西山貧煤用于鞍鋼高爐噴吹研究與應(yīng)用

劉寶奎，趙德勝，張磊，田景長，李建軍，張恒良，張立國

（1.鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠，遼寧 鞍山 114021；2.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

經(jīng)濟(jì)性冶煉永遠(yuǎn)是高爐冶煉工作者最為關(guān)注的話題之一，噴煤技術(shù)的核心工藝在于降低日常燃料消耗成本，由于焦炭在爐內(nèi)作為料柱不可替代作用，因此，降低焦炭使用量會(huì)受到一定程度制約，即不能夠無限制的減少焦炭使用量。這就需要從噴吹煤粉角度出發(fā)，通過采取降低配煤成本、增加噴吹煤量的方式，實(shí)現(xiàn)減少煉鐵生產(chǎn)成本[1-5]。我國從褐煤到無煙煤國內(nèi)均有儲(chǔ)藏，可用于高爐噴吹的煤粉種類十分豐富，其中作為介于無煙煤和煙煤之間煤化程度的貧煤，儲(chǔ)量巨大，目前探明的可采儲(chǔ)量約為1 468億t以上，且市場價(jià)格較為低廉。如能將此類煤種開發(fā)應(yīng)用于高爐噴吹，就能夠達(dá)到大幅度降低噴吹用混合煤粉成本目的，因此，鞍鋼針對噴吹用新煤種的西山貧煤，開展了高爐噴吹的相關(guān)研究，并且成功將此種煤粉用于鞍鋼高爐日常生產(chǎn)噴吹使用，取得了良好的效果。

1 基礎(chǔ)性能分析

從成煤的地質(zhì)條件和年代因素等來看，貧煤的揮發(fā)分要較無煙煤略高，但是要遠(yuǎn)低于高爐噴吹用的無煙煤。實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果表明，貧煤在燃燒過程中，呈現(xiàn)出火焰短、燃點(diǎn)較高、熱值較高的特點(diǎn)；同時(shí)其還有加熱后基本不會(huì)產(chǎn)生膠質(zhì)體，具有不粘結(jié)性或較弱粘結(jié)性特性，且燃燒性和反應(yīng)性都較無煙煤好的優(yōu)點(diǎn)。為了解鞍鋼所采購西山貧煤特性，對其基礎(chǔ)成分及相關(guān)性能進(jìn)行分析與評價(jià)，以此來作為下一步優(yōu)化配煤和工業(yè)噴吹應(yīng)用的技術(shù)參考。

1.1 工業(yè)分析及元素組成

工業(yè)分析是評價(jià)煤粉的最為基礎(chǔ)的指標(biāo)，通過對煤粉自身的固定碳、灰分、揮發(fā)分等因素的分析，能夠得出此種煤粉基本性能評價(jià)，從而能夠?qū)Υ朔N煤粉應(yīng)用領(lǐng)域做出簡單判斷，鞍鋼高爐噴吹西山貧煤工業(yè)分析及元素組成結(jié)果見表1。

表1 西山貧煤工業(yè)分析和元素組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

由表1可以看出，西山貧煤中的灰分達(dá)到12.71%，較鞍鋼噴吹用混合煤粉中灰分控制標(biāo)準(zhǔn)高出2.00%以上，灰分的增加，會(huì)導(dǎo)致高爐冶煉進(jìn)程中渣量和爐內(nèi)熱量消耗上升，不利于降低燃料消耗，同時(shí)，其硫分水平也較高；有利之處在于，西山貧煤中H元素含量較高，有利于煤氣流在爐內(nèi)的行程。從分析結(jié)果來看，受制于灰分等因素制約，西山貧煤單獨(dú)使用會(huì)受到限制，需要采用多煤種混合配制，才能夠?qū)崿F(xiàn)西山貧煤的高爐噴吹應(yīng)用。

1.2 基礎(chǔ)性能分析

對于高爐噴吹煤粉工藝來講，原煤要經(jīng)過混合配加、干燥制粉、流化輸送等一系列復(fù)雜流程，最終到達(dá)風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)參與燃燒及爐內(nèi)還原反應(yīng)。因此，需要對煤粉在這個(gè)過程中的研磨性能、發(fā)熱量及灰熔融性能進(jìn)行分析，看其能否滿足高爐制粉工藝及噴吹工藝的需要。西山貧煤的基礎(chǔ)性能分析結(jié)果見表2。

表2 西山貧煤基礎(chǔ)性能分析

試驗(yàn)測定表明，西山貧煤的制粉性能要較鞍鋼常用焦作、陽泉、太西等無煙煤種優(yōu)良，從這個(gè)角度來看，配入西山貧煤后，可以達(dá)到有效減少制粉電能消耗，增加臺(tái)時(shí)產(chǎn)量的效果；此外分析結(jié)果也發(fā)現(xiàn)，其熱值水平也要高于目前煉鐵總廠內(nèi)噴吹所用的混合煤粉，說明噴入西山貧煤后，有利于增加爐內(nèi)反應(yīng)所需要的熱量，提升煤焦置換比；其次是其灰熔融溫度要遠(yuǎn)高于鞍鋼煉鐵廠最高鼓入風(fēng)溫（1 250℃）100℃以上，也說明了噴入此種煤粉后，不會(huì)在風(fēng)口等部位發(fā)生結(jié)渣等不利于生產(chǎn)的事情，因此，西山貧煤用于高爐噴吹具有可行性。

1.3 結(jié)焦性及燃燒性能分析

由于噴煤槍受到鼓入熱風(fēng)的影響，其煤槍前端會(huì)在風(fēng)口部位具有一定溫度，而噴入的細(xì)顆粒煤粉會(huì)在這一進(jìn)程中被加熱，如果煤粉自身所具有的惰性物質(zhì)在這期間熱解時(shí)形成膠質(zhì)體，就會(huì)阻礙煤粉輸送到爐內(nèi)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致噴煤槍熔毀，不利于噴吹煤粉的正常作業(yè)。同時(shí)作為最為關(guān)注的指標(biāo)，煤粉燃燒性能的優(yōu)劣，與煤焦置換比之間具有直接關(guān)聯(lián)，即關(guān)系到爐內(nèi)燃料消耗控制水平。西山貧煤的結(jié)焦性能及燃燒性能分析結(jié)果見表3所示。

表3 西山貧煤結(jié)焦性能及燃燒性能分析

從對惰性組分析和膠質(zhì)層厚度測定來看，西山貧煤表現(xiàn)出無結(jié)焦性，即噴吹煤粉中配入西山貧煤后，不會(huì)在煤槍頭等部位粘結(jié)，形成堵塞，從而對噴吹煤量產(chǎn)生影響。同時(shí)對比無煙煤，由于西山貧煤具有一定的揮發(fā)分含量，致使其燃燒性能也較鞍鋼常用的無煙煤要好，從這個(gè)角度來看，噴入此種煤粉后，會(huì)有利于改善爐內(nèi)煤粉燃燒狀態(tài)，降低燃料消耗。

2 優(yōu)化配煤方案建立

現(xiàn)代噴吹煤粉工藝大多數(shù)采用混合煤粉進(jìn)行噴吹，目的是取不同煤種特性，達(dá)到高爐使用效果上的最佳化，由于不同煤種之間性質(zhì)存在差異性，并且配入后，在研磨、輸送及燃燒過程中又相互影響，因此，不同煤種之間適宜的添加比例的獲得，也是整體噴吹煤粉工藝的核心所在[6-8]。

2.1 配煤方案建立

受限于鞍鋼煉鐵總廠煤粉車間煤倉數(shù)量的制約，同時(shí)也為不同煤種之間配入的調(diào)度方便，廠內(nèi)混合煤粉多數(shù)由3～5種煤種組成，本次采用數(shù)學(xué)優(yōu)化試驗(yàn)方法，以現(xiàn)有煤粉條件為基礎(chǔ)，在滿足混合煤粉應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)前提下，建立西山貧煤優(yōu)化配煤方案。

為實(shí)現(xiàn)西山貧煤與其它煤種的最優(yōu)化配入，新配煤體系下，在充分考慮到各種影響高爐噴煤和使用效果的參數(shù)后，不再以混合煤粉的某一指標(biāo)作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，而采用煤粉綜合性能作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，綜合篩選后，選取可磨性指數(shù)、發(fā)熱值、軟化溫度、理論煤粉燃燒率，150 kg/t噴吹煤比下的煤焦置換比，混合煤粉配煤成本作為評價(jià)考核依據(jù)，多因素的考慮對配煤方案的確定[9-10]，以避免出現(xiàn)指標(biāo)看上去表面良好，而實(shí)際應(yīng)用較差的現(xiàn)象發(fā)生，西山貧煤優(yōu)化配比方案見表4。

表4 西山貧煤優(yōu)化配比方案

2.2 煤粉燃燒率

諸多研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)廠家長時(shí)間的生產(chǎn)實(shí)踐均表明，煤粉噴入到高爐內(nèi)后，其燃燒狀態(tài)的好壞將直接影響到燃料消耗水平和爐況順行狀態(tài)，由此可見，適宜煤粉的燃燒性能對于改善高爐操作指標(biāo)具有決定性的意義。為找出最適宜的煤粉配加方案，利用技術(shù)中心實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備，開展了不同噴吹煤比條件下，配入西山貧煤優(yōu)化配煤方案下的混合煤粉的燃燒率情況分析，為適宜的配煤方案確立提供參考依據(jù)，不同優(yōu)化配煤方案在差異化噴吹煤比條件下，混合煤粉燃燒率對比見圖1。

由圖1可以看出，隨著噴吹煤量的增加，不同配煤方案下，煤粉燃燒率均呈現(xiàn)出下降趨勢，且隨著噴吹量的加大，燃燒率降低的勢頭也在加速，說明噴入高爐內(nèi)部的煤量是決定煤粉燃燒效果的最為關(guān)鍵環(huán)節(jié)，即表明不同操作爐況條件下，高爐均有適宜的噴吹煤比空間，也就是常說的經(jīng)濟(jì)噴吹煤比。同時(shí)從圖1中還可以看出，配入西山貧煤的優(yōu)化方案5、7、8的燃燒率最高，也說明采用這幾種配煤方案下的混合煤粉，同樣噴吹煤比條件下，噴入到爐內(nèi)的燃燒效果最好。

圖1 不同配煤方案下混合煤粉燃燒率對比分析

2.3 煤焦置換比

由于高爐噴吹煤粉后，煤粉中的碳元素可以替代風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)焦炭燃燒的碳元素，根據(jù)爐內(nèi)的碳素平衡原理，可以推算出煤粉與焦炭之間的置換關(guān)系，也就是常說的煤焦置換比。由于噴入高爐內(nèi)的煤粉可以實(shí)現(xiàn)除了替代焦炭骨架功能以外所有的功能，因此煤焦置換比是衡量高爐噴煤效果的最重要標(biāo)準(zhǔn)，也是噴吹煤粉的意義所在。這其中置換比的高低不僅與煤種、煤粉成分有關(guān)系，而且與富氧率、風(fēng)溫等高爐操作水平也有著密切的關(guān)系，不同優(yōu)化配煤方案在差異化噴吹煤比條件下，混合煤粉煤焦置換比對比見圖2。

圖2 不同配煤方案下混合煤粉煤焦置換比對比

這里應(yīng)當(dāng)指出，煤焦置換比與煤種配比、高爐冶煉條件以及操作水平均有關(guān)系，且會(huì)因?yàn)閲姶得毫康脑黾?，致使?fàn)t內(nèi)煤粉燃燒性能變差，煤粉中碳元素置換能力下降，使得置換比呈現(xiàn)遞減趨勢，同時(shí)隨著燃燒率下降的加快，煤焦置換比也會(huì)表現(xiàn)出快速下降，同時(shí)也從圖2中可以看出，配入西山貧煤的優(yōu)化方案5、7、8的煤焦置換比最高，說明采用這幾種配煤方案下，同樣噴吹煤比條件下，利用效果上更好一些。

3 配加西山貧煤工業(yè)噴吹試驗(yàn)

從對西山貧煤的基礎(chǔ)成分及性能分析結(jié)果來看，此種煤粉不同的單一性能均滿足高爐噴吹工藝所要求標(biāo)準(zhǔn)，作為噴吹用煤具有可實(shí)施性，這里需要指出的是，由于西山貧煤的市場采購價(jià)格較為低廉，當(dāng)配入一定量后，還可以起到替代部分無煙煤，達(dá)到降低配煤成本的目的。為減少配煤成本，煉鐵總廠決定依托現(xiàn)有公司原煤條件，在第一制粉車間及對應(yīng)的新1號、10號高爐，開展配加西山貧煤的工業(yè)噴吹應(yīng)用試驗(yàn)，此次試驗(yàn)由兩階段組成，基準(zhǔn)期3個(gè)月內(nèi)仍采用傳統(tǒng)煤粉配比及噴吹應(yīng)用，試驗(yàn)期的3個(gè)月內(nèi)，則采用優(yōu)化配煤方案5、7、8進(jìn)行高爐應(yīng)用，考察噴吹西山貧煤后，相關(guān)高爐操作指標(biāo)的變化。

由于受到市場和公司采購條件的限制，鞍鋼噴吹煤種目前由多種煤粉所構(gòu)成，為達(dá)到西山貧煤使用效果上的最佳化，也為實(shí)現(xiàn)不同煤粉的搭配消耗使用，此次工業(yè)試驗(yàn)3個(gè)月內(nèi)，分別采用3個(gè)配比方案，每個(gè)優(yōu)化配比方案均為1個(gè)月的應(yīng)用期限，為方便對比說明，煤粉配比變動(dòng)后給高爐操作帶來的影響變化，在試驗(yàn)期間其它諸如中速磨制粉、載氣輸送等工藝制度均不變動(dòng)，仍沿用以往操作執(zhí)行。

3.1 高爐操作指標(biāo)變化

3.1.1 噴吹煤比

對煉鐵總廠新1號、10號高爐噴吹西山貧煤工業(yè)應(yīng)用的基準(zhǔn)期和試驗(yàn)期的噴吹煤比情況做出統(tǒng)計(jì)，2座高爐在此期間的噴吹煤比變化趨勢見圖3和圖4。

圖3 新1號高爐噴吹煤比

圖4 10號高爐噴吹煤比

由圖3～4可知，無論是新1號高爐，或10號高爐，試驗(yàn)期間，噴吹煤比均有較大幅度提升，其控制水平也較基準(zhǔn)期內(nèi)采用傳統(tǒng)配煤有了很大改善，高爐噴吹煤粉表現(xiàn)出了更好的穩(wěn)定性。

3.1.2 入爐焦比

對煉鐵總廠新1號、10號高爐噴吹西山貧煤工業(yè)應(yīng)用基準(zhǔn)期和試驗(yàn)期的入爐焦比情況做出統(tǒng)計(jì)，2座高爐在此期間的入爐焦比變化趨勢見圖5和圖6。

圖5 新1號高爐入爐焦比

圖6 10號高爐入爐焦比

從兩階段入爐焦炭消耗數(shù)量來看，采用數(shù)學(xué)優(yōu)化配煤方案后，混合煤粉在爐內(nèi)的燃燒效果變好，爐缸活躍度得到加強(qiáng)，煤焦置換比得到進(jìn)一步提升，高爐操作條件得到進(jìn)一步改善，爐況穩(wěn)定順行，從而帶來了入爐焦炭使用量較大幅度下降，且在試驗(yàn)期間，這2座高爐焦炭消耗數(shù)量比試驗(yàn)期也更加平穩(wěn)。

3.1.3 燃料比

對鞍鋼煉鐵總廠新1號、10號高爐噴吹西山貧煤工業(yè)應(yīng)用的基準(zhǔn)期和試驗(yàn)期的燃料比情況做出統(tǒng)計(jì)，2座高爐在此期間的燃料比變化趨勢見圖7和圖8所示。

燃料消耗量是高爐冶煉的經(jīng)濟(jì)性最終體現(xiàn)，從2座高爐噴吹配入西山貧煤的混合煤粉應(yīng)用效果來看，對比應(yīng)用前，總體燃料消耗量都有所下降，且噴入西山貧煤后，隨著爐況操作條件的優(yōu)化，燃料消耗都維持在一個(gè)較為平穩(wěn)的水平，與高爐“穩(wěn)”字當(dāng)先的操作理念也相吻合，初步達(dá)到了減少燃料消耗，降低煉鐵成本的目的。

圖7 新1號高爐燃料比

圖8 10號高爐燃料比

3.2 煤粉爐內(nèi)利用效果

混合煤粉噴入到高爐風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)部后，大部分最終燃燒，并參與爐內(nèi)的還原反應(yīng)，而混合煤粉未能利用的部分則會(huì)隨著氣流上升，進(jìn)入到重力除塵收集器和干法布袋除塵灰中，因此，通過定期取樣，分析這兩種除塵工藝灰中的碳含量變化，就可以表觀說明煤粉爐內(nèi)燃燒狀態(tài)是否得到相應(yīng)改善。

3.2.1 瓦斯灰碳含量

鞍鋼煉鐵總廠新1號、10號高爐噴吹西山貧煤工業(yè)應(yīng)用基準(zhǔn)期和試驗(yàn)期的高爐瓦斯灰碳含量變化趨勢見圖9～圖10。

由圖9～10可知，在配入西山貧煤的工業(yè)試驗(yàn)期內(nèi)，瓦斯灰中的碳含量水平都顯著下降，新1號高爐和10號高爐降低幅度分別達(dá)到2.06%和1.81%，且肉眼可見大顆粒焦炭顆粒數(shù)量有明顯減少，說明配入西山貧煤后，混合煤粉中揮發(fā)分得到改善，加之貧煤中的氫含量較無煙煤高，煤氣中的氫氣含量增加，也降低了煤氣的粘度，減輕了煤氣在爐內(nèi)的行程阻力，這些因素都促使進(jìn)入爐內(nèi)煤粉燃燒效果變好，燃料利用效率更高。

圖9 新1號高爐瓦斯灰中碳含量

圖10 10號高爐瓦斯灰中碳含量

3.2.2 干法除塵灰碳含量

鞍鋼煉鐵總廠新1號、10號高爐噴吹西山貧煤工業(yè)應(yīng)用干法除塵灰中碳含量變化趨勢見圖11～圖12所示。

由圖11～12可知，試驗(yàn)期內(nèi)配入西山貧煤后，高爐干法布袋除塵灰中的碳含量控制水平也有較大幅度降低，新1號高爐和10號高爐下降幅度分別達(dá)到1.64%和1.74%，說明在優(yōu)化配煤方案下，配入西山貧煤后，爐內(nèi)有效燃料部分大幅度增加，致使隨著爐塵帶出來的未燃燒的細(xì)顆粒煤粉數(shù)量大幅度減少，噴入爐內(nèi)的混合煤粉的利用情況得到進(jìn)一步改善。

圖11 新1號高爐干法除塵灰碳含量

圖12 10號高爐干法除塵灰碳含量

3.3 西山貧煤噴吹試驗(yàn)效果

從持續(xù)3個(gè)月的試驗(yàn)效果來看，在未有其它工藝條件變動(dòng)帶來的影響下，采用噴吹西山貧煤的優(yōu)化方案后，煉鐵總廠2座高爐試驗(yàn)期間，在日常生產(chǎn)中都表現(xiàn)出爐況穩(wěn)定順行，操作條件改善，燃料消耗下降的良好狀態(tài)，基準(zhǔn)期和試驗(yàn)期高爐操作指標(biāo)對比見表5。

表5 高爐基準(zhǔn)期和試驗(yàn)期燃料指標(biāo)

對于鞍鋼來講，突破了以往由無煙煤和煙煤 混加的配煤結(jié)構(gòu)，在采用數(shù)學(xué)優(yōu)化配煤技術(shù)后，高爐噴吹實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用貧煤這類新煤種的突破，并且取得成功。實(shí)際使用過程中，既達(dá)到降低了煤粉成本的目的，又實(shí)現(xiàn)了拓寬煤種采購范圍的效果，并且對于公司日后大規(guī)模拓展貧煤及其它煤種的配煤及噴吹技術(shù)，用以改善爐況，降低煉鐵生產(chǎn)成本都有重要的參考價(jià)值。

4 結(jié)論

（1）受制于灰分等因素制約，西山貧煤的單獨(dú)使用會(huì)受到限制，需要采用多煤種混合配制，才能夠?qū)崿F(xiàn)西山貧煤的高爐噴吹應(yīng)用。

（2）對惰性組分析和膠質(zhì)層厚度測定來看，西山貧煤表現(xiàn)出無結(jié)焦性，即噴吹煤粉中配入西山貧煤后，不會(huì)在煤槍頭等部位粘結(jié)，形成堵塞，從而對噴吹煤量產(chǎn)生影響。

（3）研究表明，置換比與煤種配比、冶煉條件以及操作水平等均有關(guān)系，會(huì)因?yàn)閲娒毫康脑黾?，燃燒性能變差，?dǎo)致煤粉中碳元素置換能力下降，使得置換比呈現(xiàn)遞減趨勢。

（4）混合煤粉中配入西山貧煤后，煤粉中揮發(fā)分得到改善，能夠降低煤氣的黏度，減輕煤氣在爐內(nèi)的行程阻力，使噴入爐內(nèi)的混合煤粉的利用情況更好。

（5）混合煤粉中配入西山貧煤后，爐內(nèi)的燃燒效果會(huì)變好，使?fàn)t缸活躍度得到加強(qiáng)，煤焦置換比得到進(jìn)一步提升，高爐操作條件也會(huì)得到進(jìn)一步改善。

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（編輯 賀英群）

鞍山鋼鐵占據(jù)中俄東線天然氣項(xiàng)目國內(nèi)段中厚板首批供應(yīng)量六成以上

自2017年5月以來，鞍鋼已累計(jì)向“一帶一路”國家重點(diǎn)項(xiàng)目——中俄東線天然氣項(xiàng)目國內(nèi)段提供超寬、厚壁、高性能X80M管線鋼1.8萬t，占該項(xiàng)目首批供應(yīng)量60%以上，為這條世界規(guī)模最大的陸上能源通道早日“氣貫中俄”提供了有力支持。

據(jù)悉，中俄東線天然氣項(xiàng)目中國段管道工程管線總長約3371 km，北起黑龍江黑河，南到上海，途經(jīng)9個(gè)省區(qū)市，建成后預(yù)計(jì)每年可向我國提供380億m3天然氣，是我國現(xiàn)階段管徑最大、輸送壓力最高的長輸天然氣管道工程。該項(xiàng)目國內(nèi)段管道北段位于黑龍江和吉林地區(qū)，極限低溫加之冬季施工，對鋼板的低溫韌性和焊接性提出了極高的要求。為滿足建設(shè)需要，該項(xiàng)目大批量使用1 422 mm管徑的輸氣管道，為國內(nèi)首次；供應(yīng)的鋼板寬度一度超過4 300 mm，為管線鋼的極限規(guī)格。

2017年5月，鞍山鋼鐵開始參與該項(xiàng)目管徑1 422 mm X80M管線鋼板小批量及千噸級試制。鞍山鋼鐵管線鋼產(chǎn)銷研團(tuán)隊(duì)充分利用鞍鋼股份鲅魚圈分公司5 500 mm寬厚板生產(chǎn)線的裝備技術(shù)優(yōu)勢，優(yōu)化成分設(shè)計(jì)，調(diào)整指標(biāo)性能，克服了超寬厚壁管線鋼軋制負(fù)荷大、性能均勻性差等多項(xiàng)技術(shù)難題。為確保產(chǎn)品滿足工程現(xiàn)場的惡劣條件，鞍山鋼鐵產(chǎn)銷研團(tuán)隊(duì)提高了低溫沖擊試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)鋼板板形控制和尺寸精度，成功開發(fā)出超寬厚壁X80M管線鋼并順利通過用戶檢驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)批量供貨。