周孑民，王浩，張家元，廖沙

( 中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院)

摘要：針對(duì)湖南燃煤資源特性和某高爐噴煤生產(chǎn)現(xiàn)狀，選取了10 種代表性原煤為試驗(yàn)樣本?；贚INGO 優(yōu)化軟件，以混煤價(jià)格最低為目標(biāo)函數(shù)，以高爐噴煤煤質(zhì)要求為約束條件，求解得到了5 種噴吹用混煤樣本，在混煤特性試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過性價(jià)比分析選取了合適的噴吹煤種，并計(jì)算出與混煤匹配的富氧率。工業(yè)噴吹試驗(yàn)結(jié)果表明，采用優(yōu)化后所獲得的煤樣及富氧率獲得了良好效果，煤比提高51kg /t，焦比下降38kg /t，鐵水含S 量降低，渣流動(dòng)性得到改善，噸鐵增益37. 77 元，降低了生產(chǎn)成本。

關(guān)鍵詞：高爐；混合配煤；富氧率；混煤特性

在煉鐵生產(chǎn)中，作為高爐節(jié)能降焦、降低成本的核心技術(shù)和爐況調(diào)節(jié)的重要手段，富氧噴煤在近30 年內(nèi)發(fā)展很快。2009 年我國重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)噴煤比為145kg /t，比上年提高了10kg /t^［1］。噴吹煤粉作為高爐冶煉的燃料，同時(shí)也是重要的還原劑和滲透劑^［2］。而富氧作為提高煤粉燃燒率，提高理論燃燒溫度的重要手段，在噴煤工藝中也有廣泛的應(yīng)用。

針對(duì)其高爐噴吹煤比低( 約90kg /t) 、爐況較差、噴煤增益低等情況，展開高爐配煤及富氧增益研究，計(jì)算噸鐵成本最低時(shí)的噴煤配比以及富氧率，對(duì)比改進(jìn)前后高爐生產(chǎn)效益，得到其臨界富氧率。

1 原煤性能和供應(yīng)情況

20 世紀(jì)60 年代以來，我國煉鐵企業(yè)曾經(jīng)噴吹單一的煙煤或無煙煤，效果都不理想。煙煤可磨性和燃燒性好，但是發(fā)熱值低，磨煤過程中伴隨有一定的危險(xiǎn)性; 無煙煤可磨性和燃燒性不好，成本較煙煤高，但是發(fā)熱值高。因此，單獨(dú)噴吹任何一種都不經(jīng)濟(jì)。另外由于高爐用煤煤源緊張，很多鋼鐵企業(yè)很難保證使用單一煤種，通常使用2 種或更多的煤種配制理化性質(zhì)相似的煤粉^［2］。配煤的性能主要取決于原煤的碳化程度，通過對(duì)原煤元素分析和工業(yè)分析可以推斷出煤粉的性能。

針對(duì)其公司高爐噴吹單一煤粉( 湘中燃料)現(xiàn)狀，并結(jié)合煤源分布與產(chǎn)量情況，選取了10種單煤進(jìn)行元素分析、工業(yè)分析和氧彈發(fā)熱量實(shí)驗(yàn)，主要為適合噴吹的本地優(yōu)質(zhì)煤源( 5 種) ，同時(shí)考慮到優(yōu)質(zhì)煤源儲(chǔ)量少、供煤量不穩(wěn)定等因素，另選用5 種一般煤源作為補(bǔ)充。原煤部分分析數(shù)據(jù)見表1。

2 噴吹配煤數(shù)學(xué)模型建立及求解

在滿足配煤質(zhì)量指標(biāo)的前提下，綜合考慮配煤的著火性、燃燒性、爆炸性以及有害元素控制等因素，追求配煤的價(jià)格最優(yōu)。配煤的數(shù)學(xué)求解模型可表示如下。

國內(nèi)外通常噴吹煙煤和無煙煤，以綜合發(fā)揮煙煤和無煙煤的優(yōu)點(diǎn)，故揮發(fā)分控制在15% ～25%之間。另，業(yè)內(nèi)要求灰分低于15%，水分低于2%［3］，含S 量低于1%，并以此為依據(jù)給出約束條件。

該目標(biāo)函數(shù)可以用交互式的線性和通用優(yōu)化求解器( LINGO) 優(yōu)化求解。LINGO 是一套快速、方便和有效的構(gòu)建和求解線性、非線性和整數(shù)最優(yōu)化模型的功能全面的工具軟件，包括功能強(qiáng)大的建模語言、建立和編輯問題的全功能環(huán)境、讀取和寫入Excel 和數(shù)據(jù)庫的功能以及一系列完全內(nèi)置的求解程序。該文中用其求解上述交互式的線性問題。

表2 中列舉了5 種價(jià)格最低的符合條件的配煤方案。一方面是為了在某種配煤缺貨時(shí)提供替代方案，另一方面要在5 種混煤性能分析的基礎(chǔ)上，選取性價(jià)比最好的高爐噴吹用配煤方案。

由以上5 種配煤價(jià)格可以看出，婁底經(jīng)建煤是最重要的煤源，當(dāng)此種原煤缺貨時(shí)，配煤E的價(jià)格明顯高于其他配煤，該種配煤方法不符合降低成本的目的，故舍棄該配煤方法。

3 配煤性能分析

國內(nèi)多數(shù)企業(yè)對(duì)噴吹煤的質(zhì)量評(píng)價(jià)都是以化學(xué)成分為主，對(duì)其冶金性能缺乏認(rèn)識(shí)，也沒有相應(yīng)的檢測(cè)手段，嚴(yán)重制約我國噴煤水平^［4］。為了更好的適應(yīng)高爐噴吹，作者在混煤成分分析的基礎(chǔ)上，對(duì)A、B、C、D 4 種配煤進(jìn)行發(fā)熱量、著火點(diǎn)、燃燒性、反應(yīng)性和爆炸性實(shí)驗(yàn)。

3. 1 配煤主要成分分析

包括原煤在內(nèi)的6 種混煤煤粉的主要成分如圖1 所示。

3. 2 發(fā)熱量

煤粉的發(fā)熱量主要取決于其元素成分。含C量高則發(fā)熱量較高，含H、O 量高的煤粉放熱量較低。噴煤是高爐的重要熱源，在其他條件不變時(shí)，發(fā)熱量高有利于高爐順行。配煤的發(fā)熱量如表3 所示?？梢姡珹、C、D 3 種配煤的發(fā)熱量很接近，B 煤略高。

3. 3 著火點(diǎn)與燃燒性

實(shí)踐表明，煤粉應(yīng)該在吹入爐內(nèi)0. 007s 內(nèi)燃燒，未燃燒煤粉就會(huì)進(jìn)入爐渣或者高爐氣中損失，不僅導(dǎo)致資源浪費(fèi)，也可能影響高爐順行^{［5 － 8］}。高爐噴吹工藝中，需要著火點(diǎn)較低、燃燒性好的煤種，但是制粉和儲(chǔ)存工藝中，燃燒性能好的煤粉極易爆炸，故應(yīng)該考慮兩方面的因素。

工藝上認(rèn)為在大氣條件下，煤粉的著火點(diǎn)TZ 與揮發(fā)分含量V 存在線性關(guān)系，常用經(jīng)驗(yàn)公式( 1) 計(jì)算煤粉的著火溫度的理論值:

T_Z = 445 － 3. 86V            ( 1)

對(duì)各煤種進(jìn)行熱重分析，分析各煤種熱重曲線，用切線法得到著火點(diǎn)的實(shí)測(cè)值。各種煤粉著火點(diǎn)的理論值和實(shí)測(cè)值見表4。4 種配煤的著火點(diǎn)十分接近，A 煤最高、C 煤最低。

煤的燃燒性能主要取決于揮發(fā)分含量及其顯微組分^［9］。分析熱重曲線，分別取773K、873K、973K 的固定碳失重來表征煤的燃燒特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。

在揮發(fā)分含量接近的情況下，煤的燃燒性區(qū)別較大，說明燃燒性能并不只取決于揮發(fā)分含量。由表5 可知，C 煤的燃燒性能最好，在973K 時(shí)燃盡率超過99%，B 煤的燃燒性能最差。

3. 4 反應(yīng)性

反應(yīng)性是評(píng)價(jià)高爐噴吹煤粉的重要指標(biāo)。反應(yīng)性強(qiáng)的煤在氣化和燃燒過程中反應(yīng)速度快、效率高、產(chǎn)生CO 較多、遏制焦炭的氣化反應(yīng)并強(qiáng)化冶煉過程^［10］。對(duì)4 種配煤進(jìn)行煤粉反應(yīng)性試驗(yàn)，結(jié)果見圖2。可知，D 煤反應(yīng)性最好，C 煤次之，B 煤最差。

3. 5 煤塵爆炸性

影響煤粉爆炸性的主要內(nèi)部因素有揮發(fā)分含量、粒度、水分含量等。在揮發(fā)分低于18%時(shí)，火焰長度為0，煤粉無爆炸性。揮發(fā)分含量在30%時(shí)，火焰長度急劇增加，100%煙煤條件下，空氣中火焰返回長度可達(dá)600 ～ 650mm^［11］，故針對(duì)揮發(fā)分高的煙煤，在其中加入少量無煙煤可以很大程度上降低其爆炸性。通過對(duì)各種煤樣進(jìn)行爆炸性試驗(yàn)，得到火焰返回長度。

試驗(yàn)結(jié)果表明，A 煤返回火焰長度為130mm，煤塵爆炸性最弱，B 煤為150mm，C、D 煤種均為210mm，煤塵爆炸性最強(qiáng)，在以上四種配煤制粉、儲(chǔ)存與輸送工藝中，需要采用惰性氣體保護(hù)來防止爆炸。

4 配煤優(yōu)化方案及效益分析

綜合比較4 種煤粉，發(fā)熱量和著火溫度接近的情況下，C、D 配煤的燃燒性能和反應(yīng)性能相對(duì)較好。C 煤比D 煤成本低約6 元/t，該公司選擇C 煤種進(jìn)行試驗(yàn)噴吹。

在原有的工藝條件下，噴煤量從改進(jìn)前的90kg /t 逐漸提高至114kg /t，高爐順行良好，渣流動(dòng)性有所改善，懸料、崩料等事故明顯減少，表明良好的噴吹煤種也發(fā)揮了調(diào)節(jié)高爐工況的作用。據(jù)該公司統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，該高爐焦比由以前的428kg /t 下降至409kg /t，節(jié)焦19kg /t。當(dāng)煤比繼續(xù)上升時(shí)，出現(xiàn)了順行不穩(wěn)、渣中含C 量增加的情況，可能為風(fēng)溫偏低、供氧量不足等原因所致。配煤增益為

式中: M₁ 為原煤粉噴吹量，kg /t; P_m1為原煤粉價(jià)格，元/t; M_J1為節(jié)焦量，kg /t; P_k 為焦炭價(jià)格，元/t; M 為配煤煤粉噴吹量，kg /t; P_m 配煤煤粉價(jià)格，元/t。

根據(jù)廠方2011 年11 月報(bào)表數(shù)據(jù)，焦炭價(jià)格為1800 元/t。對(duì)該高爐計(jì)算可得:

5 富氧率

該高爐采用混合配煤優(yōu)化方案噴吹后，煤比從90kg /t 上升至114 kg /t，但仍低于全國平均水平。為了進(jìn)一步提高噴煤量，采用富氧噴煤技術(shù)。合理的富氧率不僅能有效提高噴煤燃燒效率，而且可適當(dāng)降低耗氧成本。

5. 1 富氧率

在一定富氧和配煤條件下，保證高爐適宜理論燃燒溫度的富氧率為f₀^［12］。

f₀ = ( a － 0. 21) V₀ /V           ( 3)

式中: a 為氧氣純度，%; V₀ 為小時(shí)富氧量，m³ /h; V 為小時(shí)鼓風(fēng)量，m³ /h。

對(duì)C 種配煤方案，利用參考文獻(xiàn)^［12］ 中的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算可得V0 = 1164m³ /h。

又V₀ = 1164m³ /h，V = 74500m³ /h，a =99%，則適宜富氧率f₀ = 1. 56%。

5. 2 臨界富氧率

式中: R 為煤焦置換比; P_o 為氧氣價(jià)格，元/m³ ; η為高爐利用系數(shù)，t /( m³·d) ; VBF為高爐有效容積，m³ ; PPI為噸鐵利潤，元/t; η₀ 不富氧時(shí)高爐利用系數(shù)，t /( m³·d) 。

該高爐設(shè)計(jì)有效容積為380m³，煤焦置換比為0. 75，氧氣價(jià)格為0. 8 元/m³，噸鐵利潤180元/t，富氧后煤焦置換比為0. 75，噴煤量為141kg /t，不富氧高爐利用系數(shù)為3. 23 t /( m³·d) 。

富氧后高爐利用系數(shù):

此富氧率即為煤比M、置換比R 時(shí)相應(yīng)操作條件下的高爐富氧增益的臨界富氧率，計(jì)算得fl =2. 60%。

5. 3 氧過剩系數(shù)

碳的氣化速度與氣相中氧濃度成正比，提高氧過剩系數(shù)可以加速煤粉燃燒，提高理論燃燒溫度^［3］。適宜的氧過剩系數(shù)不低于1. 15。氧過剩系數(shù)可以通過以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算^［3］。

式中: V 為風(fēng)量，m³ /h; O₂ 為鼓風(fēng)含氧量，%;M 為煤粉量，kg /h; O_m 為煤粉完全燃燒時(shí)的理論耗氧量，m³ /kg; n₁ 為送風(fēng)口數(shù)量; n₂ 為燃料噴口數(shù)量。

該高爐風(fēng)口數(shù)與噴煤口數(shù)量相等:

高爐中氧濃度提高可以促進(jìn)氧向碳表面?zhèn)鬟f，加快反應(yīng)速度，置換比大。此次技改建議的氧過剩系數(shù)略高于1. 15，符合理論要求。

最后通過計(jì)算得到最適宜富氧率為1. 14%，通過工業(yè)實(shí)驗(yàn)，富氧量穩(wěn)定在1164m³ /h 左右。此時(shí)噴煤量進(jìn)一步上升至141kg /t，基本達(dá)到全國平均水平。該工藝條件下，其臨界富氧率為2. 60%，氧過剩系數(shù)為1. 29。

6 結(jié)論

( 1) 經(jīng)配煤性能分析及方案優(yōu)化后，煤比由原煤粉的90kg /t 上升至114kg /t，焦比下降19kg /t。

( 2) 當(dāng)前價(jià)格水平下，高爐噴吹混合煤適宜富氧率為1. 56%，臨界富氧率為2. 60%，氧過剩系數(shù)為1. 29。

( 3) 通過煤粉配制以及富氧鼓風(fēng)，提高了高爐操作水平，鐵水含S 量降低，渣流動(dòng)性也有所改善。同時(shí)降低了生產(chǎn)成本，噸鐵增益37. 77 元。技改后噴煤量為141kg /t，達(dá)到全國基本水平。

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