西山貧煤用于鞍鋼高爐噴吹研究與應用

張立國¹ 趙東明² 趙德勝² 張磊² 田景長² 李建軍² 劉寶奎² 張恒良²

(1. 鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；

2.鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠，遼寧 鞍山 114021)

摘要：對鞍鋼噴吹所用的西山貧煤，進行了單一煤種的工業、元素組成分析及制粉、熱值、結焦性能等進行測定，應用數學優化配煤方法，在綜合評價不同煤種配比下的燃燒率、置換比基礎上，確立了西山貧煤最優化的方配煤案，并進行工業噴吹試驗，試驗期間兩座高爐爐況都呈現出穩定順行狀態，新1號、10號高爐均分別取得了提升噴吹煤比5.17kg/t、4.67kg/t，降低燃料比2.00kg/t、1.75kg/t的效果，達到了降低煉鐵生產成本的目的。

關鍵詞：基礎性能；配煤方案；燃燒率；煤焦置換比；

Construction and Application of West Hill Meager Coal Used PCI in Blast Furnace of Angang

ZHANG Li-guo¹, ZHAO Dong-ming²，Zhao De-sheng²，ZHANG Lei²,

TIAN Jing-chang²，LI Jian-jun²,LIU Bao-kui²,Zhang-Heng-liang²

(1. Steel Research Institutes of Ansteel Group Corporatio,Anshan 114009，Liaoning，China；                

2. General Ironmaking Plant of Angang Steel Co., Ltd., Anshan 114021, Liaoning, China）

Abstract ：The west hill meager coal is used PCI in angang, carry through industrial analysis and element buildup with singleness coal, and that process mensurate milling 、calorific value、coking, Apply measure with mathematics optimize mix coal, base that colligate appraise burning rate、coal-to-coke replacement rate with mix coal of different mix coal, establish best optimize coal blend project and develop industry blow experimentation ,The experimentation period that present stabilization and arrange with two BF, The No. new 1 BF and No.10 BF different acquire very good effect ,This thereinto advance injection ratio of coal 5.17kg/t、4.67kg/t,and depress coal fuel ratio2.00kg/t、1.75kg/t,implement enactment aim that depress prodcution cost.

Key words：basic performance; coal blending scheme; burning rate; shake coal-to-coke replacement

今天，經濟性冶煉永遠是高爐冶煉工作者最為關注的話題之一，此項技術的核心工藝在于降低日常燃料消耗成本，由于焦炭在爐內的諸如料柱等不可得替代作用，因此，焦炭降低使用量的幅度上會受到一定程度制約，即不能夠無限制的減少焦炭使用量。這就需要從燃料另一組成種類即噴吹煤粉角度出發，通過采取降低配煤成本、增加噴吹煤量的方式，來實現減少煉鐵生產成本^[1-5]。作為煤炭資源大國，按煤化程度不同，我國從褐煤到無煙煤國內均有儲藏，可用于高爐噴吹的煤粉種類十分豐富，這其中，作為介于無煙煤和煙煤之間煤化程度的貧煤，儲量巨大，目前探明的可采儲量約為1468億噸以上，且市場價格較為低廉。如能將此類煤種開發應用于高爐噴吹，就將能夠實現大幅度降低噴吹用混合煤粉成本目的，在此基礎上，針對作為噴吹用煤新煤種的西山貧煤，開展了此種煤粉用于高爐噴吹的相關研究，并且成功將此種煤粉用于鞍鋼高爐日常生產噴吹使用，取得了不錯效果。

1基礎性能分析

從成煤的地質條件和年代因素等來看，貧煤的揮發分要較無煙煤略高，但是要遠低于高爐噴吹所用的無煙煤，實驗分析結果表明，貧煤在燃燒過程中，呈現出火焰短、燃點較高，較高熱值的特點；同時其還有加熱后基本不會產生膠質體，具有不粘結性或較弱粘結性特性，且燃燒性和反應性都較無煙煤好的優點。為了解鞍鋼所采購西山貧煤特性，對其基礎成份及相關性能進行性能分析與評價，以此來作為下一步優化配煤和工業噴吹應用的技術參考。

1.1工業分析及元素組成

工業分析作為評價煤粉的最為基礎的指標，是了解煤粉基礎成份組成的最為有效手段，通過對煤粉自身的固定碳、灰分、揮發分等因素的分析，能夠得出此種煤粉最為基本性能評價，從而能夠對此種煤粉的能夠應用領域做出簡單判斷，鞍鋼高爐噴吹所用的西山貧煤工業分析及元素組成結果詳見表1。

表1 西山貧煤工業分析和元素組成，%

Table1 The industrial analysis and element buildup of west hill meager coal，%

分析結果表明，西山貧煤中的灰分達到12.71%，較鞍鋼噴吹用混合煤粉中灰分控制標準要高出2.0%以上，灰分的增加，會導致高爐冶煉進程中渣量上升，爐內熱量消耗上升，不利于燃料消耗指標，同時，其硫分水平也不低；有利之處在于，其有較高含量的H元素，有利于煤氣流在爐內的行程。從分析結果來看，受制于灰分等因素制約，西山貧煤的單獨使用上會受到限制，需要采用多煤種混合配制，才能夠實現西山貧煤的高爐噴吹應用。

1.2基礎性能分析

對于高爐噴吹煤粉工藝來講，原煤要經過混合配加、干燥制粉、流化輸送等一系列復雜流程，最終到達風口回旋區內，參與燃燒及爐內還原反應。因此，需要對煤粉在這個過程中的研磨性能、發熱量及灰熔融性能進行分析，看其能否滿足高爐制粉工藝及噴吹工藝的需要。西山貧煤的基礎性能分析結果詳見表2。

表2 西山貧煤基礎性能分析，%

Table2 The analysis of basic performance of west hill meager coal，%

試驗測定表明，西山貧煤的制粉性能要較鞍鋼常用如焦作、陽泉、太西等無煙煤種要優良，從這個角度來看，配入西山貧煤后，可以達到有效減少制粉電能消耗，增加臺時產量的效果；此外分析結果也發現，其熱值水平也要高于目前煉鐵總廠內噴吹所用的混合煤粉，說明噴入西山貧煤后，有利于增加爐內反應所需要的熱量，提升煤焦置換比；再有就是其灰熔融性能要遠高于鼓入風溫100度以上，也說明了噴入此種煤粉后，不會在在風口等部位產生結渣等不利于生產的事情發生，從基礎性能指標分析結果說來，西山貧煤用于高爐噴吹具有可行性。

1.3結焦性及燃燒性能分析

由于噴煤槍受到鼓入熱風的影響，其煤槍前端會在風口部位處具有一定溫度，而噴入的細顆粒煤粉會在這一進程中被加熱，如果煤粉自身所具有的惰性物質，在這期間熱解時形成膠質體，就會阻礙煤粉輸送到爐內，嚴重時還會導致噴煤槍熔毀，十分不利于噴吹煤粉的正常作業。同時作為最為關注的指標，煤粉燃燒性能的優劣，與煤焦置換比之間具有直接關聯，即關系到爐內燃料消耗控制水平。西山貧煤的結焦性能及燃燒性能分析結果詳見表3。

表3 西山貧煤結焦性及燃燒性能分析

Table3 The analysis of coking and burning with west hill meager coal

從對惰性組分析和膠質層厚度測定來看，西山貧煤表現出無結焦性，即噴吹煤粉中配入西山貧煤后，不會在煤槍頭等部位粘結，形成堵塞，從而對噴吹煤量產生影響。同時對比無煙煤，由于西山貧煤具有一定的揮發分含量，致使其燃燒性能也較鞍鋼常用的無煙煤要好，從這個角度來看，噴入此種煤粉后，會有利于改善爐內煤粉燃燒狀態，降低燃料消耗。

2優化配煤方案建立

現代噴吹煤粉工藝大多數采用混合煤粉進行噴吹，目的是取不同煤種特性，達到高爐使用效果上的最佳化，由于不同煤種之間性質存在差異性，并且配入后，在研磨、輸送及燃燒過程中又相互影響，因此，不同煤種之間適宜的添加比例的獲得，也是整體噴吹煤粉工藝的核心所在^[6-8]。

2.1配煤方案建立

受限于鞍鋼煉鐵總廠煤粉車間煤倉數量的制約，同時也為不同煤種之間配入的調度方便，廠內混合煤粉多數由三到五種煤種組成，本次采用數學優化試驗方法，也以現有煤粉條件為基礎，在滿足混合煤粉應用標準前提下，建立西山貧煤優化配煤方案，西山貧煤優化配煤試驗因素水平表設計見表4。

表4 優化配煤試驗的因素水平表

Table4 The factor and level table of optimize mix coal test

為實現新山貧煤與其它煤種的最優化配入，新配煤體系下，在充分考慮到各種影響高爐噴煤和使用效果的參數后，不再以混合煤粉的某一指標作為評價標準，轉而采用煤粉綜合性能作為評價標準，綜合篩選后，選取可磨性指數（注：HGI）、發熱值（注：Q_低）、軟化溫度（注：ST）、理論煤粉燃燒率（注：BR），150kg/t噴吹煤比下的煤焦置換比（CKR），混合煤粉配煤成本（COST）作為評價考核依據，多因素的考慮對配煤方案的確定^[9-10]，以避免出現指標看上去表面良好，而實際應用較差的現象發生，西山貧煤優化配比方案詳見表5。

表5  西山貧煤優化配煤方案，%

Table5 The blue print with optimize mix coal hill meager coal

2.2煤粉燃燒率

諸多研究機構和生產廠家長時間的生產實踐均表明，煤粉噴入到高爐內后，其燃燒狀態的好壞將直接影響到燃料消耗水平和爐況順行狀態，由此可見，適宜煤粉的燃燒性能，對于改善高爐操作指標具有決定性的意義。為找出最適宜的煤粉配加方案，利用技術中心實驗室現有設備條件，開展了不同噴吹煤比條件下，配入西山貧煤優化配煤方案下的混合煤粉的燃燒率情況分析，為適宜的配煤方案確立提供參考依據，不同優化配煤方案在差異化噴吹煤比條件下，混合煤粉燃燒率對比見圖1。

燃燒率對比分析結果來看，隨著噴吹煤量的增加，不同配煤方案下，煤粉燃燒率均呈現出下降到趨勢，且隨著噴吹量的加大，燃燒率降低的勢頭也在加速，說明噴入高爐內部的煤量是決定煤粉燃燒效果的最為關鍵環節，即表明不同操作爐況條件下，高爐均有適宜的噴吹煤比空間，也就是常說到的經濟噴吹煤比。同時從圖1中可以看出，配入西山貧煤的優化方案5、7、8的燃燒率最高，也說明采用這幾種配煤方案下的混合煤粉，同樣噴吹煤比條件下，噴入到爐內的燃燒效果最好。

2.3煤焦置換比

由于高爐噴吹煤粉后，煤粉中的碳元素可以替代風口回旋區內焦炭燃燒的碳元素，根據爐內的碳素平衡原理，可以推算出煤粉與焦炭之間的置換關系，也就是常說的煤焦置換比。

由于噴入高爐內的煤粉可以實現除了替代焦炭骨架功能以外所有的功能，因此煤焦置換比是衡量高爐噴煤效果的最重要標準，也是噴吹煤粉的意義所在。這其中置換比的高低不僅與煤種、煤粉成分有關系，而且與富氧率、風溫等高爐操作水平也有著密切的關系，不同優化配煤方案在差異化噴吹煤比條件下，混合煤粉煤焦置換比對比見圖2。

圖2 不同配煤方案下混合煤粉煤焦置換比對比分析

Fig2 The contrast analysis coal-to-coke replacement rate with mix coal of different mix precept

這里應當指出，煤焦置換比與煤種配比，高爐冶煉條件以及操作水平均有關系，且會因為噴吹煤量的增加，致使爐內煤粉燃燒性能變差，煤粉中碳元素置換能力下降，使得置換比是呈現遞減趨勢，同時隨著燃燒率下降的加快，煤焦置換比也會表現出快速下降，同時也從圖1中可以看出，配入西山貧煤的優化方案5、7、8的煤焦置換比最高，說明采用這幾種配煤方案下，同樣噴吹煤比條件下，利用效果上更好一些。

3配加西山貧煤工業噴吹試驗

從對西山貧煤的基礎成分及性能分析結果來看，此種煤粉不同的單一性能均滿足高爐噴吹工藝所要求標準，作為噴吹用煤具有可實施性，這里需要指出的是，由于西山貧煤的市場采購價格較為低廉，當配入一定量后，還可以起到替代部分無煙煤，達到降低配煤成本的效果。為減少配煤成本，煉鐵總廠決定依托現有公司原煤條件，在第一制粉車間及對應的新1號、10號高爐，開展配加西山貧煤的工業噴吹應用試驗，此次試驗由兩階段組成，基準期（注：三個月）內仍采用傳統煤粉配比及噴吹應用，試驗期的三個月內，則采用優化配煤方案5、7、8進行高爐應用，考察噴吹西山貧煤后，相關高爐操作指標的變化，并為下一步公司在不同高爐鋪展開來使用此種煤粉提供必要的技術參考。

3.1煤粉配比及噴吹說明

由于受到市場和公司采購條件的限制，鞍鋼噴吹煤種目前由多種煤粉所構成，為達到西山貧煤使用效果上的最佳化，也為實現不同煤粉的搭配消耗使用，此次工業試驗三個月內，分別采用三個配比方案，每個優化配比方案均為一個月的應用期限，為方便對比說明，煤粉配比變動后給高爐操作帶來的影響變化，在試驗期間，其它諸如中速磨制粉、載其輸送等工藝制度均不變動，仍沿用以往操作來執行。

3.2高爐操作指標變化

噴吹煤粉的核心本質在于以煤替焦，降低煉鐵工藝燃料消耗成本，為了解采用配入西山貧煤的優化配煤方案后，這兩座高爐在日常生產中所達到的實際效果，對基準期和試驗期間的高爐燃料消耗和其它操作指標進行統計及歸納分析，以此，來說明配入西山貧煤后的高爐冶煉效果。

3.2.1噴吹煤比

對煉鐵總廠新1號、10號高爐噴吹西山貧煤工業應用的基準期和試驗期的噴吹煤比情況做出統計，2座高爐在此期間的噴吹煤比變化趨勢見圖3和4。

從2座高爐基礎期和試驗期噴吹煤比對比趨勢圖中可以看出，無論是新1號高爐，亦或10號高爐，試驗期間，噴吹煤比均有較大幅度提升，其控制水平也較基準期內采用傳統配煤有了很大改善，高爐噴吹煤粉表現出了更好的穩定性。

3.2.2入爐焦比

對煉鐵總廠新1號、10號高爐噴吹西山貧煤工業應用的基準期和試驗期的入爐焦比情況做出統計，2座高爐在此期間的入爐焦比變化趨勢見圖5和6。

從兩階段入爐焦碳消耗數量來看，采用數學優化配煤方案后，混合煤粉在爐內的燃燒效果變好，爐缸活躍度得到加強，煤焦置換比得到進一步提升，高爐操作條件得到進一步改善，使得爐況穩定順行，從而帶來了入爐焦碳使用量有較大幅度下降，且在試驗期間，這兩座高爐焦炭消耗數量控制較試驗期也更加平穩。

3.2.3燃料比

對煉鐵總廠新1號、10號高爐噴吹西山貧煤工業應用的基準期和試驗期的燃料比情況做出統計，2座高爐在此期間的燃料比變化趨勢見圖7和8。

燃料消耗量上是高爐冶煉的經濟性最終體現，從兩座高爐噴吹配入西山貧煤的混合煤粉應用效果來看，對比應用前，總體燃料消耗量都有所下降，且噴入西山貧煤后，隨著爐況操作條件的優化，燃料消耗都維持在一個較為平穩的水平，與高爐“穩”字當先的操作理念也相吻合，初步達到了減少燃料消耗，降低煉鐵成本的目的。

3.3煤粉爐內利用效果

混合煤粉噴入到高爐風口回旋區內部后，大部分最終燃燒，并參與爐內的還原反應，而未能利用的部分則會隨著氣流上升，進入到重力除塵收集器和干法布袋除塵灰中，因此，通過定期取樣，分析這兩種除塵工藝灰中的碳含量變化，就可以表觀說明煤粉爐內燃燒狀態是否得到相應改善。

3.3.1瓦斯灰碳含量

對煉鐵總廠新1號、10號高爐噴吹西山貧煤工業應用基準期和試驗期的高爐瓦斯灰碳含量分析變化趨勢見圖9～圖10。

對兩座高爐的瓦斯灰的碳含量分析結果來看，在配入西山貧煤的工業試驗期內，瓦斯灰中的碳含量水平也都有了顯著的下降，降低幅度分別達到新1號高爐2.06%、10號高爐1.81%，且肉眼可見大顆粒焦炭顆粒數量有明顯減少，說明配入西山貧煤后，混合煤粉中揮發分條件的得到改良，加之貧煤中的氫含量要較無煙煤高，煤氣中的氫氣含量的增加，也降低了煤氣的黏度，減輕了煤氣在爐內的行程阻力，這些因素都促使進入爐內煤粉燃燒效果變好，燃料利用效率更高。

3.3.2干法除塵灰碳含量

對煉鐵總廠新1號、10號高爐噴吹西山貧煤工業應用干法除塵灰中碳含量分析變化趨勢見圖11～圖12。

兩座高爐不同時期的干法除塵灰碳含量分析結果表明，試驗期內，配入西山貧煤后，高爐干法布袋除塵灰中的碳含量控制水平也有較大幅度降低，下降幅度分別達到1.64%、10號高爐1.74%，說明在優化配煤方案下，配入西山貧煤后，爐內有效燃料部分大幅度增加，致使未燃燒的細顆粒煤粉數量隨著爐塵帶出來的大幅度減少，噴入爐內的混合煤粉的利用情況得到進一步改善。

3.4西山貧煤噴吹試驗效果

從持續三個月的試驗效果來看，在未有其它工藝條件變動帶來的影響下，采用噴吹西山貧煤的優化方案后，煉鐵總廠兩座高爐試驗期間，在日常生產中，都表現出爐況穩定順行，操作條件改善，燃料消耗下降的良好狀態，基準期和試驗期高爐操作指標對比詳見表6。

表6 高爐基準期和試驗期燃料指標

Table6  The fuel index of experimentation period and benchmark period

對于鞍鋼來講，突破了以往由無煙煤和煙煤混加的配煤結構，在采用數學優化配煤技術后，實現了貧煤這類新煤種的高爐突破噴吹應用，并且取得成功。實際使用過程中，既達到降低了煤粉成本的目的，又實現了拓寬煤種采購范圍的效果，并且對于公司日后大規模拓展貧煤及其它煤種的配煤及噴吹技術，用以改善爐況，降低煉鐵生產成本，都有重要的參考價值。

4結論

1）受制于灰分等因素制約，西山貧煤的單獨使用會受到限制，需要采用多煤種混合配制，才能夠實現西山貧煤的高爐噴吹應用。

2）對惰性組分析和膠質層厚度測定來看，西山貧煤表現出無結焦性，即噴吹煤粉中配入西山貧煤后，不會在煤槍頭等部位粘結，形成堵塞，從而對噴吹煤量產生影響。

3）研究表明，置換比與煤種配比，冶煉條件以及操作水平等均有關系，會因為噴煤量的增加，燃燒性能變差，導致煤粉中碳元素置換能力下降，使得置換比是呈現遞減趨勢。

4) 混合煤粉中配入西山貧煤后，煤粉中揮發分條件的得到改良，能夠降低煤氣的黏度，減輕煤氣在爐內的行程阻力，使得噴入爐內的混合煤粉的利用情況更好。

5) 混合煤粉中配入西山貧煤后，爐內的燃燒效果會變好，使得爐缸活躍度得到加強，煤焦置換比得到進一步提升，高爐操作條件也會得到進一步改善。

參考文獻：

[1]王竹民,劉二浩,呂慶,等．邯鋼高爐噴煤煤種的選擇研究[J]．中國冶金，2009，19(6)：12．

[2]高斌,顧飛,楊天均.高爐高煤比噴吹煤種的選擇[J]．煉鐵，2001，20(1)：49．

[3]李貴陽,李新華,李豪杰，等．高爐噴吹煤性能研究及實踐．鋼鐵，2005，40(5)：10．

[4]竺維春,單泊華,王自亭,等．首鋼高爐噴吹煤種優化研究[J]．中國冶金，2005，15(5)：25．

[5]張海濱,吳鏗,周翔,等．煤粉特性及配煤研究[J]．中國冶金，2008，18(8)：3．

[6]張延輝,張立國,楊金山,等．提高鞍鋼鲅魚圈噴吹煙煤配比的探討[J]．鋼鐵研究，2014，42(5)：39．

[7]張立國,王再義,江治飛,等．鞍鋼高爐合理噴吹煤粉實踐[J]．鋼鐵研究，2012，40(6)：2．

[8]張立國,江治飛,王再義,等．鲅魚圈4038m3高爐優化配煤研究與應用[J]．鋼鐵，2013，48(9)：15．

[9]湯清華,馬樹涵,等．高爐噴吹煤粉知識問答[M]．北京：冶金工業出版社，2002．

[10]李云雁,胡傳榮．實驗設計與數據處理[M]．北京，化學工業出版社，2005．