峰景北瘦煤用于鞍鋼高爐噴吹研究與應用

張立國，劉寶奎，范振夫，田景長，張海明，趙迪平，張恒良

（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）

如今鋼鐵行業(yè)間競爭日益加劇，企業(yè)間的競爭已不再局限于產品價格和品種的比拼，而是逐漸轉移到了工序成本上的競爭。對于煉鐵工藝，由于礦石消耗量具有固定性，若要降低制造成本，則需從所用燃料角度出發(fā)，即減少燃料消耗數量，或降低燃料采購價格。高爐噴吹用煤粉作為高爐所用燃料的重要組成部分，降低其成本，意義重大。同時，我國原煤蘊藏豐富，種類眾多，可選擇用于高爐噴吹的煤種很多。如果能將兩者結合，通過開發(fā)新的煤種供高爐噴吹使用，可以大幅度降低煉鐵工序的成本[1-4]。因此，對近階段公司采購的低價峰景北瘦煤進行相關研究，成功將此種煤粉用于鞍鋼高爐日常生產中，并取得了良好的生產效果。

1　基礎成分與性能分析

瘦煤通常具有揮發(fā)分低、黏結性弱、結焦性差、硫含量少、易于破碎等特點，常用于煉焦配煤生產中，在一定程度上起到瘦化劑的作用。鞍鋼所購峰景北瘦煤作為新煤種，需要對其進行成分分析及性能檢測，判斷其成分組成和各項基礎性能是否滿足高爐日常生產，并以此作為鞍鋼高爐噴吹用煤的基礎評價依據。

1.1　工業(yè)分析及元素組成

煤粉的工業(yè)分析和元素組成是最為常用的煤粉評價指標，能夠給出不同煤種最為基本的評價，了解煤粉的基礎成分組成，初步判斷其工業(yè)用途。峰景北煤瘦煤的工業(yè)分析及元素組成見表1。

表1　峰景北瘦煤工業(yè)分析和元素組成（質量分數）%

由表1可以看出，峰景北瘦煤的灰分含量較低，僅為9.03%，用于高爐噴吹將有利于減少高爐渣量，降低燃料消耗；其固定碳含量為68.13%，優(yōu)于鞍鋼常用的噴吹煙煤，峰景北瘦煤的噴入，可以改善煤焦置換比，節(jié)省焦炭量；其硫含量較低。這些特點均有利于煤粉利用效能的提升。從元素組成來說，峰景北瘦煤較高的氫含量會導致煤氣中氫含量增加，降低爐內煤氣流上升阻力，改善高爐透氣效果，在實際生產中，進一步加強高爐穩(wěn)定順行的程度。

1.2　工藝性能分析

噴吹用混合煤粉，需要歷經原煤粉碎、混合、研磨、流化和載氣輸送等一系列工藝，才能最終應用于高爐的噴吹。由于混合煤粉由多種原煤構成，其中不同煤種表現出的工藝性能，將決定此種煤粉能否利用現有工藝，完成高爐的噴吹使用[5-7]。因此，需要對不同原煤的制粉性能、輸送性能、發(fā)熱值、結焦性能等進行分析，判斷其能否滿足高爐噴吹煤粉工序的需要。峰景北瘦煤工藝性能檢測結果詳見表2。

表2　峰景北瘦煤工藝性能檢測結果

性能檢測結果表明:峰景北瘦煤的可磨性指數為55.31，較鞍鋼要求原煤最低50以上的控制標準高，加入峰景北瘦煤，能夠滿足煤粉研磨需要，且不會在生產中消耗額外功率和產生“吐煤”等不利于生產的事故發(fā)生；煤粉的輸送效果與鞍鋼目前常用煤粉相當，配加峰景北瘦煤，不會對混合煤粉輸送工藝產生過多影響；峰景北瘦煤的發(fā)熱值水平優(yōu)于鞍鋼高爐目前噴吹所用的不同煙煤，配入后可以增加混合煤粉熱值，達到促進爐內煤焦置換改善的效果；峰景北瘦煤灰分的熔融溫度高于鞍鋼目前高爐鼓入熱風溫度100℃以上，說明混合煤粉中配加峰景北瘦煤后，不會產生風口結渣等現象，而對生產構成威脅。

此外，有別于其他高爐噴吹用煤，峰景北瘦煤具有一定的黏結性和膠質層的存在，過多使用峰景北瘦煤會造成煤槍結焦，導致煤槍破損現象的發(fā)生，在實際配煤應用中需引起重視，在一定程度上限制峰景北瘦煤的配入量。

1.3　燃燒效果分析

實際生產過程中，由于煤粉噴入到高爐風口回旋區(qū)內，燃燒后參與爐內還原反應，因此還需要從燃燒效果角度出發(fā)，最終評價此種煤粉在爐內利用效果的好壞。為此，利用實驗室專有的煤粉燃燒性能測定裝置，對比鞍鋼高爐常用噴吹用煤種，模擬不同富氧條件下，開展不同煤種的多組煤粉燃燒率對比分析，不同煤種在不同富氧情況下的燃燒率見表3。

表3　不同煤種在不同富氧情況下的燃燒率

由表3可以看出，峰景北瘦煤的燃燒率指標介于煙煤和無煙煤之間，且較接近于鞍鋼常用的高揮發(fā)分的煙煤，說明配入一定量的峰景北瘦煤，將有利于混合煤粉燃燒率的改進，改善煤粉利用效果；隨富氧率增大，不同煤種燃燒狀態(tài)得到改善，但隨著富氧率的進一步提高，改善效果不明顯，即對于高爐生產來講，富氧率應有一定限度，過多的富氧，并不利于高爐煤粉燃燒效果的改進。

2　優(yōu)化配煤方案建立

2.1　優(yōu)選方案

受到現實原煤倉數量條件的制約，參與混合煤粉配制的煤種不宜過多，鞍鋼目前大多采用3到5種原煤配制，煤種主要由不同種類的無煙煤和煙煤構成。而建立數學優(yōu)化配煤體系的思想，就是充分考慮煤粉自身性能，并兼顧煤種間的相互影響[8-9]，以現有原煤條件為基礎，在滿足混合煤粉應用標準的前提下，實現煤種配入最為合理的應用，建立不同煤種優(yōu)化配煤方案。峰景北瘦煤優(yōu)化配煤試驗設計見表4。

表4　優(yōu)化配煤試驗的因素水平表

需要說明的是，此次所采用的配煤體系，有別于傳統(tǒng)配煤方式，摒棄了過去以混合煤粉灰分、固定碳等單一指標作為評價配煤方案的標準，轉而采用具有自主知識產權的數學優(yōu)化方法，以多種綜合指標（包括理論煤粉燃燒率、不同噴吹煤量下的煤焦理論置換比等）為基礎，兼顧不同煤種之間的交互作用，考慮多種因素建立配煤方案，從而實現混合煤種配比和使用過程的最優(yōu)化，避免傳統(tǒng)配煤方法中所采用的單一指標作為評價煤粉所造成的不合理之處。峰景北瘦煤數學優(yōu)化配煤方案詳見表5。

表5　峰景北瘦煤數學優(yōu)化配煤方案

2.2　混合煤粉燃燒效果

由于混合煤粉最終噴入到高爐風口回旋區(qū)內，燃燒后參與爐內還原反應，其燃燒狀態(tài)的好壞，決定著爐內還原反應的速度和效果，即與燃料消耗和爐況順行程度有著直接關聯。因此，需要分析不同種類和配比下的混合煤粉燃燒效果。針對表5中所列出的優(yōu)選方案，模擬鞍鋼高爐富氧率3%的條件，開展不同噴吹煤量下的混合煤粉燃燒效果分析試驗，為最終確立優(yōu)選方案提供技術依據，不同優(yōu)選方案下的混合煤粉燃燒率見圖1。

由圖1可以看出，在相同外部因素條件下，幾種優(yōu)選方案的煤粉在較低的噴吹煤量下燃燒效果差別不大。較高噴吹煤量條件下，方案3和方案6燃燒效果略好一些。隨著噴吹量增加，爐內煤粉燃燒效果呈現加速變差的趨勢，說明高爐在實際生產過程中，并非噴吹煤量越多越好，而是應該有一個限度，即 “經濟噴煤比”。

圖1　不同優(yōu)選方案下混合煤粉燃燒率

2.3　煤焦理論置換比

由于煤粉中碳元素可替代風口回旋區(qū)內焦炭燃燒的碳元素，即可用廉價的煤粉替代價格昂貴的焦炭，以降低煉鐵生產成本。根據爐內碳素平衡原理，推算出煤粉與焦炭的置換關系。高爐生產中的煤焦置換比，不僅與煤粉和焦炭自身的成分和性能有關，也與鼓風溫度、富氧情況、噴吹煤量有很大關聯。不同優(yōu)選方案下的混合煤粉煤焦置換比見圖2。

圖2　不同配煤方案下混合煤粉煤焦置換比

由圖2可以明顯看出，隨著噴吹煤量的增加，爐內煤焦置換比呈現出快速下滑的趨勢。與煤粉燃燒狀態(tài)相對應，說明煤粉燃燒狀態(tài)變壞，煤焦置換比也相應變差。同時，也直觀說明了噴吹煤粉量大幅增加，并不能夠大幅度降低焦比，高爐并非噴煤量越高越好，噴吹煤粉也存在負效益可能。從幾種優(yōu)化配煤方案分析結果可以看出，較低的噴吹煤比條件下，置換比差異不大，較高的噴吹煤量條件下，方案3煤焦置換比最優(yōu)。

3　配入峰景北瘦煤工業(yè)應用試驗

針對煤種的工業(yè)分析、元素組成以及不同的工藝性能指標實驗測定結果，鞍鋼所購峰景北瘦煤除了具有較弱的黏結性和含有一定的膠質成分，會對噴吹造成一定程度的影響，在配入量上需受到相應限制外，其它各項指標均滿足高爐噴吹用煤標準需要?？傮w來看，配入一定量峰景北瘦煤可以滿足高爐混合煤粉的需要，且其價格低廉，應用后可節(jié)省大量原煤采購資金，降低煉鐵生產成本。

3.1　工業(yè)試驗相關說明

通過基礎研究，鞍鋼股份有限公司決定依托鲅魚圈分公司煉鐵部制粉、噴吹及其輔助工藝條件，開展峰景北瘦煤用于分公司2座高爐（有效爐容4038 m3）的工業(yè)應用試驗。此次試驗劃分為兩個階段，基準期（注:2017年6月和7月，共計2個月）內仍采用傳統(tǒng)煤粉配比及噴吹應用，試驗期（注:2017年8月和9月，共計2個月）內，則采用實驗室下優(yōu)選配煤方案3來進行高爐噴吹生產，同時在基準期和試驗期，保持原料種類和焦炭質量穩(wěn)定，其它諸如制粉、輸送等工藝制度及高爐生產過程中的富氧、風溫水平均無變動，以此分析混合煤粉中配入峰景北瘦煤后，高爐操作指標的相應變化情況，為在多座高爐大量使用峰景北瘦煤提供技術依據。

3.2　高爐操作指標

高爐降低運行成本的根本在于減少燃料消耗成本，為了解峰景北瘦煤配加入混合煤粉情況下的鞍鋼高爐生產所能達到的效果，對基準期和試驗期的燃料消耗和高爐操作指標做出統(tǒng)計，并加以對比分析，從而對峰景北瘦煤用于高爐的相應生產狀態(tài)做出評價。

3.2.1噴吹煤比

對分公司煉鐵部1號、2號高爐噴吹峰景北瘦煤的基準期和試驗期的噴吹煤比情況做出對比分析，在此期間2座高爐的噴吹煤比情況見圖3。

由圖3可以看出，1號、2號高爐噴吹峰景北瘦煤期間，噴吹煤比對比基準期均有較大幅度提升，噴吹煤比控制水平也較基準期有了很大改善，高爐噴吹煤粉工藝呈現出了更好的穩(wěn)定性。

3.2.2入爐焦比

對分公司煉鐵部1號、2號高爐噴吹峰景北瘦煤的基準期和試驗期的入爐焦比情況做出對比分析，在此期間2座高爐的入爐焦比情況見圖4。

由圖4可以看出，由于試驗期內配入混合煤粉中的峰景北瘦煤自身含有較高的氫元素和氧元素，有益于煤粉燃燒，使爐內透氣效果變好，改善爐內煤焦置換效果，使高爐消耗焦炭數量大幅度下降，高爐運行條件變好，高爐生產更加穩(wěn)定順行，各項操作指標均得到改善。

3.2.3燃料比

對分公司煉鐵部1號、2號高爐噴吹峰景北瘦煤的基準期和試驗期的燃料消耗情況做出對比分析，在此期間2座高爐的燃燒比情況見圖5。

對于高爐煉鐵工藝，燃料消耗數量直接決定煉鐵成本。由圖5可以看出，1號、2號高爐，燃料消耗數量均有較為明顯的下降，且試驗期間都維持在較為平穩(wěn)的水平，達到了高爐穩(wěn)定操作的效果，實現了最初配入峰景北瘦煤減少燃料消耗，進而降低生產成本的目的。

圖3　基準期和試驗期高爐噴吹煤比情況

圖4　基準期和試驗期高爐入爐焦比情況

圖5　基準期和試驗期高爐燃料比情況

3.3　煤粉爐內利用效果

細粒級的煤粉經煤槍噴入到風口回旋區(qū)后，大部分煤粉會快速燃燒殆盡，生成CO氣體參與還原反應，少部分未燃燒的煤粉會隨著爐內煤氣流上升，最終進入到外部除塵器中，分析粉塵收集器中的除塵灰，如重力灰中的碳含量變化趨勢，就可以間接說明爐內煤粉利用狀態(tài)是否得到改善。

對分公司煉鐵部1號、2號高爐噴吹峰景北瘦煤的基準期和試驗期的重力灰進行取樣，并對重力灰中碳含量做出對比分析，在此期間2座高爐的重力灰中碳含量情況見圖6。

由圖6可以看出，試驗期混合煤粉中配入峰景北瘦煤后，高爐重力灰中的碳含量明顯降低，1號、2號高爐分別降低2.48%、2.62%。同時對所取重力灰進行不同粒級的篩分，發(fā)現較為明顯的變化，即大顆粒焦炭數量呈顯著減少趨勢，說明峰景北瘦煤的配入，有益于煤粉燃燒，改善了爐內煤焦置換狀態(tài)，爐內燃料利用效率得到了進一步提升。

圖6　基準期和試驗期高爐重力灰中碳含量情況

3.4　高爐煤氣利用率

高爐煤氣利用率是高爐操作的核心指標之一，可以直接反映出爐內冶煉狀態(tài)是否得到改善。對分公司煉鐵部1號、2號高爐噴吹峰景北瘦煤的基準期和試驗期的煤氣利用率情況做出對比分析，在此期間2座高爐的煤氣利用率情況見圖7。

圖7　基準期和試驗期高爐煤氣利用率情況

由圖7可以看出，試驗期內2座高爐的煤氣利用率均得到較大幅度的提升，主要由于配入峰景北瘦煤后，混合煤粉燃燒狀態(tài)得到改善，同時煤氣中氫氣含量的增加，減輕了煤氣的黏度，降低了煤氣在爐內的行程阻力，使煤氣在爐料間穿行效果更好，煤氣利用效果得到提升。

3.5　峰景北瘦煤噴吹試驗效果

在原燃料條件和工藝制度未變動的情況下，鞍鋼鲅魚圈分公司2座高爐噴吹用混合煤粉中配入峰景北瘦煤的試驗期內，高爐生產總體呈現穩(wěn)定順行、指標向好的良好運行狀態(tài)，初步實現了預想目的?；鶞势诤驮囼炂谌剂现笜藢Ρ纫姳?。

表6　高爐基準期和試驗期燃料指標

由表6可以看出，采用優(yōu)化配煤方案，相比于基準期，1號、2號高爐試驗期的噴吹煤比提高、入爐焦比和燃料比降低、日均產量增大，混合煤粉中配入峰景北瘦煤后的噴吹試驗效果良好。

此次高爐噴吹用煤中，摒棄了以往由無煙煤和煙煤所組成的配煤結構，混合煤粉中配入了低價格的峰景北瘦煤，采用具有自主知識產權的數學優(yōu)化配煤技術，實現了瘦煤這類新煤種用于高爐噴吹的突破性使用，并取得較好生產效果。實現了拓寬煤種采購范圍，降低成本的目的，并且對于公司及行業(yè)內廣泛使用瘦煤及其它煤種，用以改善高爐操作，降低煉鐵生產成本，具有重要的參考價值。

4　結論

（1）峰景北瘦煤灰分含量低，僅為9.03%，利于減少高爐渣量；可磨性指數高，為55.31，能夠滿足煤粉研磨需要；含有較高的氫元素和氧元素，有益于煤粉燃燒；但具有一定黏結性和膠質層厚度，需在一定程度上限制配入量。

（2）實驗室中峰景北瘦煤最優(yōu)配煤方案為陽泉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標（燃燒率、煤焦置換比等）情況較好。

（3）工業(yè)試驗表明，采用優(yōu)化配煤方案，試驗期1號、2號高爐噴吹煤比較基準期分別提高了4.49 kg/t、4.14 kg/t， 燃料比分別降低了 3.03 kg/t、2.32 kg/t。