高炉喷吹混加褐煤煤粉的技术研究及应用.pdf

张杰，等：膏体充填技术在某矿空区治理当中的应用高炉喷煤技术是降低焦比的最有效方式，早在 20 世纪就已经大规模运用于炼铁生产中，目前大部分企业采用的喷吹煤种为无烟煤和烟煤混合喷吹，少数企业依据本地煤炭资源的特点采用全烟煤喷吹1。褐煤变质程度较低，介于泥炭和烟煤之间。其水分含量和挥发分含量均较高，发热值较低2。由于褐煤的挥发分含量较高，随温度升高挥发分大量析出并燃烧，同时残余半焦疏松多孔，*收稿日期：2023-01-04作者简介：徐建宇（1984-），男，云南安宁人，高级工程师，主要从事环境工程、环境科学、水处理技术等工作。通讯作者：王涛（1976-），男，云南安宁人，正高级工程师，主要从事炼铁工艺技术，E-mail：jszx-。基金项目：云南省教育厅科学研究基金项目资助（2023J1647）；昆明工业职业技术学院校级科研基金项目资助（2023-04）。Aug.2023Vol.52.No.4（Sum 301）2023 年 8 月第 52 卷第 4 期（总第 301 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY高炉喷吹混加褐煤煤粉的技术研究及应用*徐建宇1，王涛1，李淼2，胡兴康3，桂林峰2，黄凌4，鲁彦良1（1.昆明工业职业技术学院，云南 昆明 650302；2.武钢集团昆明钢铁股份有限公司炼铁厂，云南 昆明 650302；3.昆钢制造管理部，云南 昆明 650302；4.云南昆钢钢结构股份有限公司，云南 楚雄 651209）摘要：保持 2 500 m3炼铁高炉喷吹时无烟煤含量不变，分别用 5%、10%、15%、20%、25%不同配比褐煤替代烟煤制取混合煤样，对其理化、爆炸、可磨、燃烧等性能及着火点温度进行工业化试验研究，结果表明：随着褐煤喷吹量增加，煤比基准期有所降低，焦比、燃料比逐渐增加，褐煤混喷比例稳定在 10%耀15%，褐煤制粉喷吹系统运行正常。高炉喷吹褐煤后高炉风口煤粉利用率增加，燃料消耗逐渐降低，可降低成本 352.20 万元。关键词：高炉炼铁；混合喷吹褐煤；配煤比例中图分类号：TF631文献标识码：A文章编号：1006-0308（2023）04-0135-06Technical Research and Application on Blast Furnace Injection mixed with LignitePulverized CoalXU Jian-yu1,WANG Tao1,LI Miao2,HU xing-kang3,GUI Lin-feng2,HUANG Ling4,LU Yan-liang1(1.Kunming Vocational and Technical College of Industry,Kunming,Yunnan 650302,China;2.Iron Smelting plant,Kunming Iron and Steel Co.,Ltd.,Wuhan Iron and Steel Group,Kunming,Yunnan 650302,China；3.Kunming Iron and Steel Manufacturing Management Department,Kunming,Yunnan 650302,China;4.Yunnan Kunming Iron and Steel Structure Co.,Ltd.,Chuxiong,Yunnan 651209,China)ABSTRACT：Anthracite content has no change when injection of 2 500 m3iron smelting blast furnace,the mixed coal sample wasprepared by using 5%,10%,15%,20%,25%lignite with different proportion to instead of bituminous coal,then it is studied theindustrial experiment study of its performance that physiochemical,explosion property,grindability,combustion and fire point temperature,test results show:coal ratio base period was declined along with increasing of lignite injection amount,the focal ratio was increasedgradually,the mixed injection ratio of lignite was stabled at 10%耀15%,lignite preparation and injection system operates normally.Theutilization rate of pulverized coal was increased at blast furnace air outlet after lignite injection,fuel consumption was decreasedgradually,the cost can be decreased by 预3,522,000 Yuan.KEY WORDS：iron smelting of blast furnace;mixed lignite injection;coal blending ratio135Aug.2023Vol.52.No.4（Sum 301）2023 年 8 月第 52 卷第 4 期（总第 301 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY名称配比灰分/%V/%全水分/%固定碳/%S/%CaO/%K2O/%Na2O/%着火点/益HGI爆炸性烟煤100%烟煤13.1911.911.0573.850.547.152.480.44366100弱爆炸褐煤100%褐煤17.8447.849.8324.491.0318.740.880.3130346强爆炸无烟煤100%无烟煤16.058.343.5872.030.9012.431.402.1137055弱爆炸基准配比60%无烟煤+40%烟煤14.739.932.5372.810.7010.601.771.5436676弱爆炸配比160%无烟煤+35%烟煤+5%褐煤14.9511.382.9070.770.7110.941.701.4937276强爆炸配比260%无烟煤+30%烟煤+10%褐煤14.7512.483.3069.470.7111.421.591.4637876强爆炸配比360%无烟煤+25%烟煤+15%褐煤15.5114.293.8666.340.8011.921.541.4238169强爆炸配比460%无烟煤+20%烟煤+20%褐煤15.7615.804.2164.230.7612.621.451.3638063强爆炸配比560%无烟煤+15%烟煤+25%褐煤15.6017.604.6462.160.8512.951.391.3937967强爆炸表 1试验配比及主要理化性能Tab.1Test proportion and main physical and chemical properties容易与氧气和 CO2等发生反应。我国褐煤资源较为丰富，成本低于烟煤，喷吹适量褐煤对降低喷吹成本、改善混煤燃烧性具有重要意义。因此国内高炉工作者对高炉喷吹褐煤进行了积极探索。其中具有生产实践代表性的是凌钢 2 300 m3高炉喷吹褐煤的工艺实践，其中凌钢通过褐煤的工艺实践运用找出了 2 300 m3高炉合理的配煤比例以及其爆炸性控制、着火点、挥发分和系统氧含量等关键技术参数3。同时，凌钢对 2 300 m3高炉喷吹褐煤工艺进行改进，使得褐煤喷吹比例逐步稳定在 30%，通过生产实践，凌钢在降低炼铁成本上取得了实际效果。云南省拥有储量丰富的褐煤，全省已探明的煤矿储量 240.80 亿 t，其中褐煤 155.50 亿 t，占比64.57%。褐煤含挥发分 40%左右，易着火，价格相对便宜，但水分高、灰分高、爆炸性强、可磨性差，主要用于发电及民用燃料。这部分资源如能用于高炉喷吹将极大缓解云南高炉喷吹用煤资源紧缺的问题，同时也为褐煤资源的高效综合利用开辟一条新路。本文主要以凌钢 2 300 m3高炉喷吹褐煤工艺为例，结合某钢铁厂实际生产情况，为了探索云南高炉喷吹本地褐煤的技术可行性，同时也为了降低生产成本，在云南某钢企 2 500 m3高炉上进行了 5 阶段工业试验，试验工作取得初步成功，为后续类似研究提供实际案例。1本地褐煤基础性能分析高 炉 喷 煤 主 要 综 合 考 虑 经 济 效 益 和 喷 吹效果4。通过工业性试验确定出适合高炉合理的喷吹比例，实现不同煤种的成分和性能的优化，从而扩大喷煤品种的选择，更加有效地进行成本控制。褐煤与焦煤和其他优质煤种相比，在热值、抗风化能力、自然特性及含水量等方面具有相对的劣势，不利于储存与长距离运输5。但是褐煤具有价格低的优势，因此在动力、化工和燃料使用方面广泛的运用6-8。云南省周边的褐煤资源丰富，含硫量比较低，喷煤中按照一定比例添加褐煤对于当前冶炼成本控制具有重要作用。1.1理化性能分析试验以现有高炉喷吹混合煤配比为基础，逐步增加褐煤配比，并对各种配比的基础性能进行检测，以考察褐煤配比增加情况下，混合煤粉的性能变化。试验配比及主要性能检测结果详见表 1。从表 1 分析可以看出：1）褐煤的灰分、挥发分、水分、S 含量及灰分中 CaO 含量相比于无烟煤及烟煤含量高，但是固定碳含量及灰分中 K2O 与 Na2O 含量相对于烟煤、无烟煤含量低；2）褐煤中 CaO 含量高具有高碱性，这样有利于促进煤的燃烧；3）褐煤灰分含量中 K2O 与 Na2O 低，使得褐136张杰，等：膏体充填技术在某矿空区治理当中的应用煤具有低碱金属带入量，有利于降低高炉耐火材料的侵蚀，有利于提高高炉焦炭质量达到降低焦比的目的；4）褐煤着火点温度最低为 303 益，远低于烟煤和无烟煤；5）在基准配比上保持无烟煤含量 60%不变，分别用 5%、10%、15%、20%、25%褐煤替代烟煤后，着火点温度均高于单褐煤的着火点温度；6）从爆炸性能来看，单种褐煤具有强爆炸性。在无烟煤比例不变的情况下，分别用以上比例褐煤替代烟煤后，混煤有强爆炸性；7）从可磨指数 HGI 看，单种烟煤最高为100，单种褐煤最低为 46；配加不同比例褐煤后，随褐煤配加比例增加，HGI 较基准下降，褐煤比例在 0%、5%、10%时 HGI 变化值为 76，这说明褐煤加入量增加会使可磨性变差，但褐煤加入量比例控制在 10%以内，对混煤的可磨性影响较小。1.2着火点温度、爆炸性能及可磨指数工业上大规模应用的褐煤在运输、堆存、制粉及喷吹过程中需要格外注重安全性，特别在制粉过程中对温度控制至关重要，对混合煤样制粉需要测定着火点，再确定磨煤机工作温度，以避免事故发生；本试验按照 GB/T 18511-2001 标准，采用 ELM-83A 型煤粉着火点测试仪进行测定。煤粉爆 炸 性 试 验 按 照 AQ1045-2007 标 准，采 用ELM-83B 型煤粉爆炸性测试仪进行测试，以返回火焰长度评价煤粉的爆炸性能；煤粉可磨性决定磨煤机电耗和出力的重要指标，影响着煤粉加工成本和高炉的生产效益；本试验依据 GB/T2565-2014 标准，采用 CNK-60 型哈氏可磨性指数测定仪测定哈氏可磨性指数，见表 2 所示；试样着火点温度、爆炸性及可磨性数据测试由表 2 所示，褐煤着火点温度最低为 303 益，远低于烟煤和无烟煤，因此褐煤的挥发分远高于烟煤与无烟煤。在基准配比上保持无烟煤含量 60%不变，分别用 5%、10%、15%、20%、25%褐煤替代烟煤后，着火点温度均高于单褐煤的着火点温度。从爆炸性能来看，单种褐煤具有强爆炸性。在无烟煤比例不变的情况下，分别用以上比例褐煤替代烟煤后，混煤有强爆炸性。从可磨指数 HGI 看，单种烟煤最高为 100，单种褐煤最低为 46；配加不同比例褐煤后，随褐煤配加比例增加，HGI 较基准下降，褐煤比例在 0%、5%、10%时 HGI 变化值为 76，这说明褐煤加入量增加会使可磨性变差，但褐煤加入量比例控制在 10%以内，对混煤的可磨性影响较小。1.3燃烧性能分析煤粉燃烧性采用 STA449C 同步热分析仪进行测定，应用热失重重分析法确定煤粉燃烧率。通过读取热失重（TG）曲线上，用煤粉从室温燃烧至一定温度时的失重量除以煤粉从室温到燃烧结束的全部失重量（全部可燃值），表征煤粉燃烧率，测试结果以 TG 曲线表示。单种煤燃烧性详见图 1、混合煤燃烧性详见图 2。从图 1 分析：褐煤的 TG/DTA 曲线与无烟煤及烟煤相比更趋向于低温区，相比之下，烟煤与无烟煤 TG/DTA 曲线差别不大；单煤燃烧速度最快为褐煤，其次为无烟煤，最慢为烟煤；烟煤和无烟煤在 DTA 曲线中燃烧阶段特征峰峰高高于褐煤，特征峰宽较褐煤要宽。从图 2 分析：将褐煤加入混煤试样中，随着褐煤配加比例的增加，TG 曲线温度前移，说明随着褐煤配加比例的增加混煤燃烧进程有提前的趋势。在 DTA 曲线中，配加褐煤后，DTA 曲线出现样品名称着火温度/益HGI爆炸性烟煤366100弱爆炸褐煤30346火焰40 cm，强爆炸无烟煤37055弱爆炸60%无烟煤+40%烟煤36676弱爆炸60%无烟煤+35%烟煤+5%褐煤37276火焰40 cm，强爆炸60%无烟煤+30%烟煤+10%褐煤37876火焰40 cm，强爆炸60%无烟煤+25%烟煤+15%褐煤38169火焰40 cm，强爆炸60%无烟煤+20%烟煤+20%褐煤38063火焰40 cm，强爆炸60%无烟煤+15%烟煤+25%褐煤37967火焰40 cm，强爆炸表 2着火点温度、爆炸性能、可磨指数Tab.2Fire point temperature,explosion property andgrindability徐建宇，等：高炉喷吹混加褐煤煤粉的技术研究及应用137Aug.2023Vol.52.No.4（Sum 301）2023 年 8 月第 52 卷第 4 期（总第 301 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY图 2混合煤燃烧特性Fig.2Combustion characteristics of mixed coal图 1单种煤燃烧特性Fig.1Combustion characteristics of single coal两个明显放热峰，第一个放热峰随褐煤比例增加面积增大，随着褐煤配加比例的增加混煤发热量前移。2高炉喷吹褐煤的工业试验为了探索高炉喷吹褐煤的技术性、经济性，试验组在 2 500 m3高炉上进行了五阶段工业性试验，逐步提高褐煤混喷比例。第一至第五阶段褐煤混喷比例依次为 5%、10%、10%、15%、10%。工业性历时 38 d，试验期间实际用煤为 3.64 万 t，其中无烟煤用量为 2.07 万 t，烟煤用量为 1.18万t，喷吹褐煤原煤量为 4 143.58 t。为了抑制褐煤的易燃、易爆的特点，配料利用热风炉烟道废气作为磨机的干燥剂同时又作为抑制爆炸的保护性气体，同时采用中速磨煤机制粉单罐并列高压喷吹，磨机入口干燥剂设计温度小于 300 益。试验期间高炉炉况保持稳定顺行，高炉主要技术经济指标完成情况详见表 3。采用喷吹褐煤的主要目的在于充分发挥褐煤价格低的优势，最终实现采用褐煤来代替无烟煤及烟煤喷吹，来降低高炉燃料成本。表 3 所示随着褐煤喷吹量增加，煤比比基准期有所降低，焦项目入炉品位/%利用系数/t/（m3d）焦比/（kg/t）煤比/（kg/t）燃料比/（kg/t）煤气利用率/%试验值54.232.61387.96146.10 534.0645.46对比-0.15-0.06+10.82-7.03+3.79-0.93基准54.382.67377.14153.13 530.2746.39表 3高炉主要技术指标完成情况Tab.3Completion of main technical indicator of blast furnace138张杰，等：膏体充填技术在某矿空区治理当中的应用24.5515.1725.82+3.24+2.51+3.90名称TFeC试验值33.8237.2027.4034.0429.91对比-1.35+0.27-8.54-1.86+4.78旋风灰干法尘灰累计重力灰旋风灰干法尘灰累计重力灰基准35.1736.9335.9435.9025.1321.3112.6621.92表 4高炉重力除尘灰、旋风灰及干法尘灰含碳量，总铁含量（质量百分比）Tab.4Dust removal by gravity of blast furnace,carbon content and total iron content in cyclone dust and dry dust（mass percent）%综合煤价/（元/t）燃料比/（kg/tFe）综合燃料价格/（元/tFe）1 048.78534.061 931.491 097.12530.271 926.97名称无烟煤/%烟煤/%褐煤/%焦比/（kg/tFe）煤比/（kg/tFe）试验值56.9732.5310.50387.96146.10基准期61.9438.640.00377.14153.13-48.34+3.79+4.53对比-4.97-6.11+10.50+10.82-7.03校正后56.9732.5310.5377.39153.231 048.78530.621 913.01对比-4.97-6.11+10.50+0.25+0.10-48.34+0.35-13.96表 5高炉喷吹褐煤的效益分析Tab.5Benefit analysis of lignite for injection of blast furnace比逐渐增高，燃料比也逐渐增加。这表明高炉喷吹褐煤后高炉风口煤粉利用率增加，燃料消耗逐渐降低，有利于降低高炉的燃料成本。3应用效果分析3.1高炉炉况分析高炉风温维持在 1 220 益左右，冷风流量控制在 4 620.23 m3/min；富氧率在 3.48%耀4.17%，入炉品位在 54%左右，烧结矿配加比例为 69.47%，熟料率保持在 90%以上，试验料线高度、焦批保持不变，矿批增加 0.15 t，焦负荷上升为 0.02，布料矩阵由基准 C987652322211.5O87651322调整为 C987652322211.5O876515322；高炉炉渣中 AL2O3与 MnO 含量分别降低3.87%、0.06%，MgO 含量增加 3.90%，其余变化幅 度 不 大；试 验 期 铁 水 中 Si、Ti 上 升0.055%、0.020%，对应的铁水温度上升 11.44 益，S、P 下降 0.003%、0.022%，其余成分稳定。褐煤在用于高炉喷吹后，理论燃烧温度有所降低，炉顶温度有所升高，但是高炉透气性指数保持不变；随着褐煤的喷吹量增加，炉顶温度、煤粉的挥发分增加，同时风量增加使得煤气量增加；随着褐煤的喷吹比例增加理论燃烧温度降低，导致风口前的分解热增加，煤气量增加；从理论燃烧温度和炉顶温度的变化情况来看，高炉喷吹 10%耀15%的褐煤是完全可以接受。3.2燃料利用率分析为了考察喷吹褐煤时高炉风口煤粉利用率的变化情况，现场统计分析了重力除尘灰、旋风灰及干法尘灰的含碳量和铁含量如表 4 所示；从表 4可以看出，随着高炉喷吹煤中褐煤的配比增加，重力除尘灰、旋风灰及干法尘灰的碳含量、总铁含量有所升高，总铁含量累计减少 1.86%，碳含量累计增加 3.90%；这主要由于褐煤主要为高挥发分煤，在风口回旋区的燃烧效果高于烟煤和无烟煤，高炉喷吹褐煤能有效地改善风口煤粉的燃烧，有效提高煤粉的利用率。3.3燃料成本经济性分析以进行合理校正后的消耗数据及当期市场价格为基础进行经济效益测算，结果详见表 5。由表 5 分析知：褐煤取代烟煤用于高炉喷吹后，混合煤成本和焦炭成本较基准期大幅度降低，随着高炉喷吹褐煤添加量增加至 10%，吨铁燃料成本降低 13.96 元/t，试验期间共降低成本 352.20万元。徐建宇，等：高炉喷吹混加褐煤煤粉的技术研究及应用139Aug.2023Vol.52.No.4（Sum 301）2023 年 8 月第 52 卷第 4 期（总第 301 期）云南冶金YUNNAN METALLURGY4结 语1）在喷吹作业过程中有利于降低对高炉耐火材料的侵蚀；褐煤灰中 CaO 和 K2O+Na2O 的含量特性有效提高高炉焦炭质量；2）无烟煤比例不变，分别用 5%、10%、15%、20%、25%褐煤替代烟煤后，随褐煤比例增加，灰分上升、挥发分、水分、S 上升，固定碳下降；单种褐煤具有强爆炸性，分别用 5%、10%、15%、20%、25%褐煤替代烟煤后，混和煤仍有强爆炸性；随着褐煤比例上升，制粉风量增加，磨煤量下降；3）褐煤的低位发热量低于基准数值，随着褐煤配加比例增加，混煤发热量有下降的趋势；试验中用褐煤替代烟煤，混煤中随着褐煤配加比例的增加，燃烧率上升并高于基准数值；4）褐煤喷吹工业试验过程中，基准期、试验期均出现了高炉炉况波动的情况，对试验结果产生一些影响，但当褐煤配加量达到 10%时，制粉喷吹系统运行正常，褐煤喷吹的安全性得到验证；5）工业试验高炉喷吹褐煤期间，褐煤喷吹比例控制在 10%，吨铁燃料成本降低 13.96 元/t，共降低成本 352.20 万元。参考文献：1 胡俊鸽，郭艳玲，周文涛.高炉喷煤技术的现状及发展J.鞍钢技术，2015（5）：7.2 刘海彬，张宝付，刘福成，等.凌钢 2300m3高炉褐煤喷吹工艺及实践J.钢铁研究，2016，44（5）：34.3 马晓勇，李亮，张建良，等.凌钢 2300m3高炉褐煤喷吹生产实践J.炼铁，2017（3）：40-43.4 王海洋，张建良，王广伟，等.褐煤用于高炉喷吹的可行性J.钢铁研究学报，2017，29（1）：39.5 张引钢.浅论高炉喷吹煤哦名家指标J.选煤技术，2003（6）：58.6 赵振新，朱书全，马名杰，等.中国褐煤的综合优化利用J.洁净煤技术，2008（1）：28.7 焦阳，胡宾生，贵永亮，等.兰炭作为酒钢高炉喷吹用煤的可行性分析J.冶金能源，2011，30（6）：20.8 刘前程，郑小姣，阴树标，等.高炉喷吹不同比例混合煤的效果研究J.钢铁研究学报，2021，33（6）：461-466.140