1、对现代高炉炼铁低燃料比下的喷煤问题的认识,王筱留,School of Metallurgical and Ecological Engineering, USTB,1、前 言,当前，高炉炼铁进入低碳消耗的时期，低碳炼铁的核心是降低燃料比，在低燃料比下应该如何喷吹煤粉？是炼铁工作者需要认真思考的重大问题。作为竖炉生产液态铁水的必要条件是焦炭，焦炭由紧缺的炼焦煤配以肥煤、气煤等在焦炉内隔绝空气干馏而成的。世界焦煤的贮量日益减少而到达紧缺的物资，中国现在已成为焦煤净进口国，减少吨铁焦炭消耗是国内外所有炼铁工作者的任务。半个世纪来，采用喷吹燃料代替部分焦炭取得了很大的成就，中国长期以来一直以喷吹煤粉为
2、主，而国外则从上个世纪80年代起喷吹燃料成功地由喷吹重油转为喷吹煤粉，并有完全代替天然气的趋势。怎样喷吹煤粉，喷多少煤粉成为国内外炼铁工作者共同关心和探讨的问题。提高认识，实现最佳喷煤比，取得最低燃料比、最低生铁成本、最高的经济利益。,School of Metallurgical and Ecological Engineering, USTB,炼铁工作者曾经设定的目标是：燃料比500kg/t，其中焦比250kg/t，煤比250kg/t。通过半个世纪的实践，国内外曾有两座高炉曾实现最高煤比为月平均266263kg/t，但均都仅仅一个月。而能坚持下来，至今稳定地喷吹煤粉量高的200kg/t左右
3、，一般维持在130160kg/t，至今没有一座高炉能长期喷吹煤粉220kg/t以上，而且在燃料比低于500kg/t以下时，喷吹煤粉一般在200kg/t以下。这要求我们来认真地分析探讨。,School of Metallurgical and Ecological Engineering, USTB,表1 国外高炉炼铁低燃料比下合适喷煤量的例子（常年平均）,School of Metallurgical and Ecological Engineering, USTB,表2 2009年国内平均喷煤量,School of Metallurgical and Ecological Engineeri
4、ng, USTB,2.1 炉缸热状态 保证炉缸具有充沛的高温热量是喷吹煤粉的必要条件，良好的炉缸热状态的标志为：风口前理论燃烧温度t理=220050；焦炭进入燃烧带时的温度tc达到0.75t理，足够的热贮备约630kg/kJ，而其中最被看重的是t理。喷吹煤粉后，因喷吹煤粉的加热和热分解，会使t理下降：,2. 制约喷煤量的主要因素,喷吹煤粉后，Q喷使分子减少，煤粉燃烧产生的煤气量增大和M未CC未C 使分母增大，t理必然下降，t理下降的幅度因喷吹煤种而异。,School of Metallurgical and Ecological Engineering, USTB,表3 部分煤种与t理的关系,
5、School of Metallurgical and Ecological Engineering, USTB,例如喷吹混合煤200kg/t，则t理降低250280，如果喷煤前t理维持在2200，则喷煤后t理降到2000以下，在我国的高炉生产实践中，这个温度是不允许的。为此，必须采取措施来补偿，常用手段是提高风温，它既带来热量又提高t理，实践表明100风温可提高t理 5010，现在中国高炉生产风温已达到1100左右，而在现代热风炉上承受的最高风温为12501300，显然单靠提高100200风温已无法完全补偿t理的下降，需要采用富氧鼓风，富氧并不能增加热量的来源，但可以提高t理，每1%富氧可提
6、高t理45左右。,School of Metallurgical and Ecological Engineering, USTB,至于tc，它受两个方面因素影响：加热焦炭的煤气温度和高炉内的热交换，喷煤后，通过提高风温和富氧保证必要的t理后，需要通过上下部调剂，将煤气流分布更趋合理，保证料柱内有很好的热交换，使tc达到0.75t理。而热贮量则可通过下式求得：,School of Metallurgical and Ecological Engineering, USTB,2.2 煤粉的燃烧率,风口前煤粉燃烧与焦炭燃烧同属气-固相反应，有着相同的机理，但它们在风口前的燃烧率却由不同因素决定，而
7、且燃烧率的高低对高炉冶炼过程有着不同的影响，焦炭在风口前的燃烧率是由炉内下部高温区直接还原进行程度决定的，即焦炭进入高温区后，其碳与CO2反应的多少决定的，而煤粉的燃烧率则由其燃烧特点决定，即80的煤粉在风口前有限空间（煤枪出口到燃烧带边缘长度在15002500mm形成的空间），有限的时间（0.010.04s）及高速加热（103106k/s）的情况下完成加热脱气，挥发份燃烧和残炭燃烧三个阶段。,School of Metallurgical and Ecological Engineering, USTB,School of Metallurgical and Ecological Engin
8、eering, USTB,研究表明，磨细的煤粉依次完成三个阶段需3.84.3s，实际生产中不同煤粉在气流中三个阶段是部分叠加的，即使这样，煤粉在上述条件下也不可能完全气化，而必然有部分煤粉成为未燃煤粉随煤气流上升。不仅如此，煤粉在加热脱气时，析出的挥发份中，有大量碳氢化合物在高温缺氧的情况下，发生裂解产生碳黑，它形成的速度极快10-4s， 以CH4为例,形成的碳黑也随煤气上升而成为C未的部分，所以进入料柱的未燃煤粉由两部分组成，即未完全气化的煤粉颗粒+挥发份中碳氢化合物裂解的碳黑。,School of Metallurgical and Ecological Engineering, USTB
9、,随煤气上升的C未氧化的速度比它们生成的速度慢几个数量级，因为它们的各向异性结构使它们有很高的抗氧化能力，研究表明，C未的消化形式为：,C未+（FeO）Fe+COC未+（MnO）Mn+COC未+（SiO）Si+CO2C未+（SiO2）Si+2CO5C未+（P2O5）2P+5COC未+ CO22COC未+S+（CaO）(CaS)+COC未+3FeFe3C,School of Metallurgical and Ecological Engineering, USTB,其中碳素溶损反应是主要形式，另外有部分C未吸附在焦炭表面，随着焦炭进入燃烧带燃烧。生产中遇到的问题是大喷煤时，燃烧率过低，C未过多
10、在高炉内消化不了，给高炉生产带来不良后果，首先是沉积于炉渣中，增加炉渣粘度而影响炉渣流动性，使滴落带中炉渣滞留率增大，影响焦塔（死料柱）的透气性和透液性，其次是沉积于料柱的炉料中，降低了料柱的孔隙度，影响煤气流分布，最明显的特点是中心打不开，边缘气流发展，这两方面严重影响高炉顺行，再有就是随煤气流逸出高炉进入除尘器，降低煤粉利用率和置换比。,School of Metallurgical and Ecological Engineering, USTB,调查表明，中国的一些高炉，尤其中小型高炉，并没有重视这种现象，布袋灰中含碳高达45%，甚至50%以上，高炉喷吹煤粉要达到多高的燃烧率，就不会出
11、现这种现象，首先看研究结果，将煤粉磨到100m，在800的风温下以150m/s的速度喷入模拟风口前燃烧带的燃烧炉内，用高速摄像机记录燃烧过程，测得煤粉在循环区内总停留时间为0.010.04s，而燃烧率达到6580%，如果生产实际中将煤粉磨到88m，风温提高到10001100，以150200m/s的速度喷入燃烧带，燃烧率将达到80%以上。,School of Metallurgical and Ecological Engineering, USTB,宝钢对喷吹煤粉行为进行了研究，得出喷吹混合煤时的燃烧率为70%左右，在宝钢的生产条件下，高炉能消化30%的C未而高炉仍然保持稳定顺行，因此，我们认
12、为，在现有条件下喷吹煤粉的燃烧率应维持在80%左右为好，影响煤粉燃烧率的因素很多，煤粉的燃烧性能，煤粉的粒度组成，环境的供氧和温度等，要多喷吹煤粉，应在生产中创造提高燃烧率的条件：选用燃烧性能好的煤种，将煤粉尽量磨得细一点（-200目无烟煤占80%，烟煤占70%混合煤65%以上），富氧鼓风3%3.5%，风温在1200以上等。,School of Metallurgical and Ecological Engineering, USTB,2.3 炉况顺行状况,高炉冶炼首先要维持炉况顺行，只有顺行才能取得稳定、高产，才能使煤气流合理分布，提高煤气利用率，降低燃料比，高炉顺行的先决条件是。 在一定
13、的生产条件下，炉料的堆积密度r料。相对稳定，因此决定顺行的是单位高度的压差,School of Metallurgical and Ecological Engineering, USTB,高炉不同部位 变化规律用欧根公式表示为：,块状带：,软熔带：,滴落带：,School of Metallurgical and Ecological Engineering, USTB,在任何部位单位高度上的压差与煤气流速的平方成正比，而与炉料孔隙度的三次方成反比。喷吹煤粉以后单位生铁产生的炉腹煤气量增加必然造成增大，而使 增加，而从料柱内炉料的孔隙度来说，喷煤使料柱内透气性最好额焦炭数量减少减小，更重要的
14、是喷煤形成C未影响孔隙度，使块状带的和软熔带、滴熔带中的c降低，使 大幅度升高，影响煤气流通过，过量的C未造成炉况顺行变差，严重时出现管道，塌料或悬料。,School of Metallurgical and Ecological Engineering, USTB,为使喷煤下高炉顺行必须要控制好炉腹煤气量和炉料的性能，我们建议以项钟庸大师提出的炉腹煤气量与炉内透气阻力系数k的关系式来计算炉子顺行下的最大炉腹煤气量：,炉内透气阻力系数,炉腹煤气量,School of Metallurgical and Ecological Engineering, USTB,k值的大小对高炉顺行，高产和高炉操
15、作的稳定十分重要，其值随冶炼条件的变化而波动。据统计正常的k值在2.6左右，波动范围在2.22.9，在这范围内，当k值超过正常范围说明料柱透气性变差，允许的炉腹没气量小，高炉过大炉腹煤气量将导致高炉难行甚至悬料，但k值也不宜过小，过小的k值有可能产生管道行程。,School of Metallurgical and Ecological Engineering, USTB,例如某高炉正常生产时k=2.6，则在热风压力P热风=0.396MPa、炉顶压力P顶压=0.22MPa，计算所得炉腹煤气量为9200m3/min，这时在富氧3.0%3.5%的情况下，正常风量在7400m3/min，高炉冶强在1
16、.10t/m3d左右，利用系数2.32.4 t/m3d。若因为某种原因k值上升到3.0，则允许的炉腹煤气量就要降到8400 m3/min，相应冶强就要降到1.05 t/m3d以下，利用系数也降到2.12.0 t/m3d，这说明高炉顺行受到料柱的透气性或料柱最大阻力损失的限制，它既决定了冶炼允许的最大炉腹煤气量，也决定着鼓风量和限制了喷煤量。,School of Metallurgical and Ecological Engineering, USTB,2.4 喷煤置换比,高炉喷吹煤粉是用煤粉中的碳置换焦炭中的碳燃烧放出热量和形成还原剂CO、H2，因此置换比是衡量喷煤效果的重要因素。在现代高炉
17、上决定燃料比的是热量消耗，即碳的热源作用，理论上就可以用煤粉与焦炭在高炉内放出净热量的比值来评价置换比，所谓它们在炉内放出的净热量就是煤粉和焦炭在高炉内气化成CO放出的热量扣除它们本身灰分造渣耗热和脱硫耗热后余下可供高炉冶炼过程需要的热量。,School of Metallurgical and Ecological Engineering, USTB,R程=q煤/q焦q煤=（84009400）C煤-2800A煤-20000S煤q焦=9800C焦-2760A焦-20000S焦生产中常用差值置换比来评价R差=（k1-k2）/（M2-M1）R理与R差对比可以分析煤粉在炉内利用率的好坏,应指出置换比
18、服从高炉内的普遍规律递减规律，即随着喷煤量的增加，置换比会有所降低，例如某高炉喷煤150kg/t左右时，置换比在0.95左右，而煤比上升到180kg/t，置换比降到0.9左右，而超过200kg/t时，超过部分的置换比降到0.6以下。这时置换比就成为限制喷煤量的决定性因素，一些厂家并没有分析这种规律，出现了超过一定喷煤量以后，煤比提高了，燃料比不但不降，反而升高的现象。,School of Metallurgical and Ecological Engineering, USTB,2.5 炉料性能,精料是提高喷煤量的基础，如果说在现有条件下低喷煤量（低于100kg/t）成为高炉炼铁的常规技术，
19、那么煤比超过100120kg/t时，就必须要提高炉料的性能，特别在超过150kg/t达到180kg/t左右时，焦炭和烧结矿的质量就成为决定性因素,School of Metallurgical and Ecological Engineering, USTB,2.5.1 焦炭性能,在影响喷煤量的作用上，焦炭性能远超过烧结矿，成为决定喷煤量的因素之一。不仅如此，焦炭性能还成为高炉炉容大小的决定性因素，因为焦炭是竖炉生产液态生铁的必须资源，任何竖炉冶炼包括COREX，FINEX都还要有焦炭来支撑。 焦炭在高炉内下降过程中受三个主要方向的破损作用而劣化，热应力，碳素溶损反应和机械磨损。热应力 焦炭进
20、入高炉后被上升煤气加热，由于焦炭的导热性差，焦块表面与中心就产生温度差，这种温差在小块焦（40mm）中可达150而在大块焦（80mm）则达到250以上，温差造成焦块内产生热应力，当应力大于焦炭的强度时，焦炭就沿着原有的500m的缝隙破裂而粉碎产生大量焦粉。,School of Metallurgical and Ecological Engineering, USTB,溶损反应，焦炭进入850以上的温度后开始与煤气中的CO2反应，到1000急剧进行直到1200以上CO2不能存在的地区，这种溶损反应是高炉内焦炭劣化的主要因素，特别是有K2O和Na2O存在时，它们成为C+CO2=2CO反应的催化剂
21、，加剧焦炭的劣化，而Zn，ZnO以及初生态的Fe等都是催化剂。机械磨损，在热应力，溶损反应使焦炭成蜂窝状，失去一定的强度后，机械磨损特别是燃烧带循环区，快速旋转的焦炭与相对静止的死料柱密实区的焦炭之间的磨损使燃烧带与死料柱之间形成一个碎焦层，严重影响煤气向中心分布。,School of Metallurgical and Ecological Engineering, USTB,国内外学者和高炉操作者对焦炭在高炉内经历三方面劣化后的情况进行取样研究。,国外 前苏联,School of Metallurgical and Ecological Engineering, USTB,国 内,Scho
22、ol of Metallurgical and Ecological Engineering, USTB,宝 钢,School of Metallurgical and Ecological Engineering, USTB,迁 钢,School of Metallurgical and Ecological Engineering, USTB,图2示出焦炭反应后强度CSR与燃料比，煤比及炉腹煤气量/炉内压差比值的关系表和图，显示了焦炭质量成为喷煤量的决定性因素，要提高喷煤量，特别是150kg/t以上，一定要提高焦炭质量。,School of Metallurgical and Ecolog
23、ical Engineering, USTB,2.5.2 含Fe料性能,含Fe料性能主要表现为两个方面：粒度均匀性和渣量粒度均匀性要消除50mm和5mm的烧结矿入炉，同时要降低烧结矿的低温还原粉化率，减轻烧结矿入炉后产生5mm的粉末，提倡以10-12mm为分界的两级入炉，以保证块状带的空隙度。,School of Metallurgical and Ecological Engineering, USTB,渣量影响软熔带和滴落带内料柱的透气性，在软熔带内矿石品位低，软熔层厚将增加煤气通过软熔带的阻力，因为软熔层透气性的比例是 软：矿：焦=1:4:52 而滴落带中渣量增加，就增加它在滴落带中的滞
24、留率hc,焦炭的实际空隙度c-ht，因此而降低，最终焦炭柱（死料柱）的透气性和透液性，而使 上升，影响顺行，影响喷煤量，进而影响燃料比，大喷煤量下渣量与喷煤量的关系示于图3宝钢生产统计的数据表明渣量上升10kg/t燃料比上升，渣量上升50-60kg/t，焦比上升10kg/t。,School of Metallurgical and Ecological Engineering, USTB,School of Metallurgical and Ecological Engineering, USTB,2.6 煤粉的工艺性能,煤粉的工艺性能掌握不好，有时成为大喷煤量的限制性环节，一般地说，对煤粉
25、工艺性能的要求是共同认可的，那就是灰分和硫要低于焦炭；能用于炼焦炭具有胶质的煤（Y10）不应用于喷煤；尽量选用反应性好的煤以提高煤粉在风口前燃烧带内的燃烧率，煤粉的灰熔点应高于1500，以防煤枪口和风口小套挂渣；煤的可磨性好（哈氏可磨性系数50）以节省磨煤电耗和延长中速磨碾辊寿命，磨细煤粉具有良好的输送性能，以避免输煤管道堵塞和空喷，但是目前对几个工艺性能还存在分歧，例如煤粉磨到多细，干燥后水分含量应控制多高等。,School of Metallurgical and Ecological Engineering, USTB,问题的提出是在英国斯肯索普厂采用“粒煤喷吹”发生的，许多研究者对粒度
26、对喷煤影响做了很多研究，证实粒度与煤粉的燃烧率有很好相关关系，图4表明适当降低喷吹煤粉粒度能提高煤粉的燃烧率，而燃烧率是制约喷煤量的决定性因素，长期以来我们一直认为煤粉粒度要控制在-200目占80%（无烟煤）70%（烟煤）以保证煤粉在风口前的燃烧率达到80%后更高，自喷吹粒煤提出以后，许多厂为降低制粉能耗，将煤粉粒度放宽。,School of Metallurgical and Ecological Engineering, USTB,粒煤的粒度分布,School of Metallurgical and Ecological Engineering, USTB,School of Metal
27、lurgical and Ecological Engineering, USTB,我们认为喷吹粒煤是有条件的：煤种应是含结晶水接近褐煤的烟煤，煤粉的水分维持在1.5-2.0%，煤粉进入高温区高速加热结晶水分蒸发爆裂而利用燃烧；有高风温1200-1250，高富氧7%-8%的支撑；入炉品位较高，保证渣量不高于270kg/t；具有高质量的焦炭；维持较低的冶炼强度，在燃料比500kg/t的情况下利用系数1.9-2.0t/m3.d。,正因为喷吹粒煤有上述要求，生产中很难完全达到，因此至今未能普及。在中国喷吹煤粉资源情况下，不具备喷吹粒煤的条件，我们不提倡大幅放宽煤粉粒度还是保持-200目的粒度在80%
28、左右为宜。,School of Metallurgical and Ecological Engineering, USTB,3 结论,3.1 在中国现在高炉炼铁的条件：渣量300kg/t-350kg/t风温115020富氧1%-3%烧结矿的品质波动大，Fe 1.0%，R 0.2，FeO 10%以上， FeO 2%， 粒度50mm超过10%，10mm的30%-50%。球团矿酸性氧化球团的软熔性能较差煤种不稳定 灰分有的高达12%以上，S 达0.8%以上焦炭质量不稳定 灰分12.5%以上，S达0.8%以上，挥发分2%以上， M40 78%2%，M10 8%1%，CRI 25%以上，CSR60%以
29、下风口间喷煤不均匀大，超过5%有的甚至超过10%。喷煤量宜控制在130150kg/t,School of Metallurgical and Ecological Engineering, USTB,3.2 喷吹180200 kg/t煤粉条件：,渣量 280 kg/t以下，煤比超过200 kg/t，渣量要在260 kg/t以下； 风温 12501300 富氧 3.5%以上； 含铁料应是以针状铁酸钙为粘结相的高碱度（1.82.0）与含MgO酸性球组成的合理炉料结构。 焦炭质量 灰分12%以下，S 0.7%以下，M40 90% M10 6% ，CRI 24以下，CSR68以上，平均粒度5055mm。 均匀喷煤 各风口间的不均匀性应在3%，不超过5% 选用混合煤 灰分和含S均低于焦炭，挥发分在18%20%。 上述条件如有12个达不到，就不应冒然提高喷煤量，否则将是燃料比上升，而达不到低碳炼铁。,谢 谢,
