【文章內(nèi)容簡介】 爆炸性能測定儀測定的煤粉返回火焰長度，一般認(rèn)為反回火焰長度大于400mm時為強(qiáng)爆炸性煤，小于400mm時則為弱爆炸性煤，若僅在火源處出現(xiàn)稀少火星或無火星則屬于無爆炸性煤。（2） 三口瓶爆炸實(shí)驗(yàn)中煤粉發(fā)生爆炸時的氣氛含氧濃度。氣氛含氧濃度越高則煤粉爆炸性能越弱。（3） 煤粉的揮發(fā)分含量，一般認(rèn)為，煤粉的可燃基揮發(fā)分小于10%的為無爆炸性煤，大于10%則為爆炸性煤，大于25%的為強(qiáng)爆炸性煤。高爐噴吹煤粉爆炸性指標(biāo)常采用第1種標(biāo)準(zhǔn)。第2種標(biāo)準(zhǔn)因測得的氣氛氧濃度有時變化很小而不明顯，因此不便于比較。第3種標(biāo)準(zhǔn)只能進(jìn)行粗略的判斷，因?yàn)閾]發(fā)分相同的煤，粒度不同則爆炸性能也不同。其中影響煤粉爆炸性能的主要因素有揮發(fā)分含量、煤粉粒度、水分含量、煤粉懸浮濃度等。 高爐噴吹煤粉的燃燒過程 高爐生產(chǎn)中，噴吹的煤粉燃燒狀況不同于一般實(shí)驗(yàn)爐，故煤粉燃燒實(shí)驗(yàn)結(jié)果會與實(shí)際高爐中的燃燒存在很大差別。因?yàn)閇10]：（1）高爐風(fēng)口氣體流速很快，在燃燒區(qū)內(nèi)的停留時間不超過l0毫秒。（2）在循環(huán)區(qū)內(nèi)煤和焦炭同時進(jìn)行燃燒，因此煤氣成份隨循環(huán)區(qū)內(nèi)燃燒的進(jìn)行而急劇變化。（3）焦炭溫度高達(dá)2000℃以上，比實(shí)驗(yàn)爐的爐壁溫度高得多。因此有必要了解實(shí)際高爐生產(chǎn)中煤粉的燃燒情況。高爐煤粉噴槍位于直吹管的前端，離高爐風(fēng)口回旋區(qū)很近，一般大型高爐直吹管的內(nèi)徑為200mm左右，連同風(fēng)口回旋區(qū)在內(nèi)的煤粉燃燒空間很小。直吹管內(nèi)熱風(fēng)速度達(dá)到100～200m/s，故煤粉的停留時間很短。燃燒學(xué)表明，燃燒空間不足或燃燒時間不足都將導(dǎo)致燃料不完全燃燒。因此，在有限的燃燒空間和時間內(nèi)必須提高煤粉的燃燒率才能保證其完全燃燒。研究表明[1]，煤粉從噴槍噴入直吹管，是一個從冷煤粉突然噴入到900～1250℃熱風(fēng)的瞬間過程。此時煤粉的加熱速率達(dá)103～106k/s，燃燒溫度可高達(dá)2000℃，接近爆炸火焰的加熱速度和溫度。在此加熱速度下，煤粉燃燒的預(yù)熱、干燥、脫氣、揮發(fā)、著火、揮發(fā)分燃燒等過程交叉進(jìn)行。煤粉噴入高爐后其均相反應(yīng)與非均相反應(yīng)有如下幾種：（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）（9）高爐煤粉燃燒和氣化反應(yīng)是在一定壓力下進(jìn)行的，與常壓下炭的燃燒和氣化不同。且在一定壓力下燃燒過程的參數(shù)變化比較復(fù)雜，如各組分氣相密度變大，氧分子、CO2等氣體的擴(kuò)散系數(shù)變小。 高爐噴煤的傳質(zhì)過程高爐噴吹煤粉的粒度一般為200目（約74um)，載氣運(yùn)動強(qiáng)烈，且高爐直吹管中熱風(fēng)動量很大，使得煤粉顆粒與其周圍熱風(fēng)的相對速度逐漸減小。最終對傳質(zhì)系數(shù)影響較大，不利于氧分子向半焦表面的擴(kuò)散，也不利于燃燒反應(yīng)產(chǎn)物由反應(yīng)表面向外擴(kuò)散，從而影響了煤粉的燃燒反應(yīng)速度[1]。 高爐煤粉噴吹工藝高爐煤粉噴吹工藝可分為間接噴吹和直接噴吹兩種[11]。（1）間接噴吹工藝，即制粉系統(tǒng)和高爐旁噴吹站分開，通過罐車或倉式泵氣力輸送，將煤粉送至高爐附近的噴吹站，再向高爐噴吹煤粉。此噴吹工藝可以充分發(fā)揮磨煤機(jī)的生產(chǎn)能力，任一磨煤機(jī)均可向任一噴吹站供粉，出現(xiàn)故障時也能保證高爐連續(xù)噴煤。并且煤粉不易堵塞，適應(yīng)性較強(qiáng)，可向多座高爐供粉，特別適于新增制粉站遠(yuǎn)、高爐又多的冶金企業(yè)的改造。但其缺點(diǎn)是投資高，動力消耗大。這種噴吹工藝在國內(nèi)外都有使用。（2）直接噴吹工藝，即制粉系統(tǒng)和高爐噴吹站共建在一個廠房內(nèi)，磨煤機(jī)制備的煤粉通過煤粉倉下的噴吹罐組直接噴入高爐。其優(yōu)點(diǎn)是取消了煤粉輸送系統(tǒng)，簡化了流程，新建高爐大多采用這種工藝。根據(jù)煤粉容器受壓力情況可將噴吹設(shè)施分為常壓和高壓噴吹兩種。根據(jù)噴吹系統(tǒng)的布置可分為串罐噴吹和并罐噴吹。根據(jù)噴吹管的條數(shù)又可分為單管路噴吹和多管路噴吹。串罐噴吹即將煤粉倉、中間罐和噴吹罐從上到下依次重疊布置。這種噴吹系統(tǒng)的噴吹罐具有連續(xù)運(yùn)行、噴吹穩(wěn)定、設(shè)備利用率高、廠房占地面積小等優(yōu)點(diǎn)。并罐噴吹工藝即將兩個或多個噴吹罐并列布置，一個噴吹罐噴煤時，另一個噴吹罐進(jìn)行裝煤和充壓，噴吹罐輪流噴吹煤粉。并罐噴吹具有工藝簡單、設(shè)備少、廠房低、建設(shè)投資少、計(jì)量方便等優(yōu)點(diǎn)。單管路噴吹即噴吹罐下只設(shè)一條噴吹管路的噴吹工藝。其具有工藝簡單、設(shè)備少、投資低、維修量小、易實(shí)現(xiàn)自動化等優(yōu)點(diǎn)。在噴吹高揮發(fā)分的煙煤時，采用單管路噴吹可以較好地解決由于死角處的煤粉自燃和因回火而引起爆炸的可能性。因此，目前高爐多采用單管路噴吹。多管路噴吹即從噴吹罐引出多條噴吹管且每條噴吹管都連接一支噴槍的工藝。其與單管路噴吹相比具有明顯的缺點(diǎn)。一是設(shè)備多、投資高、維修量大；二是噴煤阻損大，不適合遠(yuǎn)距離輸送（一般多管路噴吹系統(tǒng)輸煤距離不宜超過150m，而單管路噴吹系統(tǒng)輸煤距離可達(dá)500～600m）和并罐噴吹系統(tǒng)。三是多管路噴吹只能用于串罐噴吹系統(tǒng)，而單管路噴吹既可用于串罐系統(tǒng)又可用于并罐系統(tǒng)。3 煤粉的燃燒特性 熱重分析法測定煤粉燃燒特性以往判斷煤的燃燒性能多以可燃質(zhì)揮發(fā)分含量為指標(biāo)，但揮發(fā)分僅僅是在一定試驗(yàn)條件下的熱解量，它是煤的活性表現(xiàn)，僅用揮發(fā)份判別煤的可燃性具有一定局限性。因此煤的燃燒特性還包括煤的著火、燃盡、積炭、結(jié)渣、磨損等。目前，熱重分析法已在國內(nèi)外廣范用于研究煤的燃燒特性。用熱重分析法分析煤的燃燒特性可得到煤的著火溫度或著火點(diǎn)（Ti）、燃盡溫度（Th）、燃燒速率（dm/dt）、燃盡時間（t）等。熱重分析法可分為程序升溫?zé)嶂胤ê秃銣責(zé)嶂胤▋煞N。兩者的反應(yīng)體系是相同的，主要區(qū)別在于前者是升溫反應(yīng)，后者是恒溫反應(yīng)。恒溫?zé)嶂胤y定煤粉燃燒特性是使煤粉在設(shè)定的很高溫度下開始反應(yīng)，這種方法與實(shí)際高爐噴煤生產(chǎn)中煤粉的反應(yīng)相似。而程序升溫?zé)嶂胤ㄊ敲悍墼谠O(shè)定一定升溫速率的條件下逐漸進(jìn)行反應(yīng)，且揮發(fā)分的析出是在較抵溫度下進(jìn)行的，這與實(shí)際高爐噴吹煤粉的反應(yīng)相差很大。但這種方法能有效地通過TGDTG曲線測出煤粉的著火點(diǎn)溫度、燃盡溫度、燃燒速率等，故本課題采用程序升溫?zé)嶂胤ǚ治雒悍鄣娜紵阅堋?煤粉著火點(diǎn)、燃盡溫度的測定利用熱重分析法測定煤粉的著火點(diǎn)有不同的方法，主要有以下幾種： （1)TG法，煤粉試樣在著火前失重比較緩慢，當(dāng)達(dá)到著火溫度并開始燃燒后反應(yīng)速率迅速增加，失重明顯，此時TG曲線上存在一突變點(diǎn)，在突變點(diǎn)附近曲線上作切線，切線與基線的交點(diǎn)即為著火點(diǎn)。此種方法缺點(diǎn)是切線的作法在一定的范圍內(nèi)具有隨機(jī)性。（2)DTG法， mg/min時對應(yīng)點(diǎn)的溫度定義為著火點(diǎn)。試驗(yàn)表明，當(dāng)同一煤種的煤粉量控制在一定范圍(6～9 mg)時，用該法所獲得的著火點(diǎn)具有較好的重復(fù)性。 （3）TG曲線分界點(diǎn)法，此種方法定義燃燒曲線與熱解曲線在TG曲線上的分界點(diǎn)為著火點(diǎn)。（4）DTG曲線分界點(diǎn)法，此種方法定義燃燒曲線與熱解曲線在DTG曲線上的分界點(diǎn)為著火點(diǎn)。（5）TGDTG法，即在DTG曲線上過峰值點(diǎn)作垂線與TG曲線交于一點(diǎn)，再過這點(diǎn)作TG曲線的切線，該切線與失重開始時的平行線的交點(diǎn)所對應(yīng)的溫度定義為著火點(diǎn)溫度[12]。中國煤炭科學(xué)研究院測定煤著火點(diǎn)的方法是：把煤樣放在特制的玻璃儀器或鋁制容器中，以一定速度通以氧氣并進(jìn)行加熱。在此條件下，煤被氧化而逐漸放熱使溫度升高。經(jīng)過一段時間達(dá)到一定溫度后，煤開始燃燒，從而放出大量的熱，使煤的溫度更明顯升高，煤樣內(nèi)部的溫度上升速度超過對煤樣的加熱速度，在試驗(yàn)中記錄加熱速度和煤樣的升溫速度，用加熱曲線和升溫曲線的交點(diǎn)表示煤的著火點(diǎn)。關(guān)于熱重分析求煤粉著火點(diǎn)溫度的實(shí)驗(yàn)中，利用TG和DTG曲線求煤粉著火點(diǎn)的觀點(diǎn)不一。實(shí)際上，由于具體試驗(yàn)儀器和試驗(yàn)條件的差異較大，很難有統(tǒng)一的規(guī)定。所以至今對于這個問題仍有很大的爭議。若以中國煤炭科學(xué)研究院測定值為標(biāo)準(zhǔn)，有關(guān)研究表明，固定失重百分?jǐn)?shù)法和TG法所獲得的結(jié)果偏大，其中TGA法偏大是因?yàn)橛迷摲椒ㄗ髑芯€具有一定的隨機(jī)性。TG曲線分界點(diǎn)法的結(jié)果總體偏大，而DTG曲線分界點(diǎn)法的結(jié)果總體偏小，若采用二者的平均值，則中和了各自的偏差，所得結(jié)果比較理想。DTG法測定的結(jié)果與中國煤炭科學(xué)研究院測定的結(jié)果十分接近，因而被泛采用。TGDTG法也是確定煤粉著火點(diǎn)的常用方法之一。與以往的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，本實(shí)驗(yàn)采用DTG法求煤粉著火點(diǎn)較為準(zhǔn)確。煤粉的燃盡溫度采用DTG曲線上峰后值基本為0的點(diǎn)所對應(yīng)的溫度[13]。從而將DTG曲線上煤粉著火點(diǎn)到燃盡溫度點(diǎn)的時間作為燃盡時間。 煤粉綜合燃燒特性指數(shù) 為了全面評價煤粉試樣的燃燒情況，本課題采用綜合燃燒特性指數(shù)S來描述煤粉試樣的燃燒性能[14]。 式中，S為綜合燃燒特性指數(shù)，其單位為mg2min2℃3；(dm/dt)max為最大燃燒速率，單位為mg/min；（dm/dt）mean為平均燃燒速率，單位為mg/min；Ti為著火點(diǎn)溫度，℃；Th為燃盡溫度，℃；綜合燃燒特性指數(shù)S全面反映了煤粉試樣的著火和燃盡性能，其中S值越大表明煤粉的綜合燃燒性能越好。 煤粉燃燒特性的影響因素煤粉燃燒特性受諸多因素的影響，如煤種、煤粉粒度、助燃劑及其添加量等。 煤種、粒度對煤粉燃燒特性的影響其中煤種的影響如前所述，無煙煤煤粉具有固定碳高、熱值高、置換比高、安全性好等優(yōu)點(diǎn)，但其具有著火點(diǎn)高、燃燒性差、燃燒率低等缺點(diǎn)；煙煤與無煙煤相比具有著火點(diǎn)低、燃燒性好等優(yōu)點(diǎn)，但煙煤揮發(fā)分高、安全性差并且吸熱量比無煙煤多，要求熱補(bǔ)償量也多。貧煤瘦煤的性質(zhì)則介于煙煤與無煙煤之間。有關(guān)研究表明[15]，隨著煤粉顆粒粒徑的減小，煤粉著火提前，著火溫度降低，煤粉易燃燒，燃盡溫度也降低。煤粉粒徑越大，燃盡性能越差，從而導(dǎo)致煤粉燃燒時間延長，不完全燃燒也相應(yīng)增大。所以應(yīng)盡量使煤粉的粒徑足夠小。但煤粉過細(xì)將增加磨制煤粉的成本和磨煤機(jī)的損耗。因此應(yīng)尋求高爐噴吹煤粉的經(jīng)濟(jì)細(xì)度。煤粉經(jīng)濟(jì)細(xì)度與煤質(zhì)有關(guān)，一般而言，對高揮發(fā)分的煤因其容易燃燒可磨得粗些。相反，對低揮發(fā)分的煤和可磨性指數(shù)較大的煤，應(yīng)磨得細(xì)些為好。對高爐噴吹煤粉要求粒度均勻，大小適中（目前一般為200目）。 助燃劑對煤粉燃燒特性的影響目前，高爐噴煤用助燃劑種類較單一，相關(guān)研究報道較少。國內(nèi)研究的助燃劑主要包括堿金屬、堿土金屬和過渡元素的無機(jī)鹽類。 關(guān)于堿金屬及堿土金屬類助燃劑，有關(guān)研究表明[16]，Na、K 等堿金屬的氧化物或鹽類在高爐煉鐵中會破壞爐襯，因此該類金屬不宜作為改善高爐噴煤燃燒特性的催化劑。如KMnO4可以改善煤粉燃燒狀況，但由于含有堿金屬鉀，不利于高爐操作，所以實(shí)際生產(chǎn)中無法使用類似KMnO4的助燃劑[17]。 彭其春，周飛，陳永金等[18]認(rèn)為，白云石等熔劑也具有助燃效果，但由于噴煤過程中時常出現(xiàn)突發(fā)性“斷煤”事故，使得爐渣堿度失控，影響高爐正常生產(chǎn)，從而限制了熔劑類物質(zhì)作為助燃劑的使用。魏國、杜鶴桂、刁日升通過研究MnOMgCOMnCONaCl(普通食鹽)、MgCl生石灰、CaF2作為添加劑對噴煤生產(chǎn)的影響指出[19]，添加劑的助燃效果與煤種本身性質(zhì)有關(guān)。其中添加劑效果較好的有NaCl、MnOMgCOMnCO生石灰。比較幾種有助燃作用的添加劑的助燃效果，從強(qiáng)到弱依次為NaCl、生石灰、MnOMgCOMnCO3。而CaF2和MgCl2的助燃效果不明顯。這幾種助燃劑中，NaCl對煤粉的助燃效果最好。它是較實(shí)用的助燃劑，但使用其作助燃劑時應(yīng)該注意，添加比例必須控制在一定范圍之內(nèi)。加入過多的NaCl將使高爐堿負(fù)荷提高，帶來不利影響。稀土元素因其電子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)具有較高的催化活性[16]，田君等指出[