周孑民，王浩，张家元，廖沙

( 中南大学能源科学与工程学院)

摘要：针对湖南燃煤资源特性和某高炉喷煤生产现状，选取了10 种代表性原煤为试验样本。基于LINGO 优化软件，以混煤价格最低为目标函数，以高炉喷煤煤质要求为约束条件，求解得到了5 种喷吹用混煤样本，在混煤特性试验的基础上，通过性价比分析选取了合适的喷吹煤种，并计算出与混煤匹配的富氧率。工业喷吹试验结果表明，采用优化后所获得的煤样及富氧率获得了良好效果，煤比提高51kg /t，焦比下降38kg /t，铁水含S 量降低，渣流动性得到改善，吨铁增益37. 77 元，降低了生产成本。

关键词：高炉；混合配煤；富氧率；混煤特性

在炼铁生产中，作为高炉节能降焦、降低成本的核心技术和炉况调节的重要手段，富氧喷煤在近30 年内发展很快。2009 年我国重点钢铁企业喷煤比为145kg /t，比上年提高了10kg /t^［1］。喷吹煤粉作为高炉冶炼的燃料，同时也是重要的还原剂和渗透剂^［2］。而富氧作为提高煤粉燃烧率，提高理论燃烧温度的重要手段，在喷煤工艺中也有广泛的应用。

针对其高炉喷吹煤比低( 约90kg /t) 、炉况较差、喷煤增益低等情况，展开高炉配煤及富氧增益研究，计算吨铁成本最低时的喷煤配比以及富氧率，对比改进前后高炉生产效益，得到其临界富氧率。

1 原煤性能和供应情况

20 世纪60 年代以来，我国炼铁企业曾经喷吹单一的烟煤或无烟煤，效果都不理想。烟煤可磨性和燃烧性好，但是发热值低，磨煤过程中伴随有一定的危险性; 无烟煤可磨性和燃烧性不好，成本较烟煤高，但是发热值高。因此，单独喷吹任何一种都不经济。另外由于高炉用煤煤源紧张，很多钢铁企业很难保证使用单一煤种，通常使用2 种或更多的煤种配制理化性质相似的煤粉^［2］。配煤的性能主要取决于原煤的碳化程度，通过对原煤元素分析和工业分析可以推断出煤粉的性能。

针对其公司高炉喷吹单一煤粉( 湘中燃料)现状，并结合煤源分布与产量情况，选取了10种单煤进行元素分析、工业分析和氧弹发热量实验，主要为适合喷吹的本地优质煤源( 5 种) ，同时考虑到优质煤源储量少、供煤量不稳定等因素，另选用5 种一般煤源作为补充。原煤部分分析数据见表1。

2 喷吹配煤数学模型建立及求解

在满足配煤质量指标的前提下，综合考虑配煤的着火性、燃烧性、爆炸性以及有害元素控制等因素，追求配煤的价格最优。配煤的数学求解模型可表示如下。

国内外通常喷吹烟煤和无烟煤，以综合发挥烟煤和无烟煤的优点，故挥发分控制在15% ～25%之间。另，业内要求灰分低于15%，水分低于2%［3］，含S 量低于1%，并以此为依据给出约束条件。

该目标函数可以用交互式的线性和通用优化求解器( LINGO) 优化求解。LINGO 是一套快速、方便和有效的构建和求解线性、非线性和整数最优化模型的功能全面的工具软件，包括功能强大的建模语言、建立和编辑问题的全功能环境、读取和写入Excel 和数据库的功能以及一系列完全内置的求解程序。该文中用其求解上述交互式的线性问题。

表2 中列举了5 种价格最低的符合条件的配煤方案。一方面是为了在某种配煤缺货时提供替代方案，另一方面要在5 种混煤性能分析的基础上，选取性价比最好的高炉喷吹用配煤方案。

由以上5 种配煤价格可以看出，娄底经建煤是最重要的煤源，当此种原煤缺货时，配煤E的价格明显高于其他配煤，该种配煤方法不符合降低成本的目的，故舍弃该配煤方法。

3 配煤性能分析

国内多数企业对喷吹煤的质量评价都是以化学成分为主，对其冶金性能缺乏认识，也没有相应的检测手段，严重制约我国喷煤水平^［4］。为了更好的适应高炉喷吹，作者在混煤成分分析的基础上，对A、B、C、D 4 种配煤进行发热量、着火点、燃烧性、反应性和爆炸性实验。

3. 1 配煤主要成分分析

包括原煤在内的6 种混煤煤粉的主要成分如图1 所示。

3. 2 发热量

煤粉的发热量主要取决于其元素成分。含C量高则发热量较高，含H、O 量高的煤粉放热量较低。喷煤是高炉的重要热源，在其他条件不变时，发热量高有利于高炉顺行。配煤的发热量如表3 所示。可见，A、C、D 3 种配煤的发热量很接近，B 煤略高。

3. 3 着火点与燃烧性

实践表明，煤粉应该在吹入炉内0. 007s 内燃烧，未燃烧煤粉就会进入炉渣或者高炉气中损失，不仅导致资源浪费，也可能影响高炉顺行^{［5 － 8］}。高炉喷吹工艺中，需要着火点较低、燃烧性好的煤种，但是制粉和储存工艺中，燃烧性能好的煤粉极易爆炸，故应该考虑两方面的因素。

工艺上认为在大气条件下，煤粉的着火点TZ 与挥发分含量V 存在线性关系，常用经验公式( 1) 计算煤粉的着火温度的理论值:

T_Z = 445 － 3. 86V            ( 1)

对各煤种进行热重分析，分析各煤种热重曲线，用切线法得到着火点的实测值。各种煤粉着火点的理论值和实测值见表4。4 种配煤的着火点十分接近，A 煤最高、C 煤最低。

煤的燃烧性能主要取决于挥发分含量及其显微组分^［9］。分析热重曲线，分别取773K、873K、973K 的固定碳失重来表征煤的燃烧特性，实验结果见表5。

在挥发分含量接近的情况下，煤的燃烧性区别较大，说明燃烧性能并不只取决于挥发分含量。由表5 可知，C 煤的燃烧性能最好，在973K 时燃尽率超过99%，B 煤的燃烧性能最差。

3. 4 反应性

反应性是评价高炉喷吹煤粉的重要指标。反应性强的煤在气化和燃烧过程中反应速度快、效率高、产生CO 较多、遏制焦炭的气化反应并强化冶炼过程^［10］。对4 种配煤进行煤粉反应性试验，结果见图2。可知，D 煤反应性最好，C 煤次之，B 煤最差。

3. 5 煤尘爆炸性

影响煤粉爆炸性的主要内部因素有挥发分含量、粒度、水分含量等。在挥发分低于18%时，火焰长度为0，煤粉无爆炸性。挥发分含量在30%时，火焰长度急剧增加，100%烟煤条件下，空气中火焰返回长度可达600 ～ 650mm^［11］，故针对挥发分高的烟煤，在其中加入少量无烟煤可以很大程度上降低其爆炸性。通过对各种煤样进行爆炸性试验，得到火焰返回长度。

试验结果表明，A 煤返回火焰长度为130mm，煤尘爆炸性最弱，B 煤为150mm，C、D 煤种均为210mm，煤尘爆炸性最强，在以上四种配煤制粉、储存与输送工艺中，需要采用惰性气体保护来防止爆炸。

4 配煤优化方案及效益分析

综合比较4 种煤粉，发热量和着火温度接近的情况下，C、D 配煤的燃烧性能和反应性能相对较好。C 煤比D 煤成本低约6 元/t，该公司选择C 煤种进行试验喷吹。

在原有的工艺条件下，喷煤量从改进前的90kg /t 逐渐提高至114kg /t，高炉顺行良好，渣流动性有所改善，悬料、崩料等事故明显减少，表明良好的喷吹煤种也发挥了调节高炉工况的作用。据该公司统计数据，该高炉焦比由以前的428kg /t 下降至409kg /t，节焦19kg /t。当煤比继续上升时，出现了顺行不稳、渣中含C 量增加的情况，可能为风温偏低、供氧量不足等原因所致。配煤增益为

式中: M₁ 为原煤粉喷吹量，kg /t; P_m1为原煤粉价格，元/t; M_J1为节焦量，kg /t; P_k 为焦炭价格，元/t; M 为配煤煤粉喷吹量，kg /t; P_m 配煤煤粉价格，元/t。

根据厂方2011 年11 月报表数据，焦炭价格为1800 元/t。对该高炉计算可得:

5 富氧率

该高炉采用混合配煤优化方案喷吹后，煤比从90kg /t 上升至114 kg /t，但仍低于全国平均水平。为了进一步提高喷煤量，采用富氧喷煤技术。合理的富氧率不仅能有效提高喷煤燃烧效率，而且可适当降低耗氧成本。

5. 1 富氧率

在一定富氧和配煤条件下，保证高炉适宜理论燃烧温度的富氧率为f₀^［12］。

f₀ = ( a － 0. 21) V₀ /V           ( 3)

式中: a 为氧气纯度，%; V₀ 为小时富氧量，m³ /h; V 为小时鼓风量，m³ /h。

对C 种配煤方案，利用参考文献^［12］ 中的经验公式计算可得V0 = 1164m³ /h。

又V₀ = 1164m³ /h，V = 74500m³ /h，a =99%，则适宜富氧率f₀ = 1. 56%。

5. 2 临界富氧率

式中: R 为煤焦置换比; P_o 为氧气价格，元/m³ ; η为高炉利用系数，t /( m³·d) ; VBF为高炉有效容积，m³ ; PPI为吨铁利润，元/t; η₀ 不富氧时高炉利用系数，t /( m³·d) 。

该高炉设计有效容积为380m³，煤焦置换比为0. 75，氧气价格为0. 8 元/m³，吨铁利润180元/t，富氧后煤焦置换比为0. 75，喷煤量为141kg /t，不富氧高炉利用系数为3. 23 t /( m³·d) 。

富氧后高炉利用系数:

此富氧率即为煤比M、置换比R 时相应操作条件下的高炉富氧增益的临界富氧率，计算得fl =2. 60%。

5. 3 氧过剩系数

碳的气化速度与气相中氧浓度成正比，提高氧过剩系数可以加速煤粉燃烧，提高理论燃烧温度^［3］。适宜的氧过剩系数不低于1. 15。氧过剩系数可以通过以下经验公式计算^［3］。

式中: V 为风量，m³ /h; O₂ 为鼓风含氧量，%;M 为煤粉量，kg /h; O_m 为煤粉完全燃烧时的理论耗氧量，m³ /kg; n₁ 为送风口数量; n₂ 为燃料喷口数量。

该高炉风口数与喷煤口数量相等:

高炉中氧浓度提高可以促进氧向碳表面传递，加快反应速度，置换比大。此次技改建议的氧过剩系数略高于1. 15，符合理论要求。

最后通过计算得到最适宜富氧率为1. 14%，通过工业实验，富氧量稳定在1164m³ /h 左右。此时喷煤量进一步上升至141kg /t，基本达到全国平均水平。该工艺条件下，其临界富氧率为2. 60%，氧过剩系数为1. 29。

6 结论

( 1) 经配煤性能分析及方案优化后，煤比由原煤粉的90kg /t 上升至114kg /t，焦比下降19kg /t。

( 2) 当前价格水平下，高炉喷吹混合煤适宜富氧率为1. 56%，临界富氧率为2. 60%，氧过剩系数为1. 29。

( 3) 通过煤粉配制以及富氧鼓风，提高了高炉操作水平，铁水含S 量降低，渣流动性也有所改善。同时降低了生产成本，吨铁增益37. 77 元。技改后喷煤量为141kg /t，达到全国基本水平。

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