提高喷煤比 优化炼铁结构

高炉喷吹煤粉是炼铁系统结构优化的中心环节,是国内外高炉炼铁技术发展的大趋势,也是我国钢铁工业发展的三大重要技术路线之一,钢铁企业应当努力提高喷煤比。提高喷煤比的技术措施包括:实现高风温,选用高铁品位炉料,脱湿和富氧鼓风,提高炉料透气性和高炉操作水平,优选煤种,均匀喷吹,改善燃烧条件等。

高炉喷煤意义重大

在当前的行业背景下,高炉喷煤具有重要意义:一是减少炼焦过程对环境的污染。高炉喷煤代替焦炭,就减少了高炉炼铁对焦炭的需求,可以使焦炉少生产焦炭。焦炉少生产焦炭或少建焦炉,就可以减少炼焦过程对环境的污染。二是缓解我国主焦煤的短缺,优化炼铁系统用能结构。炼焦配煤一般需要配50%以上的主焦煤,以满足高炉炼铁对焦炭质量方面的要求。喷吹煤粉的煤种广泛,可以不使用主焦煤。这就缓解了我国主焦煤的短缺,同时也降低了炼铁系统的购煤成本。三是高炉喷煤可以实现结构节能。2014年我国重点钢铁企业焦化工序能耗为105.93kgce/t,喷煤的制粉和喷吹所需的能耗在20kgce/t~35kgce/t。高炉每喷吹1t煤粉,就可以为炼铁系统节能约80kgce/t。四是降低炼铁系统的投资。据统计,我国喷煤车间的单位投资是焦化厂建设单位投资的12%~16%,为冶金焦部分投资的15%~20%。在新建和扩容高炉时,建设或扩建喷煤车间应同步实施,这样会有较大的经济效益。五是煤粉代替焦炭会有巨大的经济效益。目前,焦炭和煤粉的每吨价差在300元~500元。一个年产400万吨的炼铁企业,如果喷煤比为130kg/t,就可以年喷吹52万吨煤粉,代替等量焦炭,年可降低炼铁成本1560万元~2600万元。六是提高企业劳动生产率,降低生产运行费用。喷煤车间的员工人数和生产运行费用比焦化厂少得多,这样就可以产生因高炉喷煤而提高钢铁企业劳动生产率、障低生产运行费用的效果。

然而,我国钢铁企业的喷煤水平发展不平衡,与国际先进水平相比尚有差距。据统计,2014年我国大中型钢铁企业高炉喷煤比为145.85kg/t,比上年度下降2.73kg/t。这是因为原料质量变化,造成喷煤比下降。与2013年相比,有42个企业喷煤比在下降,有27个企业喷煤比得到提高。 

2014年全国重点钢铁企业中喷煤比较高的企业如太钢为189.01kg/t,营口中板为185.09kg/t等,但与国际先进水平相比尚有较大差距。国际领先的高炉喷煤比为266kg/t,国际先进水平的喷煤比为180kg/t~200kg/t。目前,新建大于2000立方米的高炉设计喷煤比要求大于180kg/t,4000立方米以上的高炉设计喷煤比要求大于200kg/t。 

《中国钢铁工业科学与技术发展指南(2011~2020年)》中提出了高炉喷煤指标:2011年~2020年,全国重点钢铁企业大于2500m3高炉喷煤量≥160kg/t~200kg/t,大于1000m3高炉喷煤量≥140kg/t,使用30%以上多金属难选复合矿冶炼的高炉喷煤量≥140kg/t。

提高喷煤比的关键技术 

高炉炼铁生产要有一定条件,提高喷煤比也需要一些关键支撑技术。笔者认为,高喷煤比的关键技术是保持炉缸热量充沛技术、提高煤粉燃烧率技术、提高炉料透气性技术和煤焦置换比高的相关技术。 

保持炉缸热量充沛技术。高炉炼铁正常生产需要炉缸有充沛的热量,以保证铁矿石还原,渣铁流动性好、易分离,炉渣脱硫率高和透气性好。炉缸热量是用炉缸理论燃烧温度来表示。炉缸热量充沛要求炉缸的温度和热量要高。理论燃烧温度在2200℃±50℃为合理值。 

煤粉喷进风口后需要吸收热量。首先是煤粉被加热,然后是挥发分燃烧和碳素燃烧。这样,每喷吹l0kg/t无烟煤会使炉缸温度下降15℃~20℃,喷吹l0kg/t烟煤会使炉缸温度下降20℃~25℃,喷煤量大于l00kg/t会使炉缸温度下降150℃~250℃。高喷煤比会使炉缸温度下降幅度更大。 

为使炉缸温度保持在2200℃±50℃的合理范围内,钢铁企业须要采取保持炉缸合理温度的技术措施:一是提高热风温度,热风温度升高100℃,炉缸理论燃烧温度升高60℃~80℃,允许多喷30kg/t~40kg/t煤粉。二是进行富氧鼓风,富氧率提高1%,炉缸理论燃烧温度升高45℃~50℃,允许多喷煤粉20kg/t~30kg/t。三是进行脱湿鼓风,鼓风湿度每降低1g/m3,理论燃烧温度升高6℃~7℃,允许多喷3kg/t~4kg/t煤粉。

提高煤粉燃烧率技术。煤粉在炉缸内的燃烧包括可燃气体(煤粉受热分解而来)的分解燃烧和固态碳(煤粉分解后残留碳)表面燃烧,这些燃烧情况取决于温度、氧气含量和煤粉的比表面积和燃烧时间。高炉内未能燃烧的煤粉将被高速运动的煤气流带出高炉,致使煤气除尘灰中的含碳量增多。因此,除尘灰中含碳量多少,是煤粉燃烧率高低的重要标志。 

提高煤粉燃烧率的技术措施:一是提高热风温度,喷煤比在180kg/t~200kg/t,需要1200℃以上的热风温度,风温低于1000℃以下的高炉不利于喷煤。二是进行富氧鼓风,富氧率提高1%,煤粉燃烧率提高1.51%,风口前理论燃烧温度升高45℃~50℃,可允许提高喷煤比12kg/t~20kg/t。喷煤比在180kg/t~200kg/t时需要富氧3%以上;在燃烧学理论上,要求有1.15以上的空气过剩系数。三是提高煤粉的比表面积,促进煤粉燃烧,要求一般煤粉粒度-200网目的含量要大于50%。四是进行脱湿鼓风,可以产生提高炉缸温度和鼓风中氧气含量的效果,应将鼓风湿度控制在6%左右。五是提高炉顶煤气压力,减小煤气流速,延长煤粉在炉内燃烧的时间,降低煤气压力差。 

提高料柱透气性技术。高炉正常操作要维持一个合理的煤气压差值,即热风压力减去炉顶压力的数值。一些高炉工作者利用这个指数来操作高炉。料柱透气性的高低由多方面因素所决定,只有采取综合措施才能提高料柱的透气性。高喷煤比条件下,焦炭质量好坏对炉料透气性影响比例很大,应引起高度重视。 

其技术措施包括:一是提高高炉入炉矿含铁品位,减少渣量。高炉内煤气阻力最大的地方是软熔带,特别是铁矿石刚开始熔化,还原成FeO和形成初渣,渣铁尚未分离,尚未滴落至炉缸的时候。如果高炉入炉品位在59%以上,吨铁渣量小于300kg,煤气的阻力会大大缩小,也会减少炉渣液泛现象。二是提高焦炭质量,特别是焦炭的热性能,会大大提高炉料柱透气性。高喷煤比对焦炭质量的要求是:M40在80%以上,M10小于7%,灰分小于12.5%,硫分小于0.65%,热强度CSR>60%,热反应性CRI<30%。三是炉料成分、性能要稳定、均匀。炉料成分稳定是指炼铁原料含铁量和杂质、碱度波动范围小。工业发达国家要求烧结矿含铁波动范围是±0.05%,碱度波动±0.03(倍)。我国《高炉炼铁工程设计规范》要求铁分波动为±0.5%,碱度波动±0.058(倍)。炉料粒度要求均匀,就是减少炉料在炉内的填充作用。炉料中5mm~10mm粒度的含量要小于30%,一定不要超过35%,否则会对炉料的透气性产生重大影响。四是优化高炉操作技术会有效地提高炉料透气性。 

提高煤焦置换比技术。从喷煤管理的角度来分析,提高煤焦置换比的技术措施包括:一是提高喷吹煤的质量。因为喷吹煤粉的品种广泛,所以要求喷吹煤的质量应是含有害杂质少、可磨性好、含碳量高、发热值高、灰分低(要求煤粉的灰分一定要低于焦炭的灰分含量)、含硫低、燃烧性好、流动性好等。煤粉中含有K2O+Na2O的总量要小于3.0kg/t,因为K、Na在高炉内会造成结瘤,焦炭易产生裂纹,致使焦炭强度下降。二是煤粉喷吹要均匀,高炉所有风口均要喷煤,流量要实现均匀、稳定。高炉均匀喷吹煤粉,会使高炉每个风口的鼓风动能一致,炉缸热量分配均匀,促使高炉生产顺行和喷煤量提高,进而煤焦置换比得到提高。各风口喷煤的均匀度误差要小于3%,不超过5%。为保证各风口喷煤量均匀,建议将煤粉分配器高位安置(建议在炉顶平台下),使各单支管路尽量长短相近。三是采用烟煤和无烟煤混喷有利于提高喷煤比和煤焦置换比。烟煤挥发分高,且含有一定水分,进入风口后会爆裂,促进分解燃烧和残碳燃烧,燃烧效率高。建议烟煤配比在30%左右。