峰景北瘦煤用于鞍钢高炉喷吹研究与应用

张立国，刘宝奎，范振夫，田景长，张海明，赵迪平，张恒良

（1.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009；2.鞍钢股份有限公司炼铁总厂，辽宁 鞍山 114021）

如今钢铁行业间竞争日益加剧，企业间的竞争已不再局限于产品价格和品种的比拼，而是逐渐转移到了工序成本上的竞争。对于炼铁工艺，由于矿石消耗量具有固定性，若要降低制造成本，则需从所用燃料角度出发，即减少燃料消耗数量，或降低燃料采购价格。高炉喷吹用煤粉作为高炉所用燃料的重要组成部分，降低其成本，意义重大。同时，我国原煤蕴藏丰富，种类众多，可选择用于高炉喷吹的煤种很多。如果能将两者结合，通过开发新的煤种供高炉喷吹使用，可以大幅度降低炼铁工序的成本[1-4]。因此，对近阶段公司采购的低价峰景北瘦煤进行相关研究，成功将此种煤粉用于鞍钢高炉日常生产中，并取得了良好的生产效果。

1　基础成分与性能分析

瘦煤通常具有挥发分低、黏结性弱、结焦性差、硫含量少、易于破碎等特点，常用于炼焦配煤生产中，在一定程度上起到瘦化剂的作用。鞍钢所购峰景北瘦煤作为新煤种，需要对其进行成分分析及性能检测，判断其成分组成和各项基础性能是否满足高炉日常生产，并以此作为鞍钢高炉喷吹用煤的基础评价依据。

1.1　工业分析及元素组成

煤粉的工业分析和元素组成是最为常用的煤粉评价指标，能够给出不同煤种最为基本的评价，了解煤粉的基础成分组成，初步判断其工业用途。峰景北煤瘦煤的工业分析及元素组成见表1。

表1　峰景北瘦煤工业分析和元素组成（质量分数）%

由表1可以看出，峰景北瘦煤的灰分含量较低，仅为9.03%，用于高炉喷吹将有利于减少高炉渣量，降低燃料消耗；其固定碳含量为68.13%，优于鞍钢常用的喷吹烟煤，峰景北瘦煤的喷入，可以改善煤焦置换比，节省焦炭量；其硫含量较低。这些特点均有利于煤粉利用效能的提升。从元素组成来说，峰景北瘦煤较高的氢含量会导致煤气中氢含量增加，降低炉内煤气流上升阻力，改善高炉透气效果，在实际生产中，进一步加强高炉稳定顺行的程度。

1.2　工艺性能分析

喷吹用混合煤粉，需要历经原煤粉碎、混合、研磨、流化和载气输送等一系列工艺，才能最终应用于高炉的喷吹。由于混合煤粉由多种原煤构成，其中不同煤种表现出的工艺性能，将决定此种煤粉能否利用现有工艺，完成高炉的喷吹使用[5-7]。因此，需要对不同原煤的制粉性能、输送性能、发热值、结焦性能等进行分析，判断其能否满足高炉喷吹煤粉工序的需要。峰景北瘦煤工艺性能检测结果详见表2。

表2　峰景北瘦煤工艺性能检测结果

性能检测结果表明:峰景北瘦煤的可磨性指数为55.31，较鞍钢要求原煤最低50以上的控制标准高，加入峰景北瘦煤，能够满足煤粉研磨需要，且不会在生产中消耗额外功率和产生“吐煤”等不利于生产的事故发生；煤粉的输送效果与鞍钢目前常用煤粉相当，配加峰景北瘦煤，不会对混合煤粉输送工艺产生过多影响；峰景北瘦煤的发热值水平优于鞍钢高炉目前喷吹所用的不同烟煤，配入后可以增加混合煤粉热值，达到促进炉内煤焦置换改善的效果；峰景北瘦煤灰分的熔融温度高于鞍钢目前高炉鼓入热风温度100℃以上，说明混合煤粉中配加峰景北瘦煤后，不会产生风口结渣等现象，而对生产构成威胁。

此外，有别于其他高炉喷吹用煤，峰景北瘦煤具有一定的黏结性和胶质层的存在，过多使用峰景北瘦煤会造成煤枪结焦，导致煤枪破损现象的发生，在实际配煤应用中需引起重视，在一定程度上限制峰景北瘦煤的配入量。

1.3　燃烧效果分析

实际生产过程中，由于煤粉喷入到高炉风口回旋区内，燃烧后参与炉内还原反应，因此还需要从燃烧效果角度出发，最终评价此种煤粉在炉内利用效果的好坏。为此，利用实验室专有的煤粉燃烧性能测定装置，对比鞍钢高炉常用喷吹用煤种，模拟不同富氧条件下，开展不同煤种的多组煤粉燃烧率对比分析，不同煤种在不同富氧情况下的燃烧率见表3。

表3　不同煤种在不同富氧情况下的燃烧率

由表3可以看出，峰景北瘦煤的燃烧率指标介于烟煤和无烟煤之间，且较接近于鞍钢常用的高挥发分的烟煤，说明配入一定量的峰景北瘦煤，将有利于混合煤粉燃烧率的改进，改善煤粉利用效果；随富氧率增大，不同煤种燃烧状态得到改善，但随着富氧率的进一步提高，改善效果不明显，即对于高炉生产来讲，富氧率应有一定限度，过多的富氧，并不利于高炉煤粉燃烧效果的改进。

2　优化配煤方案建立

2.1　优选方案

受到现实原煤仓数量条件的制约，参与混合煤粉配制的煤种不宜过多，鞍钢目前大多采用3到5种原煤配制，煤种主要由不同种类的无烟煤和烟煤构成。而建立数学优化配煤体系的思想，就是充分考虑煤粉自身性能，并兼顾煤种间的相互影响[8-9]，以现有原煤条件为基础，在满足混合煤粉应用标准的前提下，实现煤种配入最为合理的应用，建立不同煤种优化配煤方案。峰景北瘦煤优化配煤试验设计见表4。

表4　优化配煤试验的因素水平表

需要说明的是，此次所采用的配煤体系，有别于传统配煤方式，摒弃了过去以混合煤粉灰分、固定碳等单一指标作为评价配煤方案的标准，转而采用具有自主知识产权的数学优化方法，以多种综合指标（包括理论煤粉燃烧率、不同喷吹煤量下的煤焦理论置换比等）为基础，兼顾不同煤种之间的交互作用，考虑多种因素建立配煤方案，从而实现混合煤种配比和使用过程的最优化，避免传统配煤方法中所采用的单一指标作为评价煤粉所造成的不合理之处。峰景北瘦煤数学优化配煤方案详见表5。

表5　峰景北瘦煤数学优化配煤方案

2.2　混合煤粉燃烧效果

由于混合煤粉最终喷入到高炉风口回旋区内，燃烧后参与炉内还原反应，其燃烧状态的好坏，决定着炉内还原反应的速度和效果，即与燃料消耗和炉况顺行程度有着直接关联。因此，需要分析不同种类和配比下的混合煤粉燃烧效果。针对表5中所列出的优选方案，模拟鞍钢高炉富氧率3%的条件，开展不同喷吹煤量下的混合煤粉燃烧效果分析试验，为最终确立优选方案提供技术依据，不同优选方案下的混合煤粉燃烧率见图1。

由图1可以看出，在相同外部因素条件下，几种优选方案的煤粉在较低的喷吹煤量下燃烧效果差别不大。较高喷吹煤量条件下，方案3和方案6燃烧效果略好一些。随着喷吹量增加，炉内煤粉燃烧效果呈现加速变差的趋势，说明高炉在实际生产过程中，并非喷吹煤量越多越好，而是应该有一个限度，即 “经济喷煤比”。

图1　不同优选方案下混合煤粉燃烧率

2.3　煤焦理论置换比

由于煤粉中碳元素可替代风口回旋区内焦炭燃烧的碳元素，即可用廉价的煤粉替代价格昂贵的焦炭，以降低炼铁生产成本。根据炉内碳素平衡原理，推算出煤粉与焦炭的置换关系。高炉生产中的煤焦置换比，不仅与煤粉和焦炭自身的成分和性能有关，也与鼓风温度、富氧情况、喷吹煤量有很大关联。不同优选方案下的混合煤粉煤焦置换比见图2。

图2　不同配煤方案下混合煤粉煤焦置换比

由图2可以明显看出，随着喷吹煤量的增加，炉内煤焦置换比呈现出快速下滑的趋势。与煤粉燃烧状态相对应，说明煤粉燃烧状态变坏，煤焦置换比也相应变差。同时，也直观说明了喷吹煤粉量大幅增加，并不能够大幅度降低焦比，高炉并非喷煤量越高越好，喷吹煤粉也存在负效益可能。从几种优化配煤方案分析结果可以看出，较低的喷吹煤比条件下，置换比差异不大，较高的喷吹煤量条件下，方案3煤焦置换比最优。

3　配入峰景北瘦煤工业应用试验

针对煤种的工业分析、元素组成以及不同的工艺性能指标实验测定结果，鞍钢所购峰景北瘦煤除了具有较弱的黏结性和含有一定的胶质成分，会对喷吹造成一定程度的影响，在配入量上需受到相应限制外，其它各项指标均满足高炉喷吹用煤标准需要。总体来看，配入一定量峰景北瘦煤可以满足高炉混合煤粉的需要，且其价格低廉，应用后可节省大量原煤采购资金，降低炼铁生产成本。

3.1　工业试验相关说明

通过基础研究，鞍钢股份有限公司决定依托鲅鱼圈分公司炼铁部制粉、喷吹及其辅助工艺条件，开展峰景北瘦煤用于分公司2座高炉（有效炉容4038 m3）的工业应用试验。此次试验划分为两个阶段，基准期（注:2017年6月和7月，共计2个月）内仍采用传统煤粉配比及喷吹应用，试验期（注:2017年8月和9月，共计2个月）内，则采用实验室下优选配煤方案3来进行高炉喷吹生产，同时在基准期和试验期，保持原料种类和焦炭质量稳定，其它诸如制粉、输送等工艺制度及高炉生产过程中的富氧、风温水平均无变动，以此分析混合煤粉中配入峰景北瘦煤后，高炉操作指标的相应变化情况，为在多座高炉大量使用峰景北瘦煤提供技术依据。

3.2　高炉操作指标

高炉降低运行成本的根本在于减少燃料消耗成本，为了解峰景北瘦煤配加入混合煤粉情况下的鞍钢高炉生产所能达到的效果，对基准期和试验期的燃料消耗和高炉操作指标做出统计，并加以对比分析，从而对峰景北瘦煤用于高炉的相应生产状态做出评价。

3.2.1喷吹煤比

对分公司炼铁部1号、2号高炉喷吹峰景北瘦煤的基准期和试验期的喷吹煤比情况做出对比分析，在此期间2座高炉的喷吹煤比情况见图3。

由图3可以看出，1号、2号高炉喷吹峰景北瘦煤期间，喷吹煤比对比基准期均有较大幅度提升，喷吹煤比控制水平也较基准期有了很大改善，高炉喷吹煤粉工艺呈现出了更好的稳定性。

3.2.2入炉焦比

对分公司炼铁部1号、2号高炉喷吹峰景北瘦煤的基准期和试验期的入炉焦比情况做出对比分析，在此期间2座高炉的入炉焦比情况见图4。

由图4可以看出，由于试验期内配入混合煤粉中的峰景北瘦煤自身含有较高的氢元素和氧元素，有益于煤粉燃烧，使炉内透气效果变好，改善炉内煤焦置换效果，使高炉消耗焦炭数量大幅度下降，高炉运行条件变好，高炉生产更加稳定顺行，各项操作指标均得到改善。

3.2.3燃料比

对分公司炼铁部1号、2号高炉喷吹峰景北瘦煤的基准期和试验期的燃料消耗情况做出对比分析，在此期间2座高炉的燃烧比情况见图5。

对于高炉炼铁工艺，燃料消耗数量直接决定炼铁成本。由图5可以看出，1号、2号高炉，燃料消耗数量均有较为明显的下降，且试验期间都维持在较为平稳的水平，达到了高炉稳定操作的效果，实现了最初配入峰景北瘦煤减少燃料消耗，进而降低生产成本的目的。

图3　基准期和试验期高炉喷吹煤比情况

图4　基准期和试验期高炉入炉焦比情况

图5　基准期和试验期高炉燃料比情况

3.3　煤粉炉内利用效果

细粒级的煤粉经煤枪喷入到风口回旋区后，大部分煤粉会快速燃烧殆尽，生成CO气体参与还原反应，少部分未燃烧的煤粉会随着炉内煤气流上升，最终进入到外部除尘器中，分析粉尘收集器中的除尘灰，如重力灰中的碳含量变化趋势，就可以间接说明炉内煤粉利用状态是否得到改善。

对分公司炼铁部1号、2号高炉喷吹峰景北瘦煤的基准期和试验期的重力灰进行取样，并对重力灰中碳含量做出对比分析，在此期间2座高炉的重力灰中碳含量情况见图6。

由图6可以看出，试验期混合煤粉中配入峰景北瘦煤后，高炉重力灰中的碳含量明显降低，1号、2号高炉分别降低2.48%、2.62%。同时对所取重力灰进行不同粒级的筛分，发现较为明显的变化，即大颗粒焦炭数量呈显著减少趋势，说明峰景北瘦煤的配入，有益于煤粉燃烧，改善了炉内煤焦置换状态，炉内燃料利用效率得到了进一步提升。

图6　基准期和试验期高炉重力灰中碳含量情况

3.4　高炉煤气利用率

高炉煤气利用率是高炉操作的核心指标之一，可以直接反映出炉内冶炼状态是否得到改善。对分公司炼铁部1号、2号高炉喷吹峰景北瘦煤的基准期和试验期的煤气利用率情况做出对比分析，在此期间2座高炉的煤气利用率情况见图7。

图7　基准期和试验期高炉煤气利用率情况

由图7可以看出，试验期内2座高炉的煤气利用率均得到较大幅度的提升，主要由于配入峰景北瘦煤后，混合煤粉燃烧状态得到改善，同时煤气中氢气含量的增加，减轻了煤气的黏度，降低了煤气在炉内的行程阻力，使煤气在炉料间穿行效果更好，煤气利用效果得到提升。

3.5　峰景北瘦煤喷吹试验效果

在原燃料条件和工艺制度未变动的情况下，鞍钢鲅鱼圈分公司2座高炉喷吹用混合煤粉中配入峰景北瘦煤的试验期内，高炉生产总体呈现稳定顺行、指标向好的良好运行状态，初步实现了预想目的。基准期和试验期燃料指标对比见表6。

表6　高炉基准期和试验期燃料指标

由表6可以看出，采用优化配煤方案，相比于基准期，1号、2号高炉试验期的喷吹煤比提高、入炉焦比和燃料比降低、日均产量增大，混合煤粉中配入峰景北瘦煤后的喷吹试验效果良好。

此次高炉喷吹用煤中，摒弃了以往由无烟煤和烟煤所组成的配煤结构，混合煤粉中配入了低价格的峰景北瘦煤，采用具有自主知识产权的数学优化配煤技术，实现了瘦煤这类新煤种用于高炉喷吹的突破性使用，并取得较好生产效果。实现了拓宽煤种采购范围，降低成本的目的，并且对于公司及行业内广泛使用瘦煤及其它煤种，用以改善高炉操作，降低炼铁生产成本，具有重要的参考价值。

4　结论

（1）峰景北瘦煤灰分含量低，仅为9.03%，利于减少高炉渣量；可磨性指数高，为55.31，能够满足煤粉研磨需要；含有较高的氢元素和氧元素，有益于煤粉燃烧；但具有一定黏结性和胶质层厚度，需在一定程度上限制配入量。

（2）实验室中峰景北瘦煤最优配煤方案为阳泉12%、太西18%、集通37%、峰景北瘦煤25%、CDQ粉8%，按此方案混合煤粉各指标（燃烧率、煤焦置换比等）情况较好。

（3）工业试验表明，采用优化配煤方案，试验期1号、2号高炉喷吹煤比较基准期分别提高了4.49 kg/t、4.14 kg/t， 燃料比分别降低了 3.03 kg/t、2.32 kg/t。