在钢铁冶金生产工序中，炼铁工序的能耗所占比例最大，炼铁厂的节能在整个钢铁工业节能过程中显得尤为重要，降低焦炭消耗是炼铁节能的主要方向之一，而提高煤比降低焦比是炼铁工序降低能耗的关键^[1]。提高煤比的关键在于保证风口前煤粉燃烧率。因此，随着喷煤技术的发展，喷煤结构逐步实现了由无烟煤喷吹发展到烟煤与无烟煤混合喷吹。混合喷吹不仅可以提高煤粉的燃烧特性，还有助于扩大喷吹用煤的资源范围。徐朝芬^[2]利用热综合分析仪对燃烧性能相差较大的烟煤和无烟煤及其按不同比例掺混得到的混煤燃烧性能进行了热分析试验，结果表明：混煤的着火性能取决于烟煤所占比例，其综合燃烧性能随着烟煤比例的增大而增强。欧阳曙光等^[3]研究表明：混合煤的燃烧性与配入单煤燃烧性有关，同时，也受其可磨性的影响。王永征等^[4]研究表明：组分煤种的燃烧性能相近时，混煤的燃烧特性随掺混比的变化呈现出较好的规律性，燃烧性能相差较大的煤种所组成混煤的燃烧特性与组分煤种相差较大，总体着火燃烧特性变差；混煤的燃烧特性复杂，与组分煤种的燃烧特性不是简单的线性关系。王国忠等^[5]研究表明：无烟煤着火性能比烟煤差，混煤的着火性能随无烟煤比例的增加而变差，无烟煤与烟煤的混煤燃尽性能随着无烟煤比例的增加而降低。刑相栋等^[6]从动力学角度研究了不同比例烟煤与无烟煤混合燃烧时的活化能变化规律。近年来国内外研究学者^[7-13]对生物质、废旧塑料、半焦等与煤粉混合燃烧展开了大量实验研究，但国内对提质煤与高炉喷吹烟煤混燃规律研究较少。基于此，文中主要研究了提质煤和钢铁厂某种喷吹用烟煤的燃烧特性，及其不同混合比例的混煤燃烧性变化规律，为高炉喷吹燃料的范围拓展及优化搭配提供指导。

1 实验试验及方法 1.1 实验样品

实验烟煤取自某钢铁厂喷吹用烟煤FJB，提质煤取自某劣质煤资源综合利用公司。将两种煤样在40 ℃的烘干箱中干燥3 h制得空气干燥基煤样，破碎筛分，取0.074~0.063 mm的煤粉作为实验样品，工业分析和元素分析结果如表 1所示。

混合样品按照提质煤配入比为20%、40%、60%、80%进行混合搭配。煤粉的混合方式为干混碾磨10 min。对参比煤粉也要按照上述过程进行处理，保证不同煤样处理过程相同。

1.2 实验装置与步骤

采用德国耐驰公司综合热分析仪公司生产的STA409PC型综合热分析仪进行燃烧试验。反应器直径为60 mm，反应气氛为空气，两坩埚内径为6 mm。取3.5 mg样品均匀平铺于坩埚内，初始温度为室温，分别以10、15、20 ℃/min的升温速率升至900 ℃，气体流量为100 ml/min。

2 实验结果与分析 2.1 提质煤和烟煤单独燃烧TG/DTG曲线分析

图 1为提质煤和烟煤在升温速率20 ℃/min条件下单独燃烧的TG和DTG曲线。提质煤与烟煤FJB在加热过程中TG和DTG曲线形状较为相似，表明两者的燃烧过程较为相近。加热温度从室温升到设定温度，都要经过水分蒸发、碳氢化合物以挥发份的形式逐渐析出并着火点燃固定碳，或是固定碳与挥发份同时着火。从曲线上看，煤粉燃烧各个阶段是交叉进行的，没有明显的分界线，燃烧阶段DTG曲线都是一个单独的大峰。

对比DTG曲线形状可以得到，虽然两者都是单峰型，但提质煤的DTG曲线峰型比烟煤的DTG曲线峰型尖且窄。这说明提质煤在较烟煤更短的时间内完成了剧烈燃烧过程。虽然提质煤经过低温干馏处理，挥发份部分脱除，且低于所用烟煤挥发份，但提质煤的燃烧着火速率仍要快于所用烟煤。同时，提质煤TG曲线的最终拐点温度要早于烟煤的拐点温度，说明提质煤的燃烧过程结束温度要低于所用烟煤燃烧结束温度。从这一方面来看，提质煤的燃烧性要优于所用的烟煤燃烧性。如图 2、图 3所示，烟煤FJB呈石头状，没有明显的孔隙，而提质煤则呈现出大量的多孔和沟槽状。提质煤的形貌特征更有助于燃烧过程的氧煤接触和气体产物的析出，燃烧过程动力学条件更为优越，这是造成提质煤燃烧性要优于烟煤FJB的重要因素之一。

2.2 提质煤与烟煤不同比例混合燃烧TG/DTG曲线分析

图 4为提质煤添加比例为80%、60%、40%、20%的混煤，100%提质煤和100%烟煤FJB时的TG和DTG曲线。配加不同比例的提质煤后，混煤的TG曲线形状与单煤的相似，表明不同混煤的燃烧过程基本相似。但随着提煤配比的增加，混煤TG曲线逐渐向左移动，斜率不断变陡，并逐渐向100%提质煤的TG曲线靠拢。不同提质煤配比量条件下，混煤的DTG曲线峰均表现出大的单峰型，属于非均相燃烧。随着提质煤的配比量的增加，混煤DTG曲线逐渐向左移动，峰型逐渐变窄。同时，随着提质煤配比量的增加，曲线峰值的绝对值先减小后增大。从图 4中可以定性分析得到，随着提质煤配比量的增加，混煤的挥发份虽然逐渐降低，但混煤的燃烧性却逐渐变好，且燃烧效果逐渐与100%提质煤靠近。这表明煤粉燃烧性不仅与挥发份有很大的关系，还与其自身结构有着密切关系。

2.3 提质煤与烟煤混合燃烧特性分析

为了定量描述煤粉燃烧特性，众多学者^[14-16]基于煤粉燃烧过程提出了许多燃烧特性参数，包括着火温度、可燃指数、稳燃指数和综合燃烧特性指数等。文中在研究不同提质煤配比条件下混煤的燃烧特性时，采用常用的着火温度(T_i，℃)、燃尽温度(T_f，℃)、可燃指数(C，%/(min·℃²))、综合燃烧特性指数(S_N，%²/(min²·℃³))定量评价。

文中采用常用的TG-DTG法来确定着火温度^[17]。采用可燃指数C表示混合煤燃烧前期的反应能力。C值越大，表示煤样在前期的燃烧性越好, 为

$ C = \frac{{{W_{{\rm{mean}}}}}}{{T_{\rm{i}}^2}}, $

(1)

式中，W_mean表示平均燃烧速率，%/min。

采用综合燃烧特性指数S_N评价煤样的综合燃烧特性。综合燃烧特性指数S_N表征煤的综合燃烧性能，S_N值越大，煤的燃烧特性越佳。

$ {S_{\rm{N}}} = \frac{{{W_{\max }} \cdot {W_{{\rm{mean}}}}}}{{T_{\rm{i}}^2{T_{\rm{f}}}}} $

(2)

式中：W_max为最大燃烧速率，%/min；W_mean为平均燃烧速率，%/min；T_i为燃尽温度，℃；T_f为着火温度，℃。

表 2为计算的单煤及混煤的燃烧特性参数。从表 2中可以看出，随着提质煤配入比例的减少，混煤开始着火温度逐渐升高，由454 ℃提高到495 ℃；混煤燃尽温度逐渐升高，由710 ℃提高到754 ℃。这一变化规律与从TG和DTG曲线上定性分析得到的结论一致。由于烟煤中含有较高的挥发份，挥发份在挥发过程中吸收的热量多于提质煤，在相同的升温速率条件下，着火温度较提质煤滞后。同时，烟煤中含有较多的灰分，灰分在燃烧后期会对碳质的燃烧起到一定的抑制作用，因此，随着烟煤比例的增加，混煤燃尽温度逐渐升高。

从可燃指数C和综合燃烧特性指数S_N来看，随着提质煤配入比例的增加，两者均逐渐变大。说明随着提质煤比例的增加，混煤的燃烧效果逐渐变好。对可燃指数与提质煤配比作图，如图 5所示，可以得到混煤的可燃性与提质煤的配比呈现出线性关系。说明混煤的可燃性主要取决于提质煤的可燃性及配比量，提质煤的配入有助提高烟煤的初始燃烧效果。从图 5可以得到，在提质煤比例配入量小于40%时，混煤的综合燃烧特性指数与烟煤的相差不大，说明在提质煤配入比例小于40%时，混煤的燃烧特性主要是烟煤自身特性起主导作用。当提质煤的配入量继续增大时，混煤综合燃烧特性指数有较大的升高，并逐渐向100%提质煤靠近。这一现象表明提质煤配入比例超过40%后混煤燃烧特性逐渐受到提质煤燃烧特性影响，综合燃烧效果不断改善。

2.4 提质煤与烟煤混合燃烧相互影响规律研究

为了分析提质煤与烟煤混合燃烧过程中是否具有相互影响，对比研究了升温速率20 ℃/min条件下的混煤理论加权的失重率、失重速率与实际燃烧过程中的区别。计算方式为

$ {W_{{\rm{cal}}}} = {x_1} \cdot {W_1} + {x_2} \cdot {W_2}, $

(3)

$ {\left( {{\rm{d}}W/{\rm{d}}t} \right)_{{\rm{cal}}}} = {x_1} \cdot {\left( {{\rm{d}}W/{\rm{d}}t} \right)_1} + {x_2} \cdot {\left( {{\rm{d}}W/{\rm{d}}t} \right)_2} $

(4)

式中：x₁、x₂表示混煤中提质煤和烟煤FJB的配入比例；W₁、W₂、W_cal分别表示某一时刻提质煤、烟煤和理论加权计算的失重率，%；(dW/dt)₁、(dW/dt)₂、(dW/dt)_cal分别表示某一时刻提质煤、烟煤FJB和理论加权计算的失重速率，%/min。

从图 6可以得到，在不同提质煤配入比例情况下，理论加权计算的TG曲线都在实验TG曲线的左侧，并且随着提质煤配入比例的增加，实验TG曲线与理论加权TG曲线位置不断拉开。表明随着提质煤比例的增加混合燃烧反应过程较理论加权过程相比逐渐向高温区移动，两者相互作用效果逐渐明显。图 6中实验DTG曲线位于理论加权计算的DTG曲线的右下方，且峰型较理论加权计算的DTG曲线峰型尖而窄。随着提质煤配入比例的增加，两者的位错越来越大。DTG曲线的形状和位置变化情况，一方面映证了由TG曲线所反映的规律，即随着提质煤配入比例的增加，混煤剧烈燃烧过程较理论加权计算的向高温区移动；另一方面表明提质煤与烟煤混合后在更短的时间内完成燃烧过程，燃烧过程激烈程度要高于理论加权计算值。

研究表明^[18-19]，煤粉燃烧行为可以通过DTG曲线的形状、位置参数来进行定量的表征。一般情况下用峰值温度(T_max，℃)、峰值高度(H，%/min)和峰的半高宽(W_1/2，℃)这3个参数来表征DTG曲线。峰值温度越低、峰值高度越高和峰的半高宽越窄表明该煤样的燃烧过程越激烈。为了定量研究提质煤和实验所用烟煤FJB混合后，两者之间是否具有促燃效果，定义混燃相互作用因子K为

$ K = \frac{{{H_{\exp }} \cdot {W_{1/2, {\rm{cal}}}} \cdot {T_{\max, {\rm{cal}}}}}}{{{H_{cal}} \cdot {W_{1/2, exp}} \cdot {T_{\max, exp}}}}, $

(5)

式中，下标cal表示理论加权计算获得值，exp表示实验DTG曲线获得值。若K值大于1表明提质煤与实验用烟煤FJB混燃过程中，两者之间具有相互促进作用；若K值等于1表明两者之间既不互相互促进也不相互抑制；若K值小于1表明两者之间具有相互抑制作用。图形处理数据及混燃相互作用因子K值的计算结果见表 3所示。

表 3中的计算结果显示不同提质煤配入比例情况下，混煤燃烧相互作用因子K值均大于1，表明提质煤与实验用烟煤FJB混合后，对两者燃烧过程均有相互促进作用，定量的分析结果与DTG曲线和TG曲线的定性分析结果是一致的。对于两者的相互作用机理还有待进一步深入研究。

2.5 提质煤与烟煤混合燃烧动力学参数分析

煤粉在加热燃烧过程中，反应内容不断变化，热重过程中的活化能值也在不断变化，因此，对单一失重曲线进行考察很难得到活化能在反应进程中的变化规律。一般认为同一反应体系在相同失重率时反应总是相同的，众多学者研究出新的动力学模型，用来表征反应过程中活化能变化过程^[20-22]。文中采用DAEM模型研究提质煤与烟煤混合燃烧动力学过程。DAEM模型计算时需要至少3种升温速率下的燃烧曲线，因此，实验设计了10、15、20 ℃/min的升温速率。通过DAEM模型计算，不仅可以得到混合燃烧活化能的平均值，同时还可以得到整个燃烧过程中的活化能变化趋势。

DAEM模型基于两点假设：无限平行反应和活化能分布^[23-24]。基于这两点假设混煤燃烧过程可以近似认为是一阶动力学反应，则混煤的燃烧过程可以描述为

$ \frac{{{\rm{d}}v}}{{{\rm{d}}t}} = \frac{{{\rm{d}}\left( {\Delta v} \right)}}{{{\rm{d}}t}} = {k_0}{{\rm{e}}^{-E/RT}}\left( {\Delta {V^*}-\Delta V} \right), $

(6)

式中，v为任意时刻t时已燃烧的可燃基的百分量，ΔV^*为活化能在E至E+ΔE区间内的可燃基百分量，ΔV为任意时刻ΔV^*中燃烧的可燃基百分含量。在热重程序升温下，有T=T₀+ht，即$ h = \frac{{{\rm{d}}T}}{{{\rm{d}}t}} $，移项采用阶跃近似函数整理得

$ \ln \left( {\frac{h}{{{T^2}}}} \right) = \ln \left( {\frac{{{k_0}R}}{E}} \right)- \ln \left[{-\ln \left( {1-\alpha } \right)} \right] -\frac{E}{R}\frac{1}{T}, $

(7)

式中：α为燃烧百分率，%；h为升温速率，℃/min；k₀为指前因子，E为燃烧百分率对应的活化能，kJ/mol；R为普适气体常数，其值为8.314 J/(mol·K)；通过做$ \ln \left( {\frac{h}{{{T^2}}}} \right)-\frac{1}{T} $直线，可以从该直线的斜率和截距求的该燃烧百分率下对应的活化能和指前因子。图 7是以DAEM模型为基础绘制计算确定煤粉燃烧活化能时求得的$ \ln \left( {\frac{h}{{{T^2}}}} \right) $与$ \frac{1}{T} $之间的线性关系。

采用DAEM的方法计算了转化率α在[0.2，0.9]的活化能，如表 4所示。从表 4可以得到，活化能E_α具有很好的线性相关系数，R²值在0.952 5~0.999 9之间，证明结果是可靠的。提质煤的平均活化能(86.92 kJ/mol)要小于实验选用的烟煤FJB的平均活化能(107.55 kJ/mol)，即提质煤的燃烧反应活性要好于烟煤FJB的燃烧反应活性。

随着提质煤配入比例的减少，混煤的平均活化能逐渐增大。当提质煤配入比例由80%减少至20%的过程中，计算得到的混煤平均活化能依次为90.34、94.58、96.03、104.40 kJ/mol，混煤燃烧反应活性逐渐降低，这与之前通过燃烧特性指数所得到规律是一致的。

3 结论

文中系统研究了提质煤与高炉喷吹烟煤混合燃烧的特性规律及相互影响程度，并对燃烧过程活化能采用DAEM模型进行计算，得出以下结论：

1) 提质煤与烟煤FJB单独燃烧的TG和DTG曲线差异较大，定量分析可以得到提质煤的燃烧性要优于烟煤FJB。提质煤多孔状结构为其燃烧过程提供了优越的动力学条件，是造成其燃烧性较好的主要因素之一。

2) 随着提质煤配入比例的增加，混煤的TG和DTG曲线逐渐向提质煤单独燃烧的TG和DTG曲线方向移动，混煤的燃烧速率逐渐变快。

3) 通过燃烧特性指数的定量研究表明，随着提质煤配入比例的增加，混煤开始着火温度逐渐降低，可燃指数和综合燃烧特性指数逐渐增大，混煤的燃烧性逐渐变好。

4) 通过实验TG、DTG曲线与理论加权平均的TG、DTG曲线的对比，研究了两种煤混合后燃烧的相互作用规律，并定义了混燃相互作用因子K。结果表明不同提质煤配比条件下混煤的燃烧相互作用因子K值均大于1，两者混合后对燃烧过程具有较好的促进作用。

5) 采用DAEM的方法计算得到不同提质煤配入比例条件下混煤燃烧的平均活化能，结果表明，提质煤能够降低混煤燃烧活化能。提质煤配入比例越高，混煤反应活性越好，与通过燃烧特性指数所得的规律一致。