張立國(guó)¹ ，劉寶奎 ² ，范振夫 ² ，田景長(zhǎng) ² ，張海明 ² ，趙迪平 ² ，張恒良 ²

（ 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 ）

摘要： 對(duì)鞍鋼新購(gòu)峰景北瘦煤進(jìn)行了基礎(chǔ)成分及性能分析， 在考慮煤種間相互作用關(guān)系的基礎(chǔ)上，采用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)學(xué)優(yōu)化配煤技術(shù)，對(duì)配入峰景北瘦煤的混合煤粉在不同條件下的燃燒率、置換比展開(kāi)綜合評(píng)價(jià)，從中甄選出最優(yōu)配煤方案，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了鲅魚圈分公司噴吹峰景北瘦煤的工業(yè)試驗(yàn)，試驗(yàn)期間 1 號(hào)、 2 號(hào)高爐運(yùn)行狀態(tài)平穩(wěn)， 2 座高爐分別取得了提高噴吹煤量 4.49 kg/t 、 4.14 kg/t ，降低燃料消耗 3.03 kg/t 、 2.32 kg/t 的良好效果，達(dá)到了降低煉鐵生產(chǎn)成本的目的。

關(guān)鍵詞： 高爐；噴吹；峰景北瘦煤；燃燒效果；煤焦置換比

如今鋼鐵行業(yè)間競(jìng)爭(zhēng)日益加劇， 企業(yè)間的競(jìng)爭(zhēng)已不再局限于產(chǎn)品價(jià)格和品種的比拼， 而是逐漸轉(zhuǎn)移到了工序成本上的競(jìng)爭(zhēng)。 對(duì)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(gòu)價(jià)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(shí)，我國(guó)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(guò)開(kāi)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(duì)近階段公司采購(gòu)的低價(jià)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(diǎn)，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(gòu)峰景北瘦煤作為新煤種， 需要對(duì)其進(jìn)行成分分析及性能檢測(cè)， 判斷其成分組成和各項(xiàng)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(píng)價(jià)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(píng)價(jià)指標(biāo)，能夠給出不同煤種最為基本的評(píng)價(jià)，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(jiàn)表 1 。

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(diǎn)均有利于煤粉利用效能的提升。 從元素組成來(lái)說(shuō)， 峰景北瘦煤較高的氫含量會(huì)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(shí)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?dú)v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(duì)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(cè)結(jié)果詳見(jiàn)表 2 。

性能檢測(cè)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(huì)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(huì)對(duì)混合煤粉輸送工藝產(chǎn)生過(guò)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(shuō)明混合煤粉中配加峰景北瘦煤后， 不會(huì)產(chǎn)生風(fēng)口結(jié)渣等現(xiàn)象，而對(duì)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(guò)多使用峰景北瘦煤會(huì)造成煤槍結(jié)焦， 導(dǎo)致煤槍破損現(xiàn)象的發(fā)生，在實(shí)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(shí)際生產(chǎn)過(guò)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(píng)價(jià)此種煤粉在爐內(nèi)利用效果的好壞。 為此，利用實(shí)驗(yàn)室專有的煤粉燃燒性能測(cè)定裝置，對(duì)比鞍鋼高爐常用噴吹用煤種，模擬不同富氧條件下， 開(kāi)展不同煤種的多組煤粉燃燒率對(duì)比分析， 不同煤種在不同富氧情況下的燃燒率見(jiàn)表 3 。

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(wú)煙煤之間， 且較接近于鞍鋼常用的高揮發(fā)分的煙煤，說(shuō)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(duì)于高爐生產(chǎn)來(lái)講，富氧率應(yīng)有一定限度，過(guò)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(shí)原煤倉(cāng)數(shù)量條件的制約， 參與混合煤粉配制的煤種不宜過(guò)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(wú)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(shí)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(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表 4 。

需要說(shuō)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(guò)去以混合煤粉灰分、固定碳等單一指標(biāo)作為評(píng)價(jià)配煤方案的標(biāo)準(zhǔn)，轉(zhuǎn)而采用具有自主知識(shí)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(shí)現(xiàn)混合煤種配比和使用過(guò)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(píng)價(jià)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(jiàn)表 5 。

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(duì)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(kāi)展不同噴吹煤量下的混合煤粉燃燒效果分析試驗(yàn)， 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(jiàn)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(shì)， 說(shuō)明高爐在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，并非噴吹煤量越多越好，而是應(yīng)該有一個(gè)限度，即 “經(jīng)濟(jì)噴煤比”。

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(jià)的煤粉替代價(jià)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(jiàn)圖 2 。

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(shì)。 與煤粉燃燒狀態(tài)相對(duì)應(yīng)，說(shuō)明煤粉燃燒狀態(tài)變壞，煤焦置換比也相應(yīng)變差。 同時(shí)，也直觀說(shuō)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(yàn)

針對(duì)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(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果，鞍鋼所購(gòu)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(huì)對(duì)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(xiàng)指標(biāo)均滿足高爐噴吹用煤標(biāo)準(zhǔn)需要。 總體來(lái)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(jià)格低廉， 應(yīng)用后可節(jié)省大量原煤采購(gòu)資金，降低煉鐵生產(chǎn)成本。

3.1 工業(yè)試驗(yàn)相關(guān)說(shuō)明

通過(guò)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(kāi)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(yàn)。 此次試驗(yàn)劃分為兩個(gè)階段，基準(zhǔn)期（注： 2017 年 6 月和 7 月，共計(jì) 2 個(gè)月） 內(nèi)仍采用傳統(tǒng)煤粉配比及噴吹應(yīng)用， 試驗(yàn)期（注： 2017 年 8 月和 9 月，共計(jì) 2 個(gè)月）內(nèi)，則采用實(shí)驗(yàn)室下優(yōu)選配煤方案 3 來(lái)進(jìn)行高爐噴吹生產(chǎn)，同時(shí)在基準(zhǔn)期和試驗(yàn)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(guò)程中的富氧、風(fēng)溫水平均無(wú)變動(dòng)，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(yùn)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(duì)基準(zhǔn)期和試驗(yàn)期的燃料消耗和高爐操作指標(biāo)做出統(tǒng)計(jì)， 并加以對(duì)比分析， 從而對(duì)峰景北瘦煤用于高爐的相應(yīng)生產(chǎn)狀態(tài)做出評(píng)價(jià)。

3.2.1 噴吹煤比

對(duì)分公司煉鐵部 1 號(hào)、 2 號(hào)高爐噴吹峰景北瘦煤的基準(zhǔn)期和試驗(yàn)期的噴吹煤比情況做出對(duì)比分析，在此期間 2 座高爐的噴吹煤比情況見(jiàn)圖 3 。

由圖 3 可以看出， 1 號(hào)、 2 號(hào)高爐噴吹峰景北瘦煤期間， 噴吹煤比對(duì)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(duì)分公司煉鐵部 1 號(hào)、 2 號(hào)高爐噴吹峰景北瘦煤的基準(zhǔn)期和試驗(yàn)期的入爐焦比情況做出對(duì)比分析，在此期間 2 座高爐的入爐焦比情況見(jiàn)圖 4 。

由圖 4 可以看出， 由于試驗(yàn)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(yùn)行條件變好， 高爐生產(chǎn)更加穩(wěn)定順行，各項(xiàng)操作指標(biāo)均得到改善。

3.2.3 燃料比

對(duì)分公司煉鐵部 1 號(hào)、 2 號(hào)高爐噴吹峰景北瘦煤的基準(zhǔn)期和試驗(yàn)期的燃料消耗情況做出對(duì)比分析，在此期間 2 座高爐的燃燒比情況見(jiàn)圖 5 。

對(duì)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(hào)、 2 號(hào)高爐，燃料消耗數(shù)量均有較為明顯的下降， 且試驗(yàn)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(shí)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。

3.3 煤粉爐內(nèi)利用效果

細(xì)粒級(jí)的煤粉經(jīng)煤槍噴入到風(fēng)口回旋區(qū)后，大部分煤粉會(huì)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(huì)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(shì)，就可以間接說(shuō)明爐內(nèi)煤粉利用狀態(tài)是否得到改善。對(duì)分公司煉鐵部 1 號(hào)、 2 號(hào)高爐噴吹峰景北瘦煤的基準(zhǔn)期和試驗(yàn)期的重力灰進(jìn)行取樣， 并對(duì)重力灰中碳含量做出對(duì)比分析， 在此期間 2 座高爐的重力灰中碳含量情況見(jiàn)圖 6 。

由圖 6 可以看出， 試驗(yàn)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(hào)、 2 號(hào)高爐分別降低 2.48% 、 2.62% 。同時(shí)對(duì)所取重力灰進(jìn)行不同粒級(jí)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(shì)，說(shuō)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。

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(duì)分公司煉鐵部 1 號(hào)、 2 號(hào)高爐噴吹峰景北瘦煤的基準(zhǔn)期和試驗(yàn)期的煤氣利用率情況做出對(duì)比分析，在此期間 2 座高爐的煤氣利用率情況見(jiàn)圖 7 。

由圖 7 可以看出， 試驗(yàn)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(shí)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(yàn)效果

在原燃料條件和工藝制度未變動(dòng)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(yàn)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(yùn)行狀態(tài)，初步實(shí)現(xiàn)了預(yù)想目的。 基準(zhǔn)期和試驗(yàn)期燃料指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表 6 。

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(hào)、 2 號(hào)高爐試驗(yàn)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(yàn)效果良好。

此次高爐噴吹用煤中， 摒棄了以往由無(wú)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(jià)格的峰景北瘦煤， 采用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)學(xué)優(yōu)化配煤技術(shù)， 實(shí)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(shí)現(xiàn)了拓寬煤種采購(gòu)范圍，降低成本的目的，并且對(duì)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(jià)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(shí)驗(yàn)室中峰景北瘦煤最優(yōu)配煤方案為陽(yáng)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(yàn)表明，采用優(yōu)化配煤方案，試驗(yàn)期 1 號(hào)、 2 號(hào)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 。

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