峰景北瘦煤用于鞍鋼高爐噴吹研究與應(yīng)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(tuán)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(chǎn)品價格和品種的比拼，而是逐漸轉(zhuǎn)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(shù)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(yùn)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(jié)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(jìn)行相關(guān)研究，成功將此種煤粉用于鞍鋼高爐日常生產(chǎn)中，并取得了良好的生產(chǎn)效果。

1　基礎(chǔ)成分與性能分析

瘦煤通常具有揮發(fā)分低、黏結(jié)性弱、結(jié)焦性差、硫含量少、易于破碎等特點，常用于煉焦配煤生產(chǎn)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(jìn)行成分分析及性能檢測，判斷其成分組成和各項基礎(chǔ)性能是否滿足高爐日常生產(chǎn)，并以此作為鞍鋼高爐噴吹用煤的基礎(chǔ)評價依據(jù)。

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(biāo)，能夠給出不同煤種最為基本的評價，了解煤粉的基礎(chǔ)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(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

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(dǎo)致煤氣中氫含量增加，降低爐內(nèi)煤氣流上升阻力，改善高爐透氣效果，在實際生產(chǎn)中，進(jìn)一步加強(qiáng)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(jīng)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(yīng)用于高爐的噴吹。由于混合煤粉由多種原煤構(gòu)成，其中不同煤種表現(xiàn)出的工藝性能，將決定此種煤粉能否利用現(xiàn)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(jié)焦性能等進(jìn)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(jié)果詳見表2。

表2　峰景北瘦煤工藝性能檢測結(jié)果

性能檢測結(jié)果表明:峰景北瘦煤的可磨性指數(shù)為55.31，較鞍鋼要求原煤最低50以上的控制標(biāo)準(zhǔn)高，加入峰景北瘦煤，能夠滿足煤粉研磨需要，且不會在生產(chǎn)中消耗額外功率和產(chǎn)生“吐煤”等不利于生產(chǎn)的事故發(fā)生；煤粉的輸送效果與鞍鋼目前常用煤粉相當(dāng)，配加峰景北瘦煤，不會對混合煤粉輸送工藝產(chǎn)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(dá)到促進(jìn)爐內(nèi)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(fēng)溫度100℃以上，說明混合煤粉中配加峰景北瘦煤后，不會產(chǎn)生風(fēng)口結(jié)渣等現(xiàn)象，而對生產(chǎn)構(gòu)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(jié)性和膠質(zhì)層的存在，過多使用峰景北瘦煤會造成煤槍結(jié)焦，導(dǎo)致煤槍破損現(xiàn)象的發(fā)生，在實際配煤應(yīng)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(chǎn)過程中，由于煤粉噴入到高爐風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)，燃燒后參與爐內(nèi)還原反應(yīng)，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(nèi)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(biāo)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(jìn)，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(jìn)一步提高，改善效果不明顯，即對于高爐生產(chǎn)來講，富氧率應(yīng)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(jìn)。

2　優(yōu)化配煤方案建立

2.1　優(yōu)選方案

受到現(xiàn)實原煤倉數(shù)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(gòu)成。而建立數(shù)學(xué)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(xiàn)有原煤條件為基礎(chǔ)，在滿足混合煤粉應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的前提下，實現(xiàn)煤種配入最為合理的應(yīng)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(shè)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(biāo)作為評價配煤方案的標(biāo)準(zhǔn)，轉(zhuǎn)而采用具有自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)學(xué)優(yōu)化方法，以多種綜合指標(biāo)（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(chǔ)，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(xiàn)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(biāo)作為評價煤粉所造成的不合理之處。峰景北瘦煤數(shù)學(xué)優(yōu)化配煤方案詳見表5。

表5　峰景北瘦煤數(shù)學(xué)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(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)，燃燒后參與爐內(nèi)還原反應(yīng)，其燃燒狀態(tài)的好壞，決定著爐內(nèi)還原反應(yīng)的速度和效果，即與燃料消耗和爐況順行程度有著直接關(guān)聯(lián)。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(shù)依據(jù)，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(nèi)煤粉燃燒效果呈現(xiàn)加速變差的趨勢，說明高爐在實際生產(chǎn)過程中，并非噴吹煤量越多越好，而是應(yīng)該有一個限度，即 “經(jīng)濟(jì)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(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)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(chǎn)成本。根據(jù)爐內(nèi)碳素平衡原理，推算出煤粉與焦炭的置換關(guān)系。高爐生產(chǎn)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(guān)，也與鼓風(fēng)溫度、富氧情況、噴吹煤量有很大關(guān)聯(lián)。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(nèi)煤焦置換比呈現(xiàn)出快速下滑的趨勢。與煤粉燃燒狀態(tài)相對應(yīng)，說明煤粉燃燒狀態(tài)變壞，煤焦置換比也相應(yīng)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(fù)效益可能。從幾種優(yōu)化配煤方案分析結(jié)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(yīng)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(biāo)實驗測定結(jié)果，鞍鋼所購峰景北瘦煤除了具有較弱的黏結(jié)性和含有一定的膠質(zhì)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(yīng)限制外，其它各項指標(biāo)均滿足高爐噴吹用煤標(biāo)準(zhǔn)需要。總體來看，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(yīng)用后可節(jié)省大量原煤采購資金，降低煉鐵生產(chǎn)成本。

3.1　工業(yè)試驗相關(guān)說明

通過基礎(chǔ)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(yīng)用試驗。此次試驗劃分為兩個階段，基準(zhǔn)期（注:2017年6月和7月，共計2個月）內(nèi)仍采用傳統(tǒng)煤粉配比及噴吹應(yīng)用，試驗期（注:2017年8月和9月，共計2個月）內(nèi)，則采用實驗室下優(yōu)選配煤方案3來進(jìn)行高爐噴吹生產(chǎn)，同時在基準(zhǔn)期和試驗期，保持原料種類和焦炭質(zhì)量穩(wěn)定，其它諸如制粉、輸送等工藝制度及高爐生產(chǎn)過程中的富氧、風(fēng)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(biāo)的相應(yīng)變化情況，為在多座高爐大量使用峰景北瘦煤提供技術(shù)依據(jù)。

3.2　高爐操作指標(biāo)

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(chǎn)所能達(dá)到的效果，對基準(zhǔn)期和試驗期的燃料消耗和高爐操作指標(biāo)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(yīng)生產(chǎn)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(zhǔn)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(zhǔn)期均有較大幅度提升，噴吹煤比控制水平也較基準(zhǔn)期有了很大改善，高爐噴吹煤粉工藝呈現(xiàn)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(zhǔn)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(nèi)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?fàn)t內(nèi)透氣效果變好，改善爐內(nèi)煤焦置換效果，使高爐消耗焦炭數(shù)量大幅度下降，高爐運行條件變好，高爐生產(chǎn)更加穩(wěn)定順行，各項操作指標(biāo)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(zhǔn)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(shù)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(shù)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(dá)到了高爐穩(wěn)定操作的效果，實現(xiàn)了最初配入峰景北瘦煤減少燃料消耗，進(jìn)而降低生產(chǎn)成本的目的。

圖3　基準(zhǔn)期和試驗期高爐噴吹煤比情況

圖4　基準(zhǔn)期和試驗期高爐入爐焦比情況

圖5　基準(zhǔn)期和試驗期高爐燃料比情況

3.3　煤粉爐內(nèi)利用效果

細(xì)粒級的煤粉經(jīng)煤槍噴入到風(fēng)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(yīng)，少部分未燃燒的煤粉會隨著爐內(nèi)煤氣流上升，最終進(jìn)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(nèi)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(zhǔn)期和試驗期的重力灰進(jìn)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(jìn)行不同粒級的篩分，發(fā)現(xiàn)較為明顯的變化，即大顆粒焦炭數(shù)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(nèi)煤焦置換狀態(tài)，爐內(nèi)燃料利用效率得到了進(jìn)一步提升。

圖6　基準(zhǔn)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(biāo)之一，可以直接反映出爐內(nèi)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(zhǔn)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(zhǔn)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(nèi)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(nèi)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(nèi)，高爐生產(chǎn)總體呈現(xiàn)穩(wěn)定順行、指標(biāo)向好的良好運行狀態(tài)，初步實現(xiàn)了預(yù)想目的。基準(zhǔn)期和試驗期燃料指標(biāo)對比見表6。

表6　高爐基準(zhǔn)期和試驗期燃料指標(biāo)

由表6可以看出，采用優(yōu)化配煤方案，相比于基準(zhǔn)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(chǎn)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(jié)構(gòu)，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(chǎn)權(quán)的數(shù)學(xué)優(yōu)化配煤技術(shù)，實現(xiàn)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(chǎn)效果。實現(xiàn)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(nèi)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(chǎn)成本，具有重要的參考價值。

4　結(jié)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(shù)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(jié)性和膠質(zhì)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(biāo)（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(zhǔn)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。