高比例煙煤用于鞍鋼高爐噴煤研究與生產應用

范振夫1  張立國2  劉寶奎1  張海明1  張恒良1  趙迪平2

(1.鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠 遼寧 鞍山 114021；2. 鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；)

摘  要：在分析了公司目前使用煙煤性能上，應用數學優化方法，進行噴吹煤粉中高比例煙煤配入研究，并對優化后配煤方案的燃燒性能、輸送速度以及理論置換比進行了分析，得出高比例煙煤配煤噴吹具有可行性，確定了最優化的配煤方案，并于鞍鋼煉鐵總廠高爐開展工業化試噴吹，試驗期間2座高爐整體穩定順行，2號和3號高爐均取得了提高噴煤比4.72kg/t和2.56kg/t，降低燃料比6.21kg/t和5.08kg/t的良好效果。

關鍵詞：煙煤；爆炸性；數學優化；燃料比

A Study and Practice of High Proportion Bituminous Coal

Injection in Blast Furnace of Angang

FAN Zhen-fu1，ZHANG Li-guo2, LIU Bao-kui1， ZHANG Hai-ming1，ZHANG Heng-liang1， ZHAO Di-ping1

( 1. General Ironmaking Plant of Angang Steel Co., Ltd., Anshan 114021, Liaoning, China1；

2.Steel Research Institutes of Ansteel Group Corporatio,Anshan 114009，Liaoning，China）

Abstract：At present that With use soft coal capability with company，Apply mathematics optimize methods，Carry research that high inverse proportion soft coal mix of PCI，and analysis that combustibility、transportation speed and theoretics ratio with optimize mix blue print，Educe conclusion is provided with feasibility with high inverse proportion soft coal mix of PCI，Make certain optimization mix blue print with Bayuquan filiale，and develop industrialization PCI，examination course that 2 entries BF the all and the one stabilization arrange travel，No.2 BF and No.3 BF acquire all right effect with advance PCI 4.72kg/t and 2.56kg/t,reduce fuel 6.21kg/t and 5.08kg/t。

Key words：soft coal；blast character；mathematical optimization；fuel ratio

隨著經濟下行壓力的增大，市場銷售形勢進一步惡化，鋼鐵產品價格也屢創新低，冶金企業為保住市場份額，紛紛行動起來，除了采取開發新產品用以贏得客戶訂單外，再有就是深挖自身潛力，多渠道設法降低成本，以求得在激烈的競爭中生存下去。就目前的鋼鐵企業來講，傳統煉鐵工藝仍是企業耗能大戶，由于煤粉與焦炭價格間存在一定差異，以煤替焦仍具有巨大經濟性，因此多數企業已經行動起來，紛紛轉而重視此方面研究，采取不同措施方法，以實現噴煤工藝效益最大化，鞍鋼集團對此也亦不例外。為此，在前期已有優化配煤，降低噴煤成本工作成效上，為尋求更低噴煤工藝成本，結合現有高爐實際裝備條件，公司開展了一系列配煤、制粉試驗研究，在此基礎上，又成功開發出了高比例煙煤配煤及噴吹的工藝舉措，并且在實際使用中取得較好效果，大幅度降低了高爐現階段煉鐵成本。

1煙煤基礎性能

煙煤是自然界最重要，分布最廣，儲量最大，品種最多的煤種，由于煙煤中存有大量揮發分，其成分組成為由大量由植物莖、葉的木質纖維組織經過凝膠化作用而形成復雜的中性腐殖質，易于燃燒，因此，從改善煤粉燃燒的角度來看，增加煙煤配入量后，可以提升噴入風口回旋區內混合煤粉的燃燒率，減少未燃煤粉產生幾率的發生。加之成煤性質等原因，煙煤中含有較高的氫元素，而氫氣的熱導性又較CO好，在爐內穿透力更強，會使爐缸工作狀況更加均勻活躍，同時，H2還參與間接還原，也會使焦比有一定程度下降[1-4]。

為探討現有條件下，在前期優化配煤工作基礎上，能否做到超高比例煙煤配煤及高爐的噴吹使用，開展了公司所用煙煤實驗室下基礎性能研究，分析所用煤粉基礎性能，以此作為配煤方案基礎參考。公司常用煙煤基礎性能詳見表1。

表1 公司用煙煤基礎性能分析

Table1 The basis function analysis with bituminous coal of company

從制粉性能上來講，煙煤為較易研磨煤種，因此，增加煙煤配比后，可以減少磨煤不必要的功率消耗，節約有用電能，此外，公司用的單種煙煤灰熔融性能在高爐所使用最高風溫50℃以上，從這個角度來看，即使采用超高比例煙煤配入后，也不會產生風口和煤槍結焦以及結渣等不利于高爐生產現象的發生，同時雖然公司用煙煤發熱值較鞍鋼常用無煙煤偏低，但由于煙煤中富含較高的易燃成分，易于在風口回旋區內燃燒，煤粉利用效果好，因此，從爐內熱量利用的層面說來，不會對熱量置換產生過多不利影響。

通常來講，煙煤的著火點要低于無煙煤，作為煤粉制備工藝中磨煤機出入口和系統溫度報警的參考，煤粉的著火點越高越好，從而會使煤粉研磨過程更加安全，這是需要引起重視的問題之一，因此需要對所噴吹的煙煤著火點加以進行測定，此外，由于煙煤具有較高的揮發分，過多的配入也會存在一定的危險性，需要對其爆炸性能進行分析，以此作為配加比例的重要衡量標準。公司常用煙煤著火點和空氣中爆炸性能詳見表2。

表2 公司用煙煤煙煤的著火點及爆炸性

Table2 The kindling point and blast character of bituminous coal of company

測定結果表明，在空氣條件下，幾種煙煤的返回火焰長度均超過400mm，屬于強爆炸性的不安全煤種，但同時隨著試驗條件下的氣氛中含氧量的降低，煤粉爆炸性能逐漸消弱，當氣氛中氧濃度降至13%以下時，煤粉返回火焰長度消失，幾種煤粉均無爆炸性，即表明在此條件下單獨使用此及種煤粉中任何一種也不會存在危險，而目前煉鐵總廠中速磨熱干燥保護氣體中氧含量均控制在13%以下，從這個方面來看，控制好干燥氣體中氧含量，即使超高比例煙煤的混煤煤粉在制粉過程中也無爆炸危險，超高比例煙煤用于鞍鋼高爐噴吹具有可實施性。

2提升煙煤配比研究

實驗研究和噴煤實踐均已證明，煙煤具有燒性能好、易于研磨的特性，加之其儲量巨大、對比無煙煤具有較大價格采購優勢，因此，如若能依托現有裝備，在滿足安全生產的前提下，在原有配煤體系下，進一步提升混合煤粉中煙煤的配入量，就可以在改善噴吹煤粉燃燒效果的同時，立竿見影起到消減配煤成本效果。

2.1高比例煙煤優化配煤

為探討高比例煙煤噴吹的使用可行性，取公司所常用的煙煤品種，應用數學設計方法[5-8]，在保證滿足分公司所用高爐噴吹，煙煤配入量不低于60%的條件下，開展不同煤種、高比例煙煤配入水平下的多組優化配煤試驗，并對混合煤粉的使用效果研究，分析混合煤粉噴吹效果，從中選出較優配煤方案。實驗配煤設計見表3。

表3 優化配煤試驗的因素水平表

Table3 The factor and level table of optimize mix coal test

考慮到制粉車間原煤倉數量的實際條件，生產中配入煤粉種類不宜過多，在忽略煤粉間相互作用的前提下，此次配煤方法選用正交表L9（34）進行優化配煤試驗，綜合考慮配煤成本因素，尋求3到4種煤種條件下，最優化的配煤方案。煤粉優化配比方案見表4，其中方案10為煉鐵總廠原有煤粉配比。

表4 煤粉優化配比方案，%

Table4 The optimize coal blend，%

煉焦除塵灰粉為干熄焦工藝余下的粉塵，本質上是由焦炭粉末組成，與無煙煤類似，含有較高的固定碳，因此其成分上滿足高爐噴吹，且其價格便宜，從配煤成本來看，其加入后可以起到減少配煤成本的效果，同時還可以起到充分利用廠內二次資源目的；受市場價格供應量的因素，目前進口煤的價格也略低于國產無煙煤，進口煤的大量使用，在配煤過程中也可以起到降低配煤成本的目的。

2.2煤粉燃燒率

研究與實踐均表明，煙煤配入高爐噴吹用混煤后，可以促進噴入爐內混合煤粉中無煙煤的燃燒，燃燒效果超過二者加權平均值[9-10]，因此，為對比不同配煤方案下，混合煤粉在高爐回旋區內燃燒效果，在實驗室制取煤粉粒度小于74μm所占比重60%的多優化種配煤方案下以及取廠內生產用混合煤粉，進行了3%富氧條件下的燃燒實驗。不同方案下混煤燃燒率對比見圖1。

從圖1中可以較明顯的看出，提高煙煤配比后，幾組配煤方案下，混合煤粉的燃燒率均高于廠內目前使用的配煤方案，說明提升煙煤比例后，混合煤粉的燃燒率得到不同程度改善，但這里也需要指出，隨著煉焦除塵灰配比量的增加，混合煤粉的燃燒率變差，這也與煉焦除塵灰中易于燃燒的揮發分較少、而灰分較高有關，因此從生產角度來講，除塵灰的配加量不宜過多。

2.3不同煤粉輸送性能分析

輸送性能是煤粉物理性能和輸送氣體流動狀態的綜合反映，是一個動態工藝參數,不僅反映煤粉所受重力對煤粉輸送過程的影響，還反映輸送氣體對煤粉在流化噴吹罐和輸送管道內流動狀態的影響，為說明優化配煤方案下，對煤粉輸送性能上是否具有改進，取煤粉粒度小于74μm所占比重60%的多優化種配煤方案下以及廠內原有生產用混合煤粉，實驗室條件下，模擬高爐實際噴煤輸送。不同方案下的混煤輸送速度見表5。

表5 不同混合煤粉的輸送速度，g/min

Table5 The flowing rate of coal blend project，g/min

由于煙煤中同時又含有較高的絲質組，由于絲質組粘性幾乎為零，分子間引力導致的顆粒間引力比較小，致使輸送過程中摩擦阻損變小，因此流動性能更為優異，更有利于流化和管道輸送，由于幾種配煤方案的混煤揮發分含量相近，幾種配煤方案下煤粉輸送速度變化不大，配煤方案1、5、6的輸送性能略好一些。

2.4 理論置換比計算分析

由于噴入高爐內的煤粉可以實現除了替代焦炭骨架作用以外所有的功能，因此煤焦置換比是衡量高爐噴煤效果的最重要標準，在一定的冶煉條件下，保持合理的煤焦置換比，提高噴煤比一直是煉鐵工作者的重要任務，置換比的高低不僅與煤種、煤粉成分有關系，而且與富氧率、風溫也有著密切的關系，從理論上計算一下不同方案下混合煤噴吹時的理論置換比，對確定高比例煙煤配入應用有著重要的參考意義。采用北京科技大學晏偉教授的總結的經驗公式[11-12]，理論置換比計算結果如圖2所示。

煤焦理論置換比計算結果表明，幾種混煤的理論置換比都在0.85以上，完全滿足高爐噴吹煤粉理論上高于0.80水平以上的需要，因此，從以煤替焦，高爐內噴吹煤粉利用效果來看，應不會對高爐產生不良影響。

3 超高比例煙煤工業試驗

從實驗室多組配煤研究結果來看，超高比例煙煤應用于鞍鋼高爐應具有可實施性，為降低現階段配煤成本，提升企業市場競爭力，同時也為驗證采用優化配煤方案后噴吹后，高爐冶煉效果，為日后鞍鋼高爐群廣泛使用此工藝積累經驗，公司決定依托煉鐵總廠西區制粉、噴煤以及2座高爐裝備條件，組織各道工序，采用1、5、6等優化配煤方案，開展提升煙煤配比工業化試驗。試驗共計分兩階段進行，一期為試驗的基準期，時間為2014年3月至12月，二期為高比例煙煤配比及噴吹試驗期，時間為2015年1至10月，具體實施如下：基準期沿用以往配煤方法，維持原有煙煤配加比例噴煤，試驗期選用高比例配煤方案，直至工業試驗結束，以此來考察高比例煙煤配入條件下的高爐生產情況變化，從而為日后使用此工藝提供技術方案。

3.1 高爐生產情況變化

雖然受到市場銷售等因素制約，近幾年西區高爐冶煉強度有所下降，在這種爐況下，燃料消耗對比開爐初期有了一定升高，但當進入試驗期，采用高比例煙煤噴煤后，因為煙煤中成分的原因，煤氣中的H2較基準期提升了1個百分點以上，由于 H2的穿透能力較CO強，加之煤粉燃燒效果變好，爐缸工作狀態的較基準期活躍，從爐頂煤氣紅外攝像來看，爐內中心和邊緣氣流分布更加合理，煤氣利用率得到進一步改善，2座高爐整體表現出穩定順行，燃耗消耗有一定幅度下降。

3.2高爐操作指標變化

高爐降低成本工作重點在于節省燃料消耗，為了解高比例煙煤配入后，高爐的燃燒消耗以及操作指標變化，對煉鐵總廠2座高爐這次試驗的燃燒消耗做出統計分析，并以此來說明此次試驗的所達到的效果。

3.2.1噴煤比

煉鐵總廠西區2座高爐高比例煙煤配煤工業噴吹試驗基準期和試驗期的噴煤比變化趨勢見圖3和圖4。

從高爐基準期和試驗期的噴煤比變化趨勢圖上可以得出，無論是2號高爐，還是3號高爐，在采用高比例煙煤配煤及噴吹后的10個月試驗期內，對比試驗基準期，噴吹煤比有了一定幅度的提升，高爐的噴煤比水平也表現出更加穩定。

3.2.2入爐焦比

煉鐵總廠西區2座高爐高比例煙煤配煤工業噴吹試驗基準期和試驗期的入爐焦比變化趨勢見圖5和圖6。

從高爐入爐焦炭消耗情況來看，由于煤粉在爐內的有效利用部分得到改善，爐缸活躍程度有所增加，高爐爐況順行得到改善，帶來焦炭用量有所減少，因此試驗期內，2座高爐的入爐焦比都呈現出了不同程度的下降趨勢。

3.2.3燃料比

煉鐵總廠西區2座高爐高比例煙煤配煤工業噴吹試驗基準期和試驗期的燃料比變化趨勢見圖7和圖8。

作為衡量高爐燃耗的綜合指標的燃料比，從煉鐵總廠西區2座高爐基準期和試驗期的燃料消耗來看，無論是2號高爐，還是3號高爐，在采用高比例煙煤配煤優化方案后，對比基準期，總體燃料消耗都有所減少，初步達到減少燃料消耗，降低成本的效果。

3.3 煤粉利用率

為了解在高比例煙煤配入條件下，煤粉在高爐內的有效利用情況，對基準及試驗期內高爐的瓦斯灰每月進行取樣，測定其中的碳含量，以此說明在爐內煤粉燃燒率是否有所改善[12]。2座高爐基準期及試驗期內瓦斯灰中碳含量變化趨勢見圖9和圖10。

分析結果表明，2座高爐在試驗期內的瓦斯灰中碳含量平均水平降低了3%左右，說明未燃煤粉量隨著爐塵帶出大幅度減少，增加煙煤配比會使煤粉燃燒效果變好，噴入爐內的混合煤粉的利用情況得到進一步改善。

3.4 噴吹煤粉取得效果

從試驗效果上來看，在采用提升高爐噴吹煙煤配比優化方案后，2座高爐生產表現出穩定順行，未經歷大的爐況波動，為試驗的順利開展創造了有利的條件，基準期和試驗期高爐具體操作指標詳見表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

對于鞍鋼股份有限公司2座高爐來講，在未應用其它降低高爐燃料比手段的前提下，本次高比例煙煤配煤及高爐噴吹的試驗效果充分體現出來，超額完成了預先設定的各項指標，為未來公司高爐群提升煙煤配入量，降低配煤成本，有著重要的借鑒意義。

4 結論

1）由于煙煤中存有大量揮發分，易于在風口回旋區內燃燒，煤粉利用效果好， 因此，從熱量的角度看來，不會對熱量置換產生過多不利影響。

2）控制好干燥氣體中氧含量，即使超高比例煙煤的混煤煤粉在制粉過程中也無爆炸危險，超高比例煙煤噴吹安全可以得到保證。

3）CDQ粉為鞍鋼干熄焦工藝自產的除塵灰，成分上滿足高爐噴吹，且其價格便宜，配入后可以起到減少配煤成本的效果，同時進口煤的價格也略低于國產無煙煤，進口煤的大量使用，在配煤過程中也可以起到降低配煤成本的目的。

4）隨著煉焦除塵灰配比量的增加，混合煤粉的燃燒率變差，這也與煉焦除塵灰中易于燃燒的揮發分較少、而灰分較高有關，因此從生產角度來講，除塵灰的配加量不宜過多。

5）幾種混煤方案的配比下，其理論置換比都在0.85以上，完全滿足高爐噴吹煤粉高于0.80水平以上的需要。

6)采用高比例煙煤噴煤后，爐缸工作狀態的較基準期活躍，爐內中心和邊緣氣流分布更加合理，煤氣利用率得到進一步改善，2座高爐整體表現出穩定順行，燃耗消耗下降。

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