稀缺高爐噴吹用煤地質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)探討及應(yīng)用

喬軍偉，李正越，陳美英，呂俊娥

稀缺高爐噴吹用煤地質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)探討及應(yīng)用

喬軍偉1,2，李正越3，陳美英4，呂俊娥5

(1. 西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；2. 陜西省煤炭綠色開發(fā)地質(zhì)保障重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710054；3. 中國煤炭地質(zhì)總局，北京 100038；4. 中國煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院，北京 100039；5. 中國煤炭地質(zhì)總局航測(cè)遙感局，陜西 西安 710199)

高爐噴吹用煤可減少焦炭的使用量，是現(xiàn)代高爐降低生產(chǎn)成本提高經(jīng)濟(jì)效益的重要技術(shù)措施。從高爐噴吹用煤的煤質(zhì)影響因素入手，在稀缺煤和優(yōu)質(zhì)煤煤質(zhì)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上探討稀缺高爐噴吹用煤的地質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)及分級(jí)參數(shù)。通過分析，將高爐噴吹原料用煤的煤質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)劃分為工藝指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)兩大類，工藝指標(biāo)是決定煤是否能用于高爐噴吹工藝的關(guān)鍵指標(biāo)，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)主要影響高爐噴吹工藝的成本。煤類差異是高爐噴吹用煤選擇的首要因素，根據(jù)我國煤炭資源稟賦特征，提出無煙煤、貧煤、貧瘦煤是高爐噴吹用煤中的稀缺煤類。結(jié)合煤炭地質(zhì)勘查中對(duì)“優(yōu)質(zhì)煤”的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，提出灰、硫、磷的含量是稀缺高爐噴吹用煤地質(zhì)評(píng)價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)，要求灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于12.00%、全硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于1.00%、磷分質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.03%。利用該指標(biāo)對(duì)我國無煙煤、貧煤、貧瘦煤分布的典型礦區(qū)進(jìn)行煤質(zhì)評(píng)價(jià)和資源劃分，指出永城、西山、陽泉、潞安、二道嶺和汝箕溝礦區(qū)是我國稀缺高爐噴吹用煤的主要分布區(qū)，統(tǒng)計(jì)的稀缺高爐噴吹用煤保有資源量107億t，為我國稀缺高爐噴吹用煤的合理開采和充分利用提供了依據(jù)。

高爐噴吹用煤；稀缺煤；優(yōu)質(zhì)煤；煤質(zhì)評(píng)價(jià)；評(píng)價(jià)指標(biāo)

稀缺煤是指具有十分重要的工業(yè)用途，利用途徑具有一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，且需求量大但資源量又相對(duì)較少的優(yōu)質(zhì)煤炭資源[1]?！度珖V產(chǎn)資源規(guī)劃(2008—2015年)》提出中國將推進(jìn)建立特殊和稀缺煤種的礦產(chǎn)資源儲(chǔ)備，保護(hù)稀缺煤以維持其可持續(xù)開采。我國每年有8億t以上的煤炭作為原料被用于化工轉(zhuǎn)化，其中煤炭焦化占煤炭化工用量的80%以上[2]。截至2016年底，全國已查明的優(yōu)質(zhì)煉焦煤保有資源量1 236.29億t，其中已利用的729.42億t，已開發(fā)率高達(dá)59%，煉焦用煤后備資源不足[3]。中國生產(chǎn)了世界60%以上的生鐵[4]，鋼鐵生產(chǎn)對(duì)焦炭的消費(fèi)需求占焦炭消費(fèi)總量的85%左右[5]，煉焦煤是鋼鐵生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)原料，短期內(nèi)焦炭需求仍將保持在高位。尋找可替代焦炭的特殊原料成為鋼鐵冶煉界和煤炭地質(zhì)界共同關(guān)注的熱點(diǎn)[6-9]。為此，國內(nèi)在高爐噴吹用煤替代焦炭的可行性、工藝特性、配煤、燃燒性能等方面開展了廣泛研究[10-16]，提出了無煙煤、煙煤、褐煤、廢塑料等混合噴煤技術(shù)。其中，無煙煤和高變質(zhì)程度煙煤的混合噴煤技術(shù)已廣泛應(yīng)用于高爐煉鐵，高爐噴吹用煤已成為保障高爐煉鐵行業(yè)發(fā)展的重要生產(chǎn)原料。

筆者從高爐噴吹用煤的煤質(zhì)影響因素入手，在稀缺煤和優(yōu)質(zhì)煤煤質(zhì)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上探討稀缺高爐噴吹用煤的地質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)及分級(jí)參數(shù)，并結(jié)合典型礦區(qū)煤質(zhì)和資源分布開展稀缺高爐噴吹用煤的資源評(píng)價(jià)。

1 高爐噴吹用煤的意義

鋼鐵產(chǎn)品作為大宗金屬商品和建材原料，成本對(duì)其國際競(jìng)爭(zhēng)力的影響十分明顯[17]。高爐噴吹用煤是指從高爐風(fēng)口向爐內(nèi)噴吹磨細(xì)的煤粉，以替代焦炭起到提供熱量和還原劑的作用，減少焦煤使用量，是現(xiàn)代高爐降低生產(chǎn)成本提高經(jīng)濟(jì)效益的重要技術(shù)措施[18]。高爐噴吹煤粉不僅可以有效減少鋼鐵冶煉對(duì)煉焦煤的需求，同時(shí)還是高爐冶煉過程中調(diào)節(jié)爐內(nèi)冶煉條件的有效手段[19]。

大型鋼鐵企業(yè)將提高高爐噴吹煤比作為降低焦炭需求提高經(jīng)濟(jì)效益的重要途徑。20世紀(jì)末，德國、荷蘭、英國部分高爐噴吹煤比達(dá)到200 kg/t，世界噴煤比最高紀(jì)錄為日本福山廠3號(hào)高爐的266 kg/t，焦炭替代率47.9%[20-21]。我國高爐噴煤比在20世紀(jì)90年代平均僅為58.5 kg/t，隨著重點(diǎn)企業(yè)新型煤粉噴吹工藝的形成、改善及高爐裝備水平的提高，到20世紀(jì)末噴煤比平均達(dá)到了118 kg/t，其中，寶鋼1號(hào)高爐噴煤比高達(dá)260.6 kg/t，焦炭替代率51%[22]，達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。但是，我國各類鋼鐵企業(yè)技術(shù)力量參差不齊，大部分高爐煉鐵污染物排放和能耗與世界先進(jìn)水平還存在差距。2019年上半年，我國鋼鐵協(xié)會(huì)會(huì)員單位平均焦比357.04 kg/t，與國際先進(jìn)水平高爐焦比(＜300 kg/t)尚有較大差距；噴煤比平均144.72 kg/t，最高190.06 kg/t，最低僅81.55 kg/t[23]，大部分企業(yè)仍有較大的提升空間。但需要提出的是，提高噴煤比可以降低鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)成本，但是為了降低生產(chǎn)成本而選用價(jià)格較低的劣質(zhì)噴吹煤會(huì)適得其反，對(duì)高爐生產(chǎn)造成負(fù)面影響。因此，保障優(yōu)質(zhì)高爐噴吹用煤的穩(wěn)定供應(yīng)對(duì)提高中國鋼鐵產(chǎn)品的國際競(jìng)爭(zhēng)力具有重要的戰(zhàn)略意義。

2 現(xiàn)行高爐噴吹用煤技術(shù)要求

我國煤炭工作者對(duì)高爐噴吹用煤的煤質(zhì)研究十分重視，早在20世紀(jì)末就提出了煤種和煤質(zhì)差異對(duì)高爐冶煉過程及技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)具有重大影響。通過不同地區(qū)煤的高爐噴吹實(shí)驗(yàn)研究，提出原料煤的煤質(zhì)對(duì)高爐噴吹的影響主要體現(xiàn)在煤類、粒度、元素組成、工藝特性等方面[11,16,24-25]。原國家煤炭工業(yè)局于2001年提出了GB/T 18512— 2001《高爐噴吹用無煙煤技術(shù)條件》，2002年提出了GB/T 18817—2002《高爐噴吹用煙煤技術(shù)條件》。2008年，中國煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)將上述兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)合并后提出了GB/T 18512—2008《高爐噴吹用煤技術(shù)條件》，提出了無煙煤、貧煤、貧瘦煤及其他煙煤的煤質(zhì)技術(shù)指標(biāo)(表1)，為鋼鐵企業(yè)在高爐噴吹原料用煤選擇上提供了評(píng)價(jià)依據(jù)和質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)。

表1 高爐噴吹原料煤主要技術(shù)指標(biāo)

3 高爐噴吹用煤的影響因素

在煤炭的工業(yè)利用中，煤質(zhì)對(duì)煤炭利用的影響可以劃分為工藝指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)兩大類，其中，工藝指標(biāo)是指能否滿足特定利用工藝要求的關(guān)鍵指標(biāo)；經(jīng)濟(jì)指標(biāo)是指對(duì)特定利用工藝生產(chǎn)成本有較大影響的指標(biāo)。焦炭在高爐煉鐵中的用途是提供熱量和還原劑，基于對(duì)生產(chǎn)成本的要求，價(jià)格相對(duì)較低的高爐噴吹用煤被用于部分替代焦炭，但其主要作用仍然是提供熱量和還原劑。前人在煤質(zhì)對(duì)高爐噴吹工藝的影響方面開展了大量研究，根據(jù)高爐噴吹原料用煤技術(shù)條件和稀缺煤調(diào)查研究成果[26]，煤質(zhì)對(duì)高爐噴吹的影響主要體現(xiàn)在煤類、粒度、灰分、全硫、哈氏可磨指數(shù)、磷分、鈉鉀總量、全水分、煙煤膠質(zhì)層指數(shù)等方面。

3.1 工藝指標(biāo)

在高爐噴吹技術(shù)中，首要考慮指標(biāo)是煤類，可用于高爐噴吹的煤類有變質(zhì)程度較高的無煙煤、貧煤、貧瘦煤，變質(zhì)程度較低的弱黏煤、不黏煤、長(zhǎng)焰煤，以及黏結(jié)指數(shù)小于50的氣煤[27]；而焦煤、肥煤等由于黏結(jié)性太強(qiáng)容易導(dǎo)致風(fēng)口結(jié)焦而不適用于高爐噴吹。由此可見，可用于高爐噴吹的煤都是黏結(jié)性相對(duì)較弱的煤，煤類和黏結(jié)性是高爐噴吹用煤的工藝指標(biāo)，是決定能不能用于高爐噴吹的關(guān)鍵指標(biāo)。另外，在煙煤中，膠質(zhì)層指數(shù)與黏結(jié)性正相關(guān)，也是高爐噴吹用煤的工藝指標(biāo)。

隨著煤炭制粉、輸送系統(tǒng)安全措施和檢測(cè)手段的完善及噴煤工藝的改進(jìn)，噴吹煙煤技術(shù)得到大力發(fā)展，大部分高爐從噴吹無煙煤向噴吹無煙煤和煙煤的混煤方向發(fā)展[28-29]，許多高爐采用混煤噴吹技術(shù)也取得了良好的效果。部分高爐還開展了褐煤的高爐噴吹實(shí)驗(yàn)研究[30]，或者將低變質(zhì)的煤進(jìn)行熱解提質(zhì)后作為高爐噴吹用煤[9]。無煙煤具有焦炭置換比高但反應(yīng)性差的特征；高揮發(fā)分煙煤燃燒性和反應(yīng)性好但具有較強(qiáng)的爆炸性、置換比較低；低揮發(fā)分煙煤反應(yīng)性比無煙煤好、爆炸性微弱，且置換比較高。無煙煤與煙煤的混噴在生產(chǎn)上有助于提高噴吹量和燃燒率，降低生產(chǎn)成本，但是煙煤混合比例超過45%~55%時(shí)，混煤的爆炸性將逐漸增強(qiáng)，不利于操作。這是由于揮發(fā)分產(chǎn)率與燃燒性、爆炸性密切相關(guān)，過高的揮發(fā)分產(chǎn)率會(huì)在生產(chǎn)中引發(fā)安全隱患[31]。揮發(fā)分產(chǎn)率較高時(shí)，煤粉的發(fā)熱量較低、燃燒性、爆炸性較高，會(huì)導(dǎo)致焦炭置換比較低。揮發(fā)分產(chǎn)率大于10%的煤粉爆炸性突顯，容易引發(fā)安全隱患；揮發(fā)分產(chǎn)率大于25%時(shí)則具有很強(qiáng)的爆炸隱患[11]。揮發(fā)分產(chǎn)率隨煤變質(zhì)程度的增高呈下降趨勢(shì)，低變質(zhì)程度的煙煤往往具有較高的揮發(fā)分產(chǎn)率，但是混煤的應(yīng)用在客觀上降低最終高爐噴吹煤粉的揮發(fā)分產(chǎn)率。為了提高高爐噴吹工藝的安全性，揮發(fā)分產(chǎn)率也應(yīng)作為高爐噴吹用煤工藝指標(biāo)的重要關(guān)聯(lián)指標(biāo)。

3.2 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

影響高爐噴吹工藝的其他煤質(zhì)指標(biāo)均屬于經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，可劃分為經(jīng)濟(jì)正效應(yīng)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)負(fù)效應(yīng)指標(biāo)及其他指標(biāo)。高爐噴吹用煤在高爐煉鐵中作為熱量來源和還原劑，則與熱量、還原性正相關(guān)的煤質(zhì)指標(biāo)都屬于經(jīng)濟(jì)正效應(yīng)指標(biāo)，主要有發(fā)熱量、固定碳含量、反應(yīng)性等[32-34]；與熱量、還原性負(fù)相關(guān)及為高爐煉鐵帶來雜質(zhì)造成鋼鐵品質(zhì)下降的指標(biāo)都屬于經(jīng)濟(jì)負(fù)效應(yīng)指標(biāo)，與發(fā)熱量負(fù)相關(guān)的指標(biāo)有灰分、全水分，帶來有害元素的指標(biāo)有全硫、磷分、鈉鉀總量[35-37]。另外，高爐噴吹用煤需要磨成煤粉后使用，但煤粉磨制需要消耗大量的能源，通常將能夠滿足于高爐正常生產(chǎn)要求且能耗最低的粒度定為最優(yōu)粒度[38]，反映為以哈氏可磨指數(shù)65~90較為適宜[39]。因此，粒度和哈氏可磨指數(shù)也是高爐噴吹用煤評(píng)價(jià)的重要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

4 稀缺高爐噴吹用煤地質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)地質(zhì)勘查階段煤炭資源利用規(guī)劃原則，煉焦用煤首先用于煤炭焦化，其余煤炭再按照煤質(zhì)特征分別規(guī)劃其用途[40]。可用于高爐噴吹的煤涵蓋了除煉焦煤、褐煤以外幾乎所有煤類，但是不同的煤類在高爐噴吹中的使用效果不同、供需關(guān)系也不同。從高爐噴吹技術(shù)要求來看，高爐噴吹用煤應(yīng)優(yōu)先選擇無煙煤及價(jià)格相對(duì)較低的貧煤和貧瘦煤[41]，而煙煤在用于高爐噴吹混煤時(shí)要嚴(yán)格控制煙煤的混入比例。據(jù)最新全國煤炭資源潛力評(píng)價(jià)，我國累計(jì)探明煤炭保有資源/儲(chǔ)量中，無煙煤為2 420億t、高變質(zhì)煙煤為913億t，分別占全國的12.48%和4.71%；低變質(zhì)煙煤為9 516億t，占全國的49.08%(圖1)。低變質(zhì)煙煤的資源量遠(yuǎn)大于無煙煤、貧煤、貧瘦煤的資源量，因此，無論從優(yōu)選煤類還是資源量來看，變質(zhì)程度較高的無煙煤、貧煤和貧瘦煤都應(yīng)是高爐噴吹用煤的稀缺煤類。

圖1 我國不同變質(zhì)程度煤炭資源量占比

對(duì)稀缺高爐噴吹用煤的評(píng)價(jià)仍然應(yīng)當(dāng)關(guān)注其工藝指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，但是已優(yōu)選的煤類已經(jīng)滿足高爐噴吹的工藝指標(biāo)，在稀缺高爐噴吹用煤煤質(zhì)評(píng)價(jià)中不需再次關(guān)注工藝指標(biāo)。作為部分替代焦炭使用的高爐噴吹用煤，還應(yīng)達(dá)到有效降低高爐煉鐵生產(chǎn)成本的要求，煤炭地質(zhì)勘查中應(yīng)采用高爐噴吹用煤煤質(zhì)評(píng)價(jià)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)開展優(yōu)質(zhì)煤炭資源評(píng)價(jià)。顧廣明等[42]、李小彥等[43]將優(yōu)質(zhì)煤定義為自然條件下灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于15.00%、硫分質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1.00 %、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.05 %的煤炭資源。但原煤煤質(zhì)評(píng)價(jià)與商品煤煤質(zhì)評(píng)價(jià)不同，商品原料煤是經(jīng)過洗選、粉碎等加工處理后的煤炭，參數(shù)要求往往高于原煤的煤質(zhì)參數(shù)。在煤炭用途確定以前，應(yīng)按照優(yōu)質(zhì)煤的要求對(duì)煤炭資源進(jìn)行評(píng)價(jià)。因此，對(duì)稀缺高爐噴吹用煤原煤進(jìn)行地質(zhì)評(píng)價(jià)時(shí)，優(yōu)先選擇優(yōu)質(zhì)煤的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)指標(biāo)參數(shù)的選擇則參照優(yōu)質(zhì)煤質(zhì)參數(shù)和高爐噴吹用煤技術(shù)條件參數(shù)綜合分析。

從經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性的角度出發(fā)，煤粉置換焦炭后應(yīng)當(dāng)保持渣量的不增加，即高爐噴吹用煤的最高灰分產(chǎn)率應(yīng)當(dāng)?shù)陀谒褂媒固康幕曳之a(chǎn)率，盡可能選擇灰分產(chǎn)率較低的煤炭資源[35]。根據(jù)近些年高爐噴吹用煤的煤粉灰分產(chǎn)率技術(shù)要求，煤粉灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般以小于12%~15%為宜[20]。因此，稀缺高爐噴吹用煤原煤灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)定為不大于12%。硫分是高爐煉鐵過程中的不利因素，鋼鐵中硫分質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.07%時(shí)會(huì)造成產(chǎn)品產(chǎn)生熱脆性而無法使用[35-37]，在冶煉過程中需要用石灰進(jìn)行脫硫處理；當(dāng)硫分每增加1%時(shí)，石灰石消耗量要增加20%，焦炭消耗量增加18%~24%[44]，則高爐噴吹用煤中的硫分含量越低越好；參照高爐噴吹用煤技術(shù)要求和稀缺高爐噴吹用煤資源劃分要求，稀缺高爐噴吹用煤地質(zhì)評(píng)價(jià)中全硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)定為不大于1.0%。煤中磷分含量雖然遠(yuǎn)低于硫分，但是煤炭在焦化過程中磷分幾乎全部殘留在焦炭中，含磷焦炭造成鋼鐵產(chǎn)品中磷分含量過高而產(chǎn)生冷脆性，嚴(yán)重影響鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量。在我國冶金行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，鐵合金用焦炭磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.045%；焦炭產(chǎn)品出口磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)是小于0.03%[45]，對(duì)應(yīng)的進(jìn)入煉焦?fàn)t的煉焦煤中磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)當(dāng)在0.018%~0.023%[46]。根據(jù)煉焦煤磷分的要求，在稀缺高爐噴吹用煤地質(zhì)評(píng)價(jià)中，磷分質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)不大于0.03%。

綜上，在煤炭地質(zhì)勘查中將稀缺高爐噴吹用煤定為灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于12.00%、全硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于1.00%、磷分質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.03%的優(yōu)質(zhì)無煙煤、貧煤、貧瘦煤。

5 地質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)用

無煙煤、貧煤和貧瘦煤在我國分布范圍廣泛，主要分布在華北賦煤區(qū)的山西、河南、陜西、寧夏，華南賦煤區(qū)的云南、貴州、四川、湖北、湖南、福建、江西，以及西北賦煤區(qū)的甘肅、青海(圖2)。對(duì)這些地區(qū)的以往煤炭地質(zhì)勘查中的煤質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)于灰分、硫分、磷分含量較低且能夠落入稀缺高爐噴吹用煤地質(zhì)評(píng)價(jià)范圍的典型礦區(qū)進(jìn)行篩選，篩選出河北峰峰、河南永城、山西西山、陽泉、潞安、晉城、內(nèi)蒙古二道嶺、寧夏汝箕溝、青?；∩降鹊V區(qū)的部分煤質(zhì)指標(biāo)滿足稀缺高爐噴吹用煤地質(zhì)評(píng)價(jià)要求。對(duì)典型礦區(qū)主要煤質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見表2。

在以上典型礦區(qū)中，峰峰、晉城和弧山礦區(qū)煤中灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較高，最小值接近或者大于12.00%，而其他礦區(qū)中都有部分煤能夠滿足灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于12.00%的要求；特別是二道嶺、汝箕溝礦區(qū)煤中灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值為9.59%~10.06%，幾乎所有的煤都能直接滿足稀缺高爐噴吹用煤的要求。各礦區(qū)的硫分特征與灰分產(chǎn)率存在一定差異，峰峰和潞安礦區(qū)煤中硫變化范圍較大，為0.29%~ 7.71%，且平均值高達(dá)2.63%~3.01%，僅有部分原煤能達(dá)到稀缺高爐噴吹用煤的硫分要求；其他礦區(qū)煤中硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值為0.25%~0.57%，幾乎所有的煤不經(jīng)處理即可滿足高爐噴吹硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1.0%的標(biāo)準(zhǔn)。在典型礦區(qū)的磷分指標(biāo)中，僅有峰峰礦區(qū)磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值高于0.03%，其他礦區(qū)煤中磷分含量平均值都能滿足稀缺高爐噴吹用煤的要求。

表2 典型礦區(qū)稀缺高爐噴吹用煤主要煤質(zhì)指標(biāo)[26]

注：11.55~35.45/21.56表示最小~最大/平均值，其他數(shù)據(jù)同；PW表示貧煤，WY表示無煙煤，PS表示貧瘦煤。

圖2 高爐噴吹無煙煤、貧煤、貧瘦煤分布(據(jù)特殊和稀缺煤炭資源調(diào)查成果修編)

綜合煤質(zhì)特征來看，稀缺高爐噴吹用煤主要分布在永城、西山、陽泉、潞安、二道嶺和汝箕溝礦區(qū)。

按照本次確定的稀缺高爐噴吹用煤地質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)典型礦區(qū)的無煙煤、貧煤、貧瘦煤進(jìn)行資源計(jì)算，可劃分出稀缺高爐噴吹用煤保有資源量107億t。其中，山西省92億t、河南省10億t、河北省4億t、內(nèi)蒙古1億t。按照2019年中國粗鋼產(chǎn)量9.8億t、最高煤比230 kg/t來計(jì)算，每年高爐噴吹用煤需求量2.254億t，現(xiàn)有稀缺高爐噴吹用煤可以滿足高爐冶煉企業(yè)使用47 a，能夠基本滿足我國鋼鐵企業(yè)對(duì)高爐噴吹用煤的需求。但需要指出的是，稀缺高爐噴吹用煤地質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)不能夠替代高爐噴吹用煤原料用煤的技術(shù)條件要求。旨在采用有限的關(guān)鍵指標(biāo)在地質(zhì)勘查階段劃分出可供規(guī)模化開發(fā)的優(yōu)質(zhì)高爐噴吹用煤資源。該研究有利于摸清我國稀缺高爐噴吹用煤的資源規(guī)模和分布特征，促進(jìn)典型礦區(qū)稀缺高爐噴吹用煤合理開發(fā)，為鋼鐵企業(yè)優(yōu)選稀缺高爐噴吹原料用煤提供決策依據(jù)。

6 結(jié)論

a. 高爐噴吹用煤是降低高爐生產(chǎn)成本提高經(jīng)濟(jì)效益的重要技術(shù)措施，有利于提高中國鋼鐵產(chǎn)品的國際競(jìng)爭(zhēng)力。現(xiàn)行高爐噴吹用煤技術(shù)條件提出了無煙煤、貧煤、貧瘦煤和其他煙煤的評(píng)價(jià)指標(biāo)及參數(shù)，按照不同指標(biāo)對(duì)高爐噴吹工藝的影響可以劃分為工藝指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。工藝指標(biāo)包括煤類、黏結(jié)指數(shù)和膠質(zhì)層厚度；經(jīng)濟(jì)指標(biāo)包括灰分、硫分、磷分、鈉鉀含量、粒度、哈氏可磨指數(shù)等。

b. 根據(jù)高爐噴吹用煤技術(shù)條件和我國煤炭資源量稟賦特征，確定無煙煤、貧煤、貧瘦煤是高爐噴吹用煤的首選煤類。結(jié)合“優(yōu)質(zhì)煤”評(píng)價(jià)指標(biāo)和高爐噴吹原料煤技術(shù)條件，提出煤炭地質(zhì)勘查階段對(duì)稀缺高爐噴吹用煤的關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)為灰分、硫分和磷分等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

c. 采用稀缺高爐噴吹用煤的地質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)我國無煙煤、貧煤、貧瘦煤分布的典型礦區(qū)進(jìn)行煤質(zhì)評(píng)價(jià)，達(dá)到稀缺高爐噴吹用煤地質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的礦區(qū)主要有永城、西山、陽泉、潞安、二道嶺和汝箕溝礦區(qū)，可劃分稀缺高爐噴吹用煤107億t。

請(qǐng)聽作者語音介紹創(chuàng)新技術(shù)成果等信息，歡迎與作者進(jìn)行交流

[1] 徐忠田. 對(duì)特殊和稀缺煤種實(shí)施戰(zhàn)略性保護(hù)的建議[J]. 中國煤炭，2012，38(6)：22–24. XU Zhongtian. Proposals on strategic protection for special and rare coal species[J]. China Coal，2012，38(6)：22–24.

[2] 吳立新. 煤焦化清潔高效發(fā)展是我國煤炭清潔利用的關(guān)鍵[J]. 煤炭經(jīng)濟(jì)研究，2019，39(8)：1.WU Lixin. Clean and efficient development of coal coking is the key to clean utilization of coal in China[J]. Coal Economy Research，2019，39(8)：1.

[3] 李麗英. 我國煉焦煤產(chǎn)業(yè)供需形勢(shì)及發(fā)展對(duì)策研究[J]. 煤炭工程，2018，50(4)：141–143.LI Liying. Study on supply and demand situation and development countermeasures of coking coal industry in China[J]. Coal Engineering，2018，50(4)：141–143.

[4] 王宏濤，儲(chǔ)滿生，趙偉，等. 高爐煉鐵低碳化和智能化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 河北冶金，2018(9)：1–7.WANG Hongtao，CHU Mansheng，ZHAO Wei，et al. Development status of innovative blast furnace technologies for low carbon emission and intellectualization[J]. Hebei Metallurgy，2018(9)：1–7.

[5] 歐陽勇兵. 中國焦炭出口形勢(shì)的分析和建議[J]. 冶金經(jīng)濟(jì)與管理，2016(6)：41–47.OUYANG Yongbing. Analysis and suggestions on China’s coke export situation[J]. Metallurgical Economy and Management，2016(6)：41–47.

[6] OGE M，OZKAN D，CELIK M B，et al. An overview of utilization of blast furnace and steelmaking slag in various applications[J]. Materials Today：Proceedings，2019，11：516–525.

[7] DING Jingguo，QU Lili，HU Xianlei，et al. Application of temperature inference method based on soft sensor technique to plate production process[J]. Journal of Iron and Steel Research International，2011，18(3)：24–27.

[8] STEER J M，MARSH R，SEXTON D，et al. A comparison of partially burnt coal chars and the implications of their properties on the blast furnace process[J]. Fuel Processing Technology，2018，176：230–239.

[9] 吳浩，鄒沖，劉占偉，等. 低變質(zhì)煤熱解提質(zhì)及其半焦作為高爐噴吹用燃料的特性分析[J]. 冶金能源，2019，38(5)：24–27.WU Hao，ZOU Chong，LIU Zhanwei，et al. Analysis of characteristics of low metamorphic coal pyrolysis upgrading and its semicoke as fuel for blast furnace injection[J]. Energy for Metallurgical Industry，2019，38(5)：24–27.

[10] 劉京瑞，馮帥，尹志華. 高爐噴吹用煤合理配煤的研究與實(shí)踐[J]. 河北冶金，2019(1)：14–17.LIU Jingrui，F(xiàn)ENG Shuai，YIN Zhihua. Research and practice of reasonable coal blending for blast furnace injection[J]. Hebei metallurgy，2019(1)：14–17.

[11] 馬保良，張玉柱，蔡艷青，等. 高爐噴吹用煤粉可行性指標(biāo)的研究與應(yīng)用[J]. 礦冶，2017，26(3)：50–55.MA Baoliang，ZHANG Yuzhu，CAI Yanqing，et al. Study and application of feasibility indexes for coal injected into blast furnace[J]. Mining & Metallurgy，2017，26(3)：50–55.

[12] 張立國，任偉，劉德軍，等. 半焦作為高爐噴吹用煤研究[J]. 鞍鋼技術(shù)，2015(1)：13–17.ZHANG Liguo，REN Wei，LIU Dejun，et al. Study on semi-coke used as pulverized coal for injection into blast furnace[J]. Angang Technology，2015(1)：13–17.

[13] 歐陽曙光，許杰，吳天禮，等. 無煙煤對(duì)高爐噴吹用混合煤燃燒性的影響[J]. 武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，36(2)：108–111.OUYANG Shuguang，XU Jie，WU Tianli，et al. Effect of anthracite on the combustion performance of blast furnace injection coal[J]. Journal of Wuhan University of Science and Technology(Natural Science Edition)，2013，36(2)：108–111.

[14] 姚紅英. 貧煤在大型高爐噴吹的實(shí)踐[J]. 寶鋼技術(shù)，2009(5)：50–52.YAO Hongying. Application of lean coal in coal injection of large scale blast furnaces[J]. Bao-Steel Technology，2009(5)：50–52.

[15] 張俊燕，金龍哲，王麗穎，等. 貧煤、貧瘦煤用作高爐噴吹煤的可行性研究[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2006，34(10)：62–65.ZHANG Junyan，JIN Longzhe，WANG Liying，et al. Feasibility study on blast furnace blowing with meagre coal and meagre lean coal[J]. Coal Science and Technology，2006，34(10)：62–65.

[16] 孔凡朔，任鐵軍，張建良，等. 高爐噴吹用煤的選擇及經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)[J]. 包頭鋼鐵學(xué)院學(xué)報(bào)，2004(2)：110–112.KONG Fanshuo，REN Tiejun，ZHANG Jianliang，et al. Selection and economic of evaluation efficiency of coal injected into BF[J]. Journal of Baotou University of Iron and Steel Technology，2004(2)：110–112.

[17] 賀濤. 大宗商品與國際經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)[J]. 上海商業(yè)，2018(10)：10–17.HE Tao. Commodity and international economic competition[J]. Shanghai Business，2018(10)：10–17.

[18] 張生軍，趙奕程，李鑫，等. 高爐噴吹技術(shù)進(jìn)展[J]. 現(xiàn)代冶金，2013，41(6)：1–4.ZHANG Shengjun，ZHAO Yicheng，LI Xin，et al. Development of blast furnace injection technology[J]. Modern Metallurgy，2013，41(6)：1–4.

[19] 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.LIU Baokui，ZHAO Desheng，ZHANG Lei，et al. Research and application of Xishan lean coal used by Ansteel for PCI in blast furnace[J]. Angang Technology，2018(1)：19–25.

[20] 于勇，王立，李京社，等. 國內(nèi)外高爐噴煤技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 河南冶金，2008，16(5)：1–3.YU Yong，WANG Li，LI jingshe，et al. Present state and development trend of BF pulverized coal injection technology at home and abroad[J]. Henan Metallurgy，2008，16(5)：1–3.

[21] 黨玉華，張士敏. 高效高爐低燃料比、大噴煤比的研究[J]. 鋼鐵，2005(2)：15–18.DANG Yuhua，ZHANG Shimin. Discussion on low fuel rate and high PCI rate of blast furnace operation[J]. Iron and Steel，2005(2)：15–18.

[22] 王筱留. 提高高爐噴煤量的措施[J]. 鞍鋼技術(shù)，2007(1)：1–6.WANG Xiaoliu. Measures to increase coal injection amount into BF[J]. Angang Technology，2007(1)：1–6.

[23] 王維興. 2019年上半年鋼協(xié)會(huì)員單位高爐煉鐵技術(shù)發(fā)展評(píng)述(下)[N]. 中國冶金報(bào)，2019-09-19.WNG Weixing. Comments on the development of blast furnace iron making technology of member units of steel association in the first half of 2019(Part 2)[N]. China Metallurgical News，2019-09-19.

[24] 牛江峰，許瑩，胡賓生，等. 邯鋼高爐噴吹煤種的優(yōu)化選擇[J]. 河北冶金，2006(5)：4–6.NIU Jiangfeng，XU Ying，HU Binsheng，et al. Optimized select ion of kinds of coal for injection in B S in Han Steel[J]. Hebei Metallurgy，2006(5)：4–6.

[25] 顧飛，劉述臨. 高爐噴吹用煤的評(píng)價(jià)指標(biāo)[J]. 煉鐵，1999(5)：50–52.GU Fei，LIU Shulin. Evaluation index of coal for blast furnace injection[J]. Ironmaking，1999(5)：50–52

[26] 李正越，唐躍剛，喬軍偉，等. 特殊和稀缺煤炭資源調(diào)查報(bào)告[R]. 北京：中國煤炭地質(zhì)總局，2014.LI Zhengyue，TANG Yuegang，QIAO Junwei，et al. Investigation report on special and scarce coal resources[R]. Beijing：China National Administration of Coal Geology，2014.

[27] 陳亞飛. 煤質(zhì)評(píng)價(jià)與煤質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)化[J]. 煤質(zhì)技術(shù)，2006(1)：12–15.CHEN Yafei. Coal property evaluation with standardization[J]. Coal Quality Technology，2006(1)：12–15.

[28] 陳令坤，李永波，孫路石. 武鋼高爐噴吹用混合煤粉燃燒試驗(yàn)研究[J]. 武鋼技術(shù)，2013，51(6)：14–18. CHEN Lingkun，LI Yongbo，SUN Lushi. Research on combustibility of mixed pulverized coal injection into blast furnace in WISCO[J]. WISCO Technology，2013，51(6)：14–18.

[29] 劉仁生，趙兵，房連增，等. 潞安新疆煤用作高爐噴吹煤的可行性研究[J]. 煤炭加工與綜合利用，2010(1)：28–29. LIU Rensheng，ZHAO Bing，F(xiàn)ANG Lianzeng，et al. Feasibility study of the coal from Lu’an Xinjiang mine for blast furnace injection[J]. Coal Processing and Comprehensive Utilization，2010(1)：28–29.

[30] 王海洋，張建良，王廣偉，等. 褐煤用于高爐噴吹的可行性[J]. 鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2017，29(1)：39–43. WANG Haiyang，ZHANG Jianliang，WANG Guangwei，et al. Feasibility research of brown coal injection for blast furnace[J]. Journal of Iron and Steel Research，2017，29(1)：39–43.

[31] 王少寧，司新國，黃亞玲，等. 唐鋼高爐噴吹煤粉配加碳粉的生產(chǎn)實(shí)踐[J]. 冶金能源，2016，35(6)：12–14. WANG Shaoning，SI Xinguo，HUANG Yaling，et al. Production practice of the coal injection with addition of carbon powder on Tangsteel blast furnace[J]. Energy for Metallurgical Industry，2016，35(6)：12–14.

[32] 孫志華. 穩(wěn)定高爐噴煤固定碳技術(shù)攻關(guān)[J]. 酒鋼科技，2015(4)：36–38. SUN Zhihua. The technology research on stabilizing blast furnace fixed carbon[J]. Jiugang Science and Technology，2015(4)：36–38.

[33] 王海燕，朱紅青，姚海飛，等. 基礎(chǔ)內(nèi)因參數(shù)對(duì)煤自燃低溫臨界溫度的影響[J]. 應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2016，24(3)：499–509. WANG Haiyan，ZHU Hongqing，YAO Haifei，et al. Influence of fundamentally inner parameters to critical temperature of low temperature stage in coal self-ignition process[J]. Journal of Basic Science and Engineering，2016，24(3)：499–509.

[34] 李杰，宋燦陽，李小靜，等. 高爐噴吹煤性價(jià)比評(píng)價(jià)方法的研究[J]. 安徽冶金，2017(1)：33–36. LI Jie，SONG Canyang，LI Xiaojing，et al. A study on the evaluating methods for cost performance of pulverized coal injection in blast furnace[J]. Anhui Metallurgy，2017(1)：33–36.

[35] 湛燕，劉仁生，趙兵，等. 潞安高爐噴吹煤經(jīng)濟(jì)效益分析[J]. 煤炭加工與綜合利用，2009(1)：34–37.ZHAN Yan，LIU Rensheng，ZHAO Bing，et al. Economic benefit analysis of coal injection in Lu’an blast furnace[J]. Coal Processing and Comprehensive Utilization，2009(1)：34–37.

[36] 張引剛. 淺論高爐噴吹煤評(píng)價(jià)指標(biāo)[J]. 選煤技術(shù)，2003(6)：58–60. ZHANG Yingang. Discussion on index for comment on coal fines jetting in blast furnace[J]. Coal Preparation Technology，2003(6)：58–60.

[37] 王春華. 官地貧瘦煤作為高爐噴吹煤的研究[J]. 煤質(zhì)技術(shù)，2006(5)：12–14. WANG Chunhua. Research on Guandi meager lean coal as blast furnace PCI coal[J]. Coal Quality and Technology，2006(5)：12–14.

[38] 顧飛，沙愛學(xué)，宋忠平. 高爐噴吹煤粉的煤種及粒徑研究[J]. 鋼鐵，1996，31(4)：11–15.GU Fei，SHA Aixue，SONG Zhongping. Rank and particle size of coal for BF injection use[J]. Iron and Steel，1996，31(4)：11–15.

[39] 段旭琴，丁照忠，段健，等. 多級(jí)模糊模式識(shí)別模型在評(píng)價(jià)高爐噴吹混煤中的應(yīng)用[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2011，36(10)：1748–1752. DUAN Xuqin，DING Zhaozhong，DUAN Jian，et al. Application of multi-classification fuzzy pattern recognition model in blast furnace injection assessment of blended coal[J]. Journal of China Coal Society，2011，36(10)：1748–1752.

[40] 喬軍偉，寧樹正，秦云虎，等. 特殊用煤研究進(jìn)展及工作前景[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2019，47(1)：49–55. QIAO Junwei，NING Shuzheng，QIN Yunhu，et al. The research progress and work prospect of special purpose coal[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(1)：49–55.

[41] 陳亞飛. 潞安貧煤作噴吹煤的特征分析[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2008，33(7)：803–806. CHEN Yafei. The feature analysis of Lu’an meager coal as pulverized coal injection[J].Journal of China Coal Society，2008，33(7)：803–806.

[42] 顧廣明，李小彥，晉香蘭. 鄂爾多斯盆地優(yōu)質(zhì)煤資源分布及有利區(qū)塊[J]. 地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報(bào)，2006，28(4)：26–30. GU Guangming，LI Xiaoyan，JIN Xianglan. Resource distribution and available block of high quality coal in Ordos coal basin[J]. Journal of Earth Sciences and Environment，2006，28(4)：26–30.

[43] 李小彥，晉香蘭，李貴紅. 西部煤炭資源開發(fā)中“優(yōu)質(zhì)煤”概念及利用問題的思考[J]. 中國煤田地質(zhì)，2005，17(3)：5–8. LI Xiaoyan，JIN Xianglan，LI Guihong. The definition of fine coal and the consideration for its utilization problem in exploitation of coal resource in western China[J]. Coal Geology of China，2005，17(3)：5–8.

[44] 王國清. 影響煤炭工業(yè)布局的因素[J]. 經(jīng)濟(jì)地理，1983(4)：281–286. WANG Guoqing. Factors affecting the layout of coal industry[J]. Economic Geography，1983(4)：281–286.

[45] 趙奇，陳明波，商鐵成，等. 配入無煙煤煉制優(yōu)質(zhì)冶金焦技術(shù)研究[J]. 潔凈煤技術(shù)，2006，12(3)：91–94. ZHAO Qi，CHEN Mingbo，SHANG Tiecheng，et al. Study on producing high quality metallurgical coke by blending anthracite[J]. Clean Coal Technology，2006，12(3)：91–94.

[46] 楊光喜，謝中正. 不銹鋼冶煉用低磷冶金焦的研發(fā)和生產(chǎn)[J]. 煤炭加工與綜合利用，2018(2)：57–61. YANG Guangxi，XIE Zhongzheng. Development and production of low phosphorus metallurgical coke for stainless steel smelting[J]. Coal Processing and Comprehensive Utilization，2018(2)：57–61.

Discussion and application of geological evaluation index of scarce coal injected into blast furnace

QIAO Junwei1,2, LI Zhengyue3, CHEN Meiying4, LYU Jun’e5

(1. College of Geology and Environment, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China; 2. Shaanxi Provincial Key Laboratory of Geological Support for Coal Green Exploitation, Xi’an 710054, China; 3. China National Administration of Coal Geology, Beijing 100038, China; 4. General Prospecting Institute, China National Administration of Coal Geology, Beijing 100039, China; 5. Aerophoto Grammetry & Remote Sensing Bureau, China National Administration of Coal Geology, Xi’an 710199, China)

Coal injected into blast furnace can reduce the use of coke, is an important technical measure to reduce the production cost and improve the economic benefit of modern blast furnace.From the influential factors of quality of coal injected into blast furnace and on the basis of evaluation of quality of high-quality coal and scarce coal, the geological evaluation indexes and the grading parameters of scarce coal injected into blast furnace were discussed. The evaluation indexes of coal quality for blast furnace are divided into process index and economic index. Process index is the key index to determine whether coal can be used in blast furnace injection process. Economic index mainly affects the cost of blast furnace injection process. According to the characteristics of coal resources in China, anthracite, lean coal and meager-lean coal are the rare coal for blast furnace. Combined with the evaluation standard of "high quality coal" in coal geological exploration, it is proposed that ash, sulfur and phosphorus are the key indexes for geological evaluation of scarce coal for blast furnace, it is required that the ash mass fraction is less than 12.00%, the total sulfur mass fraction less than1.00% and the phosphor mass fraction less than 0.03%. Using these indexes, the coal quality evaluation and resource division of typical mining areas of anthracite, lean coal and meager-lean coal in China are carried out. It is proposed that Yongcheng, Xishan, Yangquan, Lu’an, Erdaoling and Rujigou mining areas are the main distribution areas of scarce blast furnace coal, and the remaining resources of scarce blast furnace coal are 10.7 billion tons. It provides a basis for the rational exploitation and full utilization of the coal injected into blast furnace in China.

coal injected into blast furnace injection;scarce coal; high quality coal; coal quality evaluation; evaluation index

P618.11；TQ53

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.02.009

1001-1986(2020)02-0049-08

2019-11-19；

2020-02-28

陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃企業(yè)聯(lián)合基金項(xiàng)目(2019JL-01)；中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目(1212011085511，DD20160187)

Enterprise Joint Fund Project of Shaanxi Natural Science Basic Research Plan(2019JL-01)；Geological Survey Project of China Geological Survey(1212011085511，DD20160187)

喬軍偉，1985年生，男，河南洛陽人，博士，高級(jí)工程師，從事煤炭資源及煤地質(zhì)學(xué)研究. E-mail：qiaojunwei@xust.edu.cn

喬軍偉，李正越，陳美英，等. 稀缺高爐噴吹用煤地質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)探討及應(yīng)用[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2020，48(2)：49–56.

QIAO Junwei，LI Zhengyue，CHEN Meiying，et al. Discussion and application of geological evaluation index of scarce coal injected into blast furnace[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(2)：49–56.

(責(zé)任編輯 范章群)