舞鋼提高煤比生產(chǎn)實踐及大噴煤下煤粉燃燒效率評估

楊增國，劉永久，王凱，劉占偉，劉紅偉，吳浩

（舞陽鋼鐵有限責(zé)任公司煉鐵廠，河南　平頂山　462500）

摘要：煤粉燃燒的均相和非均相反應(yīng)是制約煤粉使用量的決定性因素，采取高風(fēng)溫、富氧等措施，改善了反應(yīng)條件，降低了反應(yīng)活化能，促進了煤粉的燃燒，在風(fēng)氧量和風(fēng)溫一定的情況下可以有效降低未燃粉煤的含量；舞鋼1260m³高爐通過加強篩分和原燃料保障、采取富氧鼓風(fēng)和高風(fēng)溫、穩(wěn)定噴吹和加強設(shè)備點檢以及外圍保障，使得煤比由5月份的142.92kg/t增加至12月份的171.38kg/t，目前維持在170kg/t左右，并且未燃煤粉含量大大降低，除塵灰中的碳含量由5月份的33.2%下降至12月份的31.275%，煤粉燃燒較為充分。

關(guān)鍵字：高爐，燃燒反應(yīng)，煤比，未燃煤粉

1前言

高爐噴吹煤粉作為減少焦炭消耗和降低生產(chǎn)成本的一種現(xiàn)代生產(chǎn)手段，在給企業(yè)增加經(jīng)濟效益的同時也是應(yīng)對環(huán)境污染、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)能源結(jié)構(gòu)的主流技術(shù)^[1]，高爐噴吹煤粉主要意義在于不但可以替代價格昂貴的冶金焦炭在爐內(nèi)充當(dāng)熱源和還原劑以及滲碳劑，節(jié)約煉鐵成本，同時減少煉焦工藝對環(huán)境的污染，而且通過與高風(fēng)溫，富氧鼓風(fēng)等技術(shù)有效結(jié)合，可以穩(wěn)定爐內(nèi)煤氣流的分布，從而提高高爐操作的穩(wěn)定性。由于具有諸多優(yōu)點，大幅度提高高爐噴煤比成為許多鋼鐵企業(yè)所追求的目標(biāo)。舞鋼高爐（1260m³）設(shè)計2個鐵口、22個風(fēng)口，于2014年3月投產(chǎn)。針對當(dāng)前嚴(yán)峻的鋼鐵市場，鐵水的成本壓力越發(fā)突出，而高爐提高煤比、降低焦比是有效降鐵前成本提高企業(yè)效益的途徑。舞鋼公司作為內(nèi)陸鋼廠，原料成本相比其他企業(yè)尤為突出，持續(xù)推進降本增效勢在必行。提高煤比、降低焦比是降低鐵前成本、提高企業(yè)效益的途徑。舞鋼高爐自投產(chǎn)以來，受各種因素的制約

舞鋼煤比一直處于較低的水平；2014年平均煤比97kg/t、2015年平均煤比78kg/t，低煤比造成焦炭使用量大、噸鐵成本高，已經(jīng)無法適應(yīng)日益激烈的市場競爭。自2016年下半年開始，舞鋼公司煉鐵廠大力開展提高煤比、降低燃料比和噸鐵成本的課題攻關(guān)。從原燃料質(zhì)量入手，從工藝到設(shè)備，從生產(chǎn)到技術(shù)，逐點分析導(dǎo)致煤比一直低下的因素，從而尋求解決措施。通過不斷的努力，2016年下半年煤比突破120kg/t，2017年平均煤比達到131kg/t，2018年以來在工藝技術(shù)組的努力下，通過穩(wěn)定中心、邊緣氣流，努力提升燒結(jié)礦質(zhì)量、穩(wěn)定爐溫等措施，平均煤比達到155kg/t，創(chuàng)造舞鋼高爐煤比的歷史，2019年在總結(jié)2018年生產(chǎn)經(jīng)驗的同時，穩(wěn)定操作、優(yōu)化料制，匹配相應(yīng)的風(fēng)氧量，目前煤比一直穩(wěn)定在170kg/t左右，為降低生鐵成本奠定了基礎(chǔ)。

本文首先對煤粉在高爐中的燃燒過程進行了概述，對影響煤粉使用量的因素進行了分析，針對燃燒率這一制約煤粉噴吹量的因素^[2-3]，從料制、風(fēng)氧量等方面對提高燃燒效率、穩(wěn)定爐況從而增加煤比生產(chǎn)實踐進行了分析總結(jié)。

2 高爐噴吹煤粉燃燒過程概述

高爐噴吹煤粉技術(shù)應(yīng)用實踐以來，廣大科技工作者對煤粉在爐內(nèi)的燃燒行為、動力學(xué)特征、燃燒產(chǎn)物的演變、噴煤對焦炭質(zhì)量以及噴煤對煤氣流生產(chǎn)、分布和噴煤量的限制性條件進行了深入的探索和研究。近年來，大量提高煤比的措施被應(yīng)用，例如高富氧量、大風(fēng)量和高風(fēng)溫技術(shù)，熱分析和數(shù)值模擬等預(yù)測煤粉在爐內(nèi)燃燒過程的研究也很多，為了理解煤粉在爐內(nèi)的燃燒過程，其燃燒被分為兩個過程^[4]：

第一階段當(dāng)煤粉由管道被噴入直吹管道后，在熱空氣中自發(fā)熱解，緊接著揮發(fā)分與熱風(fēng)混合后發(fā)生均相著火，從而產(chǎn)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，例如半焦的生成和膨脹、煤中焦油的析出等，其轉(zhuǎn)化過程可以表示為：

第二個階段，氣相和固相燃燒不能單獨劃分出來，在揮發(fā)分燃燒后期就轉(zhuǎn)化為半焦燃燒，固相燃燒時間比氣相燃燒時間耗時較多，因此煤粉的燃燒時間主要是由半焦燃燒時間決定,其主要發(fā)生氣化燃燒過程，可以表示為：

   煤粉經(jīng)過預(yù)熱、揮發(fā)分析出燃燒和半焦燃燒三個階段后，由于噴吹速率較大、風(fēng)口回旋區(qū)空間有限，煤粉在風(fēng)口回旋區(qū)滯留時間較短，在大噴煤條件下會產(chǎn)生未燃煤粉，未燃煤粉在高爐內(nèi)的途徑氣化燃燒、直接燃燒和與渣鐵反應(yīng)（滲碳）以及與焦炭反應(yīng)，其在高爐內(nèi)的轉(zhuǎn)化過程如圖1所示。

3 舞鋼提高煤比生產(chǎn)實踐

3.1基于煤粉燃燒過程的實踐分析

由一、二可知，煤粉在高爐內(nèi)的燃燒過程一方面與自身原燃料條件關(guān)系，另一方面與外界環(huán)境影響較大。一方面，煤粉自身的成分組成影響較大，當(dāng)固定碳含量高時，雖然可以提供更多的熱量和煤氣，但是揮發(fā)分含量較低，燃燒反應(yīng)會延后，在有限的時間內(nèi)燃燒量降低；當(dāng)揮發(fā)分含量高時，燃燒反應(yīng)提前，但單位質(zhì)量的煤粉燃燒放出的熱量會減少，在一定噴煤量的情況下對焦炭的熱量補充效果不是很明顯。煤粉在高爐風(fēng)口回旋區(qū)停留時間較短，高風(fēng)溫和富氧鼓風(fēng)可以改善煤粉的均相和非均相反應(yīng)，使得在有限的時間里未燃煤粉的生成量減少，保證了爐內(nèi)的壓量關(guān)系；另一方面，從動力學(xué)角度來講，使用上述措施后煤粉燃燒反應(yīng)的活化能降低，理論燃燒溫度降低，使得煤粉的燃燒時間增加，對焦炭的熱量補充效果更加明顯，由式3可知，煤粉的燃燒速率也大大加強。合理的燒結(jié)礦粒度對煤氣流的分布和燒結(jié)礦的還原有著至關(guān)重要的影響^[5-7]，大粒度燒結(jié)礦雖然可以增加透氣性，但是煤氣利用率降低，不利于還原；小粒度燒結(jié)礦對高爐影響較大，原因是由于小粒級燒結(jié)礦入爐后不均勻填充在爐料孔隙中，導(dǎo)致煤氣流上升過程中分布不均勻，使得部分爐料不能充分預(yù)熱，這部分爐料到了軟熔帶由于溫度不足不能正常軟熔，導(dǎo)致軟熔帶區(qū)間擴大，惡化料柱透氣性，甚至影響高爐憋風(fēng)懸料。

通過上述分析，為了提高煤粉的使用量，舞鋼公司通過保證外圍生產(chǎn)，合理控制煤粉成分，在生產(chǎn)過程中，為了保證合理的壓量關(guān)系和生產(chǎn)條件，控制未燃煤粉的生成量，積極使用高風(fēng)溫、富氧鼓風(fēng)，并改變料制改善煤氣流分布來提升煤比。

3.2舞鋼提高煤比生產(chǎn)實踐

3.2.1控制噴吹煤粉成分

  舞鋼公司煉鐵廠2018年1-10月使用的煤粉工業(yè)分析和粒度以及硫含量如表1所示。

表1 2018年1-10月使用的煤粉工業(yè)分析和粒度以及硫含量變化

  由表1可知，舞鋼公司所使用的噴吹煤水分基本上維持在1.5%左右，灰分維持在9.5%左右，揮發(fā)分含量維持在18%左右，固定碳維持在70%左右。噴吹煤各項組分波動較小，較高的揮發(fā)分含量對煤粉的燃燒有一定的促進作用，硫含量維持在4%左右也基本符合高爐對噴吹煤的要求，粒度保證了200目以下占70%，為大噴煤奠定了基礎(chǔ)。

3.2.2穩(wěn)定入爐原燃料質(zhì)量加強篩分，改變傳統(tǒng)篩分模式

高爐2014年投產(chǎn)至今已經(jīng)將近五年，原燃料質(zhì)量問題隨著市場變化，目前通過原燃料管理,已經(jīng)能夠保證原燃料各項理化性能的分析數(shù)據(jù)真實、及時、準(zhǔn)確的傳送給高爐,高爐對外圍原燃料變化能夠及時調(diào)節(jié)應(yīng)對,將原燃料物理性能和化學(xué)成分的變化對高爐爐況的影響降到最低。高爐燒結(jié)礦篩分的主要任務(wù)是將＜5㎜的粉末篩除，減少入爐粉末量，提高料柱的透氣性能，我煉鐵廠傳統(tǒng)的篩分模式是通過料倉下料口大小控制燒結(jié)礦下料量，這種模式的弊端是隨著燒結(jié)礦的用量增加，槽下給料機不能滿足備料的時間要求，振時一般只能控制在50kg/s，振篩難以滿足篩分任務(wù)；針對這種現(xiàn)象，高爐作業(yè)區(qū)專門組織專項攻關(guān)，工藝與設(shè)備相結(jié)合，制定專門方案，于9月份實施，通過調(diào)整燒結(jié)礦給料機電機的震動幅度，由之前的50%為基礎(chǔ)調(diào)整，通過實踐研究得出震動幅度在30%時，燒結(jié)礦的振時由50kg/s降為35kg/s，滿足備料需求，還解決了振料時由于燒結(jié)礦個別粒度大而卡下料口的情況，圖2為調(diào)整前后返礦率和燒結(jié)礦入爐粒度的變化：

由圖1可以看出調(diào)整之后，燒結(jié)礦外返率顯著上升，并不是燒結(jié)礦質(zhì)量變差，而是篩分質(zhì)量有所提升，對燒結(jié)礦粒度要求變大，燒結(jié)礦外返率由1至8月的8.98%上升至9-11月的14.71%，對小粒度燒結(jié)礦的篩分效果增強，極大程度上減少了粉末入爐。舞鋼公司煉鐵廠通過改變傳統(tǒng)篩分模式，使得燒結(jié)礦入爐粒度由最初的19mm左右增加至23mm左右，為高爐提高風(fēng)量及富氧率做好基礎(chǔ)，也為提高高爐有效容積利用系數(shù)做出了鋪墊。圖2為1-11月高爐富氧變化，明顯發(fā)現(xiàn)振時調(diào)整后氧氣使用量在逐步增加，為調(diào)整前的5倍。

3.2.3 其它提高煤比的措施

Ø 合理使用風(fēng)氧量，進一步提高富氧率

通過長期生產(chǎn)實踐，風(fēng)量適宜為2550-2600m3/min，為了強化冶煉過程，提高產(chǎn)量，富氧流量從2018年5月的600m3/h增加至目前的7000m3/h，高爐富氧率維持在3.4左右。可以有效的提升理論燃燒溫度，有利于風(fēng)口回旋區(qū)的煤粉燃燒，為提升煤比奠定基礎(chǔ)；另一方面，富氧增加可以增加煤氣的CO的含量，提高煤氣的熱值，對爐內(nèi)的間接還原和礦石的預(yù)熱還原有重要的促進作用。

Ø 穩(wěn)定噴吹速率

編制了自動噴吹程序，及時對煤槍進行調(diào)整和更換，合理調(diào)整鼓風(fēng)動能，確保煤粉噴吹均勻進入爐缸，且保證高爐煤粉噴吹速率與設(shè)定值相比瞬時波動不超3t/h，煤粉噴吹誤差控制在0.3t/h，從而實現(xiàn)煤粉噴吹速率的穩(wěn)定，為提高煤比后爐況的順行提供了重要支持。

Ø 優(yōu)化布料模式和強化外圍保障

相對于燒結(jié)礦，生礦加重邊緣的作用比燒結(jié)礦，球團容易滾動對氣流分布影響明顯。通過優(yōu)化槽下排料順序，布料時優(yōu)先將生礦布在邊緣，球團布在中間位置，保證中心氣流；同時嚴(yán)格布料圈數(shù)，要求礦石圈數(shù)波動±0.2，焦炭圈數(shù)波動±0.3，并做了布料圈數(shù)偏差統(tǒng)計，減少布料誤差。目前高爐煤氣中心指數(shù)3.0以上，邊緣指數(shù)0.4以下，中心氣流充沛、邊緣氣流穩(wěn)定。同時加強出鐵組織，隨著煤比的提高，軟熔帶焦窗變薄，下部壓差升高。為此爐前需要加強鐵口維護，將30分鐘鐵間隔縮短為25分鐘，及時排凈渣鐵，減少壓差波動，穩(wěn)定煤氣流初始分布；同時對爐前炮泥性能及時調(diào)整，保證開口和出鐵質(zhì)量。加強設(shè)備管理，實現(xiàn)三級點檢制度，設(shè)備方面實行計劃檢修，每個區(qū)域都設(shè)有點檢專人負責(zé)，及時查出存在的隱患。根據(jù)設(shè)備的周期進行周期管理，定期進行檢修。同時做好高爐長壽工作，隨著煤比不斷提高，冶煉強度強化，嚴(yán)格控制冷卻水壓力、進水溫度，保證冷卻強度和冷卻壁各段溫度，避免冷卻設(shè)備損壞；同時定期對爐體和鐵口區(qū)域灌漿，延長高爐壽命。

3.4 大煤比情況下煤粉燃燒效率評估

高爐除塵灰中的碳含量一方面來源于未燃煤粉隨粉塵的帶出，另一方面是焦炭末隨煤氣的帶出，在控制原燃料的條件后焦炭質(zhì)量比較穩(wěn)定，在認為焦炭的粒度、反應(yīng)性一定的情況下，對重力除塵灰和布袋灰中碳的元素組成進行了分析，5-12月重力灰和布袋灰中碳含量的變化與煤比的變化情況如表2所示，除塵灰中的碳含量很大程度上可以表示煤粉在高爐內(nèi)的燃燒情況^[8]，因為碳主要來源顆粒煤的燃燒和部分焦炭的粉化，在焦炭質(zhì)量一定的情況下，除塵灰的碳含量變化可以較好的反應(yīng)出煤粉燃燒性能過程。

表2 5-12月重力灰和布袋灰中碳含量的變化與煤比的變化

除塵灰中的碳含量隨著噴煤量的增加而增加的，但是與煤粉的燃燒關(guān)系密切，由表2可知，當(dāng)富氧量較少，煤比較大時，除塵灰中的碳含量較高，原因是因為煤粉在風(fēng)口回旋區(qū)停留時間較短，在富氧量較低的情況下，煤粉在燃燒不徹底，尤其是大噴煤條件下，未燃煤粉的含量趨于增加；相同煤比下富氧量越大，碳含量越少，因為富氧可以提高理論燃燒溫度，可以對煤粉預(yù)熱消耗的熱量進行有效的熱補償，如5月與10月煤比在143kg/t左右，但是5月由于爐況不穩(wěn)，平均富氧量為350m³/h左右，10月平均富氧在2200m³/h左右，粉塵中的碳含量同比下降2.37%；當(dāng)富氧量接近時，風(fēng)溫條件不變，煤比越大，除塵灰中碳含量越高。

四、高爐相關(guān)經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)變化趨勢圖

  選取了2018年7月-2019年6月12個月的經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)，結(jié)果如圖3所示。自2018年開始，在保證煤比的基礎(chǔ)上，高爐整個經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)有了較為穩(wěn)定的提升，煤比自2018年12月突破170kg/t后一直維持在170kg/t左右，外界原燃料條件較好和爐況穩(wěn)定時可以達到180kg/t，焦比維持在320kg/t左右，在天氣情況較好、焦炭水分較低時可達到305kg/t左右，風(fēng)溫使用水平較高，基本維持在1200℃左右，富氧量持續(xù)上升，目前維持在7000m3/h左右，高爐富氧率3.5左右，高爐處于強化冶煉狀態(tài)。

五、結(jié)論

(1) 煤粉燃燒的均相和非均相反應(yīng)是制約煤粉使用量的決定性因素，采取高風(fēng)溫、富氧等措施，改善了反應(yīng)條件，降低了反應(yīng)活化能，促進了煤粉的燃燒，在風(fēng)氧量和風(fēng)溫一定的情況下可以有效降低未燃粉煤的含量；

(2) 原燃料的質(zhì)量是高爐穩(wěn)定順行的前提，精料是基礎(chǔ)，質(zhì)量是關(guān)鍵，穩(wěn)定是保障。通過調(diào)整燒結(jié)礦外返率由8.98%上升至14.71%，極大程度上減少了粉末入爐，提高入爐粒度等級，為高爐提高風(fēng)量及富氧率做好基礎(chǔ)；

(3) 穩(wěn)定噴吹速率，同時加強設(shè)備點檢和外圍保障能力，是煤比提高的重要推力；

(4) 大噴煤條件下必須結(jié)合高風(fēng)溫和富氧鼓風(fēng)等措施，才能保證煤粉的燃燒效率；

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