 75 煤岩组分是判断煤粉成因特性的重要条件之 一.近年来，煤岩学已经广泛应用于治金学科中，其 狼65 ◆ 中以炼焦配煤最为突出图.随着高炉喷吹煤比的不 60 断攀升，很多学者已经开始利用煤岩学来研究煤粉 55 的燃烧机理，但是利用煤岩学来解析高炉喷吹 55 606570758085 9095 煤粉的其他性质还不多见.本文力图利用煤岩学理 镜质红体积分数% 论通过煤的成因不同来解析高炉喷吹煤粉的流动特 图6镜质组体积分数与喷流特性指数的关系 性及喷流特性 Fig.6 Relationship between the volume fraction of vitrinite and jet 2.3.1煤岩组分与流动特性之间的关系 flow index 煤岩组分中单一某个组分不足以说明煤粉的流 2.3.2丝质组与煤粉流动性之间的关系 动特性及喷流特性，但是某一组分会在某一区域对 (1)丝质组与流动特性指数的关系.烟煤中丝 高炉喷吹煤粉的流动性起一定的作用，并且还可用 质组的含量与流动特性指数的关系如图7所示.从 来综合评估煤质组分对高炉喷吹煤粉流动特性及喷 图中可以看出，在丝质组体积分数达27%以上的烟 流特性的影响. 煤中，流动特性较差.丝质组越少时，一般来说，煤 (1)镜质组与流动特性指数的关系.烟煤中镜 粉的流动特性越好 质组含量与流动特性指数的关系如图5所示.烟煤 80 的镜质组体积分数为60%~70%，其流动特性指数 75- ·流动特性指数 较差：无烟煤及贫瘦煤的镜质组体积分数为83%~ 95%,其煤粉的流动特性与镜质组含量之间没有具 英70叶 ■ 体的相关性.但是，可以把镜质组体积分数达到 83%~95%的煤粉分为无烟煤及贫瘦煤两个区域 60 总体来说，贫瘦煤的流动性指数比无烟煤高 55 80 50 分 ·流动特性指数 101520253035 丝质组休积分数慨 贫瘦煤 燕70 图7丝质组体积分数与流动特性指数的关系 Fig.7 Relationship between the volume fraction of inertinite and Carr's flowability index 是60 (2)丝质组与喷流特性的关系.烟煤中丝质组 的含量与喷流特性指数的关系如图8所示.从图中 505 60 65 70758085 9095 可以看出：丝质组含量越低，喷流特性越差：丝质组 镜质组体积分数% 含量越高，煤粉的喷流特性越强。变质程度低的烟 图5镜质组体积分数与流动特性指数的关系 煤丝质组含量越高，变质程度越高，丝质组含量越 Fig.5 Relationship between the volume fraction of vitrinite and 低，此性质可补充说明烟煤的喷流特性较好的特点 Carr's flowability index 解释其原因：从结构特点来看，丝质组中非芳香 (2)镜质组与喷流特性的关系.烟煤中镜质组 碳较少，但碳含量很高，芳香层较大，甚至有学者认 的含量与喷流特性指数的关系如图6所示.从图中 为丝质组的结构是在晶粒周围含有一些氢和氧的无 可以看出镜质组含量与喷流特性关系显著，镜质组 定形碳.根据其他研究者)用X射线衍射分析的结 含量越低煤粉的喷流特性越好，越容易喷吹：相反镜 果，随着煤化度的加深，X射线衍射谱线是变化的， 质组含量越高，喷流特性越差.由于镜质组具有凝 有机质基本结构单元的稠环芳香层增大，碳原子平 胶体特性，对喷流特性影响显著，所以补充说明了固 面网间距缩小，平行和定向排列不断地趋于规则化， 定碳多，喷流特性差的原因 到无烟煤阶段有机质才出现类似于石墨呈规则排列

北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 的组分与高炉喷吹煤粉的流动特性及喷流特性之间 的关系存在一定的局限性，不能全面反映煤粉的 特性． 煤岩组分是判断煤粉成因特性的重要条件之 一． 近年来，煤岩学已经广泛应用于冶金学科中，其 中以炼焦配煤最为突出［8］． 随着高炉喷吹煤比的不 断攀升，很多学者已经开始利用煤岩学来研究煤粉 的燃烧机理［9--12］，但是利用煤岩学来解析高炉喷吹 煤粉的其他性质还不多见． 本文力图利用煤岩学理 论通过煤的成因不同来解析高炉喷吹煤粉的流动特 性及喷流特性． 2. 3. 1 煤岩组分与流动特性之间的关系 煤岩组分中单一某个组分不足以说明煤粉的流 动特性及喷流特性，但是某一组分会在某一区域对 高炉喷吹煤粉的流动性起一定的作用，并且还可用 来综合评估煤质组分对高炉喷吹煤粉流动特性及喷 流特性的影响． ( 1) 镜质组与流动特性指数的关系． 烟煤中镜 质组含量与流动特性指数的关系如图 5 所示． 烟煤 的镜质组体积分数为 60% ～ 70% ，其流动特性指数 较差; 无烟煤及贫瘦煤的镜质组体积分数为 83% ～ 95% ，其煤粉的流动特性与镜质组含量之间没有具 体的相关性． 但是，可以把镜质组体积分数达到 83% ～ 95% 的煤粉分为无烟煤及贫瘦煤两个区域． 总体来说，贫瘦煤的流动性指数比无烟煤高． 图 5 镜质组体积分数与流动特性指数的关系 Fig． 5 Relationship between the volume fraction of vitrinite and Carr's flowability index ( 2) 镜质组与喷流特性的关系． 烟煤中镜质组 的含量与喷流特性指数的关系如图 6 所示． 从图中 可以看出镜质组含量与喷流特性关系显著，镜质组 含量越低煤粉的喷流特性越好，越容易喷吹; 相反镜 质组含量越高，喷流特性越差． 由于镜质组具有凝 胶体特性，对喷流特性影响显著，所以补充说明了固 定碳多，喷流特性差的原因． 图 6 镜质组体积分数与喷流特性指数的关系 Fig． 6 Relationship between the volume fraction of vitrinite and jet flow index 2. 3. 2 丝质组与煤粉流动性之间的关系 ( 1) 丝质组与流动特性指数的关系． 烟煤中丝 质组的含量与流动特性指数的关系如图 7 所示． 从 图中可以看出，在丝质组体积分数达 27% 以上的烟 煤中，流动特性较差． 丝质组越少时，一般来说，煤 粉的流动特性越好． 图 7 丝质组体积分数与流动特性指数的关系 Fig． 7 Relationship between the volume fraction of inertinite and Carr's flowability index ( 2) 丝质组与喷流特性的关系． 烟煤中丝质组 的含量与喷流特性指数的关系如图 8 所示． 从图中 可以看出: 丝质组含量越低，喷流特性越差; 丝质组 含量越高，煤粉的喷流特性越强． 变质程度低的烟 煤丝质组含量越高，变质程度越高，丝质组含量越 低，此性质可补充说明烟煤的喷流特性较好的特点． 解释其原因: 从结构特点来看，丝质组中非芳香 碳较少，但碳含量很高，芳香层较大，甚至有学者认 为丝质组的结构是在晶粒周围含有一些氢和氧的无 定形碳． 根据其他研究者［7］用 X 射线衍射分析的结 果，随着煤化度的加深，X 射线衍射谱线是变化的， 有机质基本结构单元的稠环芳香层增大，碳原子平 面网间距缩小，平行和定向排列不断地趋于规则化， 到无烟煤阶段有机质才出现类似于石墨呈规则排列 ·434·