第34卷　第6期1999年6月钢 铁IRONANDSTEELVol.34,No.6June1999

煤粉热分解特性及添加助燃剂的影响

徐万仁 杜鹤桂

(上海宝钢集团公司)(东北大学)

摘　要　研究了煤粉在氮气氛和空气气流中的热分解特性及添加助燃剂的影响。结果表明,煤粉在燃烧条件下挥发分的析出量超过在氮气氛下的产率,煤粉燃烧过程中挥发分的析出燃烧碳与残碳的燃烧并存。助燃剂的种类和加入量对煤粉热分解的催化作用有很大影响,浸渍6%左右的Fe(NO3)3可使双鸭山烟煤和阳泉无烟煤的挥发分产率分别增加1017%和512%。关键词　高炉喷煤　热分解　挥发分产率　助燃剂　催化机理①

PYROLYSTICCHARACTERISTICSOFPULVERIZEDCOALAND

EFFECTOFADDITIONALCOMBUSTION-SUPPORTINGAGENTS

XUWanren DUHegui

(ShanghaiBaosteelGroupCorp1)(NortheasternUniversity)

ABSTRACT　Thepyrolysisofpulverizedcoal(PC)innitrogenatmosphereandhotairflow

andeffectofadditionalchemicalcombustion2supportingagentswasinvestigated1Theresults

showedthatthevolatilematteryieldofPCincombustionishigherthanthatinnitrogen,the

devolatilizationandcharcombustionareprocessedsimultaneously1Theeffectofvariousad2

ditionsonpyrolysticcharacteristicsofPCisremarkable1TheadditionofFe(NO3)3in6%

increasesvolatilematteryieldofbituminousby1017%andanthraciteby512%1

KEYWORDS　pulverizedcoal(PC)injectionintoBF,pyrolysis,volatilematteryield,com2

bustion2supportingagents,catalysismechanism

1　前言尽管在喷煤过程中不要求煤粉在风口回旋区完

全燃烧,未燃尽部分可在高炉内被消耗利用,但强化

燃烧仍然是增大喷煤比的一个关键步骤。随喷煤量

提高,必须采取强化燃烧的措施,才能保持风口前煤

粉燃烧率不变或下降不多,炉芯区未燃尽煤粉不至

严重恶化高炉死料柱的透气性和透液性,使炉缸活

跃、煤气流分布合理(具有较强的中心气流)、高炉透

气性良好、炉况稳定顺行。强化煤粉燃烧的手段应是

促进煤粉热分解、着火和燃烧各过程措施的总和。

煤粉热分解对煤粉在高炉风口区着火及燃烧过

程有重要影响,挥发分析出燃烧相对于煤粉在回旋

区极短的停留时间(10～20ms)不可忽略。煤的挥发分越高,着火点越低,燃烧性越好。因此选择较高

挥发分煤种或者通过物理和化学的预处理方法增强煤的反应活性,促进煤的热分解过程,将对提高煤粉

燃烧率,增大高炉喷煤量起重要作用。

本文从煤的热分解与煤的大分子结构和煤岩组

成的关系出发,研究不同变质程度煤的热分解特性,及外加化学添加剂对煤粉热分解的影响,以期为强

化喷煤燃烧提供一种新的有效的工艺方法。

2　实验方法取阳泉洗精无烟煤和双鸭山烟煤为实验用煤,原煤的化学成分、岩相组成分别见表1、2。煤粉热分

解过程在煤枪喷入点开始,煤粉气流与高炉热风交

叉混合后受热升温,发生热分解、着火及燃烧,因此

热分解实际是在有氧条件下进行的,为研究空气环

境(燃烧过程中)下煤粉的热分解特性,向立式空管

炉内通热风(空气),风量为56m3󰃗h,煤粉从炉顶喷

入,实验时燃烧炉初始温度1320℃。为与在惰性气

①联系人:徐万仁,工程师,上海(200941)宝山钢铁(集团)公司炼铁部氛下的热解特性相比较,在氮气流下做热解实验,氮

气流量为4m3󰃗h,气流温度800℃,管式炉初始温

度1400℃,给煤量40g󰃗min,小于74Λm煤粉约占

80%。取CaCO3、CaCO3+FeCl3、Ca(OH)2(石灰乳)、Fe(NO3)3四种添加剂,分别添加到粒度小于74Λm的占78%～79%的两种实验用煤粉样中,加入量

为4%～10%。研究氮气氛下添加剂对促进煤粉热

分解的作用。通过分析热解产物的成分,计算煤粉挥

发分产率。

表1　原煤成分分析Table1　Rawcoalcompositionanalysis%煤种工业分析 元素分析

MadAadVadFCadCadHadOadNadSad阳泉21046121714984126861003125115201780120双鸭山1185101833418752145741585132612601900126

表2　原煤的煤岩分析 Table2　Petrographicanalysisofrawcoal%煤种镜质组半镜质组丝质组稳定组矿物组

阳泉　32102176214010219双鸭山76161181214416415

氮气氛及燃烧条件下煤粉的挥发分产率Γv=1󰃗2(Γv1+Γv2)(1)

其中Γv1=1-WhVh󰃗(WmVm)Γv2=1-AmVh󰃗(AhVm)

式中,Γv1、Γv2分别为按定义和灰分平衡计算的挥发

分产率,%;Wm、Wh分别为入炉原煤样及热解产物

的重量,g;Vm、Vh分别为原煤及热解产物的挥发分

工业分析值,%;Am、Ah分别为原煤及热解产物的

工业分析灰分,%。

含添加剂的煤粉的热解挥发分产率Γxv=1󰃗2(Γxv1+Γxv2)(2)

其中

Γxv1=1-(WxaVxa-Vj6KjWx)󰃗(WcVc)

Γxv2=1-AxVxa󰃗(KcAxaVc)+Vj6KjWx󰃗(WcVc)

式中　Γxv1、Γxv2——按定义和灰分平衡计算的挥发

分产率,%;

Wxa、Vxa、Axa——热解产物总重量,g、工业分析总

挥发分值,%、工业分析总灰分

值,%;

Wc、Kc——混合煤样中煤的重量,g、含

量,%;

Vc——原煤工业分析挥发分,%;

Kj——混合煤样中j组分添加剂的含

量,%;

Vj——单位质量j组分添加剂分解产生的气体重量,%。

3　实验结果与讨论

311　煤粉在氮气氛和燃烧条件下的热解特性由图1可见,随炉温升高,煤粉挥发分产率增

大,并超过两种煤的工业分析值。图2为燃烧条件下

挥发分的析出规律。由图2可见,燃烧初期挥发分释

放速度较快,随时间增加,速度减慢,且风温越高,挥

发分析出速度和析出量越大。燃烧条件下煤粉细度

对挥发分产率的影响(图3(a))与在氮气氛下有相同规律,随煤粉细度增大,挥发分产率提高,但相同

煤粉细度下挥发分析出量高于氮气氛下的值。燃烧

条件下,给煤量的影响(图3(b))与在氮气氛下相反,氮气氛下随给煤量增加,

挥发分产率下降,而燃

图1　温度对煤粉挥发分产率的影响(氮气氛)Fig11　EffectoftemperatureonvolatilematteryieldofPC(N2atmosphere)・8・1999年第6期

图2　温度对煤粉挥发分产率的影响(空气气氛)Fig12　EffectoftemperatureonvolatilematteryieldofPC(airatmosphere)烧条件下随给煤量增加挥发分产率提高。

煤的热分解是煤中与基本结构单元联结的羧基(—COOH)、羟基(—OH)等含氧官能团和甲基(—CH3—)、乙基(—CH2—)等烷基侧链裂解,及次

甲基键(—CH2—)、醚键(—O—)等桥键断裂,释放

出小分子气体化合物的过程。热解后期还可能发生

二次反应[1]。各含氧官能团的稳定性和桥键的键能

不同,温度越高,破坏的官能团、侧链和桥键的数量

越多,析出的挥发分量就越大。所以,煤粉热分解与

环境温度有很大关系,高风温对促进煤粉热分解和

强化燃烧具有重要作用。在高温快速加热条件下,煤

粉的热解过程受挥发分气体析出速度的影响,粗颗

图3　煤粉在氮气氛和在燃烧条件下的热分解特性Fig13　PyrolysischaracteristicsofPCinN2andcombustion(a)煤粉细度的影响;(b)给煤量的影响▲●—空气气氛;△○—氮气氛

粒煤升温速度和内部导热速度慢,裂解进行的深度

浅,同时挥发分析出阻力较大,在煤粒中停留时间

长,并可能发生二次热解,挥发分产率较低。

在空气气氛下,伴随着煤粉燃烧,炉膛温度不断

升高,促进热裂解过程,挥发分产率比在氮气氛下

高,这与Jenkins[2]的实验结果一致。实验研究表明,氮气氛下喷煤,使炉膛温度降低,而空气气氛下(燃

烧时),随喷煤量增大炉内燃气温度上升,所以两种

气氛下给煤量对挥发分产率的影响有相反的规律。

图1～3表明,烟煤的挥发分产率高于无烟煤。

这是因为随煤的变质程度提高,各含氧官能团和烷

基侧链数量明显减少,脂肪簇C—H键减少而芳香簇C—C、C—H键增加[3]。变质程度高的无烟煤难

于裂解,产生的挥发分量远低于烟煤。除变质程度

外,煤的显微组分组成、结构和热性质对煤的热解挥

发分产率也有重要影响。煤中稳定组及镜质组挥发

分高,惰质组挥发分低[4]。随煤的变质程度提高,惰

质组的成分和性质基本不变,而镜质组的性质逐渐

惰化,到无烟煤阶段与惰质组的成分、性质趋向一

致。显然,煤粉热分解特性与煤的岩相组成有直接关

系。热解实验表明[5],煤岩显微组分的热解性能由高到低的一般顺序为:稳定组>镜质组>惰质组(丝质组)。所以煤的变质程度越低,稳定组和镜质组的含量越高,惰质组的含量越少,煤的挥发分产率就・9・钢　铁