張立國1 ，劉寶奎 2 ，范振夫 2 ，田景長 2 ，張海明 2 ，趙迪平 2 ，張恒良 2
（ 1. 鞍鋼集團鋼鐵研究院，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： 對鞍鋼新購峰景北瘦煤進行了基礎(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，采用具有自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)學(xué)優(yōu)化配煤技術(shù)，對配入峰景北瘦煤的混合煤粉在不同條件下的燃燒率、置換比展開綜合評價，從中甄選出最優(yōu)配煤方案，并在此基礎(chǔ)上進行了鲅魚圈分公司噴吹峰景北瘦煤的工業(yè)試驗，試驗期間 1 號、 2 號高爐運行狀態(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 。
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，進一步加強高爐穩(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 。
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，達到促進爐內(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 。
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， 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。
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 。
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 。
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 。
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，進而降低生產(chǎn)成本的目的。
3.3 煤粉爐內(nèi)利用效果
細粒級的煤粉經(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 。
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 。
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 。
參考文獻
［1］ 張立國 , 車玉滿 , 劉德軍 , 等 ． 鞍鋼鲅魚圈 4038 m3 高爐噴煤生產(chǎn)實踐［J］ ． 煉鐵， 2010 ， 29 （ 6 ）： 5-8．
［2］ 王竹民 , 劉二浩 , 呂慶 , 等 ． 邯鋼高爐噴煤煤種的選擇研究［J］ ．中國冶金， 2009 ， 19 （ 6 ）： 12-13．
［3］ 胡俊鴿 , 郭艷玲 , 周文濤 ． 高爐噴煤技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展［J］ ． 鞍鋼技術(shù)， 2015 （ 5 ）： 7－12．
［4］ 劉寶奎 , 趙德勝 , 張磊 , 等 ． 西山貧煤用于鞍鋼高爐噴吹研究與應(yīng)用［J］ ． 鞍鋼技術(shù)， 2018 （ 1 ）： 19-25．
［5］ 張海濱 , 吳鏗 , 周翔 , 等 ． 煤粉特性及配煤研究［J］ ． 中國冶金， 2008 ， 18 （ 8 ）： 3-4．
［6］ 高斌 , 顧飛 , 楊天均 . 高爐高煤比噴吹煤種的選擇［J］ ． 煉鐵， 2001 ， 20 （ 1 ）： 49-51．
［7］ 李貴陽 , 李新華 , 李豪杰 , 等 ． 高爐噴吹煤性能研究及實踐［J］ ．鋼鐵， 2005 ， 40 （ 5 ）： 10-13．
［8］ 湯清華 , 馬樹涵 ． 高爐噴吹煤粉知識問答［M］ ． 北京：冶金工業(yè)出版社， 2002．
［9］ 李云雁 , 胡傳榮 ． 實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理［M］ ． 北京，化學(xué)工業(yè)出版社， 2005．