高炉喷煤技术的现状及发展

胡俊鸽，郭艳玲，周文涛

（鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009）

国内外钢铁市场非常严酷，钢铁企业把降低生产成本作为企业生存和发展的重要措施之一。再加上今年起新环保法的实施，对钢铁企业现行生产和以后的发展将会产生重大影响。铁前工序承担着较大的降本和减排压力。无论是从降低生产成本，还是从节约能耗和减少污染物排放的角度来看，提高高炉喷煤比及降低焦比和燃料比都是高炉炼铁发展的必然趋势。

1 国内外高炉喷煤比现状

1.1 国外高炉喷煤比现状

日本高炉2011年的喷煤比平均为151 kg/t，平均燃料比为504 kg/t，喷煤比较高的新日铁住金名古屋3号高炉（内容积4300 m3）2011年的喷煤比达 189 kg/t。

韩国浦项钢铁的高炉近年喷煤比达到了较高的水平，2013年浦项厂平均喷煤比为178.7 kg/t，光阳厂平均喷煤比为169.6 kg/t。

欧洲各国主要高炉2011年的平均喷煤比为143 kg/t，喷煤比较高的有塔塔钢铁欧洲分公司、蒂森克虏伯公司以及安赛乐米塔尔公司的高炉，其中塔塔钢铁欧洲分公司艾莫伊登6号高炉曾长期保持年平均喷煤比达235.1 kg/t的水平，且对应的燃料比较低，为516.9 kg/t；蒂森克虏伯高炉平均喷煤比达160 kg/t以上;安赛乐米塔尔公司敦刻尔克内容积4000 m3的高炉喷煤比达170 kg/t以上。

北美高炉除了喷吹煤粉外，大部分还喷吹油和天然气，典型喷煤比为115 kg/t。

国外钢铁企业很重视在提高喷煤比同时，保持较低的燃料比和焦比，因为只有这样才能实现生产成本的降低。国外部分高炉低燃料比下的平均喷煤比见表1［1-3］。

表1 国外部分高炉低燃料比下的平均喷煤比

1.2 我国高炉喷煤比现状

我国钢铁企业高炉大部分喷煤比在120～190 kg/t范围，喷煤比较高的有宝钢、武钢等高炉，宝钢过去曾实现了高炉喷煤比长期保持在200 kg/t以上的水平。

我国钢铁企业经过长期生产实践发现，只有高炉在经济喷煤比下才具有较好的效益。经济喷煤比也可理解为合理喷煤比，意味着任何时候高炉喷煤比都应与冶炼条件相适应。如果喷煤比超出冶炼条件允许的范围，会造成燃料比升高。

每一座高炉以及同一座高炉在不同炉龄阶段的经济喷煤比都不相同。近年来，我国一些钢铁公司对经济喷煤比进行了一些探讨［4-6］。目前，我国宝钢、武钢、沙钢、迁钢等的大高炉在较高喷煤比下获得了较佳技术经济指标。

在保证经济性前提下要大幅度提高喷煤比，必须具有较好的原燃料条件和高风温、高富氧作前提。国内炼铁专家［7］通过对经济喷煤比的研究，提出大喷煤的必要条件包括：低渣比；高风温和高富氧；高焦炭质量；高煤粉燃烧率。如果没有这些必要条件作保证，就不宜提倡大喷煤操作。

2 提高高炉喷煤比的有效技术

通常情况下，钢铁企业在原燃料质量、风温和富氧等方面均没有明显改善的条件，要提高高炉喷煤比，一般从提高煤粉燃烧率,改进和优化高炉操作等几方面着手。

2.1 提高煤粉燃烧率的技术

2.1.1 提高喷吹用煤的配煤技术

目前我国大部分钢铁企业普遍采用烟煤与无烟煤搭配的方式进行高炉煤粉喷吹，其目的是为了通过燃烧性较好的烟煤来促进无烟煤的燃烧，同时通过配加一定比例的无烟煤来维持混合煤的热值，使混合煤获得良好燃烧性的同时维持其较高的热值。要提高煤粉的燃烧率，就要使烟煤、无烟煤搭配合理，有利于燃烧。各企业在进行配煤研究时，通过研究各种混合煤粉的燃烧特性变化，得到烟煤与无烟煤的配煤方案。

最近研究发现，在配煤时还应该考虑不同单种煤的煤粉在燃烧过程中的相互作用。为了研究更为合理的高炉喷煤配煤方案，唐钢与北科大合作，利用热重分析仪和傅里叶红外光谱对各单种煤的燃烧性和煤中有机官能团进行了分析，同时也对不同混合煤的燃烧性能进行了研究。研究结果表明［8］，不同单种煤的官能团是不同的，煤中-OH官能团数量随着煤化度的加深而减少，-CH3官能团数量则随着煤化度的加深而增加。燃烧性稍差的烟煤在混煤中对无烟煤的助燃作用更强，官能团结构相近的无烟煤和烟煤搭配更易于获得燃烧性好的混煤。

2.1.2 煤粉预热技术

煤粉在喷吹之前进行预热可提高喷煤率。煤粉喷吹前进行预热可把一部分显热带进高炉，使煤粉颗粒短时间内达到点火温度，加速煤粉在风口和回旋区的气化和燃烧。蒂森克虏伯采用德国科特纳公司煤粉预热技术为其施韦尔根1号高炉（4407 m3）建一煤粉预热车间，利用热风炉废气余热，通过特殊的热交换器传递给煤粉。该车间已运行了14年。2000年初，在施韦尔根1号高炉20个风口（该高炉共有40个风口）进行了喷吹预热煤粉的试验，试验期间，在高利用系数水平下，焦比降到了280 kg/t以下，煤比达到了190 kg/t。2011年，在风温只有1 096℃、鼓风中含氧24.8%的情况下，煤比为152 kg/t，包括焦丁在内的焦比为346.5 kg/t（焦丁比达 71.5 kg/t），燃料比为 498.5 kg/t，获得了较好的技术经济指标。

2.1.3 氧煤同轴喷枪技术

氧煤同轴喷枪技术即氧气单独从煤枪外管喷入，煤粉走内管，煤粉在进入高炉风口之前不与氧气接触。采用氧煤同轴喷枪技术可以使煤粉的点燃在煤枪的前端开始，而不像传统的那样在回旋区进行；煤粉到达风口前端时已几乎燃尽，回旋区内没有未燃烧的碳。这样就可避免回旋区内积聚煤粉，以免形成“鸟巢”。

科特纳公司研究发现，使用这种方法可以增大直接作用到煤粒上的氧分压，另外，纯氧可降低煤粒的点火温度，加速煤粒气化；这样，煤粒进入风口后短时间内快速气化，温度快速升高到点火温度。科特纳公司对该技术进行了工业试验和经济性研究。

在德国ROGESA钢铁公司 5号高炉的同一风口进行了两种喷枪，即氧煤同轴喷枪和非氧煤同轴喷枪的喷煤试验，每种喷枪均试验了两种喷煤量的情况。通过观察孔拍得的对比照片（图1［9］）发现，同一风口不同喷煤量下，使用氧煤同轴喷枪时照片中风口内很明亮，没有煤粉云团，表明喷入的煤粉已在风口气化。使用非氧煤同轴喷枪的照片中，可看到风口内喷入的未燃烧的煤粉云团。证实了氧煤同轴喷枪技术可加速煤粉气化和燃烧，在提高喷煤量时有利于减少未燃煤粉，减小对高炉操作的不利影响。

科特纳公司使用物理模型和计算流体模型定量研究了使用氧煤同轴喷枪技术能够增加的喷煤比，结果表明，在同样条件下，使用氧煤同轴喷枪技术可使喷煤比提高约10%，而不会对高炉生产产生不利影响。

该技术已在蒂森克虏伯得到工业化应用。蒂森克虏伯在使用氧煤同轴煤枪的操作中，得出煤粉在富氧气氛下的着火温度与挥发分含量之间的关系，如图2［10］所示。可见，使用这种技术后，煤粉的着火点较低，有利于煤粉燃尽。

2.2 活化高炉死料柱的技术

提高喷煤比时首先要优化高炉操作，包括提高高炉上下部调剂技术水平、控制适当的理论燃烧温度和炉腹煤气量等，这些技术已有很多文献进行了介绍，在此只介绍活化高炉炉缸死料柱的技术。

高炉喷煤时死料柱的透气性和透液性对高炉操作具有重要影响。高炉喷煤时，未燃尽的煤粉在回旋区停留时间很短，最终大部分积聚在回旋区边缘“鸟巢”处。“鸟巢”的存在妨碍煤气流进入死料柱，影响高炉下部煤气流分布和炉子操作的稳定性。高炉利用系数和喷煤比越高，“鸟巢”层越厚，对高炉下部透气性影响越严重。为了保持高炉长期稳定操作，需要消除“鸟巢”现象，目前根据报道，有以下技术措施。

2.2.1 向死料柱吹热风

通过向死料柱喷吹热风，可使死料柱中的焦粉与空气接触发生燃烧，把死料柱中的焦粉除去一部分，于是剩余的就是粒度较大的焦炭，同时还可提高死料柱温度，提高其透气性。浦项、新日铁和JFE都曾采用过这种技术。这样的方法最好在休风时采用，休风时从风口向死料柱插入喷气管喷吹热风。在休风前减轻焦炭负荷，以便休风时扩大高温区范围，有利于休风时使死料柱焦层 “活化”。JFE在内容积2584 m3高炉的试验发现，该方法可明显提高高炉的透气性、减少滑料次数，并可降低燃料比。

2.2.2 采用“鸟巢”捣碎机

浦项曾采用过这样的方法，在计划休风期间，使用“鸟巢”捣碎机，有目的地使“鸟巢”破碎，并且在复风时，堵塞一半风口，把风速提高到400 m/s以上至少3 h。

2.2.3 向死料柱吹氧

最近，韩国浦项钢铁公司开发了简单易行的消除“鸟巢”的技术，采用“氧气囊”消除未燃焦粉和煤粉；“氧气囊”中含有液相氧，借助压缩空气，通过煤粉喷枪喷进回旋区，然后在“鸟巢”周围高温氛围下释放出氧气，从而使未燃煤粉和焦粉燃烧，最终清除掉“鸟巢”。浦项通过喷吹“氧气囊”活化高炉死料柱的示意图如图3［11］所示。

工业试验是在光阳3号高炉（内容积4600 m3、炉缸直径14.3 m、有40个风口）进行的，试验使用的氧气囊含有30 cm3的液态氧，完成了单风口和多风口喷吹两种试验。工业试验期间停止了喷煤，采用“氧气囊”喷射器，在气压达12 MPa时通过喷煤枪把“氧气囊”喷进回旋区，再把氧气渗透至“鸟巢”。

在高炉单风口试验中选择了5号风口。结果发现，5号风口回旋区前的透气性得到了提高。因此推断，喷吹氧气囊可以消除“鸟巢”。在多风口试验中，选择风量相对较小的20、22号和25号风口喷吹氧气囊。试验结果表明，喷吹“氧气囊”后这3个风口的风量明显比其它风口风量增大，表明这3个风口前回旋区的透气性得到了改善，由此推测，采用该技术后可使高炉内圆周方向的风量更加均匀。

3 高炉喷煤技术的长期发展方向

因为磨煤制粉和喷吹工序能耗及成本比炼焦工序低得多，再加上主焦煤价格较高及其资源短缺的趋势以及环保的需要，所以，进一步提高喷煤比是高炉炼铁的发展方向。国内外先进钢铁企业发展的目标是，把喷煤比提高至200 kg/t或200 kg/t以上的同时，能够降低焦比，保持较低燃料比，并保证利用系数得到提高或至少不降低。而目前为止的工业生产中，只有塔塔钢铁欧洲分公司艾莫伊登和宝钢的高炉曾长期保持喷煤比在200 kg/t及以上，同时保持了较低焦比和燃料比。塔塔钢铁欧洲分公司艾莫伊登高炉大喷煤最大的特点是高富氧，而宝钢高炉大喷煤成功的原因中，长期稳定的高风温起着举足轻重的作用。

喷煤时提高风温和鼓风富氧率既可以对炉缸进行热补偿，又可以提高煤粉在风口前的燃烧率，高风温和高富氧也是应对大喷煤时造成的诸如高炉透气性降低、产生的煤气量和未燃煤粉量增加等问题的有效措施。而实际钢铁企业为了降低成本常把鼓风富氧量控制在较低水平，风温水平达不到要求。

3.1 进一步提高风温的局限性

目前为止，国内外钢铁厂曾经长期保持的最高风温为1 300℃。日本的君津厂高炉和我国首钢京唐高炉曾达到了该温度。风温水平较高的还有我国宝钢和塔塔钢铁欧洲分公司艾莫伊登的高炉，宝钢高炉风温曾达1 250℃左右，艾莫伊登高炉风温曾达1 260℃。

风温的提高是有限度的，因为受热风炉烧炉热源的影响很大。根据目前钢铁厂的实际情况，热风炉用高温热源不足，再加上高炉低焦比的发展趋势，使高炉煤气热值下降。

为了能够在以高炉煤气作热源情况下获得高风温，钢铁厂采取了许多技术措施，包括掺加部分高热值煤气、对助燃空气和煤气预热、富氧烧炉等技术。在我国，宝钢使用了掺加高热值煤气的燃料来烧炉，且采用富氧烧炉技术，使风温长期稳定在1 250℃左右，最高达1 280℃。首钢利用2次预热助燃空气和1次预热高炉煤气及提高拱顶温度等措施，使风温长期保持在1 200℃以上，首钢京唐1号高炉（5500 m3）最高风温曾达1 300℃。

另外，风温也受热风炉本体结构的限制。国内外钢铁厂的热风炉，其设计风温一般都不超过1 300℃；外燃式为1 250℃，高者达1 280℃；顶燃式为1 300℃。

综合上述情况，先进的高风温一般为1250～1 300℃，进一步提高风温的潜力十分有限。

3.2 高煤比技术的长期发展方向

塔塔钢铁欧洲分公司的高炉炼铁专家与达涅利以及Geerdes&Partners BV等合作，对低成本高炉炼铁的未来发展进行了研究，认为高炉喷煤比还远未达到极限量，提高喷煤比可以进一步降低铁水成本，追求的目标是高炉工作容积利用系数大于 3.0 t/（m3·d）情况下，喷煤比大于 230 kg/t，并且，对如何同时实现高煤比、低焦比和高利用系数，从而降低生产成本的技术进行了研究，发现高富氧是有效的技术措施。

研究认为［12］，对于喷煤比为 200 kg/t左右的高炉，如果风温能达1 200℃，通常鼓风富氧率为7%～8%就够了，此时煤粉在风口循环区基本燃尽。如果要进一步提高喷煤比，譬如，喷煤比达250 kg/t以上，必须进一步提高富氧率，并且富氧量应该保持在一定范围，最低富氧量为满足最低的理论燃烧温度要求，最高富氧量应满足最低的炉顶煤气温度要求。

高富氧情况下，大部分钢铁公司只用炼钢等工序的富裕氧气量就不够了，需要专用的空气分离制氧机，其制得的氧气纯度可以降低。艾莫伊登炼铁专家对其6号高炉研究后认为，其6号高炉在风量6 000～6 400 m3/min、风中含氧34%～40%即富氧率13%～19%情况下，喷煤比可控制在230～260 kg/t；维持鼓风湿分在 10～15 g/m3，控制风口前理论燃烧温度在2 300℃以下，可使入炉焦比降为250～280 kg/t，燃料比为510 kg/t左右。建专用低纯度（氧含量为95%）制氧站可以满足要求 。

随着富氧量提高，炉顶煤气热值有很大提高，但对风温的要求降低。表2［12］表示当前和将来的高炉炼铁工艺参数及技术指标计算值。

对于高炉炼铁富氧鼓风所用的氧，我国高炉炼铁专家认为［13］，其氧含量在85%～90%即可。这个浓度的氧，采用变压吸附制氧设备是最经济、最合理的。现在，我国已拥有自主知识产权的变压吸附制氧技术和设备。

3.3 高富氧后高炉煤气的高效利用

表2 当前和未来的高炉炼铁工艺参数及技术指标计算值

随着富氧量提高，炉顶煤气热值有很大提高，这就提出了高热值煤气的高效利用问题。有人提出把高炉高富氧喷煤与高效发电相结合的想法［14］，这样，高炉能够生产铁水和高热值煤气两种产品。

高炉高富氧后产生的高热值煤气用于发电，可有效提高发电效率。高富氧与高效发电相结合后，虽然用氧费用有所提高，但生产成本的降低和发电量的增加仍使该工艺具有较好经济性。高炉高富氧喷煤与高效发电相结合的工艺与普通高炉工艺操作数据比较如表3［14］所示。

表3 高炉高富氧喷煤与高效发电相结合及与普通高炉工艺操作数据比较

该工艺还对减少CO2排放很有益，因为在把高炉煤气送进燃气涡轮机发电前，需要压缩，这时脱除CO2是非常高效的。

4 结语

提煤降焦是当前形势发展的要求。在原燃料质量、风温和富氧等方面均没有明显改善的条件下，提高高炉喷煤比有效措施包括提高煤粉的燃烧率、改进和优化高炉操作等。富氧大喷煤是高炉喷煤技术的发展方向，既有利于降低成本，又有利于减少炼焦工序污染物排放；另外，高富氧喷煤与高效发电相结合使减排CO2易于实施。

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