高比例烟煤用于鞍钢高炉喷煤研究与生产应用

高比例烟煤用于鞍钢高炉喷煤研究与生产应用

范振夫1  张立国2  刘宝奎1  张海明1  张恒良1  赵迪平2

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

摘  要：在分析了公司目前使用烟煤性能上，应用数学优化方法，进行喷吹煤粉中高比例烟煤配入研究，并对优化后配煤方案的燃烧性能、输送速度以及理论置换比进行了分析，得出高比例烟煤配煤喷吹具有可行性，确定了最优化的配煤方案，并于鞍钢炼铁总厂高炉开展工业化试喷吹，试验期间2座高炉整体稳定顺行，2号和3号高炉均取得了提高喷煤比4.72kg/t和2.56kg/t，降低燃料比6.21kg/t和5.08kg/t的良好效果。

关键词：烟煤；爆炸性；数学优化；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

随着经济下行压力的增大，市场销售形势进一步恶化，钢铁产品价格也屡创新低，冶金企业为保住市场份额，纷纷行动起来，除了采取开发新产品用以赢得客户订单外，再有就是深挖自身潜力，多渠道设法降低成本，以求得在激烈的竞争中生存下去。就目前的钢铁企业来讲，传统炼铁工艺仍是企业耗能大户，由于煤粉与焦炭价格间存在一定差异，以煤替焦仍具有巨大经济性，因此多数企业已经行动起来，纷纷转而重视此方面研究，采取不同措施方法，以实现喷煤工艺效益最大化，鞍钢集团对此也亦不例外。为此，在前期已有优化配煤，降低喷煤成本工作成效上，为寻求更低喷煤工艺成本，结合现有高炉实际装备条件，公司开展了一系列配煤、制粉试验研究，在此基础上，又成功开发出了高比例烟煤配煤及喷吹的工艺举措，并且在实际使用中取得较好效果，大幅度降低了高炉现阶段炼铁成本。

1烟煤基础性能

烟煤是自然界最重要，分布最广，储量最大，品种最多的煤种，由于烟煤中存有大量挥发分，其成分组成为由大量由植物茎、叶的木质纤维组织经过凝胶化作用而形成复杂的中性腐殖质，易于燃烧，因此，从改善煤粉燃烧的角度来看，增加烟煤配入量后，可以提升喷入风口回旋区内混合煤粉的燃烧率，减少未燃煤粉产生几率的发生。加之成煤性质等原因，烟煤中含有较高的氢元素，而氢气的热导性又较CO好，在炉内穿透力更强，会使炉缸工作状况更加均匀活跃，同时，H2还参与间接还原，也会使焦比有一定程度下降[1-4]。

为探讨现有条件下，在前期优化配煤工作基础上，能否做到超高比例烟煤配煤及高炉的喷吹使用，开展了公司所用烟煤实验室下基础性能研究，分析所用煤粉基础性能，以此作为配煤方案基础参考。公司常用烟煤基础性能详见表1。

表1 公司用烟煤基础性能分析

Table1 The basis function analysis with bituminous coal of company

从制粉性能上来讲，烟煤为较易研磨煤种，因此，增加烟煤配比后，可以减少磨煤不必要的功率消耗，节约有用电能，此外，公司用的单种烟煤灰熔融性能在高炉所使用最高风温50℃以上，从这个角度来看，即使采用超高比例烟煤配入后，也不会产生风口和煤枪结焦以及结渣等不利于高炉生产现象的发生，同时虽然公司用烟煤发热值较鞍钢常用无烟煤偏低，但由于烟煤中富含较高的易燃成分，易于在风口回旋区内燃烧，煤粉利用效果好，因此，从炉内热量利用的层面说来，不会对热量置换产生过多不利影响。

通常来讲，烟煤的着火点要低于无烟煤，作为煤粉制备工艺中磨煤机出入口和系统温度报警的参考，煤粉的着火点越高越好，从而会使煤粉研磨过程更加安全，这是需要引起重视的问题之一，因此需要对所喷吹的烟煤着火点加以进行测定，此外，由于烟煤具有较高的挥发分，过多的配入也会存在一定的危险性，需要对其爆炸性能进行分析，以此作为配加比例的重要衡量标准。公司常用烟煤着火点和空气中爆炸性能详见表2。

表2 公司用烟煤烟煤的着火点及爆炸性

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

测定结果表明，在空气条件下，几种烟煤的返回火焰长度均超过400mm，属于强爆炸性的不安全煤种，但同时随着试验条件下的气氛中含氧量的降低，煤粉爆炸性能逐渐消弱，当气氛中氧浓度降至13%以下时，煤粉返回火焰长度消失，几种煤粉均无爆炸性，即表明在此条件下单独使用此及种煤粉中任何一种也不会存在危险，而目前炼铁总厂中速磨热干燥保护气体中氧含量均控制在13%以下，从这个方面来看，控制好干燥气体中氧含量，即使超高比例烟煤的混煤煤粉在制粉过程中也无爆炸危险，超高比例烟煤用于鞍钢高炉喷吹具有可实施性。

2提升烟煤配比研究

实验研究和喷煤实践均已证明，烟煤具有烧性能好、易于研磨的特性，加之其储量巨大、对比无烟煤具有较大价格采购优势，因此，如若能依托现有装备，在满足安全生产的前提下，在原有配煤体系下，进一步提升混合煤粉中烟煤的配入量，就可以在改善喷吹煤粉燃烧效果的同时，立竿见影起到消减配煤成本效果。

2.1高比例烟煤优化配煤

为探讨高比例烟煤喷吹的使用可行性，取公司所常用的烟煤品种，应用数学设计方法[5-8]，在保证满足分公司所用高炉喷吹，烟煤配入量不低于60%的条件下，开展不同煤种、高比例烟煤配入水平下的多组优化配煤试验，并对混合煤粉的使用效果研究，分析混合煤粉喷吹效果，从中选出较优配煤方案。实验配煤设计见表3。

表3 优化配煤试验的因素水平表

Table3 The factor and level table of optimize mix coal test

考虑到制粉车间原煤仓数量的实际条件，生产中配入煤粉种类不宜过多，在忽略煤粉间相互作用的前提下，此次配煤方法选用正交表L9（34）进行优化配煤试验，综合考虑配煤成本因素，寻求3到4种煤种条件下，最优化的配煤方案。煤粉优化配比方案见表4，其中方案10为炼铁总厂原有煤粉配比。

表4 煤粉优化配比方案，%

Table4 The optimize coal blend，%

炼焦除尘灰粉为干熄焦工艺余下的粉尘，本质上是由焦炭粉末组成，与无烟煤类似，含有较高的固定碳，因此其成分上满足高炉喷吹，且其价格便宜，从配煤成本来看，其加入后可以起到减少配煤成本的效果，同时还可以起到充分利用厂内二次资源目的；受市场价格供应量的因素，目前进口煤的价格也略低于国产无烟煤，进口煤的大量使用，在配煤过程中也可以起到降低配煤成本的目的。

2.2煤粉燃烧率

研究与实践均表明，烟煤配入高炉喷吹用混煤后，可以促进喷入炉内混合煤粉中无烟煤的燃烧，燃烧效果超过二者加权平均值[9-10]，因此，为对比不同配煤方案下，混合煤粉在高炉回旋区内燃烧效果，在实验室制取煤粉粒度小于74μm所占比重60%的多优化种配煤方案下以及取厂内生产用混合煤粉，进行了3%富氧条件下的燃烧实验。不同方案下混煤燃烧率对比见图1。

从图1中可以较明显的看出，提高烟煤配比后，几组配煤方案下，混合煤粉的燃烧率均高于厂内目前使用的配煤方案，说明提升烟煤比例后，混合煤粉的燃烧率得到不同程度改善，但这里也需要指出，随着炼焦除尘灰配比量的增加，混合煤粉的燃烧率变差，这也与炼焦除尘灰中易于燃烧的挥发分较少、而灰分较高有关，因此从生产角度来讲，除尘灰的配加量不宜过多。

2.3不同煤粉输送性能分析

输送性能是煤粉物理性能和输送气体流动状态的综合反映，是一个动态工艺参数,不仅反映煤粉所受重力对煤粉输送过程的影响，还反映输送气体对煤粉在流化喷吹罐和输送管道内流动状态的影响，为说明优化配煤方案下，对煤粉输送性能上是否具有改进，取煤粉粒度小于74μm所占比重60%的多优化种配煤方案下以及厂内原有生产用混合煤粉，实验室条件下，模拟高炉实际喷煤输送。不同方案下的混煤输送速度见表5。

表5 不同混合煤粉的输送速度，g/min

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

由于烟煤中同时又含有较高的丝质组，由于丝质组粘性几乎为零，分子间引力导致的颗粒间引力比较小，致使输送过程中摩擦阻损变小，因此流动性能更为优异，更有利于流化和管道输送，由于几种配煤方案的混煤挥发分含量相近，几种配煤方案下煤粉输送速度变化不大，配煤方案1、5、6的输送性能略好一些。

2.4 理论置换比计算分析

由于喷入高炉内的煤粉可以实现除了替代焦炭骨架作用以外所有的功能，因此煤焦置换比是衡量高炉喷煤效果的最重要标准，在一定的冶炼条件下，保持合理的煤焦置换比，提高喷煤比一直是炼铁工作者的重要任务，置换比的高低不仅与煤种、煤粉成分有关系，而且与富氧率、风温也有着密切的关系，从理论上计算一下不同方案下混合煤喷吹时的理论置换比，对确定高比例烟煤配入应用有着重要的参考意义。采用北京科技大学晏伟教授的总结的经验公式[11-12]，理论置换比计算结果如图2所示。

煤焦理论置换比计算结果表明，几种混煤的理论置换比都在0.85以上，完全满足高炉喷吹煤粉理论上高于0.80水平以上的需要，因此，从以煤替焦，高炉内喷吹煤粉利用效果来看，应不会对高炉产生不良影响。

3 超高比例烟煤工业试验

从实验室多组配煤研究结果来看，超高比例烟煤应用于鞍钢高炉应具有可实施性，为降低现阶段配煤成本，提升企业市场竞争力，同时也为验证采用优化配煤方案后喷吹后，高炉冶炼效果，为日后鞍钢高炉群广泛使用此工艺积累经验，公司决定依托炼铁总厂西区制粉、喷煤以及2座高炉装备条件，组织各道工序，采用1、5、6等优化配煤方案，开展提升烟煤配比工业化试验。试验共计分两阶段进行，一期为试验的基准期，时间为2014年3月至12月，二期为高比例烟煤配比及喷吹试验期，时间为2015年1至10月，具体实施如下：基准期沿用以往配煤方法，维持原有烟煤配加比例喷煤，试验期选用高比例配煤方案，直至工业试验结束，以此来考察高比例烟煤配入条件下的高炉生产情况变化，从而为日后使用此工艺提供技术方案。

3.1 高炉生产情况变化

虽然受到市场销售等因素制约，近几年西区高炉冶炼强度有所下降，在这种炉况下，燃料消耗对比开炉初期有了一定升高，但当进入试验期，采用高比例烟煤喷煤后，因为烟煤中成分的原因，煤气中的H2较基准期提升了1个百分点以上，由于 H2的穿透能力较CO强，加之煤粉燃烧效果变好，炉缸工作状态的较基准期活跃，从炉顶煤气红外摄像来看，炉内中心和边缘气流分布更加合理，煤气利用率得到进一步改善，2座高炉整体表现出稳定顺行，燃耗消耗有一定幅度下降。

3.2高炉操作指标变化

高炉降低成本工作重点在于节省燃料消耗，为了解高比例烟煤配入后，高炉的燃烧消耗以及操作指标变化，对炼铁总厂2座高炉这次试验的燃烧消耗做出统计分析，并以此来说明此次试验的所达到的效果。

3.2.1喷煤比

炼铁总厂西区2座高炉高比例烟煤配煤工业喷吹试验基准期和试验期的喷煤比变化趋势见图3和图4。

从高炉基准期和试验期的喷煤比变化趋势图上可以得出，无论是2号高炉，还是3号高炉，在采用高比例烟煤配煤及喷吹后的10个月试验期内，对比试验基准期，喷吹煤比有了一定幅度的提升，高炉的喷煤比水平也表现出更加稳定。

3.2.2入炉焦比

炼铁总厂西区2座高炉高比例烟煤配煤工业喷吹试验基准期和试验期的入炉焦比变化趋势见图5和图6。

从高炉入炉焦炭消耗情况来看，由于煤粉在炉内的有效利用部分得到改善，炉缸活跃程度有所增加，高炉炉况顺行得到改善，带来焦炭用量有所减少，因此试验期内，2座高炉的入炉焦比都呈现出了不同程度的下降趋势。

3.2.3燃料比

炼铁总厂西区2座高炉高比例烟煤配煤工业喷吹试验基准期和试验期的燃料比变化趋势见图7和图8。

作为衡量高炉燃耗的综合指标的燃料比，从炼铁总厂西区2座高炉基准期和试验期的燃料消耗来看，无论是2号高炉，还是3号高炉，在采用高比例烟煤配煤优化方案后，对比基准期，总体燃料消耗都有所减少，初步达到减少燃料消耗，降低成本的效果。

3.3 煤粉利用率

为了解在高比例烟煤配入条件下，煤粉在高炉内的有效利用情况，对基准及试验期内高炉的瓦斯灰每月进行取样，测定其中的碳含量，以此说明在炉内煤粉燃烧率是否有所改善[12]。2座高炉基准期及试验期内瓦斯灰中碳含量变化趋势见图9和图10。

分析结果表明，2座高炉在试验期内的瓦斯灰中碳含量平均水平降低了3%左右，说明未燃煤粉量随着炉尘带出大幅度减少，增加烟煤配比会使煤粉燃烧效果变好，喷入炉内的混合煤粉的利用情况得到进一步改善。

3.4 喷吹煤粉取得效果

从试验效果上来看，在采用提升高炉喷吹烟煤配比优化方案后，2座高炉生产表现出稳定顺行，未经历大的炉况波动，为试验的顺利开展创造了有利的条件，基准期和试验期高炉具体操作指标详见表6。

表6 高炉基准期和试验期燃料指标

Table6 The fuel index of experimentation period and benchmark period

对于鞍钢股份有限公司2座高炉来讲，在未应用其它降低高炉燃料比手段的前提下，本次高比例烟煤配煤及高炉喷吹的试验效果充分体现出来，超额完成了预先设定的各项指标，为未来公司高炉群提升烟煤配入量，降低配煤成本，有着重要的借鉴意义。

4 结论

1）由于烟煤中存有大量挥发分，易于在风口回旋区内燃烧，煤粉利用效果好， 因此，从热量的角度看来，不会对热量置换产生过多不利影响。

2）控制好干燥气体中氧含量，即使超高比例烟煤的混煤煤粉在制粉过程中也无爆炸危险，超高比例烟煤喷吹安全可以得到保证。

3）CDQ粉为鞍钢干熄焦工艺自产的除尘灰，成分上满足高炉喷吹，且其价格便宜，配入后可以起到减少配煤成本的效果，同时进口煤的价格也略低于国产无烟煤，进口煤的大量使用，在配煤过程中也可以起到降低配煤成本的目的。

4）随着炼焦除尘灰配比量的增加，混合煤粉的燃烧率变差，这也与炼焦除尘灰中易于燃烧的挥发分较少、而灰分较高有关，因此从生产角度来讲，除尘灰的配加量不宜过多。

5）几种混煤方案的配比下，其理论置换比都在0.85以上，完全满足高炉喷吹煤粉高于0.80水平以上的需要。

6)采用高比例烟煤喷煤后，炉缸工作状态的较基准期活跃，炉内中心和边缘气流分布更加合理，煤气利用率得到进一步改善，2座高炉整体表现出稳定顺行，燃耗消耗下降。

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