宝钢高炉喷吹配合煤优化方案研究

供稿|吴平生 /

高炉喷煤对于钢铁企业节能减耗、降低成本、实现环境友好有着重大的促进作用[1]。高炉喷吹煤粉是直接向高炉风口回旋区喷吹一定粒度的无烟煤、烟煤或两者的配合煤，替代部分冶金焦提供热量和还原剂，可降低高炉焦比和生铁冶炼成本，具有较好的经济效益[2]。

高炉喷煤通常采用单一煤种，即全为无烟煤或烟煤。无烟煤含碳量高，挥发分低，喷吹无烟煤安全问题易解决。但无烟煤灰分高，不易燃烧，影响煤粉燃尽率。另外，无烟煤煤粉硬度高，制粉能耗高。与无烟煤相比，烟煤具有较好的燃烧性和可磨性，且烟煤的着火点低于无烟煤，燃烧产生的还原性气体多，有利于炉内间接还原，但烟煤含碳量低，置换比易受到影响，烟煤挥发分高，增大烟煤喷入量会增加煤粉爆炸的危险，需要有严格的安全措施[3，4]。因此，国内外研究者便将目光转向喷吹烟煤与无烟煤的配合煤，结果发现配合煤煤粉的燃烧率明显提高，置换比上升。有研究表明，烟煤配比在20%～50%时，烟煤配比每提高10%，燃烧率提高11%左右，最高可提高到21%[5]。

本实验在保证喷吹系统安全的情况下，将宝钢所用FSF烟煤和其他无烟煤进行配合喷吹，研究烟煤配入量增加时配合煤的燃烧特性和产生煤气量及成分对高炉内气流稳定性的影响，对配合煤进行综合性研究，并与基础实验对比，确定最佳烟煤配入量和最优配合煤种及配比。

实验部分

实验仪器设备及煤样

实验中所用到的主要仪器设备如表1所示。

表1 实验所用主要仪器设备

实验所用煤样为宝钢提供的11种煤，其中烟煤为神府烟煤FSF，涉及10种无烟煤代号分别是FJZ、FYC、FYX、FCC、FZZ、FAFL、FAYB、FCBR、FTX、FGP。实验过程中用到10种简单配合煤为35%FSF + 65%无烟煤(配合煤比例为质量分数)。由三种以上煤种混合而成的复杂配合煤按热值高低选择55种配合方案列于表2。

煤的工业分析

煤的工业分析包括煤的水分、灰分、挥发分和固定碳4项测定。利用工业分析结果，可以基本掌握各种煤的质量、工艺性质及特点。对各单种煤样进行常规的工业分析，实验结果如表3。

表2 复杂配合煤方案 (质量分数，%)

表3 单种煤工业分析

根据表3数据可看出，神府烟煤FSF与其他无烟煤相比具有低灰分、高挥发分、高水分、低固定碳和低热值等特点。在无烟煤中热值最高的为FCBR无烟煤，接下来依次为FTX、FAFL、FYX。表3中用下划线标出了4种高热值的无烟煤，以热值为衡量指标来确定配合煤所配煤种。

沉降炉实验

热重分析和沉降炉实验是研究燃煤燃烧性能的主要方法。本实验采用沉降炉模拟法来测试煤粉燃烧性。煤粉燃烧性可在一定程度上反映煤粉在高炉中的燃烧情况。沉降炉模拟中以燃尽率的高低来反映炉内煤粉的燃烧性能，燃尽率越高，说明煤燃烧的效果越好[6]。

沉降炉实验条件：给粉量为0.3 g/min，气氛为体积比25%富氧(25%氧气，75%氮气)，温度为1250℃。采用马弗炉二次高温焙烧可以获得原煤和灰样中的灰分量，再根据灰分示踪法计算不同燃烧温度下煤的燃尽率。燃尽率计算公式(1)：

式中，A0为原煤灰分，Ai为灰样的灰分(干燥基)[6]。

喷吹煤粉会在燃烧过程中产生煤气，而煤气量与成分又与煤粉性质有关。根据煤粉在沉降炉中的燃烧程度，会产生CO和CO2，煤气量及成分影响高炉内气流的稳定性，从而影响配合煤粉的燃烧程度。用烟气分析仪对沉降炉内煤粉燃烧后煤气量和成分进行综合分析，力求在改变烟煤配入量的同时，使喷煤燃烧产生的煤气对高炉气氛稳定性的影响降至最低。

结果与分析

煤粉燃尽率分析

由沉降炉实验可得出各煤种的燃尽率，如表4。

由表4可知，单种煤中烟煤FSF的燃尽率最高可达95.53%，无烟煤FYX的燃尽率最低为60.67%。而且无烟煤燃尽率要远低于烟煤。单种煤燃尽率由大到小的顺序为：FSF＞FCC＞FYC＞FAFL＞FAYB＞FJZ＞FCBR＞FGP＞FZZ＞FTX＞FYX。

两种配合煤燃尽率测试结果，如表5。

由表5可知，在无烟煤中加入烟煤，其燃尽率都有所提高。简单配合煤中35%FSF +65%FCBR的燃尽率最高，35%FSF +65%FTX的燃尽率最低，其余简单配合煤燃尽率分布在70%～80%，相比单种煤燃尽率有所提高。

复杂配合煤的燃尽率R见表6，由于数据较多，因此将数据根据煤种配比表进行分组。

根据表6，配合煤的燃尽率基本变化趋势是：随着烟煤FSF配比增加，燃尽率有增加趋势，其中燃尽率变化趋势较好的为第6、7组：第6组配合煤中无烟煤FCBR配比最高，FYX配比为0；第7组配合煤中无烟煤FAFL配比最高，FYX配比为0。由此可看出无烟煤中没有FYX煤时，煤粉燃尽率变化规律性较好。第11组配合煤的特点是FTX煤配比为30%，是各配合煤中配比最高的一组，煤粉燃尽率变化范围小，说明烟煤的配比提高时，对该组煤的燃尽率影响不大。第1、4组煤粉燃尽率变化较为剧烈，而第1、4组恰好是无烟煤配比中FYX配比最高的两组。由分析可以得出：配合煤的燃尽率随烟煤FSF的配比增加而上升；配合煤中，无烟煤FYX、FTX的配入都会使燃尽率波动较大，可选择尽量少配入或不配入；配合煤中，无烟煤FCBR、FAFL的配入可以稳定煤粉的燃烧，燃尽率变化趋势较明显。

表4 单种煤燃尽率

表5 两种煤配合的简单配合煤燃尽率

表6 复杂配合煤燃尽率

煤气综合分析

用烟气分析仪对沉降炉煤粉燃烧后烟气进行分析，可得到CO2、CO、O2在燃烧过程中的变化曲线(曲线纵坐标表示CO2、CO、O2烟气体积含量)。可磨性分析和热重分析实验得出：烟煤配比为45%时，配合煤的可磨性和燃烧性相对较好，考虑到本实验中配煤方案较多且气体曲线变化趋势相似，因此在这里只对烟煤配比为45%的煤样进行气体曲线分析。

由图1曲线变化可知，CO2曲线在燃烧初始和燃烧结束时降到最低，在燃烧过程中CO2一直保持较高水平，且波动不是很大，其波动情况反映煤粉在沉降炉中的燃烧过程的稳定情况；CO曲线在燃烧初始和燃烧结束时处于最高值，是因为刚开始煤粉进入沉降炉还未来得及完全燃烧，在燃烧过程中CO值处于较低水平，因含量较低所以曲线波动较大，且在燃烧过程中有CO含量为0的区间，这些区间内煤粉燃烧较完全，CO没有产生或产生较少；O2曲线变化和CO2曲线变化相反，燃烧初始和结束时较高，在煤粉燃烧过程中都处于较低的水平，曲线变化较平稳波动不大。

应用曲线积分法得到煤粉在沉降炉中燃烧产生的总煤气量。因煤气出口到烟气分析仪的距离是一定的，忽略煤气温度差异，因此此处计算所得的煤

气量都是相对量。分别对煤气量和挥发分做归一化处理，进行综合分析，因煤气量和挥发分分析主要是为了保证高炉气流分布稳定，因此权重因子分别取{煤气量；挥发分}={0.7；0.3}，具体值见图2。

图1 气体变化曲线(46#～56#)

图2 煤气量与挥发分综合分析

图2 中标出了每个区间综合因子的最大值与最小值。综合因子根据煤气量和挥发分综合评价分析计算得出，其值越大表明该种煤粉的喷吹对高炉气流稳定越有利。由图2可以看出，标出的最小综合因子的煤种分别为14#、27#、39#、46#、57#，其大小排序为：27#＜39#＜14#＜57#＜46#，这几种复杂配合煤的特点为FYX煤种配比相对较高，FTX的配比均为15%；标出最大因子的煤种分别为19#、31#、43#、53#、67#，其大小排序为：19#＜31#＜53#＜67#＜43#，这几种复杂配合煤的特点为FYX的配入量为0。综上分析可知：FYX的配入量较小时，可以更好保证高炉气流分布稳定。

在烟煤FSF配入量为30%和45%时综合因子波动较小，在配入量为40%时波动较大。由图2知当烟煤配比为45%时，综合因子整体较高，波动也较小，即烟煤配比在45%时高炉喷煤对高炉气流稳定性的影响较小。以高炉气流稳定为目标，烟煤配比为45%时，较好的配煤方案为：53#、52#、54#；烟煤配比为40%时，较好的配煤方案为：43#、41#、40#。

置换比综合分析

置换比为高炉喷吹其他燃料时，单位质量的燃料取代焦炭的质量。置换比与该种燃料中C、H元素含量及该种燃料在风口高温区分解吸热量有关。结合本实验，置换比主要与喷吹煤粉灰分含量、固定碳含量、热值及燃尽率有关。喷吹煤粉在高炉所起的主要作用为替代部分焦炭提供热量，因此煤粉热值对置换比影响较大。

应用综合分析法以灰分、固定碳、燃尽率、热值为因素对置换比进行分析，分析时先对各因素进行归一化处理后再进行综合分析，权重因子分别设为：{灰分；固定碳；燃尽率；热值}={0.1；0.1；0.2；0.6}，分析结果如图3所示。

图3 复杂配合煤置换比变化

根据图3可见置换比的变化规律：

(1) 在无烟煤配入煤种相同时，随着烟煤配比增加置换比降低，这是因为烟煤热值低于无烟煤；

(2) 在烟煤相同的情况下，置换比变化基本呈抛物线形，抛物线最高点分别为21#、32#、43#、54#、59#，抛物线最低点分别为24#、35#、46#、57#，根据其配比可知，这几组复杂配合煤中FCBR的配比最高，为35%；

(3) 并不是烟煤配比提高，其置换比就会下降，无烟煤配入煤种也影响置换比变化；

(4) 烟煤配比为45%时，置换比较高的配合煤为：50#、51#、53#、54#。烟煤配比为40%时，置换比较高的配合煤为：40#、42#、43#。

结束语

由沉降炉模拟燃烧实验可知，配合煤的燃尽率随烟煤FSF的配比增加而上升；配合煤中，无烟煤FYX、FTX的配入都会使燃尽率波动较大，可选择尽量少配入或不配入；配合煤中，无烟煤FCBR、FAFL的配入可以稳定煤粉的燃烧，燃尽率变化趋势较明显。

由沉降炉模拟燃烧实验的气体分析可知，当烟煤配比为45%时，综合因子整体较高，波动也较小，因而高炉喷煤对高炉气流稳定性的影响较小。以高炉气流稳定为目标，烟煤配比为45%时，较好的配煤方案为：53#、52#、54#，烟煤配比在40%时，较好的配煤方案为：43#、41#、40#。

以置换比为目标得出较优的配煤方案为：烟煤配比为45%时，置换比较高的配合煤为：50#、51#、53#、54#；烟煤配比为40%时，置换比较高的配合煤为：40#、42#、43#。

因此，从置换比和高炉气流稳定性两方面综合考虑，在高炉气流稳定条件下，烟煤配比为45%时，置换比较高的配煤方案为53#、54#；烟煤配比为40%时，置换比较高的配煤方案为40#、43#。

[1] 温大威．高炉喷煤技术现状及发展．世界钢铁，2003(3)：1

[2] Shen Y S， Guo B Y， Yu A B， et al. Three-dimensional modelling of in-furnace coal/coke combustion in a blast furnace. Fuel， 2011，90(2)：728

[3] 浦以康， 胡俊， 贾复. 高炉喷吹用烟煤煤粉爆炸特性的实验研究. 爆炸与冲击， 2000， 20(4)：303

[4] 金龙哲， 金岩辉， 张俊燕，等. 高炉喷吹用潞安贫瘦煤爆炸下限与返回火焰长度的实验研究. 中国安全科学学报， 2005，15(11)：61

[5] 陈春元， 杜国萍. 包钢高炉进一步提高烟煤配比实验室研究. 包钢科技， 2004， 30(5)：33

[6] 王培平， 陈旺生， 韩军，等. 高炉喷吹煤评价及配比优化. 工业安全与环保， 2012， 38(6)：91