包钢高炉喷吹煤优化选择及性价比评价

2023-11-28白晓光黄雅彬张建良胡孝天徐润生

冶金能源 2023年6期

白晓光杨帆黄雅彬张建良胡孝天党晗徐润生

(1.内蒙古包钢钢联股份有限公司，2.北京科技大学)

钢铁行业是国民经济的重要基础产业，同时也是CO2排放大户，约占全国总排放量的16%，而高炉炼铁工序的排放量占钢铁全流程总排放量的70%左右，加上相关联的烧结和焦化等工序，占比可达钢铁全流程的90%左右。随着焦炭资源的日益匮乏和价格攀升，利用其他能源来代替焦炭已成为当务之急[1]。

高炉喷吹煤粉于上世纪60年代开始在钢铁工业炼铁工序中规模应用，也是目前降焦降本的主要手段，对实际生产具有重要意义[2]。早在上世纪60年代中期，国内首钢1号高炉建成喷煤系统并投入生产，取得了较好的效果[3]。随后，鞍钢、济钢等相继在高炉生产工作中应用了喷吹煤粉技术，目前国内大部分钢铁企业喷煤比在120～190 kg/t，先进钢铁企业喷煤比达到200 kg/t以上[4-7]。

然而在高炉冶炼中，当煤比提高到一定程度后，煤焦置换比、煤气利用率、高炉内部透气透液性、风口回旋区的理论燃烧温度、燃烧率和煤粉利用率等指标下降，影响高炉稳定顺行[8-12]。选择合适的煤种进行喷吹，提升燃烧率和利用率，保证高炉冶炼稳定顺行，是各钢铁企业实现技术可行、经济可观、环保可续的必要工作[13-16]。

使用包钢提供的9种煤样(无烟煤、烟煤和混煤)为试验原料，分别进行了工业分析、元素分析、可磨性、喷流特性、着火点、爆炸性和燃烧性的研究，通过带有特性指数的综合性能指标，建立相应的煤粉性价比评价模型，为包钢喷吹合适的高性价比煤种提供指导。

1 煤粉基础性能分析

1.1 工业分析与元素分析

对包钢9种煤样进行了工业分析和元素分析，结果见表1。

表1 包钢9种煤样工业分析和元素分析

包钢9种煤样大部分固定碳含量在70%～80%之间，且中低挥发分含量及热值较高，整体的工业性质较好，有利于高炉喷吹。根据煤粉的灰分分级标准，除7号煤样外，其余均属于中低等灰分煤粉。9号煤样的固定碳含量较高，而且灰分含量只有5.67%，属于特低灰分煤粉，喷吹9号煤样有利于提高煤焦的置换比，减少高炉的冶炼渣量，从而降低燃料比。5号煤样的工业分析特征代表了国内大多数的高炉喷吹烟煤，即固定碳含量和灰分含量较低，而挥发分含量较高。高炉喷吹要求灰分含量小于12%，包钢9种煤样均能够较好地满足高炉喷吹的要求。1和4号煤样的挥发分含量小于12%，挥发分含量最高的是5号煤样为34.55%。无烟煤中4号煤样挥发分含量高，烟煤中5号煤样挥发分含量高，混煤中3号煤样挥发分含量高，在选择高炉喷吹用煤时需要进行筛选，以保证高炉的安全生产[17]。包钢9种煤样硫含量皆较低，除4号煤样外，其余煤样的硫含量都在1%以下，属于低硫煤，2、5和8号煤样的硫含量都在0.5%以下，属于特低硫煤。无烟煤中硫含量较低的是1号煤样，烟煤中硫含量较低的是2号煤样，混煤中硫含量较低的是8号煤样。如果煤中硫含量过高，在喷吹配煤时应稍加注意[18]。

1.2 可磨性分析

可磨性代表了煤被磨碎成煤粉的难易程度，可磨性指数越大则容易粉碎，反之则难粉碎，直接影响到高炉制粉能耗和成本[19]。该研究采用哈德格罗夫法测定包钢9种煤样的可磨性数值HGI，结果如表2所示。

表2 包钢9种煤样的HGI和安全性能

高炉喷吹用煤的可磨性指数应在60～90之间，低于50的煤很硬且难磨。高于90的烟煤虽然易磨，但往往是黏结性过强，可能给磨煤和输煤造成困难。除了4号煤样外，包钢其余煤样的可磨性指数都在50～60之间，属于可磨性较差的煤，其中可磨性指数最低的5号煤样(烟煤)仅为52，属于较难磨的煤种。无烟煤中可磨性指数较大的是4号煤样，烟煤中可磨性指数较大的是2号煤样，在实际生产过程中可能造成制粉工序的成本过高。

1.3 高炉喷吹安全性能分析

高炉生产过程中喷吹煤粉的安全性能同样值得重点关注，选择74 μm粒级以下的煤粉，采用长管式爆炸性测试仪和微型电炉着火点测定装置分别测定9种煤样的爆炸性和着火点，结果如表2所示。

一般来讲，煤的挥发分含量越高，煤的爆炸程度越强，以火焰返回长度来衡量爆炸性的有无或强弱。2号煤样爆炸性弱，而5号煤样爆炸性强，因此从安全角度出发，5号煤样需要配加无烟煤来降低混煤的挥发分，减弱其爆炸性。

1、4号煤样的着火点温度超过450 ℃，6、9号煤样的着火点温度在400～450 ℃之间，这四种煤样安全性较好。无烟煤中着火点较高的是4号煤样，烟煤中着火点较高的是5号煤样，混煤中着火点较高的是9号煤样，综合来看，4号煤样的高炉喷煤安全性能最高。

1.4 喷流特性分析

煤粉的喷流特性指数是指煤粉在风口回旋区的弥散程度，而风口弥散程度又是影响风口前燃烧率的重要因素之一[20]。Carr流动指数是实验室判定煤粉流动性的重要指标，通过查阅相关流动性指数表，对不同煤粉的流动性进行评价。煤粉的制备、输送以及设备的防磨等都涉及气固两相的流动问题，且与煤粉流动性指数息息相关[3]。包钢9种煤样的流动特性和喷流特性如表3所示。

表3 包钢9种煤样的流动特性和喷流特性

同样的外部条件下，煤粉在风口回旋区弥散度越大，相应的煤粉燃烧率越高，以煤代焦效果越明显。包钢9种煤样喷流特性指数较好，均在60以上，其中3、5、8和9号煤样的喷流特性指数均超过了70，喷流特性指数最高的是8号煤样达到81。无烟煤中喷流特性指数较高的为4号煤样，烟煤中喷流特性指数较高的为5号煤样，混煤中喷流特性指数较高的为8号煤样。包钢9种煤样的流动特性指数与喷流特性指数可以满足管道内燃料的运输要求，且煤样喷入高炉后具有较好的弥散度、利于燃烧，对高炉冶炼有着十分有利的影响。

1.5 燃烧性分析

热重法是众多学者研究煤粉燃烧性的主要手段之一，该研究采用北京恒久生产的HCT-3微机差热天平对包钢的9种煤样进行了燃烧性的对比实验。实验采用Φ5 mm×3 mm氧化铝坩埚盛放样品，样品重量为(5±0.2)mg，反应气氛为空气，升温速率为20 ℃/min，终点温度900 ℃。转化率(TG)曲线和转化速率(DTG)曲线通过采集的失重数据绘制得到，样品的转化率(x)计算公式如下：

(1)

式中：m0代表样品初始质量；mt代表反应进行到t时刻样品的质量；m∞代表实验结束时的最终质量。

整个燃烧过程可以大致分为3个阶段，即反应开始阶段、迅速失重阶段及反应结束阶段。在迅速失重阶段，燃烧性曲线的斜率越大，燃尽温度越低，则燃烧性越好。因此，燃烧性最好的是5号煤样，其挥发分较高，更容易被点燃发生化学反应；燃烧性最差的是6号煤样，与其挥发分含量大小相关。挥发分对燃烧过程有积极的影响，当挥发分含量较低时，灰成分会对煤的燃烧过程有一定的抑制作用。

为了更直观的定量分析包钢9种煤样的燃烧特性，提取了其燃烧特性参数，引入了综合燃烧特性指数S，具体计算公式如下：

(2)

式中：(dx/dt)max为最大燃烧速率；(dx/dt)mean为平均燃烧速率；Ti为着火温度(失重5%时对应的温度)；Th为燃尽温度(失重95%时对应的温度)。

从燃烧特性参数(表4)可以看出，绝大部分煤样的综合燃烧特性指数S都在1.5×1013附近，仅有5、8号煤样的S在3.5×1013附近，在燃烧曲线中则体现为，在550 ℃时，5、8号煤样已经基本反应完毕。无烟煤中1号煤样的燃烧性较好，烟煤中5号煤样的燃烧性较好，混煤中8号煤样的燃烧性较好。好的燃烧性体现在煤粉在风口迅速完成燃烧，为高炉提供更多热量的同时降低未燃煤粉量，对高炉冶炼十分有利。

表4 包钢9种煤样的燃烧特性参数

2 煤粉综合性能评价

以上对包钢9种喷吹煤样做出了全面的性能研究，并结合相关经验，建立喷吹煤综合性能评估方法，用理论指导配煤结构优化，对煤粉的流动特性指数、喷流特性指数、可磨性指数、热值、爆炸性和灰分分别赋予权重值来评价煤粉的综合性能Ci[21]。

(3)

式中：L为流动特性指数；P为喷流特性指数；M为可磨性指数；QV为热值；F为火焰返回长度；A为灰分。

通过计算得到9种煤粉的综合性能指标如表5所示。包钢的9种煤样中，无烟煤和烟煤的综合性能指标要高于混煤的综合性能指标，无烟煤中综合性能指标较高的是4号煤样，烟煤中综合性能指标较高的是2号煤样，混煤中综合性能指标较高的是9号煤样。无烟煤和烟煤的综合性能指标较高，当其硫含量相对较低时，不考虑生产成本的情况下可以单独用于高炉喷吹；否则应与其他煤粉的混配来优化综合性能指标。

表5 包钢煤种综合性能指标

3 煤粉性价比评价模型

对于生产管理者，通常需要在煤种性能与实际成本之间找寻一个合适的平衡点，力求高炉所使用的煤具有最高的性价比，保证企业效益最大化。研究采用了左海滨等建立的高炉喷吹煤粉性价比评价模型，引入了煤粉有效发热值的概念，综合考虑不同煤种的购入成本和制粉成本，对于不同的煤样进行性价比排序[22]。

3.1 煤粉有效发热值

风口前是碳过剩的环境，煤粉进入风口后，会经历脱水、煤粉分解、灰分造渣以及硫的燃烧转化，定义有效发热值Q为煤粉总的燃烧释放热减去以上几项耗热后的净热量[22]。

Q=QC-QH2O-QC-H-Qash-QS

(4)

式中：QC为固定碳不完全燃烧释放的热量；QH2O为水分解消耗的热量；QC-H为碳氢化合物分解消耗的热量；Qash为灰分形成炉渣消耗的热量；QS为脱硫消耗的热量。

3.2 煤粉性价比模型

高炉喷煤实际成本包括干基成本和制粉成本，文中有效发热值采用干基进行计算，为了保持匹配，这里也使用干基成本。干基成本和制粉成本计算公式如式(5)和式(6)所示[23]。

(5)

(6)

式中：Pg为干基成本；Pr为购入成本，购入成本以2021年9月包钢实际交易成本为准；Mf为水分含量；Pz为制粉成本；Mb为标准可磨性指数；M为可磨性指数；Qd为标准煤电耗；Pd为单位成本。

性价比计算公式如式(7)所示。

(7)

式中：K为性价比系数；Q为有效发热值。

通过计算得到包钢9种煤样的有效发热值、制粉成本、喷吹成本以及性价比系数见表6。

表6 包钢9种煤样评价模型相关参数

制粉成本直接受可磨性影响，无烟煤中制粉成本较低的是4号煤样，烟煤中制粉成本较低的是2号煤样。采购成本主要受发热值影响。两种成本最终决定喷吹成本，不同煤种的喷吹成本有所不同。同时不同煤样在性价比上也存在差异，混煤的性价比整体上要比无烟煤和烟煤的性价比高，混煤的性价系数比基本都保持在5以上，无烟煤和烟煤的性价比系数都在5以下。无烟煤中性价比较高的是1号煤样，烟煤中性价比较高的是2号煤样，混煤中性价比较高的是9号煤样。

根据包钢9种煤样的综合性能评价以及性价比模型可得，无烟煤中性能最好的是1号煤样，烟煤中性能最好的是2号煤样，混煤中性能最好的是9号煤样。