西山贫煤用于鞍钢高炉喷吹研究与应用

西山贫煤用于鞍钢高炉喷吹研究与应用

张立国¹ 赵东明² 赵德胜² 张磊² 田景长² 李建军² 刘宝奎² 张恒良²

(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)

摘要：对鞍钢喷吹所用的西山贫煤，进行了单一煤种的工业、元素组成分析及制粉、热值、结焦性能等进行测定，应用数学优化配煤方法，在综合评价不同煤种配比下的燃烧率、置换比基础上，确立了西山贫煤最优化的方配煤案，并进行工业喷吹试验，试验期间两座高炉炉况都呈现出稳定顺行状态，新1号、10号高炉均分别取得了提升喷吹煤比5.17kg/t、4.67kg/t，降低燃料比2.00kg/t、1.75kg/t的效果，达到了降低炼铁生产成本的目的。

关键词：基础性能；配煤方案；燃烧率；煤焦置换比；

Construction and Application of West Hill Meager Coal Used PCI in Blast Furnace of Angang

ZHANG Li-guo¹, ZHAO Dong-ming²，Zhao De-sheng²，ZHANG Lei²,

TIAN Jing-chang²，LI Jian-jun²,LIU Bao-kui²,Zhang-Heng-liang²

(1. Steel Research Institutes of Ansteel Group Corporatio,Anshan 114009，Liaoning，China；                

2. General Ironmaking Plant of Angang Steel Co., Ltd., Anshan 114021, Liaoning, China）

Abstract ：The west hill meager coal is used PCI in angang, carry through industrial analysis and element buildup with singleness coal, and that process mensurate milling 、calorific value、coking, Apply measure with mathematics optimize mix coal, base that colligate appraise burning rate、coal-to-coke replacement rate with mix coal of different mix coal, establish best optimize coal blend project and develop industry blow experimentation ,The experimentation period that present stabilization and arrange with two BF, The No. new 1 BF and No.10 BF different acquire very good effect ,This thereinto advance injection ratio of coal 5.17kg/t、4.67kg/t,and depress coal fuel ratio2.00kg/t、1.75kg/t,implement enactment aim that depress prodcution cost.

Key words：basic performance; coal blending scheme; burning rate; shake coal-to-coke replacement

今天，经济性冶炼永远是高炉冶炼工作者最为关注的话题之一，此项技术的核心工艺在于降低日常燃料消耗成本，由于焦炭在炉内的诸如料柱等不可得替代作用，因此，焦炭降低使用量的幅度上会受到一定程度制约，即不能够无限制的减少焦炭使用量。这就需要从燃料另一组成种类即喷吹煤粉角度出发，通过采取降低配煤成本、增加喷吹煤量的方式，来实现减少炼铁生产成本^[1-5]。作为煤炭资源大国，按煤化程度不同，我国从褐煤到无烟煤国内均有储藏，可用于高炉喷吹的煤粉种类十分丰富，这其中，作为介于无烟煤和烟煤之间煤化程度的贫煤，储量巨大，目前探明的可采储量约为1468亿吨以上，且市场价格较为低廉。如能将此类煤种开发应用于高炉喷吹，就将能够实现大幅度降低喷吹用混合煤粉成本目的，在此基础上，针对作为喷吹用煤新煤种的西山贫煤，开展了此种煤粉用于高炉喷吹的相关研究，并且成功将此种煤粉用于鞍钢高炉日常生产喷吹使用，取得了不错效果。

1基础性能分析

从成煤的地质条件和年代因素等来看，贫煤的挥发分要较无烟煤略高，但是要远低于高炉喷吹所用的无烟煤，实验分析结果表明，贫煤在燃烧过程中，呈现出火焰短、燃点较高，较高热值的特点；同时其还有加热后基本不会产生胶质体，具有不粘结性或较弱粘结性特性，且燃烧性和反应性都较无烟煤好的优点。为了解鞍钢所采购西山贫煤特性，对其基础成份及相关性能进行性能分析与评价，以此来作为下一步优化配煤和工业喷吹应用的技术参考。

1.1工业分析及元素组成

工业分析作为评价煤粉的最为基础的指标，是了解煤粉基础成份组成的最为有效手段，通过对煤粉自身的固定碳、灰分、挥发分等因素的分析，能够得出此种煤粉最为基本性能评价，从而能够对此种煤粉的能够应用领域做出简单判断，鞍钢高炉喷吹所用的西山贫煤工业分析及元素组成结果详见表1。

表1 西山贫煤工业分析和元素组成，%

Table1 The industrial analysis and element buildup of west hill meager coal，%

分析结果表明，西山贫煤中的灰分达到12.71%，较鞍钢喷吹用混合煤粉中灰分控制标准要高出2.0%以上，灰分的增加，会导致高炉冶炼进程中渣量上升，炉内热量消耗上升，不利于燃料消耗指标，同时，其硫分水平也不低；有利之处在于，其有较高含量的H元素，有利于煤气流在炉内的行程。从分析结果来看，受制于灰分等因素制约，西山贫煤的单独使用上会受到限制，需要采用多煤种混合配制，才能够实现西山贫煤的高炉喷吹应用。

1.2基础性能分析

对于高炉喷吹煤粉工艺来讲，原煤要经过混合配加、干燥制粉、流化输送等一系列复杂流程，最终到达风口回旋区内，参与燃烧及炉内还原反应。因此，需要对煤粉在这个过程中的研磨性能、发热量及灰熔融性能进行分析，看其能否满足高炉制粉工艺及喷吹工艺的需要。西山贫煤的基础性能分析结果详见表2。

表2 西山贫煤基础性能分析，%

Table2 The analysis of basic performance of west hill meager coal，%

试验测定表明，西山贫煤的制粉性能要较鞍钢常用如焦作、阳泉、太西等无烟煤种要优良，从这个角度来看，配入西山贫煤后，可以达到有效减少制粉电能消耗，增加台时产量的效果；此外分析结果也发现，其热值水平也要高于目前炼铁总厂内喷吹所用的混合煤粉，说明喷入西山贫煤后，有利于增加炉内反应所需要的热量，提升煤焦置换比；再有就是其灰熔融性能要远高于鼓入风温100度以上，也说明了喷入此种煤粉后，不会在在风口等部位产生结渣等不利于生产的事情发生，从基础性能指标分析结果说来，西山贫煤用于高炉喷吹具有可行性。

1.3结焦性及燃烧性能分析

由于喷煤枪受到鼓入热风的影响，其煤枪前端会在风口部位处具有一定温度，而喷入的细颗粒煤粉会在这一进程中被加热，如果煤粉自身所具有的惰性物质，在这期间热解时形成胶质体，就会阻碍煤粉输送到炉内，严重时还会导致喷煤枪熔毁，十分不利于喷吹煤粉的正常作业。同时作为最为关注的指标，煤粉燃烧性能的优劣，与煤焦置换比之间具有直接关联，即关系到炉内燃料消耗控制水平。西山贫煤的结焦性能及燃烧性能分析结果详见表3。

表3 西山贫煤结焦性及燃烧性能分析

Table3 The analysis of coking and burning with west hill meager coal

从对惰性组分析和胶质层厚度测定来看，西山贫煤表现出无结焦性，即喷吹煤粉中配入西山贫煤后，不会在煤枪头等部位粘结，形成堵塞，从而对喷吹煤量产生影响。同时对比无烟煤，由于西山贫煤具有一定的挥发分含量，致使其燃烧性能也较鞍钢常用的无烟煤要好，从这个角度来看，喷入此种煤粉后，会有利于改善炉内煤粉燃烧状态，降低燃料消耗。

2优化配煤方案建立

现代喷吹煤粉工艺大多数采用混合煤粉进行喷吹，目的是取不同煤种特性，达到高炉使用效果上的最佳化，由于不同煤种之间性质存在差异性，并且配入后，在研磨、输送及燃烧过程中又相互影响，因此，不同煤种之间适宜的添加比例的获得，也是整体喷吹煤粉工艺的核心所在^[6-8]。

2.1配煤方案建立

受限于鞍钢炼铁总厂煤粉车间煤仓数量的制约，同时也为不同煤种之间配入的调度方便，厂内混合煤粉多数由三到五种煤种组成，本次采用数学优化试验方法，也以现有煤粉条件为基础，在满足混合煤粉应用标准前提下，建立西山贫煤优化配煤方案，西山贫煤优化配煤试验因素水平表设计见表4。

表4 优化配煤试验的因素水平表

Table4 The factor and level table of optimize mix coal test

为实现新山贫煤与其它煤种的最优化配入，新配煤体系下，在充分考虑到各种影响高炉喷煤和使用效果的参数后，不再以混合煤粉的某一指标作为评价标准，转而采用煤粉综合性能作为评价标准，综合筛选后，选取可磨性指数（注：HGI）、发热值（注：Q_低）、软化温度（注：ST）、理论煤粉燃烧率（注：BR），150kg/t喷吹煤比下的煤焦置换比（CKR），混合煤粉配煤成本（COST）作为评价考核依据，多因素的考虑对配煤方案的确定^[9-10]，以避免出现指标看上去表面良好，而实际应用较差的现象发生，西山贫煤优化配比方案详见表5。

表5  西山贫煤优化配煤方案，%

Table5 The blue print with optimize mix coal hill meager coal

2.2煤粉燃烧率

诸多研究机构和生产厂家长时间的生产实践均表明，煤粉喷入到高炉内后，其燃烧状态的好坏将直接影响到燃料消耗水平和炉况顺行状态，由此可见，适宜煤粉的燃烧性能，对于改善高炉操作指标具有决定性的意义。为找出最适宜的煤粉配加方案，利用技术中心实验室现有设备条件，开展了不同喷吹煤比条件下，配入西山贫煤优化配煤方案下的混合煤粉的燃烧率情况分析，为适宜的配煤方案确立提供参考依据，不同优化配煤方案在差异化喷吹煤比条件下，混合煤粉燃烧率对比见图1。

燃烧率对比分析结果来看，随着喷吹煤量的增加，不同配煤方案下，煤粉燃烧率均呈现出下降到趋势，且随着喷吹量的加大，燃烧率降低的势头也在加速，说明喷入高炉内部的煤量是决定煤粉燃烧效果的最为关键环节，即表明不同操作炉况条件下，高炉均有适宜的喷吹煤比空间，也就是常说到的经济喷吹煤比。同时从图1中可以看出，配入西山贫煤的优化方案5、7、8的燃烧率最高，也说明采用这几种配煤方案下的混合煤粉，同样喷吹煤比条件下，喷入到炉内的燃烧效果最好。

2.3煤焦置换比

由于高炉喷吹煤粉后，煤粉中的碳元素可以替代风口回旋区内焦炭燃烧的碳元素，根据炉内的碳素平衡原理，可以推算出煤粉与焦炭之间的置换关系，也就是常说的煤焦置换比。

由于喷入高炉内的煤粉可以实现除了替代焦炭骨架功能以外所有的功能，因此煤焦置换比是衡量高炉喷煤效果的最重要标准，也是喷吹煤粉的意义所在。这其中置换比的高低不仅与煤种、煤粉成分有关系，而且与富氧率、风温等高炉操作水平也有着密切的关系，不同优化配煤方案在差异化喷吹煤比条件下，混合煤粉煤焦置换比对比见图2。

图2 不同配煤方案下混合煤粉煤焦置换比对比分析

Fig2 The contrast analysis coal-to-coke replacement rate with mix coal of different mix precept

这里应当指出，煤焦置换比与煤种配比，高炉冶炼条件以及操作水平均有关系，且会因为喷吹煤量的增加，致使炉内煤粉燃烧性能变差，煤粉中碳元素置换能力下降，使得置换比是呈现递减趋势，同时随着燃烧率下降的加快，煤焦置换比也会表现出快速下降，同时也从图1中可以看出，配入西山贫煤的优化方案5、7、8的煤焦置换比最高，说明采用这几种配煤方案下，同样喷吹煤比条件下，利用效果上更好一些。

3配加西山贫煤工业喷吹试验

从对西山贫煤的基础成分及性能分析结果来看，此种煤粉不同的单一性能均满足高炉喷吹工艺所要求标准，作为喷吹用煤具有可实施性，这里需要指出的是，由于西山贫煤的市场采购价格较为低廉，当配入一定量后，还可以起到替代部分无烟煤，达到降低配煤成本的效果。为减少配煤成本，炼铁总厂决定依托现有公司原煤条件，在第一制粉车间及对应的新1号、10号高炉，开展配加西山贫煤的工业喷吹应用试验，此次试验由两阶段组成，基准期（注：三个月）内仍采用传统煤粉配比及喷吹应用，试验期的三个月内，则采用优化配煤方案5、7、8进行高炉应用，考察喷吹西山贫煤后，相关高炉操作指标的变化，并为下一步公司在不同高炉铺展开来使用此种煤粉提供必要的技术参考。

3.1煤粉配比及喷吹说明

由于受到市场和公司采购条件的限制，鞍钢喷吹煤种目前由多种煤粉所构成，为达到西山贫煤使用效果上的最佳化，也为实现不同煤粉的搭配消耗使用，此次工业试验三个月内，分别采用三个配比方案，每个优化配比方案均为一个月的应用期限，为方便对比说明，煤粉配比变动后给高炉操作带来的影响变化，在试验期间，其它诸如中速磨制粉、载其输送等工艺制度均不变动，仍沿用以往操作来执行。

3.2高炉操作指标变化

喷吹煤粉的核心本质在于以煤替焦，降低炼铁工艺燃料消耗成本，为了解采用配入西山贫煤的优化配煤方案后，这两座高炉在日常生产中所达到的实际效果，对基准期和试验期间的高炉燃料消耗和其它操作指标进行统计及归纳分析，以此，来说明配入西山贫煤后的高炉冶炼效果。

3.2.1喷吹煤比

对炼铁总厂新1号、10号高炉喷吹西山贫煤工业应用的基准期和试验期的喷吹煤比情况做出统计，2座高炉在此期间的喷吹煤比变化趋势见图3和4。

从2座高炉基础期和试验期喷吹煤比对比趋势图中可以看出，无论是新1号高炉，亦或10号高炉，试验期间，喷吹煤比均有较大幅度提升，其控制水平也较基准期内采用传统配煤有了很大改善，高炉喷吹煤粉表现出了更好的稳定性。

3.2.2入炉焦比

对炼铁总厂新1号、10号高炉喷吹西山贫煤工业应用的基准期和试验期的入炉焦比情况做出统计，2座高炉在此期间的入炉焦比变化趋势见图5和6。

从两阶段入炉焦碳消耗数量来看，采用数学优化配煤方案后，混合煤粉在炉内的燃烧效果变好，炉缸活跃度得到加强，煤焦置换比得到进一步提升，高炉操作条件得到进一步改善，使得炉况稳定顺行，从而带来了入炉焦碳使用量有较大幅度下降，且在试验期间，这两座高炉焦炭消耗数量控制较试验期也更加平稳。

3.2.3燃料比

对炼铁总厂新1号、10号高炉喷吹西山贫煤工业应用的基准期和试验期的燃料比情况做出统计，2座高炉在此期间的燃料比变化趋势见图7和8。

燃料消耗量上是高炉冶炼的经济性最终体现，从两座高炉喷吹配入西山贫煤的混合煤粉应用效果来看，对比应用前，总体燃料消耗量都有所下降，且喷入西山贫煤后，随着炉况操作条件的优化，燃料消耗都维持在一个较为平稳的水平，与高炉“稳”字当先的操作理念也相吻合，初步达到了减少燃料消耗，降低炼铁成本的目的。

3.3煤粉炉内利用效果

混合煤粉喷入到高炉风口回旋区内部后，大部分最终燃烧，并参与炉内的还原反应，而未能利用的部分则会随着气流上升，进入到重力除尘收集器和干法布袋除尘灰中，因此，通过定期取样，分析这两种除尘工艺灰中的碳含量变化，就可以表观说明煤粉炉内燃烧状态是否得到相应改善。

3.3.1瓦斯灰碳含量

对炼铁总厂新1号、10号高炉喷吹西山贫煤工业应用基准期和试验期的高炉瓦斯灰碳含量分析变化趋势见图9～图10。

对两座高炉的瓦斯灰的碳含量分析结果来看，在配入西山贫煤的工业试验期内，瓦斯灰中的碳含量水平也都有了显著的下降，降低幅度分别达到新1号高炉2.06%、10号高炉1.81%，且肉眼可见大颗粒焦炭颗粒数量有明显减少，说明配入西山贫煤后，混合煤粉中挥发分条件的得到改良，加之贫煤中的氢含量要较无烟煤高，煤气中的氢气含量的增加，也降低了煤气的黏度，减轻了煤气在炉内的行程阻力，这些因素都促使进入炉内煤粉燃烧效果变好，燃料利用效率更高。

3.3.2干法除尘灰碳含量

对炼铁总厂新1号、10号高炉喷吹西山贫煤工业应用干法除尘灰中碳含量分析变化趋势见图11～图12。

两座高炉不同时期的干法除尘灰碳含量分析结果表明，试验期内，配入西山贫煤后，高炉干法布袋除尘灰中的碳含量控制水平也有较大幅度降低，下降幅度分别达到1.64%、10号高炉1.74%，说明在优化配煤方案下，配入西山贫煤后，炉内有效燃料部分大幅度增加，致使未燃烧的细颗粒煤粉数量随着炉尘带出来的大幅度减少，喷入炉内的混合煤粉的利用情况得到进一步改善。

3.4西山贫煤喷吹试验效果

从持续三个月的试验效果来看，在未有其它工艺条件变动带来的影响下，采用喷吹西山贫煤的优化方案后，炼铁总厂两座高炉试验期间，在日常生产中，都表现出炉况稳定顺行，操作条件改善，燃料消耗下降的良好状态，基准期和试验期高炉操作指标对比详见表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

对于鞍钢来讲，突破了以往由无烟煤和烟煤混加的配煤结构，在采用数学优化配煤技术后，实现了贫煤这类新煤种的高炉突破喷吹应用，并且取得成功。实际使用过程中，既达到降低了煤粉成本的目的，又实现了拓宽煤种采购范围的效果，并且对于公司日后大规模拓展贫煤及其它煤种的配煤及喷吹技术，用以改善炉况，降低炼铁生产成本，都有重要的参考价值。

4结论

1）受制于灰分等因素制约，西山贫煤的单独使用会受到限制，需要采用多煤种混合配制，才能够实现西山贫煤的高炉喷吹应用。

2）对惰性组分析和胶质层厚度测定来看，西山贫煤表现出无结焦性，即喷吹煤粉中配入西山贫煤后，不会在煤枪头等部位粘结，形成堵塞，从而对喷吹煤量产生影响。

3）研究表明，置换比与煤种配比，冶炼条件以及操作水平等均有关系，会因为喷煤量的增加，燃烧性能变差，导致煤粉中碳元素置换能力下降，使得置换比是呈现递减趋势。

4) 混合煤粉中配入西山贫煤后，煤粉中挥发分条件的得到改良，能够降低煤气的黏度，减轻煤气在炉内的行程阻力，使得喷入炉内的混合煤粉的利用情况更好。

5) 混合煤粉中配入西山贫煤后，炉内的燃烧效果会变好，使得炉缸活跃度得到加强，煤焦置换比得到进一步提升，高炉操作条件也会得到进一步改善。

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