稀缺高炉喷吹用煤地质评价指标探讨及应用

乔军伟，李正越，陈美英，吕俊娥

稀缺高炉喷吹用煤地质评价指标探讨及应用

乔军伟1,2，李正越3，陈美英4，吕俊娥5

(1. 西安科技大学地质与环境学院，陕西 西安 710054；2. 陕西省煤炭绿色开发地质保障重点实验室，陕西西安 710054；3. 中国煤炭地质总局，北京 100038；4. 中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京 100039；5. 中国煤炭地质总局航测遥感局，陕西 西安 710199)

高炉喷吹用煤可减少焦炭的使用量，是现代高炉降低生产成本提高经济效益的重要技术措施。从高炉喷吹用煤的煤质影响因素入手，在稀缺煤和优质煤煤质评价的基础上探讨稀缺高炉喷吹用煤的地质评价指标及分级参数。通过分析，将高炉喷吹原料用煤的煤质评价指标划分为工艺指标和经济指标两大类，工艺指标是决定煤是否能用于高炉喷吹工艺的关键指标，经济指标主要影响高炉喷吹工艺的成本。煤类差异是高炉喷吹用煤选择的首要因素，根据我国煤炭资源禀赋特征，提出无烟煤、贫煤、贫瘦煤是高炉喷吹用煤中的稀缺煤类。结合煤炭地质勘查中对“优质煤”的评价标准，提出灰、硫、磷的含量是稀缺高炉喷吹用煤地质评价的关键指标，要求灰分质量分数不大于12.00%、全硫质量分数不大于1.00%、磷分质量分数不大于0.03%。利用该指标对我国无烟煤、贫煤、贫瘦煤分布的典型矿区进行煤质评价和资源划分，指出永城、西山、阳泉、潞安、二道岭和汝箕沟矿区是我国稀缺高炉喷吹用煤的主要分布区，统计的稀缺高炉喷吹用煤保有资源量107亿t，为我国稀缺高炉喷吹用煤的合理开采和充分利用提供了依据。

高炉喷吹用煤；稀缺煤；优质煤；煤质评价；评价指标

稀缺煤是指具有十分重要的工业用途，利用途径具有一定的产业规模，且需求量大但资源量又相对较少的优质煤炭资源[1]。《全国矿产资源规划(2008—2015年)》提出中国将推进建立特殊和稀缺煤种的矿产资源储备，保护稀缺煤以维持其可持续开采。我国每年有8亿t以上的煤炭作为原料被用于化工转化，其中煤炭焦化占煤炭化工用量的80%以上[2]。截至2016年底，全国已查明的优质炼焦煤保有资源量1 236.29亿t，其中已利用的729.42亿t，已开发率高达59%，炼焦用煤后备资源不足[3]。中国生产了世界60%以上的生铁[4]，钢铁生产对焦炭的消费需求占焦炭消费总量的85%左右[5]，炼焦煤是钢铁生产的重要基础原料，短期内焦炭需求仍将保持在高位。寻找可替代焦炭的特殊原料成为钢铁冶炼界和煤炭地质界共同关注的热点[6-9]。为此，国内在高炉喷吹用煤替代焦炭的可行性、工艺特性、配煤、燃烧性能等方面开展了广泛研究[10-16]，提出了无烟煤、烟煤、褐煤、废塑料等混合喷煤技术。其中，无烟煤和高变质程度烟煤的混合喷煤技术已广泛应用于高炉炼铁，高炉喷吹用煤已成为保障高炉炼铁行业发展的重要生产原料。

笔者从高炉喷吹用煤的煤质影响因素入手，在稀缺煤和优质煤煤质评价的基础上探讨稀缺高炉喷吹用煤的地质评价指标及分级参数，并结合典型矿区煤质和资源分布开展稀缺高炉喷吹用煤的资源评价。

1 高炉喷吹用煤的意义

钢铁产品作为大宗金属商品和建材原料，成本对其国际竞争力的影响十分明显[17]。高炉喷吹用煤是指从高炉风口向炉内喷吹磨细的煤粉，以替代焦炭起到提供热量和还原剂的作用，减少焦煤使用量，是现代高炉降低生产成本提高经济效益的重要技术措施[18]。高炉喷吹煤粉不仅可以有效减少钢铁冶炼对炼焦煤的需求，同时还是高炉冶炼过程中调节炉内冶炼条件的有效手段[19]。

大型钢铁企业将提高高炉喷吹煤比作为降低焦炭需求提高经济效益的重要途径。20世纪末，德国、荷兰、英国部分高炉喷吹煤比达到200 kg/t，世界喷煤比最高纪录为日本福山厂3号高炉的266 kg/t，焦炭替代率47.9%[20-21]。我国高炉喷煤比在20世纪90年代平均仅为58.5 kg/t，随着重点企业新型煤粉喷吹工艺的形成、改善及高炉装备水平的提高，到20世纪末喷煤比平均达到了118 kg/t，其中，宝钢1号高炉喷煤比高达260.6 kg/t，焦炭替代率51%[22]，达到了世界领先水平。但是，我国各类钢铁企业技术力量参差不齐，大部分高炉炼铁污染物排放和能耗与世界先进水平还存在差距。2019年上半年，我国钢铁协会会员单位平均焦比357.04 kg/t，与国际先进水平高炉焦比(＜300 kg/t)尚有较大差距；喷煤比平均144.72 kg/t，最高190.06 kg/t，最低仅81.55 kg/t[23]，大部分企业仍有较大的提升空间。但需要提出的是，提高喷煤比可以降低钢铁企业的生产成本，但是为了降低生产成本而选用价格较低的劣质喷吹煤会适得其反，对高炉生产造成负面影响。因此，保障优质高炉喷吹用煤的稳定供应对提高中国钢铁产品的国际竞争力具有重要的战略意义。

2 现行高炉喷吹用煤技术要求

我国煤炭工作者对高炉喷吹用煤的煤质研究十分重视，早在20世纪末就提出了煤种和煤质差异对高炉冶炼过程及技术经济指标具有重大影响。通过不同地区煤的高炉喷吹实验研究，提出原料煤的煤质对高炉喷吹的影响主要体现在煤类、粒度、元素组成、工艺特性等方面[11,16,24-25]。原国家煤炭工业局于2001年提出了GB/T 18512— 2001《高炉喷吹用无烟煤技术条件》，2002年提出了GB/T 18817—2002《高炉喷吹用烟煤技术条件》。2008年，中国煤炭工业协会将上述两个标准合并后提出了GB/T 18512—2008《高炉喷吹用煤技术条件》，提出了无烟煤、贫煤、贫瘦煤及其他烟煤的煤质技术指标(表1)，为钢铁企业在高炉喷吹原料用煤选择上提供了评价依据和质量控制标准。

表1 高炉喷吹原料煤主要技术指标

3 高炉喷吹用煤的影响因素

在煤炭的工业利用中，煤质对煤炭利用的影响可以划分为工艺指标和经济指标两大类，其中，工艺指标是指能否满足特定利用工艺要求的关键指标；经济指标是指对特定利用工艺生产成本有较大影响的指标。焦炭在高炉炼铁中的用途是提供热量和还原剂，基于对生产成本的要求，价格相对较低的高炉喷吹用煤被用于部分替代焦炭，但其主要作用仍然是提供热量和还原剂。前人在煤质对高炉喷吹工艺的影响方面开展了大量研究，根据高炉喷吹原料用煤技术条件和稀缺煤调查研究成果[26]，煤质对高炉喷吹的影响主要体现在煤类、粒度、灰分、全硫、哈氏可磨指数、磷分、钠钾总量、全水分、烟煤胶质层指数等方面。

3.1 工艺指标

在高炉喷吹技术中，首要考虑指标是煤类，可用于高炉喷吹的煤类有变质程度较高的无烟煤、贫煤、贫瘦煤，变质程度较低的弱黏煤、不黏煤、长焰煤，以及黏结指数小于50的气煤[27]；而焦煤、肥煤等由于黏结性太强容易导致风口结焦而不适用于高炉喷吹。由此可见，可用于高炉喷吹的煤都是黏结性相对较弱的煤，煤类和黏结性是高炉喷吹用煤的工艺指标，是决定能不能用于高炉喷吹的关键指标。另外，在烟煤中，胶质层指数与黏结性正相关，也是高炉喷吹用煤的工艺指标。

随着煤炭制粉、输送系统安全措施和检测手段的完善及喷煤工艺的改进，喷吹烟煤技术得到大力发展，大部分高炉从喷吹无烟煤向喷吹无烟煤和烟煤的混煤方向发展[28-29]，许多高炉采用混煤喷吹技术也取得了良好的效果。部分高炉还开展了褐煤的高炉喷吹实验研究[30]，或者将低变质的煤进行热解提质后作为高炉喷吹用煤[9]。无烟煤具有焦炭置换比高但反应性差的特征；高挥发分烟煤燃烧性和反应性好但具有较强的爆炸性、置换比较低；低挥发分烟煤反应性比无烟煤好、爆炸性微弱，且置换比较高。无烟煤与烟煤的混喷在生产上有助于提高喷吹量和燃烧率，降低生产成本，但是烟煤混合比例超过45%~55%时，混煤的爆炸性将逐渐增强，不利于操作。这是由于挥发分产率与燃烧性、爆炸性密切相关，过高的挥发分产率会在生产中引发安全隐患[31]。挥发分产率较高时，煤粉的发热量较低、燃烧性、爆炸性较高，会导致焦炭置换比较低。挥发分产率大于10%的煤粉爆炸性突显，容易引发安全隐患；挥发分产率大于25%时则具有很强的爆炸隐患[11]。挥发分产率随煤变质程度的增高呈下降趋势，低变质程度的烟煤往往具有较高的挥发分产率，但是混煤的应用在客观上降低最终高炉喷吹煤粉的挥发分产率。为了提高高炉喷吹工艺的安全性，挥发分产率也应作为高炉喷吹用煤工艺指标的重要关联指标。

3.2 经济指标

影响高炉喷吹工艺的其他煤质指标均属于经济指标，可划分为经济正效应指标、经济负效应指标及其他指标。高炉喷吹用煤在高炉炼铁中作为热量来源和还原剂，则与热量、还原性正相关的煤质指标都属于经济正效应指标，主要有发热量、固定碳含量、反应性等[32-34]；与热量、还原性负相关及为高炉炼铁带来杂质造成钢铁品质下降的指标都属于经济负效应指标，与发热量负相关的指标有灰分、全水分，带来有害元素的指标有全硫、磷分、钠钾总量[35-37]。另外，高炉喷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，通常将能够满足于高炉正常生产要求且能耗最低的粒度定为最优粒度[38]，反映为以哈氏可磨指数65~90较为适宜[39]。因此，粒度和哈氏可磨指数也是高炉喷吹用煤评价的重要经济指标。

4 稀缺高炉喷吹用煤地质评价指标

根据地质勘查阶段煤炭资源利用规划原则，炼焦用煤首先用于煤炭焦化，其余煤炭再按照煤质特征分别规划其用途[40]。可用于高炉喷吹的煤涵盖了除炼焦煤、褐煤以外几乎所有煤类，但是不同的煤类在高炉喷吹中的使用效果不同、供需关系也不同。从高炉喷吹技术要求来看，高炉喷吹用煤应优先选择无烟煤及价格相对较低的贫煤和贫瘦煤[41]，而烟煤在用于高炉喷吹混煤时要严格控制烟煤的混入比例。据最新全国煤炭资源潜力评价，我国累计探明煤炭保有资源/储量中，无烟煤为2 420亿t、高变质烟煤为913亿t，分别占全国的12.48%和4.71%；低变质烟煤为9 516亿t，占全国的49.08%(图1)。低变质烟煤的资源量远大于无烟煤、贫煤、贫瘦煤的资源量，因此，无论从优选煤类还是资源量来看，变质程度较高的无烟煤、贫煤和贫瘦煤都应是高炉喷吹用煤的稀缺煤类。

图1 我国不同变质程度煤炭资源量占比

对稀缺高炉喷吹用煤的评价仍然应当关注其工艺指标和经济指标，但是已优选的煤类已经满足高炉喷吹的工艺指标，在稀缺高炉喷吹用煤煤质评价中不需再次关注工艺指标。作为部分替代焦炭使用的高炉喷吹用煤，还应达到有效降低高炉炼铁生产成本的要求，煤炭地质勘查中应采用高炉喷吹用煤煤质评价的经济指标开展优质煤炭资源评价。顾广明等[42]、李小彦等[43]将优质煤定义为自然条件下灰分质量分数小于15.00%、硫分质量分数小于1.00 %、磷质量分数小于0.05 %的煤炭资源。但原煤煤质评价与商品煤煤质评价不同，商品原料煤是经过洗选、粉碎等加工处理后的煤炭，参数要求往往高于原煤的煤质参数。在煤炭用途确定以前，应按照优质煤的要求对煤炭资源进行评价。因此，对稀缺高炉喷吹用煤原煤进行地质评价时，优先选择优质煤的评价指标进行评价，对指标参数的选择则参照优质煤质参数和高炉喷吹用煤技术条件参数综合分析。

从经济性和实用性的角度出发，煤粉置换焦炭后应当保持渣量的不增加，即高炉喷吹用煤的最高灰分产率应当低于所使用焦炭的灰分产率，尽可能选择灰分产率较低的煤炭资源[35]。根据近些年高炉喷吹用煤的煤粉灰分产率技术要求，煤粉灰分质量分数一般以小于12%~15%为宜[20]。因此，稀缺高炉喷吹用煤原煤灰分质量分数定为不大于12%。硫分是高炉炼铁过程中的不利因素，钢铁中硫分质量分数超过0.07%时会造成产品产生热脆性而无法使用[35-37]，在冶炼过程中需要用石灰进行脱硫处理；当硫分每增加1%时，石灰石消耗量要增加20%，焦炭消耗量增加18%~24%[44]，则高炉喷吹用煤中的硫分含量越低越好；参照高炉喷吹用煤技术要求和稀缺高炉喷吹用煤资源划分要求，稀缺高炉喷吹用煤地质评价中全硫质量分数定为不大于1.0%。煤中磷分含量虽然远低于硫分，但是煤炭在焦化过程中磷分几乎全部残留在焦炭中，含磷焦炭造成钢铁产品中磷分含量过高而产生冷脆性，严重影响钢铁产品质量。在我国冶金行业标准中，铁合金用焦炭磷质量分数小于0.045%；焦炭产品出口磷质量分数标准是小于0.03%[45]，对应的进入炼焦炉的炼焦煤中磷质量分数应当在0.018%~0.023%[46]。根据炼焦煤磷分的要求，在稀缺高炉喷吹用煤地质评价中，磷分质量分数应不大于0.03%。

综上，在煤炭地质勘查中将稀缺高炉喷吹用煤定为灰分质量分数不大于12.00%、全硫质量分数不大于1.00%、磷分质量分数不大于0.03%的优质无烟煤、贫煤、贫瘦煤。

5 地质评价指标应用

无烟煤、贫煤和贫瘦煤在我国分布范围广泛，主要分布在华北赋煤区的山西、河南、陕西、宁夏，华南赋煤区的云南、贵州、四川、湖北、湖南、福建、江西，以及西北赋煤区的甘肃、青海(图2)。对这些地区的以往煤炭地质勘查中的煤质数据进行统计，对于灰分、硫分、磷分含量较低且能够落入稀缺高炉喷吹用煤地质评价范围的典型矿区进行筛选，筛选出河北峰峰、河南永城、山西西山、阳泉、潞安、晋城、内蒙古二道岭、宁夏汝箕沟、青海弧山等矿区的部分煤质指标满足稀缺高炉喷吹用煤地质评价要求。对典型矿区主要煤质指标进行统计，见表2。

在以上典型矿区中，峰峰、晋城和弧山矿区煤中灰分质量分数相对较高，最小值接近或者大于12.00%，而其他矿区中都有部分煤能够满足灰分质量分数小于12.00%的要求；特别是二道岭、汝箕沟矿区煤中灰分质量分数平均值为9.59%~10.06%，几乎所有的煤都能直接满足稀缺高炉喷吹用煤的要求。各矿区的硫分特征与灰分产率存在一定差异，峰峰和潞安矿区煤中硫变化范围较大，为0.29%~ 7.71%，且平均值高达2.63%~3.01%，仅有部分原煤能达到稀缺高炉喷吹用煤的硫分要求；其他矿区煤中硫质量分数平均值为0.25%~0.57%，几乎所有的煤不经处理即可满足高炉喷吹硫质量分数小于1.0%的标准。在典型矿区的磷分指标中，仅有峰峰矿区磷的质量分数平均值高于0.03%，其他矿区煤中磷分含量平均值都能满足稀缺高炉喷吹用煤的要求。

表2 典型矿区稀缺高炉喷吹用煤主要煤质指标[26]

注：11.55~35.45/21.56表示最小~最大/平均值，其他数据同；PW表示贫煤，WY表示无烟煤，PS表示贫瘦煤。

图2 高炉喷吹无烟煤、贫煤、贫瘦煤分布(据特殊和稀缺煤炭资源调查成果修编)

综合煤质特征来看，稀缺高炉喷吹用煤主要分布在永城、西山、阳泉、潞安、二道岭和汝箕沟矿区。

按照本次确定的稀缺高炉喷吹用煤地质评价指标，对典型矿区的无烟煤、贫煤、贫瘦煤进行资源计算，可划分出稀缺高炉喷吹用煤保有资源量107亿t。其中，山西省92亿t、河南省10亿t、河北省4亿t、内蒙古1亿t。按照2019年中国粗钢产量9.8亿t、最高煤比230 kg/t来计算，每年高炉喷吹用煤需求量2.254亿t，现有稀缺高炉喷吹用煤可以满足高炉冶炼企业使用47 a，能够基本满足我国钢铁企业对高炉喷吹用煤的需求。但需要指出的是，稀缺高炉喷吹用煤地质评价指标不能够替代高炉喷吹用煤原料用煤的技术条件要求。旨在采用有限的关键指标在地质勘查阶段划分出可供规模化开发的优质高炉喷吹用煤资源。该研究有利于摸清我国稀缺高炉喷吹用煤的资源规模和分布特征，促进典型矿区稀缺高炉喷吹用煤合理开发，为钢铁企业优选稀缺高炉喷吹原料用煤提供决策依据。

6 结论

a. 高炉喷吹用煤是降低高炉生产成本提高经济效益的重要技术措施，有利于提高中国钢铁产品的国际竞争力。现行高炉喷吹用煤技术条件提出了无烟煤、贫煤、贫瘦煤和其他烟煤的评价指标及参数，按照不同指标对高炉喷吹工艺的影响可以划分为工艺指标和经济指标。工艺指标包括煤类、黏结指数和胶质层厚度；经济指标包括灰分、硫分、磷分、钠钾含量、粒度、哈氏可磨指数等。

b. 根据高炉喷吹用煤技术条件和我国煤炭资源量禀赋特征，确定无烟煤、贫煤、贫瘦煤是高炉喷吹用煤的首选煤类。结合“优质煤”评价指标和高炉喷吹原料煤技术条件，提出煤炭地质勘查阶段对稀缺高炉喷吹用煤的关键评价指标为灰分、硫分和磷分等经济指标。

c. 采用稀缺高炉喷吹用煤的地质评价指标对我国无烟煤、贫煤、贫瘦煤分布的典型矿区进行煤质评价，达到稀缺高炉喷吹用煤地质评价指标的矿区主要有永城、西山、阳泉、潞安、二道岭和汝箕沟矿区，可划分稀缺高炉喷吹用煤107亿t。

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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

陕西省自然科学基础研究计划企业联合基金项目(2019JL-01)；中国地质调查局地质调查项目(1212011085511，DD20160187)

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

乔军伟，1985年生，男，河南洛阳人，博士，高级工程师，从事煤炭资源及煤地质学研究. E-mail：qiaojunwei@xust.edu.cn

乔军伟，李正越，陈美英，等. 稀缺高炉喷吹用煤地质评价指标探讨及应用[J]. 煤田地质与勘探，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.

(责任编辑 范章群)