周孑民，王浩，張家元，廖沙

( 中南大學能源科學與工程學院)

摘要：針對湖南燃煤資源特性和某高爐噴煤生產現狀，選取了10 種代表性原煤為試驗樣本。基于LINGO 優化軟件，以混煤價格最低為目標函數，以高爐噴煤煤質要求為約束條件，求解得到了5 種噴吹用混煤樣本，在混煤特性試驗的基礎上，通過性價比分析選取了合適的噴吹煤種，并計算出與混煤匹配的富氧率。工業噴吹試驗結果表明，采用優化后所獲得的煤樣及富氧率獲得了良好效果，煤比提高51kg /t，焦比下降38kg /t，鐵水含S 量降低，渣流動性得到改善，噸鐵增益37. 77 元，降低了生產成本。

關鍵詞：高爐；混合配煤；富氧率；混煤特性

在煉鐵生產中，作為高爐節能降焦、降低成本的核心技術和爐況調節的重要手段，富氧噴煤在近30 年內發展很快。2009 年我國重點鋼鐵企業噴煤比為145kg /t，比上年提高了10kg /t^［1］。噴吹煤粉作為高爐冶煉的燃料，同時也是重要的還原劑和滲透劑^［2］。而富氧作為提高煤粉燃燒率，提高理論燃燒溫度的重要手段，在噴煤工藝中也有廣泛的應用。

針對其高爐噴吹煤比低( 約90kg /t) 、爐況較差、噴煤增益低等情況，展開高爐配煤及富氧增益研究，計算噸鐵成本最低時的噴煤配比以及富氧率，對比改進前后高爐生產效益，得到其臨界富氧率。

1 原煤性能和供應情況

20 世紀60 年代以來，我國煉鐵企業曾經噴吹單一的煙煤或無煙煤，效果都不理想。煙煤可磨性和燃燒性好，但是發熱值低，磨煤過程中伴隨有一定的危險性; 無煙煤可磨性和燃燒性不好，成本較煙煤高，但是發熱值高。因此，單獨噴吹任何一種都不經濟。另外由于高爐用煤煤源緊張，很多鋼鐵企業很難保證使用單一煤種，通常使用2 種或更多的煤種配制理化性質相似的煤粉^［2］。配煤的性能主要取決于原煤的碳化程度，通過對原煤元素分析和工業分析可以推斷出煤粉的性能。

針對其公司高爐噴吹單一煤粉( 湘中燃料)現狀，并結合煤源分布與產量情況，選取了10種單煤進行元素分析、工業分析和氧彈發熱量實驗，主要為適合噴吹的本地優質煤源( 5 種) ，同時考慮到優質煤源儲量少、供煤量不穩定等因素，另選用5 種一般煤源作為補充。原煤部分分析數據見表1。

2 噴吹配煤數學模型建立及求解

在滿足配煤質量指標的前提下，綜合考慮配煤的著火性、燃燒性、爆炸性以及有害元素控制等因素，追求配煤的價格最優。配煤的數學求解模型可表示如下。

國內外通常噴吹煙煤和無煙煤，以綜合發揮煙煤和無煙煤的優點，故揮發分控制在15% ～25%之間。另，業內要求灰分低于15%，水分低于2%［3］，含S 量低于1%，并以此為依據給出約束條件。

該目標函數可以用交互式的線性和通用優化求解器( LINGO) 優化求解。LINGO 是一套快速、方便和有效的構建和求解線性、非線性和整數最優化模型的功能全面的工具軟件，包括功能強大的建模語言、建立和編輯問題的全功能環境、讀取和寫入Excel 和數據庫的功能以及一系列完全內置的求解程序。該文中用其求解上述交互式的線性問題。

表2 中列舉了5 種價格最低的符合條件的配煤方案。一方面是為了在某種配煤缺貨時提供替代方案，另一方面要在5 種混煤性能分析的基礎上，選取性價比最好的高爐噴吹用配煤方案。

由以上5 種配煤價格可以看出，婁底經建煤是最重要的煤源，當此種原煤缺貨時，配煤E的價格明顯高于其他配煤，該種配煤方法不符合降低成本的目的，故舍棄該配煤方法。

3 配煤性能分析

國內多數企業對噴吹煤的質量評價都是以化學成分為主，對其冶金性能缺乏認識，也沒有相應的檢測手段，嚴重制約我國噴煤水平^［4］。為了更好的適應高爐噴吹，作者在混煤成分分析的基礎上，對A、B、C、D 4 種配煤進行發熱量、著火點、燃燒性、反應性和爆炸性實驗。

3. 1 配煤主要成分分析

包括原煤在內的6 種混煤煤粉的主要成分如圖1 所示。

3. 2 發熱量

煤粉的發熱量主要取決于其元素成分。含C量高則發熱量較高，含H、O 量高的煤粉放熱量較低。噴煤是高爐的重要熱源，在其他條件不變時，發熱量高有利于高爐順行。配煤的發熱量如表3 所示。可見，A、C、D 3 種配煤的發熱量很接近，B 煤略高。

3. 3 著火點與燃燒性

實踐表明，煤粉應該在吹入爐內0. 007s 內燃燒，未燃燒煤粉就會進入爐渣或者高爐氣中損失，不僅導致資源浪費，也可能影響高爐順行^{［5 － 8］}。高爐噴吹工藝中，需要著火點較低、燃燒性好的煤種，但是制粉和儲存工藝中，燃燒性能好的煤粉極易爆炸，故應該考慮兩方面的因素。

工藝上認為在大氣條件下，煤粉的著火點TZ 與揮發分含量V 存在線性關系，常用經驗公式( 1) 計算煤粉的著火溫度的理論值:

T_Z = 445 － 3. 86V            ( 1)

對各煤種進行熱重分析，分析各煤種熱重曲線，用切線法得到著火點的實測值。各種煤粉著火點的理論值和實測值見表4。4 種配煤的著火點十分接近，A 煤最高、C 煤最低。

煤的燃燒性能主要取決于揮發分含量及其顯微組分^［9］。分析熱重曲線，分別取773K、873K、973K 的固定碳失重來表征煤的燃燒特性，實驗結果見表5。

在揮發分含量接近的情況下，煤的燃燒性區別較大，說明燃燒性能并不只取決于揮發分含量。由表5 可知，C 煤的燃燒性能最好，在973K 時燃盡率超過99%，B 煤的燃燒性能最差。

3. 4 反應性

反應性是評價高爐噴吹煤粉的重要指標。反應性強的煤在氣化和燃燒過程中反應速度快、效率高、產生CO 較多、遏制焦炭的氣化反應并強化冶煉過程^［10］。對4 種配煤進行煤粉反應性試驗，結果見圖2。可知，D 煤反應性最好，C 煤次之，B 煤最差。

3. 5 煤塵爆炸性

影響煤粉爆炸性的主要內部因素有揮發分含量、粒度、水分含量等。在揮發分低于18%時，火焰長度為0，煤粉無爆炸性。揮發分含量在30%時，火焰長度急劇增加，100%煙煤條件下，空氣中火焰返回長度可達600 ～ 650mm^［11］，故針對揮發分高的煙煤，在其中加入少量無煙煤可以很大程度上降低其爆炸性。通過對各種煤樣進行爆炸性試驗，得到火焰返回長度。

試驗結果表明，A 煤返回火焰長度為130mm，煤塵爆炸性最弱，B 煤為150mm，C、D 煤種均為210mm，煤塵爆炸性最強，在以上四種配煤制粉、儲存與輸送工藝中，需要采用惰性氣體保護來防止爆炸。

4 配煤優化方案及效益分析

綜合比較4 種煤粉，發熱量和著火溫度接近的情況下，C、D 配煤的燃燒性能和反應性能相對較好。C 煤比D 煤成本低約6 元/t，該公司選擇C 煤種進行試驗噴吹。

在原有的工藝條件下，噴煤量從改進前的90kg /t 逐漸提高至114kg /t，高爐順行良好，渣流動性有所改善，懸料、崩料等事故明顯減少，表明良好的噴吹煤種也發揮了調節高爐工況的作用。據該公司統計數據，該高爐焦比由以前的428kg /t 下降至409kg /t，節焦19kg /t。當煤比繼續上升時，出現了順行不穩、渣中含C 量增加的情況，可能為風溫偏低、供氧量不足等原因所致。配煤增益為

式中: M₁ 為原煤粉噴吹量，kg /t; P_m1為原煤粉價格，元/t; M_J1為節焦量，kg /t; P_k 為焦炭價格，元/t; M 為配煤煤粉噴吹量，kg /t; P_m 配煤煤粉價格，元/t。

根據廠方2011 年11 月報表數據，焦炭價格為1800 元/t。對該高爐計算可得:

5 富氧率

該高爐采用混合配煤優化方案噴吹后，煤比從90kg /t 上升至114 kg /t，但仍低于全國平均水平。為了進一步提高噴煤量，采用富氧噴煤技術。合理的富氧率不僅能有效提高噴煤燃燒效率，而且可適當降低耗氧成本。

5. 1 富氧率

在一定富氧和配煤條件下，保證高爐適宜理論燃燒溫度的富氧率為f₀^［12］。

f₀ = ( a － 0. 21) V₀ /V           ( 3)

式中: a 為氧氣純度，%; V₀ 為小時富氧量，m³ /h; V 為小時鼓風量，m³ /h。

對C 種配煤方案，利用參考文獻^［12］ 中的經驗公式計算可得V0 = 1164m³ /h。

又V₀ = 1164m³ /h，V = 74500m³ /h，a =99%，則適宜富氧率f₀ = 1. 56%。

5. 2 臨界富氧率

式中: R 為煤焦置換比; P_o 為氧氣價格，元/m³ ; η為高爐利用系數，t /( m³·d) ; VBF為高爐有效容積，m³ ; PPI為噸鐵利潤，元/t; η₀ 不富氧時高爐利用系數，t /( m³·d) 。

該高爐設計有效容積為380m³，煤焦置換比為0. 75，氧氣價格為0. 8 元/m³，噸鐵利潤180元/t，富氧后煤焦置換比為0. 75，噴煤量為141kg /t，不富氧高爐利用系數為3. 23 t /( m³·d) 。

富氧后高爐利用系數:

此富氧率即為煤比M、置換比R 時相應操作條件下的高爐富氧增益的臨界富氧率，計算得fl =2. 60%。

5. 3 氧過剩系數

碳的氣化速度與氣相中氧濃度成正比，提高氧過剩系數可以加速煤粉燃燒，提高理論燃燒溫度^［3］。適宜的氧過剩系數不低于1. 15。氧過剩系數可以通過以下經驗公式計算^［3］。

式中: V 為風量，m³ /h; O₂ 為鼓風含氧量，%;M 為煤粉量，kg /h; O_m 為煤粉完全燃燒時的理論耗氧量，m³ /kg; n₁ 為送風口數量; n₂ 為燃料噴口數量。

該高爐風口數與噴煤口數量相等:

高爐中氧濃度提高可以促進氧向碳表面傳遞，加快反應速度，置換比大。此次技改建議的氧過剩系數略高于1. 15，符合理論要求。

最后通過計算得到最適宜富氧率為1. 14%，通過工業實驗，富氧量穩定在1164m³ /h 左右。此時噴煤量進一步上升至141kg /t，基本達到全國平均水平。該工藝條件下，其臨界富氧率為2. 60%，氧過剩系數為1. 29。

6 結論

( 1) 經配煤性能分析及方案優化后，煤比由原煤粉的90kg /t 上升至114kg /t，焦比下降19kg /t。

( 2) 當前價格水平下，高爐噴吹混合煤適宜富氧率為1. 56%，臨界富氧率為2. 60%，氧過剩系數為1. 29。

( 3) 通過煤粉配制以及富氧鼓風，提高了高爐操作水平，鐵水含S 量降低，渣流動性也有所改善。同時降低了生產成本，噸鐵增益37. 77 元。技改后噴煤量為141kg /t，達到全國基本水平。

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