胡俊鴿，郭艷玲，周文濤

（鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

國內(nèi)外鋼鐵市場非常嚴酷，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)保法的實施，對鋼鐵企業(yè)現(xiàn)行生產(chǎn)和以后的發(fā)展將會產(chǎn)生重大影響。鐵前工序承擔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。

1 國內(nèi)外高爐噴煤比現(xiàn)狀

1.1 國外高爐噴煤比現(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號高爐（內(nèi)容積4300 m3）2011年的噴煤比達 189 kg/t。

韓國浦項鋼鐵的高爐近年噴煤比達到了較高的水平，2013年浦項廠平均噴煤比為178.7 kg/t，光陽廠平均噴煤比為169.6 kg/t。

歐洲各國主要高爐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號高爐曾長期保持年平均噴煤比達235.1 kg/t的水平，且對應(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。

國外鋼鐵企業(yè)很重視在提高噴煤比同時，保持較低的燃料比和焦比，因為只有這樣才能實現(xiàn)生產(chǎn)成本的降低。國外部分高爐低燃料比下的平均噴煤比見表1［1-3］。

表1 國外部分高爐低燃料比下的平均噴煤比

1.2 我國高爐噴煤比現(xiàn)狀

我國鋼鐵企業(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，寶鋼過去曾實現(xiàn)了高爐噴煤比長期保持在200 kg/t以上的水平。

我國鋼鐵企業(yè)經(jīng)過長期生產(chǎn)實踐發(fā)現(xiàn)，只有高爐在經(jīng)濟噴煤比下才具有較好的效益。經(jīng)濟噴煤比也可理解為合理噴煤比，意味著任何時候高爐噴煤比都應(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)濟噴煤比都不相同。近年來，我國一些鋼鐵公司對經(jīng)濟噴煤比進行了一些探討［4-6］。目前，我國寶鋼、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)濟指標。

在保證經(jīng)濟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溫、高富氧作前提。國內(nèi)煉鐵專家［7］通過對經(jīng)濟噴煤比的研究，提出大噴煤的必要條件包括：低渣比；高風溫和高富氧；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)

目前我國大部分鋼鐵企業(yè)普遍采用煙煤與無煙煤搭配的方式進行高爐煤粉噴吹，其目的是為了通過燃燒性較好的煙煤來促進無煙煤的燃燒，同時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)在進行配煤研究時，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各單種煤的燃燒性和煤中有機官能團進行了分析，同時也對不同混合煤的燃燒性能進行了研究。研究結(jié)果表明［8］，不同單種煤的官能團是不同的，煤中-OH官能團數(shù)量隨著煤化度的加深而減少，-CH3官能團數(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無煙煤的助燃作用更強，官能團結(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 煤粉預熱技術(shù)

煤粉在噴吹之前進行預熱可提高噴煤率。煤粉噴吹前進行預熱可把一部分顯熱帶進高爐，使煤粉顆粒短時間內(nèi)達到點火溫度，加速煤粉在風口和回旋區(qū)的氣化和燃燒。蒂森克虜伯采用德國科特納公司煤粉預熱技術(shù)為其施韋爾根1號高爐（4407 m3）建一煤粉預熱車間，利用熱風爐廢氣余熱，通過特殊的熱交換器傳遞給煤粉。該車間已運行了14年。2000年初，在施韋爾根1號高爐20個風口（該高爐共有40個風口）進行了噴吹預熱煤粉的試驗，試驗期間，在高利用系數(shù)水平下，焦比降到了280 kg/t以下，煤比達到了190 kg/t。2011年，在風溫只有1 096℃、鼓風中含氧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 71.5 kg/t），燃料比為 498.5 kg/t，獲得了較好的技術(shù)經(jīng)濟指標。

2.1.3 氧煤同軸噴槍技術(shù)

氧煤同軸噴槍技術(shù)即氧氣單獨從煤槍外管噴入，煤粉走內(nèi)管，煤粉在進入高爐風口之前不與氧氣接觸。采用氧煤同軸噴槍技術(shù)可以使煤粉的點燃在煤槍的前端開始，而不像傳統(tǒng)的那樣在回旋區(qū)進行；煤粉到達風口前端時已幾乎燃盡，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火溫度，加速煤粒氣化；這樣，煤粒進入風口后短時間內(nèi)快速氣化，溫度快速升高到點火溫度?？铺丶{公司對該技術(shù)進行了工業(yè)試驗和經(jīng)濟性研究。

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

科特納公司使用物理模型和計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%，而不會對高爐生產(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?？梢姡褂眠@種技術(shù)后，煤粉的著火點較低，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?shù)睦碚撊紵郎囟群蜖t腹煤氣量等，這些技術(shù)已有很多文獻進行了介紹，在此只介紹活化高爐爐缸死料柱的技術(shù)。

高爐噴煤時死料柱的透氣性和透液性對高爐操作具有重要影響。高爐噴煤時，未燃盡的煤粉在回旋區(qū)停留時間很短，最終大部分積聚在回旋區(qū)邊緣“鳥巢”處?！傍B巢”的存在妨礙煤氣流進入死料柱，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，對高爐下部透氣性影響越嚴重。為了保持高爐長期穩(wěn)定操作，需要消除“鳥巢”現(xiàn)象，目前根據(jù)報道，有以下技術(shù)措施。

2.2.1 向死料柱吹熱風

通過向死料柱噴吹熱風，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，同時還可提高死料柱溫度，提高其透氣性。浦項、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時采用，休風時從風口向死料柱插入噴氣管噴吹熱風。在休風前減輕焦炭負荷，以便休風時擴大高溫區(qū)范圍，有利于休風時使死料柱焦層 “活化”。JFE在內(nèi)容積2584 m3高爐的試驗發(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

浦項曾采用過這樣的方法，在計劃休風期間，使用“鳥巢”搗碎機，有目的地使“鳥巢”破碎，并且在復風時，堵塞一半風口，把風速提高到400 m/s以上至少3 h。

2.2.3 向死料柱吹氧

最近，韓國浦項鋼鐵公司開發(fā)了簡單易行的消除“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)試驗是在光陽3號高爐（內(nèi)容積4600 m3、爐缸直徑14.3 m、有40個風口）進行的，試驗使用的氧氣囊含有30 cm3的液態(tài)氧，完成了單風口和多風口噴吹兩種試驗。工業(yè)試驗期間停止了噴煤，采用“氧氣囊”噴射器，在氣壓達12 MPa時通過噴煤槍把“氧氣囊”噴進回旋區(qū)，再把氧氣滲透至“鳥巢”。

在高爐單風口試驗中選擇了5號風口。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，5號風口回旋區(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”。在多風口試驗中，選擇風量相對較小的20、22號和25號風口噴吹氧氣囊。試驗結(jié)果表明，噴吹“氧氣囊”后這3個風口的風量明顯比其它風口風量增大，表明這3個風口前回旋區(qū)的透氣性得到了改善，由此推測，采用該技術(shù)后可使高爐內(nèi)圓周方向的風量更加均勻。

3 高爐噴煤技術(shù)的長期發(fā)展方向

因為磨煤制粉和噴吹工序能耗及成本比煉焦工序低得多，再加上主焦煤價格較高及其資源短缺的趨勢以及環(huán)保的需要，所以，進一步提高噴煤比是高爐煉鐵的發(fā)展方向。國內(nèi)外先進鋼鐵企業(yè)發(fā)展的目標是，把噴煤比提高至200 kg/t或200 kg/t以上的同時，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期保持噴煤比在200 kg/t及以上，同時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是高富氧，而寶鋼高爐大噴煤成功的原因中，長期穩(wěn)定的高風溫起著舉足輕重的作用。

噴煤時提高風溫和鼓風富氧率既可以對爐缸進行熱補償，又可以提高煤粉在風口前的燃燒率，高風溫和高富氧也是應(yīng)對大噴煤時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。而實際鋼鐵企業(yè)為了降低成本常把鼓風富氧量控制在較低水平，風溫水平達不到要求。

3.1 進一步提高風溫的局限性

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

風溫的提高是有限度的，因為受熱風爐燒爐熱源的影響很大。根據(jù)目前鋼鐵廠的實際情況，熱風爐用高溫熱源不足，再加上高爐低焦比的發(fā)展趨勢，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、對助燃空氣和煤氣預熱、富氧燒爐等技術(shù)。在我國，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)，使風溫長期穩(wěn)定在1 250℃左右，最高達1 280℃。首鋼利用2次預熱助燃空氣和1次預熱高爐煤氣及提高拱頂溫度等措施，使風溫長期保持在1 200℃以上，首鋼京唐1號高爐（5500 m3）最高風溫曾達1 300℃。

另外，風溫也受熱風爐本體結(jié)構(gòu)的限制。國內(nèi)外鋼鐵廠的熱風爐，其設(shè)計風溫一般都不超過1 300℃；外燃式為1 250℃，高者達1 280℃；頂燃式為1 300℃。

綜合上述情況，先進的高風溫一般為1250～1 300℃，進一步提高風溫的潛力十分有限。

3.2 高煤比技術(shù)的長期發(fā)展方向

塔塔鋼鐵歐洲分公司的高爐煉鐵專家與達涅利以及Geerdes&Partners BV等合作，對低成本高爐煉鐵的未來發(fā)展進行了研究，認為高爐噴煤比還遠未達到極限量，提高噴煤比可以進一步降低鐵水成本，追求的目標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，對如何同時實現(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)進行了研究，發(fā)現(xiàn)高富氧是有效的技術(shù)措施。

研究認為［12］，對于噴煤比為 200 kg/t左右的高爐，如果風溫能達1 200℃，通常鼓風富氧率為7%～8%就夠了，此時煤粉在風口循環(huán)區(qū)基本燃盡。如果要進一步提高噴煤比，譬如，噴煤比達250 kg/t以上，必須進一步提高富氧率，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，其制得的氧氣純度可以降低。艾莫伊登煉鐵專家對其6號高爐研究后認為，其6號高爐在風量6 000～6 400 m3/min、風中含氧34%～40%即富氧率13%～19%情況下，噴煤比可控制在230～260 kg/t；維持鼓風濕分在 10～15 g/m3，控制風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，但對風溫的要求降低。表2［12］表示當前和將來的高爐煉鐵工藝參數(shù)及技術(shù)指標計算值。

對于高爐煉鐵富氧鼓風所用的氧，我國高爐煉鐵專家認為［13］，其氧含量在85%～90%即可。這個濃度的氧，采用變壓吸附制氧設(shè)備是最經(jīng)濟、最合理的?，F(xiàn)在，我國已擁有自主知識產(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 當前和未來的高爐煉鐵工藝參數(shù)及技術(shù)指標計算值

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

該工藝還對減少CO2排放很有益，因為在把高爐煤氣送進燃氣渦輪機發(fā)電前，需要壓縮，這時脫除CO2是非常高效的。

4 結(jié)語

提煤降焦是當前形勢發(fā)展的要求。在原燃料質(zhì)量、風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易于實施。

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