神東煙煤中CaO在高爐噴吹中的作用及有價矸石排放減量化研究

張文輝，張建良，王 偉，王廣偉，呂 舜，邸傳耕，崔高恩，喬軍強

(1.國家能源集團；2.北京科技大學，北京 100083)

1 概 述

神東煙煤是我國優(yōu)質(zhì)動力煤，具有“三高一低”的特點，即發(fā)熱量高、揮發(fā)分高、反應(yīng)性高，硫分低等特點。除此之外，神東煙煤還有一個顯著特點，即：灰熔點低、CaO含量高。神東部分煙煤灰分中CaO含量超過30%，又稱為神東高鈣煙煤。由于較高的CaO含量使得其具有較低的灰熔點，直接用于電廠燃燒，會造成結(jié)渣等問題，影響鍋爐穩(wěn)定運行。為了確定神東煙煤中CaO含量對高爐噴吹的影響，神東煤炭集團與北京科技大學聯(lián)合進行了神東煙煤高爐噴吹研究，并進行了工業(yè)試驗，試驗結(jié)果表明：與同類低CaO含量煙煤比較，神東高鈣煙煤用于高爐噴吹，可以減少煉鐵過程熔劑(CaO和MgO)消耗量，提高高爐煉鐵效率，為高爐噴吹用戶帶來顯著經(jīng)濟效益，同時也為神東高鈣煙煤的選煤加工發(fā)展指明方向。

在目前的高爐煉鐵生產(chǎn)流程中，鐵礦石、焦炭和熔劑是3種不可缺少的原材料，目前高爐煉鐵工藝流程如圖1所示。其中焦炭對高爐冶煉是不可或缺的燃料，但是煉焦用的焦煤儲量有限，在世界范圍內(nèi)屬于緊缺資源，而且煉焦過程中排放出相當數(shù)量的污染物，對人類生存的環(huán)境造成惡劣影響。因此，煉鐵工作者一直研究有何種燃料可以替代焦炭。直到20世紀50—60年代，研究發(fā)現(xiàn)可以成功地從高爐風口向高爐噴吹燃料，用其中的碳燃燒成CO放熱代替部分焦炭中碳燃燒放熱，用其燃燒形成的CO、H2作為還原劑代替焦炭中碳及其燃燒形成的CO[1]。從燃燒放熱和形成還原劑CO的數(shù)量來比較，煤粉比其它噴吹燃料(天然氣、重油等)更優(yōu)越，因此噴吹煤粉成為世界高爐煉鐵置換焦炭的一項重要手段，煤粉也成為首選的、可以置換部分焦炭的燃料，從而降低噸鐵焦炭消耗，降低生鐵成本。

圖1 高爐煉鐵工藝流程示意

現(xiàn)代高爐冶煉所用焦炭在高爐中可為高爐提供冶煉過程需要的熱量，還原鐵礦石需要的還原劑，維持高爐料柱(特別是軟熔帶及其以下部位)透氣性的骨架，以及生鐵滲碳的碳源。高爐噴吹煤粉是從高爐風口向爐內(nèi)直接噴吹磨細了的無煙煤粉或煙煤粉或這兩者的混合煤粉，以替代焦炭起提供熱量和還原劑的作用，從而降低焦比，降低生鐵成本，它是現(xiàn)代高爐冶煉的一項重大技術(shù)革命。高爐噴吹煤粉對現(xiàn)代高爐煉鐵技術(shù)來說是具有革命性的重大措施，它是高爐煉鐵能否與其它煉鐵方法競爭，繼續(xù)生存和發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。其意義具體表現(xiàn)為：

(1)以低廉的價格部分代替價格昂貴而日趨匱乏的冶金焦炭，使高爐煉鐵焦比降低，生鐵成本下降。

(2)噴吹是調(diào)劑爐況熱制度的有效手段。

(3)噴吹煤粉可改善高爐爐缸工作狀態(tài)，使高爐穩(wěn)定順行。

(4)噴吹煤粉氣化過程中放出比焦炭多的氫氣，提高了煤氣的還原能力和穿透擴散能力，有利于礦石還原和高爐操作指標的改善。

(5)噴吹煤粉代替焦炭，減少焦爐座數(shù)和生產(chǎn)的焦炭量，從而減少煉焦生產(chǎn)對環(huán)境的污染。

在煉鐵生產(chǎn)中加入的熔劑主要用于脫除鐵礦石、焦炭和噴吹煤粉帶入高爐內(nèi)的脈石和灰分中酸性組分等雜質(zhì)。鐵礦石、焦炭和噴吹煤灰分越高，則需加入的堿性熔劑越多，進而降低生產(chǎn)效率。研究表明，焦炭灰分每增加1%，高爐焦比約提高2%，石灰石用量約增加2.5%，高爐產(chǎn)量約下降2.2%[1]。

2 CaO在高爐噴吹中的作用分析

2.1 CaO對煙煤燃燒性影響的研究

由于不同煤種中灰分含量及礦物組成不同，可能導致CaO含量對煙煤燃燒率的影響不準確。通過在煤種中添加一定量的CaO對神東活雞兔井神優(yōu)2煙煤和榆家梁精煤進行催化燃燒試驗，研究CaO對煙煤的燃燒是否具有催化性能[2]。

對于活雞兔礦井神優(yōu)2煙煤來說，隨著CaO含量的增加，對煤粉燃燒過程的催化效果越顯著。當添加CaO含量為1%時，燃燒曲線向低溫區(qū)移動，使煤粉的開始燃燒溫度和完全燃燒溫度均有所降低，表明CaO的添加對煤粉的燃燒具有催化作用；繼續(xù)增加CaO的添加量可以發(fā)現(xiàn)，對煤粉的開始燃燒溫度影響不大，當CaO添加量為2%時，煤樣的完全燃燒溫度有所降低；當CaO添加量為4%時，煤樣的完全燃燒溫度相較于2%添加量時有所滯后，但與原煤相比依然有著明顯的催化效果。同樣對比分析不同CaO添加量條件下榆家梁精煤的燃燒曲線，也可以發(fā)現(xiàn)CaO的添加對榆家梁精煤的燃燒過程也具有明顯的催化效果。

2.2 CaO對高爐煉鐵過程的影響

神東原煤中含有較高的石英和方解石等礦物，并且神東煙煤的高鈣特性主要體現(xiàn)為CaO以方解石的形式存在于碳基質(zhì)中，主要以較小的粒徑分布在 0.005～0.038 mm和0.053～0.147 mm 2個區(qū)間，在洗選加工過程中去除難度較大。另一方面，隨著煤樣灰化溫度的升高，灰中的一些礦物逐漸分解，并且伴隨著礦物和礦物之間的相互反應(yīng)演變，在 1 000 ℃下形成了多種較低熔點的物質(zhì)，導致煙煤灰熔點較低。

進一步研究表明，煤中CaO含量在30%～35%時煤灰的灰熔點達到最低值，為了避免神東高鈣煙煤高爐噴吹時由于灰熔點較低可能引起的煤槍堵槍和風口小套結(jié)渣，需要通過配加一定量的高灰熔點的無煙煤，或采用高爐風口噴吹熔劑(主要成分為CaO)的技術(shù)，提升噴吹混煤中CaO含量，以避開其灰熔點達到最低的CaO含量區(qū)間。

噴吹神東高鈣煙煤后，對爐渣的粘度有很好的改善效果，所以當噴吹神東煙煤后，可以適當減少直接加入高爐的助熔劑量，進而減少渣量、降低燃料比，有利于降低高爐冶煉成本。以2 000 m3高爐為例時，使用6%灰分含量的神東煙煤時，與6%灰分含量的普通煙煤相比，會增加該座高爐0.29%的生鐵產(chǎn)量，高爐年產(chǎn)量增加5 250 t；與8%灰分含量的普通煙煤相比，會增加該座高爐1%的生鐵產(chǎn)量，高爐年產(chǎn)量增加18 200 t。在高爐煤比150 kg/tHM，神東煙煤噴吹占比40%時，2 000 m3高爐每年使用神東煙煤量約為11萬t，與使用普通煙煤(6%灰分)相比，每年可減少熔劑使用成本約92萬元，與使用普通煙煤(8%灰分)相比，每年可減少熔劑使用成本約140 萬元。即每使用1 t神東煙煤與使用普通煙煤(6%灰分)相比，可減少熔劑使用成本約8.4元；與使用普通煙煤(8%灰分)相比，可減少熔劑使用成本約12.7元。此外，使用神東高鈣煙煤還具有提升產(chǎn)量和降低燃料比的效果，能夠進一步降低煉鐵生產(chǎn)成本。根據(jù)目前鋼鐵企業(yè)煉鐵成本的主要指標，同樣用于2 000 m3高爐，使用神東高鈣煙煤(6%灰分)與使用普通煙煤(6%灰分)相比，每年可提高企業(yè)效益約467萬元，即每使用 1 t神東煙煤約可提高企業(yè)效益42.5元；使用神東煙煤(6%灰分)與使用普通煙煤(8%灰分)相比，每年可提高企業(yè)效益約1 320萬元，即每使用1 t神東高鈣煙煤約可提高企業(yè)效益120元。

3 噴吹神東高鈣煙煤工業(yè)生產(chǎn)效果分析

3.1 在B鋼鐵公司5號高爐的生產(chǎn)應(yīng)用效果

在B鋼鐵公司5號高爐進行了噴吹神東高鈣煙煤和普通煙煤的跟蹤分析評價，通過對B鋼鐵公司5號高爐生產(chǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，得出結(jié)論如下：在試驗基準期內(nèi)5號高爐噴吹煤種多變，尤其煙煤煤種不穩(wěn)定，同時此階段內(nèi)神東煙煤在混煤配比較少，最多為10%左右，基準期煤比均值為161 kg/tHM，焦比均值為358 kg/tHM，燃料比均值為519 kg/tHM；對比期內(nèi)5號高爐噴吹混煤中神東煙煤在混煤中的配比由基準期的最多10%增大到2018年6月份的36.9%，對比期內(nèi)煤比均值為169 kg/tHM，比基準期提高了8 kg/tHM，焦比均值為345 kg/tHM，比基準期降低了13 kg/tHM，燃料比均值為515 kg/tHM，比基準期降低了4 kg/tHM。同時對比期內(nèi)鐵水日產(chǎn)量均值為7 702 t，比基準期高748 t。在其他條件如裝料制度、操作制度、入爐原燃料的質(zhì)量控制和鐵水成分等基本不變的條件下，神東煙煤為上述生產(chǎn)指標的改善起到了一定的作用。此外，隨著神東煙煤配比的提高，5號高爐噸鐵燃料成本明顯下降，當神東煙煤配比由10%提高到36.9%時，將神東煙煤對降低燃料成本的貢獻率按 30%計算，則5號高爐噸鐵燃料成本降低9.85元。

3.2 在M鋼鐵公司5號高爐的生產(chǎn)應(yīng)用效果

在M鋼鐵公司5號高爐進行了噴吹神東高鈣煙煤和普通煙煤的跟蹤分析評價，通過對M鋼鐵公司5號高爐生產(chǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，結(jié)論如下：在高爐裝料制度、操作制度、原料成分和焦炭質(zhì)量等基本不變的前提下，M鋼鐵公司5號高爐噴吹混煤中神東煙煤配比由37%降到0%，導致對比期的煤比僅為120 kg/tHM，比基準期減少了31 kg/tHM，同時未燃煤粉增多，除塵灰的含量上升；對比期的焦比為398.57 kg/tHM，比基準期提高了61.57 kg/tHM，最終導致對比期的燃料比高于基準期30.57 kg/tHM。此外，取消神東煙煤使用的對比期與基準期相比，高爐冶煉燃料成本高出100元/tHM左右。

4 發(fā)展選擇性選煤排矸脫灰技術(shù)，實現(xiàn)有價矸石排放減量化

從上述研究結(jié)果可以看出，煤中部分灰分中的無機組分CaO也有經(jīng)濟利用價值。目前，我國普遍應(yīng)用的動力煤選煤技術(shù)，無論是干法還是濕法[3]，都是根據(jù)矸石與煤的密度差進行分離，不管矸石中無機組分是否有利用價值，一律排棄掉，并且增大了排矸量，減少了商品煤產(chǎn)量，造成不必要的浪費。因此，將來的選煤技術(shù)應(yīng)發(fā)展選擇性選煤排矸脫灰技術(shù)，實現(xiàn)有價矸石減量排放。根據(jù)用戶的需要，在選煤過程中進行選擇性排矸脫灰，如采用可鑒別矸石中化學組成的智能選煤技術(shù)或磁選技術(shù)，把煤中無用的灰分脫除掉，如高爐噴吹用煤和循環(huán)流化床用煤，可選擇性脫除含SiO2和Al2O3組分高的灰分或矸石，保留CaO含量高的矸石；對于有提取價值的高含Al2O3煤，應(yīng)選擇性脫除SiO2和CaO等組分，富集Al2O3組分，降低提取Al2O3成本。因此，根據(jù)用戶需求有選擇地脫除煤中部分無機組分，實

現(xiàn)選煤過程有價矸石減量排放，不僅充分利用煤中有機組分，而且有利于煤中灰分等無機組分的有效利用，實現(xiàn)煤炭利用價值最大化。

隨著我國環(huán)保政策力度的加大，部分礦區(qū)排矸征地越來越困難，甚至有些礦區(qū)地方政府，明確禁止地面排矸，矸石只能井下充填，使煤炭生產(chǎn)成本顯著增加。選煤廠根據(jù)用戶需求，采用選擇性排矸，實現(xiàn)有價矸石減量排放，既可以減少地面排矸壓力，又可以增加商品煤產(chǎn)量。以神東礦區(qū)為例，采用選擇性排矸，實現(xiàn)有價矸石減量排放，在保證商品煤質(zhì)量的前提下減少10%的排矸，每年可增加商品煤產(chǎn)量140～160萬t左右，則年增加經(jīng)濟效益在10億元以上。因此，應(yīng)發(fā)展并推廣應(yīng)用定制化生產(chǎn)，根據(jù)用戶需求，采用選擇性排矸，實現(xiàn)有價矸石減量排放，在煤中保留部分有經(jīng)濟價值的無機組分，提高煤炭資源利用率，因此，選擇性選煤排矸脫灰實現(xiàn)有價矸石減量排放技術(shù)是未來選煤技術(shù)的發(fā)展趨勢之一，是煤炭企業(yè)提質(zhì)增效的重要途徑之一。

5 結(jié) 語

神東煙煤是我國優(yōu)質(zhì)高爐噴吹煤，不僅具有動力煤“三高一低”的優(yōu)勢，而且，在動力煤中CaO含量高灰熔點低的劣勢，也轉(zhuǎn)變?yōu)楦郀t噴吹的優(yōu)勢，由于神東煙煤中CaO含量高，可促進噴入高爐煤粉燃燒，減少高爐煉鐵過程熔劑添加量，提高煉鐵效率，降低煉鐵成本，每噴吹1 t神東高鈣煙煤可為鋼鐵企業(yè)帶來40～120元/t效益，同時，為控制神東高鈣煤洗選深度和智能洗選發(fā)展指明了方向，應(yīng)發(fā)展選擇性排矸脫灰技術(shù)，實現(xiàn)有價矸石減量排放，提高煤炭資源利用價值。