神东烟煤中CaO在高炉喷吹中的作用及有价矸石排放减量化研究

张文辉，张建良，王 伟，王广伟，吕 舜，邸传耕，崔高恩，乔军强

(1.国家能源集团；2.北京科技大学，北京 100083)

1 概 述

神东烟煤是我国优质动力煤，具有“三高一低”的特点，即发热量高、挥发分高、反应性高，硫分低等特点。除此之外，神东烟煤还有一个显著特点，即：灰熔点低、CaO含量高。神东部分烟煤灰分中CaO含量超过30%，又称为神东高钙烟煤。由于较高的CaO含量使得其具有较低的灰熔点，直接用于电厂燃烧，会造成结渣等问题，影响锅炉稳定运行。为了确定神东烟煤中CaO含量对高炉喷吹的影响，神东煤炭集团与北京科技大学联合进行了神东烟煤高炉喷吹研究，并进行了工业试验，试验结果表明：与同类低CaO含量烟煤比较，神东高钙烟煤用于高炉喷吹，可以减少炼铁过程熔剂(CaO和MgO)消耗量，提高高炉炼铁效率，为高炉喷吹用户带来显著经济效益，同时也为神东高钙烟煤的选煤加工发展指明方向。

在目前的高炉炼铁生产流程中，铁矿石、焦炭和熔剂是3种不可缺少的原材料，目前高炉炼铁工艺流程如图1所示。其中焦炭对高炉冶炼是不可或缺的燃料，但是炼焦用的焦煤储量有限，在世界范围内属于紧缺资源，而且炼焦过程中排放出相当数量的污染物，对人类生存的环境造成恶劣影响。因此，炼铁工作者一直研究有何种燃料可以替代焦炭。直到20世纪50—60年代，研究发现可以成功地从高炉风口向高炉喷吹燃料，用其中的碳燃烧成CO放热代替部分焦炭中碳燃烧放热，用其燃烧形成的CO、H2作为还原剂代替焦炭中碳及其燃烧形成的CO[1]。从燃烧放热和形成还原剂CO的数量来比较，煤粉比其它喷吹燃料(天然气、重油等)更优越，因此喷吹煤粉成为世界高炉炼铁置换焦炭的一项重要手段，煤粉也成为首选的、可以置换部分焦炭的燃料，从而降低吨铁焦炭消耗，降低生铁成本。

图1 高炉炼铁工艺流程示意

现代高炉冶炼所用焦炭在高炉中可为高炉提供冶炼过程需要的热量，还原铁矿石需要的还原剂，维持高炉料柱(特别是软熔带及其以下部位)透气性的骨架，以及生铁渗碳的碳源。高炉喷吹煤粉是从高炉风口向炉内直接喷吹磨细了的无烟煤粉或烟煤粉或这两者的混合煤粉，以替代焦炭起提供热量和还原剂的作用，从而降低焦比，降低生铁成本，它是现代高炉冶炼的一项重大技术革命。高炉喷吹煤粉对现代高炉炼铁技术来说是具有革命性的重大措施，它是高炉炼铁能否与其它炼铁方法竞争，继续生存和发展的关键技术。其意义具体表现为：

(1)以低廉的价格部分代替价格昂贵而日趋匮乏的冶金焦炭，使高炉炼铁焦比降低，生铁成本下降。

(2)喷吹是调剂炉况热制度的有效手段。

(3)喷吹煤粉可改善高炉炉缸工作状态，使高炉稳定顺行。

(4)喷吹煤粉气化过程中放出比焦炭多的氢气，提高了煤气的还原能力和穿透扩散能力，有利于矿石还原和高炉操作指标的改善。

(5)喷吹煤粉代替焦炭，减少焦炉座数和生产的焦炭量，从而减少炼焦生产对环境的污染。

在炼铁生产中加入的熔剂主要用于脱除铁矿石、焦炭和喷吹煤粉带入高炉内的脉石和灰分中酸性组分等杂质。铁矿石、焦炭和喷吹煤灰分越高，则需加入的碱性熔剂越多，进而降低生产效率。研究表明，焦炭灰分每增加1%，高炉焦比约提高2%，石灰石用量约增加2.5%，高炉产量约下降2.2%[1]。

2 CaO在高炉喷吹中的作用分析

2.1 CaO对烟煤燃烧性影响的研究

由于不同煤种中灰分含量及矿物组成不同，可能导致CaO含量对烟煤燃烧率的影响不准确。通过在煤种中添加一定量的CaO对神东活鸡兔井神优2烟煤和榆家梁精煤进行催化燃烧试验，研究CaO对烟煤的燃烧是否具有催化性能[2]。

对于活鸡兔矿井神优2烟煤来说，随着CaO含量的增加，对煤粉燃烧过程的催化效果越显著。当添加CaO含量为1%时，燃烧曲线向低温区移动，使煤粉的开始燃烧温度和完全燃烧温度均有所降低，表明CaO的添加对煤粉的燃烧具有催化作用；继续增加CaO的添加量可以发现，对煤粉的开始燃烧温度影响不大，当CaO添加量为2%时，煤样的完全燃烧温度有所降低；当CaO添加量为4%时，煤样的完全燃烧温度相较于2%添加量时有所滞后，但与原煤相比依然有着明显的催化效果。同样对比分析不同CaO添加量条件下榆家梁精煤的燃烧曲线，也可以发现CaO的添加对榆家梁精煤的燃烧过程也具有明显的催化效果。

2.2 CaO对高炉炼铁过程的影响

神东原煤中含有较高的石英和方解石等矿物，并且神东烟煤的高钙特性主要体现为CaO以方解石的形式存在于碳基质中，主要以较小的粒径分布在 0.005～0.038 mm和0.053～0.147 mm 2个区间，在洗选加工过程中去除难度较大。另一方面，随着煤样灰化温度的升高，灰中的一些矿物逐渐分解，并且伴随着矿物和矿物之间的相互反应演变，在 1 000 ℃下形成了多种较低熔点的物质，导致烟煤灰熔点较低。

进一步研究表明，煤中CaO含量在30%～35%时煤灰的灰熔点达到最低值，为了避免神东高钙烟煤高炉喷吹时由于灰熔点较低可能引起的煤枪堵枪和风口小套结渣，需要通过配加一定量的高灰熔点的无烟煤，或采用高炉风口喷吹熔剂(主要成分为CaO)的技术，提升喷吹混煤中CaO含量，以避开其灰熔点达到最低的CaO含量区间。

喷吹神东高钙烟煤后，对炉渣的粘度有很好的改善效果，所以当喷吹神东烟煤后，可以适当减少直接加入高炉的助熔剂量，进而减少渣量、降低燃料比，有利于降低高炉冶炼成本。以2 000 m3高炉为例时，使用6%灰分含量的神东烟煤时，与6%灰分含量的普通烟煤相比，会增加该座高炉0.29%的生铁产量，高炉年产量增加5 250 t；与8%灰分含量的普通烟煤相比，会增加该座高炉1%的生铁产量，高炉年产量增加18 200 t。在高炉煤比150 kg/tHM，神东烟煤喷吹占比40%时，2 000 m3高炉每年使用神东烟煤量约为11万t，与使用普通烟煤(6%灰分)相比，每年可减少熔剂使用成本约92万元，与使用普通烟煤(8%灰分)相比，每年可减少熔剂使用成本约140 万元。即每使用1 t神东烟煤与使用普通烟煤(6%灰分)相比，可减少熔剂使用成本约8.4元；与使用普通烟煤(8%灰分)相比，可减少熔剂使用成本约12.7元。此外，使用神东高钙烟煤还具有提升产量和降低燃料比的效果，能够进一步降低炼铁生产成本。根据目前钢铁企业炼铁成本的主要指标，同样用于2 000 m3高炉，使用神东高钙烟煤(6%灰分)与使用普通烟煤(6%灰分)相比，每年可提高企业效益约467万元，即每使用 1 t神东烟煤约可提高企业效益42.5元；使用神东烟煤(6%灰分)与使用普通烟煤(8%灰分)相比，每年可提高企业效益约1 320万元，即每使用1 t神东高钙烟煤约可提高企业效益120元。

3 喷吹神东高钙烟煤工业生产效果分析

3.1 在B钢铁公司5号高炉的生产应用效果

在B钢铁公司5号高炉进行了喷吹神东高钙烟煤和普通烟煤的跟踪分析评价，通过对B钢铁公司5号高炉生产数据的统计分析，得出结论如下：在试验基准期内5号高炉喷吹煤种多变，尤其烟煤煤种不稳定，同时此阶段内神东烟煤在混煤配比较少，最多为10%左右，基准期煤比均值为161 kg/tHM，焦比均值为358 kg/tHM，燃料比均值为519 kg/tHM；对比期内5号高炉喷吹混煤中神东烟煤在混煤中的配比由基准期的最多10%增大到2018年6月份的36.9%，对比期内煤比均值为169 kg/tHM，比基准期提高了8 kg/tHM，焦比均值为345 kg/tHM，比基准期降低了13 kg/tHM，燃料比均值为515 kg/tHM，比基准期降低了4 kg/tHM。同时对比期内铁水日产量均值为7 702 t，比基准期高748 t。在其他条件如装料制度、操作制度、入炉原燃料的质量控制和铁水成分等基本不变的条件下，神东烟煤为上述生产指标的改善起到了一定的作用。此外，随着神东烟煤配比的提高，5号高炉吨铁燃料成本明显下降，当神东烟煤配比由10%提高到36.9%时，将神东烟煤对降低燃料成本的贡献率按 30%计算，则5号高炉吨铁燃料成本降低9.85元。

3.2 在M钢铁公司5号高炉的生产应用效果

在M钢铁公司5号高炉进行了喷吹神东高钙烟煤和普通烟煤的跟踪分析评价，通过对M钢铁公司5号高炉生产数据的统计分析，结论如下：在高炉装料制度、操作制度、原料成分和焦炭质量等基本不变的前提下，M钢铁公司5号高炉喷吹混煤中神东烟煤配比由37%降到0%，导致对比期的煤比仅为120 kg/tHM，比基准期减少了31 kg/tHM，同时未燃煤粉增多，除尘灰的含量上升；对比期的焦比为398.57 kg/tHM，比基准期提高了61.57 kg/tHM，最终导致对比期的燃料比高于基准期30.57 kg/tHM。此外，取消神东烟煤使用的对比期与基准期相比，高炉冶炼燃料成本高出100元/tHM左右。

4 发展选择性选煤排矸脱灰技术，实现有价矸石排放减量化

从上述研究结果可以看出，煤中部分灰分中的无机组分CaO也有经济利用价值。目前，我国普遍应用的动力煤选煤技术，无论是干法还是湿法[3]，都是根据矸石与煤的密度差进行分离，不管矸石中无机组分是否有利用价值，一律排弃掉，并且增大了排矸量，减少了商品煤产量，造成不必要的浪费。因此，将来的选煤技术应发展选择性选煤排矸脱灰技术，实现有价矸石减量排放。根据用户的需要，在选煤过程中进行选择性排矸脱灰，如采用可鉴别矸石中化学组成的智能选煤技术或磁选技术，把煤中无用的灰分脱除掉，如高炉喷吹用煤和循环流化床用煤，可选择性脱除含SiO2和Al2O3组分高的灰分或矸石，保留CaO含量高的矸石；对于有提取价值的高含Al2O3煤，应选择性脱除SiO2和CaO等组分，富集Al2O3组分，降低提取Al2O3成本。因此，根据用户需求有选择地脱除煤中部分无机组分，实

现选煤过程有价矸石减量排放，不仅充分利用煤中有机组分，而且有利于煤中灰分等无机组分的有效利用，实现煤炭利用价值最大化。

随着我国环保政策力度的加大，部分矿区排矸征地越来越困难，甚至有些矿区地方政府，明确禁止地面排矸，矸石只能井下充填，使煤炭生产成本显著增加。选煤厂根据用户需求，采用选择性排矸，实现有价矸石减量排放，既可以减少地面排矸压力，又可以增加商品煤产量。以神东矿区为例，采用选择性排矸，实现有价矸石减量排放，在保证商品煤质量的前提下减少10%的排矸，每年可增加商品煤产量140～160万t左右，则年增加经济效益在10亿元以上。因此，应发展并推广应用定制化生产，根据用户需求，采用选择性排矸，实现有价矸石减量排放，在煤中保留部分有经济价值的无机组分，提高煤炭资源利用率，因此，选择性选煤排矸脱灰实现有价矸石减量排放技术是未来选煤技术的发展趋势之一，是煤炭企业提质增效的重要途径之一。

5 结 语

神东烟煤是我国优质高炉喷吹煤，不仅具有动力煤“三高一低”的优势，而且，在动力煤中CaO含量高灰熔点低的劣势，也转变为高炉喷吹的优势，由于神东烟煤中CaO含量高，可促进喷入高炉煤粉燃烧，减少高炉炼铁过程熔剂添加量，提高炼铁效率，降低炼铁成本，每喷吹1 t神东高钙烟煤可为钢铁企业带来40～120元/t效益，同时，为控制神东高钙煤洗选深度和智能洗选发展指明了方向，应发展选择性排矸脱灰技术，实现有价矸石减量排放，提高煤炭资源利用价值。