高爐噴煤技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展

胡俊鴿，郭艷玲，周文濤

（鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

國(guó)內(nèi)外鋼鐵市場(chǎng)非常嚴(yán)酷，鋼鐵企業(yè)把降低生產(chǎn)成本作為企業(yè)生存和發(fā)展的重要措施之一。再加上今年起新環(huán)保法的實(shí)施，對(duì)鋼鐵企業(yè)現(xiàn)行生產(chǎn)和以后的發(fā)展將會(huì)產(chǎn)生重大影響。鐵前工序承擔(dān)著較大的降本和減排壓力。無論是從降低生產(chǎn)成本，還是從節(jié)約能耗和減少污染物排放的角度來看，提高高爐噴煤比及降低焦比和燃料比都是高爐煉鐵發(fā)展的必然趨勢(shì)。

1 國(guó)內(nèi)外高爐噴煤比現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外高爐噴煤比現(xiàn)狀

日本高爐2011年的噴煤比平均為151 kg/t，平均燃料比為504 kg/t，噴煤比較高的新日鐵住金名古屋3號(hào)高爐（內(nèi)容積4300 m3）2011年的噴煤比達(dá) 189 kg/t。

韓國(guó)浦項(xiàng)鋼鐵的高爐近年噴煤比達(dá)到了較高的水平，2013年浦項(xiàng)廠平均噴煤比為178.7 kg/t，光陽(yáng)廠平均噴煤比為169.6 kg/t。

歐洲各國(guó)主要高爐2011年的平均噴煤比為143 kg/t，噴煤比較高的有塔塔鋼鐵歐洲分公司、蒂森克虜伯公司以及安賽樂米塔爾公司的高爐，其中塔塔鋼鐵歐洲分公司艾莫伊登6號(hào)高爐曾長(zhǎng)期保持年平均噴煤比達(dá)235.1 kg/t的水平，且對(duì)應(yīng)的燃料比較低，為516.9 kg/t；蒂森克虜伯高爐平均噴煤比達(dá)160 kg/t以上;安賽樂米塔爾公司敦刻爾克內(nèi)容積4000 m3的高爐噴煤比達(dá)170 kg/t以上。

北美高爐除了噴吹煤粉外，大部分還噴吹油和天然氣，典型噴煤比為115 kg/t。

國(guó)外鋼鐵企業(yè)很重視在提高噴煤比同時(shí)，保持較低的燃料比和焦比，因?yàn)橹挥羞@樣才能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)成本的降低。國(guó)外部分高爐低燃料比下的平均噴煤比見表1［1-3］。

表1 國(guó)外部分高爐低燃料比下的平均噴煤比

1.2 我國(guó)高爐噴煤比現(xiàn)狀

我國(guó)鋼鐵企業(yè)高爐大部分噴煤比在120～190 kg/t范圍，噴煤比較高的有寶鋼、武鋼等高爐，寶鋼過去曾實(shí)現(xiàn)了高爐噴煤比長(zhǎng)期保持在200 kg/t以上的水平。

我國(guó)鋼鐵企業(yè)經(jīng)過長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，只有高爐在經(jīng)濟(jì)噴煤比下才具有較好的效益。經(jīng)濟(jì)噴煤比也可理解為合理噴煤比，意味著任何時(shí)候高爐噴煤比都應(yīng)與冶煉條件相適應(yīng)。如果噴煤比超出冶煉條件允許的范圍，會(huì)造成燃料比升高。

每一座高爐以及同一座高爐在不同爐齡階段的經(jīng)濟(jì)噴煤比都不相同。近年來，我國(guó)一些鋼鐵公司對(duì)經(jīng)濟(jì)噴煤比進(jìn)行了一些探討［4-6］。目前，我國(guó)寶鋼、武鋼、沙鋼、遷鋼等的大高爐在較高噴煤比下獲得了較佳技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

在保證經(jīng)濟(jì)性前提下要大幅度提高噴煤比，必須具有較好的原燃料條件和高風(fēng)溫、高富氧作前提。國(guó)內(nèi)煉鐵專家［7］通過對(duì)經(jīng)濟(jì)噴煤比的研究，提出大噴煤的必要條件包括：低渣比；高風(fēng)溫和高富氧；高焦炭質(zhì)量；高煤粉燃燒率。如果沒有這些必要條件作保證，就不宜提倡大噴煤操作。

2 提高高爐噴煤比的有效技術(shù)

通常情況下，鋼鐵企業(yè)在原燃料質(zhì)量、風(fēng)溫和富氧等方面均沒有明顯改善的條件，要提高高爐噴煤比，一般從提高煤粉燃燒率,改進(jìn)和優(yōu)化高爐操作等幾方面著手。

2.1 提高煤粉燃燒率的技術(shù)

2.1.1 提高噴吹用煤的配煤技術(shù)

目前我國(guó)大部分鋼鐵企業(yè)普遍采用煙煤與無煙煤搭配的方式進(jìn)行高爐煤粉噴吹，其目的是為了通過燃燒性較好的煙煤來促進(jìn)無煙煤的燃燒，同時(shí)通過配加一定比例的無煙煤來維持混合煤的熱值，使混合煤獲得良好燃燒性的同時(shí)維持其較高的熱值。要提高煤粉的燃燒率，就要使煙煤、無煙煤搭配合理，有利于燃燒。各企業(yè)在進(jìn)行配煤研究時(shí)，通過研究各種混合煤粉的燃燒特性變化，得到煙煤與無煙煤的配煤方案。

最近研究發(fā)現(xiàn)，在配煤時(shí)還應(yīng)該考慮不同單種煤的煤粉在燃燒過程中的相互作用。為了研究更為合理的高爐噴煤配煤方案，唐鋼與北科大合作，利用熱重分析儀和傅里葉紅外光譜對(duì)各單種煤的燃燒性和煤中有機(jī)官能團(tuán)進(jìn)行了分析，同時(shí)也對(duì)不同混合煤的燃燒性能進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明［8］，不同單種煤的官能團(tuán)是不同的，煤中-OH官能團(tuán)數(shù)量隨著煤化度的加深而減少，-CH3官能團(tuán)數(shù)量則隨著煤化度的加深而增加。燃燒性稍差的煙煤在混煤中對(duì)無煙煤的助燃作用更強(qiáng)，官能團(tuán)結(jié)構(gòu)相近的無煙煤和煙煤搭配更易于獲得燃燒性好的混煤。

2.1.2 煤粉預(yù)熱技術(shù)

煤粉在噴吹之前進(jìn)行預(yù)熱可提高噴煤率。煤粉噴吹前進(jìn)行預(yù)熱可把一部分顯熱帶進(jìn)高爐，使煤粉顆粒短時(shí)間內(nèi)達(dá)到點(diǎn)火溫度，加速煤粉在風(fēng)口和回旋區(qū)的氣化和燃燒。蒂森克虜伯采用德國(guó)科特納公司煤粉預(yù)熱技術(shù)為其施韋爾根1號(hào)高爐（4407 m3）建一煤粉預(yù)熱車間，利用熱風(fēng)爐廢氣余熱，通過特殊的熱交換器傳遞給煤粉。該車間已運(yùn)行了14年。2000年初，在施韋爾根1號(hào)高爐20個(gè)風(fēng)口（該高爐共有40個(gè)風(fēng)口）進(jìn)行了噴吹預(yù)熱煤粉的試驗(yàn)，試驗(yàn)期間，在高利用系數(shù)水平下，焦比降到了280 kg/t以下，煤比達(dá)到了190 kg/t。2011年，在風(fēng)溫只有1 096℃、鼓風(fēng)中含氧24.8%的情況下，煤比為152 kg/t，包括焦丁在內(nèi)的焦比為346.5 kg/t（焦丁比達(dá) 71.5 kg/t），燃料比為 498.5 kg/t，獲得了較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

2.1.3 氧煤同軸噴槍技術(shù)

氧煤同軸噴槍技術(shù)即氧氣單獨(dú)從煤槍外管噴入，煤粉走內(nèi)管，煤粉在進(jìn)入高爐風(fēng)口之前不與氧氣接觸。采用氧煤同軸噴槍技術(shù)可以使煤粉的點(diǎn)燃在煤槍的前端開始，而不像傳統(tǒng)的那樣在回旋區(qū)進(jìn)行；煤粉到達(dá)風(fēng)口前端時(shí)已幾乎燃盡，回旋區(qū)內(nèi)沒有未燃燒的碳。這樣就可避免回旋區(qū)內(nèi)積聚煤粉，以免形成“鳥巢”。

科特納公司研究發(fā)現(xiàn)，使用這種方法可以增大直接作用到煤粒上的氧分壓，另外，純氧可降低煤粒的點(diǎn)火溫度，加速煤粒氣化；這樣，煤粒進(jìn)入風(fēng)口后短時(shí)間內(nèi)快速氣化，溫度快速升高到點(diǎn)火溫度。科特納公司對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)和經(jīng)濟(jì)性研究。

在德國(guó)ROGESA鋼鐵公司 5號(hào)高爐的同一風(fēng)口進(jìn)行了兩種噴槍，即氧煤同軸噴槍和非氧煤同軸噴槍的噴煤試驗(yàn)，每種噴槍均試驗(yàn)了兩種噴煤量的情況。通過觀察孔拍得的對(duì)比照片（圖1［9］）發(fā)現(xiàn)，同一風(fēng)口不同噴煤量下，使用氧煤同軸噴槍時(shí)照片中風(fēng)口內(nèi)很明亮，沒有煤粉云團(tuán)，表明噴入的煤粉已在風(fēng)口氣化。使用非氧煤同軸噴槍的照片中，可看到風(fēng)口內(nèi)噴入的未燃燒的煤粉云團(tuán)。證實(shí)了氧煤同軸噴槍技術(shù)可加速煤粉氣化和燃燒，在提高噴煤量時(shí)有利于減少未燃煤粉，減小對(duì)高爐操作的不利影響。

科特納公司使用物理模型和計(jì)算流體模型定量研究了使用氧煤同軸噴槍技術(shù)能夠增加的噴煤比，結(jié)果表明，在同樣條件下，使用氧煤同軸噴槍技術(shù)可使噴煤比提高約10%，而不會(huì)對(duì)高爐生產(chǎn)產(chǎn)生不利影響。

該技術(shù)已在蒂森克虜伯得到工業(yè)化應(yīng)用。蒂森克虜伯在使用氧煤同軸煤槍的操作中，得出煤粉在富氧氣氛下的著火溫度與揮發(fā)分含量之間的關(guān)系，如圖2［10］所示。可見，使用這種技術(shù)后，煤粉的著火點(diǎn)較低，有利于煤粉燃盡。

2.2 活化高爐死料柱的技術(shù)

提高噴煤比時(shí)首先要優(yōu)化高爐操作，包括提高高爐上下部調(diào)劑技術(shù)水平、控制適當(dāng)?shù)睦碚撊紵郎囟群蜖t腹煤氣量等，這些技術(shù)已有很多文獻(xiàn)進(jìn)行了介紹，在此只介紹活化高爐爐缸死料柱的技術(shù)。

高爐噴煤時(shí)死料柱的透氣性和透液性對(duì)高爐操作具有重要影響。高爐噴煤時(shí)，未燃盡的煤粉在回旋區(qū)停留時(shí)間很短，最終大部分積聚在回旋區(qū)邊緣“鳥巢”處。“鳥巢”的存在妨礙煤氣流進(jìn)入死料柱，影響高爐下部煤氣流分布和爐子操作的穩(wěn)定性。高爐利用系數(shù)和噴煤比越高，“鳥巢”層越厚，對(duì)高爐下部透氣性影響越嚴(yán)重。為了保持高爐長(zhǎng)期穩(wěn)定操作，需要消除“鳥巢”現(xiàn)象，目前根據(jù)報(bào)道，有以下技術(shù)措施。

2.2.1 向死料柱吹熱風(fēng)

通過向死料柱噴吹熱風(fēng)，可使死料柱中的焦粉與空氣接觸發(fā)生燃燒，把死料柱中的焦粉除去一部分，于是剩余的就是粒度較大的焦炭，同時(shí)還可提高死料柱溫度，提高其透氣性。浦項(xiàng)、新日鐵和JFE都曾采用過這種技術(shù)。這樣的方法最好在休風(fēng)時(shí)采用，休風(fēng)時(shí)從風(fēng)口向死料柱插入噴氣管噴吹熱風(fēng)。在休風(fēng)前減輕焦炭負(fù)荷，以便休風(fēng)時(shí)擴(kuò)大高溫區(qū)范圍，有利于休風(fēng)時(shí)使死料柱焦層 “活化”。JFE在內(nèi)容積2584 m3高爐的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該方法可明顯提高高爐的透氣性、減少滑料次數(shù)，并可降低燃料比。

2.2.2 采用“鳥巢”搗碎機(jī)

浦項(xiàng)曾采用過這樣的方法，在計(jì)劃休風(fēng)期間，使用“鳥巢”搗碎機(jī)，有目的地使“鳥巢”破碎，并且在復(fù)風(fēng)時(shí)，堵塞一半風(fēng)口，把風(fēng)速提高到400 m/s以上至少3 h。

2.2.3 向死料柱吹氧

最近，韓國(guó)浦項(xiàng)鋼鐵公司開發(fā)了簡(jiǎn)單易行的消除“鳥巢”的技術(shù)，采用“氧氣囊”消除未燃焦粉和煤粉；“氧氣囊”中含有液相氧，借助壓縮空氣，通過煤粉噴槍噴進(jìn)回旋區(qū)，然后在“鳥巢”周圍高溫氛圍下釋放出氧氣，從而使未燃煤粉和焦粉燃燒，最終清除掉“鳥巢”。浦項(xiàng)通過噴吹“氧氣囊”活化高爐死料柱的示意圖如圖3［11］所示。

工業(yè)試驗(yàn)是在光陽(yáng)3號(hào)高爐（內(nèi)容積4600 m3、爐缸直徑14.3 m、有40個(gè)風(fēng)口）進(jìn)行的，試驗(yàn)使用的氧氣囊含有30 cm3的液態(tài)氧，完成了單風(fēng)口和多風(fēng)口噴吹兩種試驗(yàn)。工業(yè)試驗(yàn)期間停止了噴煤，采用“氧氣囊”噴射器，在氣壓達(dá)12 MPa時(shí)通過噴煤槍把“氧氣囊”噴進(jìn)回旋區(qū)，再把氧氣滲透至“鳥巢”。

在高爐單風(fēng)口試驗(yàn)中選擇了5號(hào)風(fēng)口。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，5號(hào)風(fēng)口回旋區(qū)前的透氣性得到了提高。因此推斷，噴吹氧氣囊可以消除“鳥巢”。在多風(fēng)口試驗(yàn)中，選擇風(fēng)量相對(duì)較小的20、22號(hào)和25號(hào)風(fēng)口噴吹氧氣囊。試驗(yàn)結(jié)果表明，噴吹“氧氣囊”后這3個(gè)風(fēng)口的風(fēng)量明顯比其它風(fēng)口風(fēng)量增大，表明這3個(gè)風(fēng)口前回旋區(qū)的透氣性得到了改善，由此推測(cè)，采用該技術(shù)后可使高爐內(nèi)圓周方向的風(fēng)量更加均勻。

3 高爐噴煤技術(shù)的長(zhǎng)期發(fā)展方向

因?yàn)槟ッ褐品酆蛧姶倒ば蚰芎募俺杀颈葻捊构ば虻偷枚啵偌由现鹘姑簝r(jià)格較高及其資源短缺的趨勢(shì)以及環(huán)保的需要，所以，進(jìn)一步提高噴煤比是高爐煉鐵的發(fā)展方向。國(guó)內(nèi)外先進(jìn)鋼鐵企業(yè)發(fā)展的目標(biāo)是，把噴煤比提高至200 kg/t或200 kg/t以上的同時(shí)，能夠降低焦比，保持較低燃料比，并保證利用系數(shù)得到提高或至少不降低。而目前為止的工業(yè)生產(chǎn)中，只有塔塔鋼鐵歐洲分公司艾莫伊登和寶鋼的高爐曾長(zhǎng)期保持噴煤比在200 kg/t及以上，同時(shí)保持了較低焦比和燃料比。塔塔鋼鐵歐洲分公司艾莫伊登高爐大噴煤最大的特點(diǎn)是高富氧，而寶鋼高爐大噴煤成功的原因中，長(zhǎng)期穩(wěn)定的高風(fēng)溫起著舉足輕重的作用。

噴煤時(shí)提高風(fēng)溫和鼓風(fēng)富氧率既可以對(duì)爐缸進(jìn)行熱補(bǔ)償，又可以提高煤粉在風(fēng)口前的燃燒率，高風(fēng)溫和高富氧也是應(yīng)對(duì)大噴煤時(shí)造成的諸如高爐透氣性降低、產(chǎn)生的煤氣量和未燃煤粉量增加等問題的有效措施。而實(shí)際鋼鐵企業(yè)為了降低成本常把鼓風(fēng)富氧量控制在較低水平，風(fēng)溫水平達(dá)不到要求。

3.1 進(jìn)一步提高風(fēng)溫的局限性

目前為止，國(guó)內(nèi)外鋼鐵廠曾經(jīng)長(zhǎng)期保持的最高風(fēng)溫為1 300℃。日本的君津廠高爐和我國(guó)首鋼京唐高爐曾達(dá)到了該溫度。風(fēng)溫水平較高的還有我國(guó)寶鋼和塔塔鋼鐵歐洲分公司艾莫伊登的高爐，寶鋼高爐風(fēng)溫曾達(dá)1 250℃左右，艾莫伊登高爐風(fēng)溫曾達(dá)1 260℃。

風(fēng)溫的提高是有限度的，因?yàn)槭軣犸L(fēng)爐燒爐熱源的影響很大。根據(jù)目前鋼鐵廠的實(shí)際情況，熱風(fēng)爐用高溫?zé)嵩床蛔悖偌由细郀t低焦比的發(fā)展趨勢(shì)，使高爐煤氣熱值下降。

為了能夠在以高爐煤氣作熱源情況下獲得高風(fēng)溫，鋼鐵廠采取了許多技術(shù)措施，包括摻加部分高熱值煤氣、對(duì)助燃空氣和煤氣預(yù)熱、富氧燒爐等技術(shù)。在我國(guó)，寶鋼使用了摻加高熱值煤氣的燃料來燒爐，且采用富氧燒爐技術(shù)，使風(fēng)溫長(zhǎng)期穩(wěn)定在1 250℃左右，最高達(dá)1 280℃。首鋼利用2次預(yù)熱助燃空氣和1次預(yù)熱高爐煤氣及提高拱頂溫度等措施，使風(fēng)溫長(zhǎng)期保持在1 200℃以上，首鋼京唐1號(hào)高爐（5500 m3）最高風(fēng)溫曾達(dá)1 300℃。

另外，風(fēng)溫也受熱風(fēng)爐本體結(jié)構(gòu)的限制。國(guó)內(nèi)外鋼鐵廠的熱風(fēng)爐，其設(shè)計(jì)風(fēng)溫一般都不超過1 300℃；外燃式為1 250℃，高者達(dá)1 280℃；頂燃式為1 300℃。

綜合上述情況，先進(jìn)的高風(fēng)溫一般為1250～1 300℃，進(jìn)一步提高風(fēng)溫的潛力十分有限。

3.2 高煤比技術(shù)的長(zhǎng)期發(fā)展方向

塔塔鋼鐵歐洲分公司的高爐煉鐵專家與達(dá)涅利以及Geerdes&Partners BV等合作，對(duì)低成本高爐煉鐵的未來發(fā)展進(jìn)行了研究，認(rèn)為高爐噴煤比還遠(yuǎn)未達(dá)到極限量，提高噴煤比可以進(jìn)一步降低鐵水成本，追求的目標(biāo)是高爐工作容積利用系數(shù)大于 3.0 t/（m3·d）情況下，噴煤比大于 230 kg/t，并且，對(duì)如何同時(shí)實(shí)現(xiàn)高煤比、低焦比和高利用系數(shù)，從而降低生產(chǎn)成本的技術(shù)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)高富氧是有效的技術(shù)措施。

研究認(rèn)為［12］，對(duì)于噴煤比為 200 kg/t左右的高爐，如果風(fēng)溫能達(dá)1 200℃，通常鼓風(fēng)富氧率為7%～8%就夠了，此時(shí)煤粉在風(fēng)口循環(huán)區(qū)基本燃盡。如果要進(jìn)一步提高噴煤比，譬如，噴煤比達(dá)250 kg/t以上，必須進(jìn)一步提高富氧率，并且富氧量應(yīng)該保持在一定范圍，最低富氧量為滿足最低的理論燃燒溫度要求，最高富氧量應(yīng)滿足最低的爐頂煤氣溫度要求。

高富氧情況下，大部分鋼鐵公司只用煉鋼等工序的富裕氧氣量就不夠了，需要專用的空氣分離制氧機(jī)，其制得的氧氣純度可以降低。艾莫伊登煉鐵專家對(duì)其6號(hào)高爐研究后認(rèn)為，其6號(hào)高爐在風(fēng)量6 000～6 400 m3/min、風(fēng)中含氧34%～40%即富氧率13%～19%情況下，噴煤比可控制在230～260 kg/t；維持鼓風(fēng)濕分在 10～15 g/m3，控制風(fēng)口前理論燃燒溫度在2 300℃以下，可使入爐焦比降為250～280 kg/t，燃料比為510 kg/t左右。建專用低純度（氧含量為95%）制氧站可以滿足要求 。

隨著富氧量提高，爐頂煤氣熱值有很大提高，但對(duì)風(fēng)溫的要求降低。表2［12］表示當(dāng)前和將來的高爐煉鐵工藝參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)計(jì)算值。

對(duì)于高爐煉鐵富氧鼓風(fēng)所用的氧，我國(guó)高爐煉鐵專家認(rèn)為［13］，其氧含量在85%～90%即可。這個(gè)濃度的氧，采用變壓吸附制氧設(shè)備是最經(jīng)濟(jì)、最合理的。現(xiàn)在，我國(guó)已擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的變壓吸附制氧技術(shù)和設(shè)備。

3.3 高富氧后高爐煤氣的高效利用

表2 當(dāng)前和未來的高爐煉鐵工藝參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)計(jì)算值

隨著富氧量提高，爐頂煤氣熱值有很大提高，這就提出了高熱值煤氣的高效利用問題。有人提出把高爐高富氧噴煤與高效發(fā)電相結(jié)合的想法［14］，這樣，高爐能夠生產(chǎn)鐵水和高熱值煤氣兩種產(chǎn)品。

高爐高富氧后產(chǎn)生的高熱值煤氣用于發(fā)電，可有效提高發(fā)電效率。高富氧與高效發(fā)電相結(jié)合后，雖然用氧費(fèi)用有所提高，但生產(chǎn)成本的降低和發(fā)電量的增加仍使該工藝具有較好經(jīng)濟(jì)性。高爐高富氧噴煤與高效發(fā)電相結(jié)合的工藝與普通高爐工藝操作數(shù)據(jù)比較如表3［14］所示。

表3 高爐高富氧噴煤與高效發(fā)電相結(jié)合及與普通高爐工藝操作數(shù)據(jù)比較

該工藝還對(duì)減少CO2排放很有益，因?yàn)樵诎迅郀t煤氣送進(jìn)燃?xì)鉁u輪機(jī)發(fā)電前，需要壓縮，這時(shí)脫除CO2是非常高效的。

4 結(jié)語

提煤降焦是當(dāng)前形勢(shì)發(fā)展的要求。在原燃料質(zhì)量、風(fēng)溫和富氧等方面均沒有明顯改善的條件下，提高高爐噴煤比有效措施包括提高煤粉的燃燒率、改進(jìn)和優(yōu)化高爐操作等。富氧大噴煤是高爐噴煤技術(shù)的發(fā)展方向，既有利于降低成本，又有利于減少煉焦工序污染物排放；另外，高富氧噴煤與高效發(fā)電相結(jié)合使減排CO2易于實(shí)施。

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