王广伟，曾宇，张建良，姜喆，滕海鹏，张楠，张翠柳

（1.北京科技大学冶金与生态工程学院，北京100083；2.鞍钢股份有限公司炼铁总厂，辽宁 鞍山 114021；3.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009）

高炉喷吹煤粉作为炼铁过程中节能降焦、调节炉况的重要手段之一，已被广泛应用于国内外高炉生产。但受限于环境问题，炼铁行业的煤炭产量大幅缩减。与此同时，我国钢铁产量一直居高不下，2019年粗钢产量达到9.96亿t，同比增长8.3%；生铁产量为8.09亿t，同比增长5.3%。而铁前系统能源消耗及温室气体排放量占整个钢铁行业的70%左右，迫于节能减排双重压力，高炉喷吹煤粉优化搭配得到越来越多钢铁企业的关注。目前，国内外高炉混煤喷吹标准参差不齐，仅需在确保无爆炸性的条件下，根据不同煤种的工业分析结果进行简单混合。其中钢铁企业采用的较为广泛的做法是将烟煤和无烟煤进行混合喷吹，目的是利用烟煤燃烧性好的特点来促进无烟煤在风口回旋区的燃烧。

孔德文等人对不同煤粉混合燃烧特性的研究结果表明，无烟煤、贫瘦煤中添加烟煤后，混煤在风口回旋区的燃烧率提高，而烟煤对无烟煤燃烧性能的改善主要体现在挥发分的析出阶段。冯帅通过粉煤燃烧装置研究了混煤优化搭配后对燃烧率的影响规律，结果表明随着烟煤添加比例的提高，混煤的燃烧率逐渐上升，这是因为烟煤挥发分的释放为碳素燃烧提供了充足的热量，从而对混煤的燃烧起到了促进作用。李昊堃等人研究了高炉喷吹煤粉在高炉内的有效利用情况，结果表明利用煤粉在风口前不完全燃烧释放发热量的有效热值能够更优的评价煤粉使用价值，以新的评价方法为指导进行了喷吹煤结构的调整，达到了提高喷吹煤粉利用率和降低燃料比的目的。

现阶段，鞍钢高炉喷吹煤粉搭配比例主要为49%烟煤、46%无烟煤以及5%焦化除尘灰。然而，随着高炉喷吹煤比以及高炉操作水平的提升，混煤方案需要更细致的优化。在高炉实际生产过程中，现场煤种较为繁杂，优化配煤较为困难。针对这一问题，常用方法是先对单种煤的挥发分、灰分、着火点、爆炸性、燃烧性和反应性等煤粉高炉喷吹指标进行基础研究，再根据单种煤的性能进行合理分析搭配，保证混煤高炉喷吹的安全性、热量供应以及经济效益。本文基于目前鞍钢高炉喷吹使用的烟煤和无烟煤，通过实验室配煤研究手段，对煤粉进行高炉喷吹指标分析。通过研究煤粉的工业分析、元素分析、发热值、着火点、爆炸性以及燃烧性能等，对混煤进行了客观性能评价，从而为鞍钢高炉配煤喷吹生产提供有效指导。

1 实验部分

1.1 实验样品

实验研究的样品为鞍钢高炉现阶段喷吹使用的金帛湾烟煤、阳泉无烟煤和张台子无烟煤，为方便在文中讨论，金帛湾烟煤简称为烟煤，两种无烟煤分别命名为1无烟煤和2无烟煤，三种煤粉的工业分析、元素分析及发热值结果如表1所示。

表1 三种煤粉的工业分析、元素分析及发热值结果Table 1 Results of Proximate Analysis,Elemental Analysis and Calorific Values of Three Kinds of Pulverized Coal

从表1可以看出，鞍钢使用烟煤的水分含量较高，会增加制粉成本，降低产量；灰分和硫含量较低，挥发分含量较高，发热值较低。1、2无烟煤的挥发分含量较低，固定碳含量和发热值较高，且2无烟煤的灰分含量较高。另外，值得注意的是，两种无烟煤中硫含量都较高，使用过程中应关注硫负荷增加对铁水质量的影响。

1.2 配煤方案

挥发分含量是高炉喷煤优化搭配的重要参考指标，挥发分含量低有利于提高喷吹煤粉和焦炭的置换比，但煤粉在风口前燃烧率不高，大喷煤条件下容易生成过多的未燃煤粉，进而影响高炉生产的稳定和顺行；挥发分含量过高，为了确保生产过程的安全，需对制粉、输送和喷吹设备提出较高的氧含量和温度控制要求。因此，单独将无烟煤和烟煤应用到高炉喷吹，经济性和安全性难以同时兼顾。目前，鞍钢大高炉风口前喷吹混煤的挥发分含量约为21%，因此，以挥发分21%为基础进行配煤实验，通过研究比较不同挥发分含量条件下混煤的着火点、爆炸性、燃烧性等指标，确定更优的高炉喷吹混煤的配煤方案。

在实验方案设计过程中控制混煤的挥发分含量，使其分别为19%、20%、21%、22%和23%，在5种不同挥发分含量下，烟煤分别与1、2无烟煤进行混合搭配。不同配煤方案中各煤种的比例如表2所示。从表2可以看出，随着混煤挥发分含量的增加，烟煤的配比不断提高。

表2 不同配煤方案中各煤种的比例（质量分数）Table 2 Proportions （Mass Fraction）of Various Coal in Different Coal Blending Schemes %

1.3 实验方法与设备

取粒度在0.074 mm以下的煤粉作为实验样品。采用长管式煤粉爆炸性测定装置对喷吹煤粉的爆炸性进行检测，具体装置如图1所示。

图1 长管式煤粉爆炸性测定装置Fig.1 Long-tube Measuring Device for Explosibility of Pulverized Coal

称取1 g煤粉样品放置于喷枪中，检测时利用压缩空气将喷枪中的煤粉喷入石英玻璃管内，当煤粉云团接触到1 050℃的火源时会被快速引燃，通过摄像机抓拍石英管中返回火焰的长度，以返回火焰的长度值表示煤粉的爆炸性。若仅在火源处出现稀少的火星或无火星，则该煤粉样品无爆炸性；若产生火焰并长度小于400 mm，则该煤粉样品有弱爆炸性；若返回火焰大于400 mm，则该煤粉具有强爆炸性。

喷吹煤粉着火点测定装置如图2所示。将煤粉样品和NaNO以质量比4:3的比例混匀后置于微型电炉的铂片上的凹槽内，煤粉在凹槽中装满抹平后通电加热，随着温度的逐渐升高，煤粉样品开始冒烟并着火，采用光电管和微机系统观察样品的着火状态，测定着火温度。

图2 喷吹煤粉着火点测定装置Fig.2 Measuring Device for Ignition Point of Pulverized Coal Injection

采用北京恒久光学仪器公司生产的热重分析仪（HTC-1）分析不同煤粉样品的燃烧性能。首先取约5 mg煤粉样品盛装于规格为

Φ

5 mm×3 mm的氧化铝坩埚中，然后将坩埚置于105℃烘箱中烘干4 h，以脱除煤样中的外水。为了保证煤粉样品的充分燃烧，反应过程中通入60 mL/min空气，样品加热的升温速率为20℃/min。混煤燃烧转化率（

x

）曲线以及转化速率（d

x

/d

t

）曲线可以利用热重设备自动读取的数据绘制而得。煤粉燃烧转化率的计算公式见式（1）。

式中，

m

为煤粉样品初始质量，mg；

m

为燃烧进行到t时刻的混煤质量，mg；

m

为燃烧结束后的质量，mg。

2 结果与讨论

2.1 混煤工业分析、元素分析

由于煤粉化学成分结果具有加和性，本研究中混煤的工业分析、元素分析和发热值结果采用加权平均的方式计算获得，具体如表3所示。

表3 混煤工业分析、元素分析及发热值结果Table 3 Results of Proximate Analysis,Elemental Analysis and Calorific Value of Blended Coal

从表3可以看出，随着烟煤比例逐渐增加，混煤中灰分和固定碳的含量逐渐降低。方案2煤样的灰分含量最高，达到了8.17%；方案9煤样的灰分含量最低，仅为5.80%，较低的灰分含量能够减少渣量，对提高喷煤比和降低燃料比具有积极的作用。比较分析不同样品中硫元素的含量发现，各方案中混煤硫含量在0.60%～0.73%范围，均低于目前鞍钢高炉使用焦炭中的硫含量，满足高炉喷吹煤粉技术对硫含量的要求。高炉冶炼过程中的硫主要由燃料带入，降低喷吹煤种硫含量，能够减少高炉硫负荷，对于改善铁水质量和降低脱硫燃料消耗具有重要意义。另外，随着烟煤配比的增加，混煤的发热值逐渐降低。高炉喷吹煤粉要求有较高的发热值为高炉冶炼过程中矿石的还原和渣铁的熔化提供足够的热量，较低的发热值会造成喷吹煤粉与焦炭的置换比降低，进而会引起燃料比的升高。为保证鞍钢高炉喷吹煤粉保持较高的煤焦置换比，1无烟煤与烟煤进行混煤时无烟煤的占比不宜低于40%，2无烟煤与烟煤进行混煤时无烟煤的占比不宜低于42%。

2.2 混煤爆炸性、着火点

为了明晰制粉和喷吹过程的安全性，对不同样品进行了爆炸性测定。测定结果表明，烟煤返回火焰长度超过800 mm，具有较强的爆炸性，无烟煤没有爆炸性，10种混煤方案制备出的混煤样品亦无爆炸性，说明无烟煤的添加抑制了混合煤的爆炸性，本研究中所有混煤方案都可以保证制粉和喷吹生产过程的安全。

在上述研究基础上对不同混煤方案着火点进行测量，结果如图3所示。

图3 不同混煤方案着火点变化曲线Fig.3 Change Curves of Ignition Points by Different Coal Blending Schemes

从图3可以看出，随着混煤挥发分含量的增加，煤粉样品着火点明显降低，主要原因是烟煤中挥发分在较低温度条件下热解释放，与空气中的氧发生氧化反应释放热量，促进了无烟煤的着火和燃烧。当烟煤添加比例从60%（方案7）升高到65%（方案9）时，混煤着火点降低幅度最大；当烟煤添加比例从53%（方案4）增加到66%（方案10）时，混煤的着火点从344.2℃降低到333.2℃；且随着挥发分的阶梯式递增，混煤着火点降低的趋势相对比较均匀。10种方案中混煤的着火点都在330℃以上，能够保证储运和制粉过程的安全，同时喷吹到高炉风口的混煤也能快速着火燃烧，提高了喷吹煤粉在风口回旋区的燃烧率。

2.3 燃烧性能分析

2.3.1 烟煤和1无烟煤混合燃烧性能分析

利用热重分析仪对不同混煤样品的燃烧性进行分析。烟煤和1无烟煤的混煤燃烧曲线如图4所示。从图4可以看出，不同配煤方案条件下，混煤的燃烧失重曲线形状类似，但也存在着明显的差异。整体来看，混煤的燃烧曲线可以分为四个阶段，第一阶段为室温至350℃左右，煤粉样品燃烧反应曲线基本保持不变，为样品的预热阶段，在此阶段中仅有少量的水分析出；第二阶段是350～520℃，混煤样品快速失重，为样品着火燃烧阶段，在转化速率曲线中显现出明显的峰值，此阶段燃烧失重主要由混煤中烟煤的燃烧造成；第三阶段在520～650℃，此阶段烟煤已经燃烧殆尽，无烟煤开始着火和快速燃烧，在燃烧速率曲线中显示为第二个明显的峰值；第四阶段温度超过650℃，此时样品已经燃烧完全，为燃尽阶段，残留物主要为灰分。同时，随着烟煤添加比例的增大，燃烧转化率曲线明显向左偏移，燃烧特征温度参数降低，混煤的着火性能和燃尽性能得到改善。且通过转化速率曲线可以看出，随着烟煤添加比例的升高，第二阶段转化速率峰值逐渐升高，第三阶段转化速率峰值相应减弱。

图4 烟煤和1#无烟煤的混煤燃烧曲线Fig.4 Combustion Curves of Coal Blended by Bituminous Coal and No.1 Anthracite Coal

为了进一步定量研究不同烟煤添加配比对混煤燃烧性能的影响规律，引用综合燃烧特性指数

S

（s·℃）来比较不同混煤方案燃烧性能的优劣。

式中，

R

为最大燃烧转化速率，s；

R

为平均燃烧转化速率，s；

T

为开始着火温度（失重5%时对应的温度），℃；

T

为燃尽温度 （失重95%时对应的温度），℃。烟煤和1无烟煤混合的燃烧特征参数如表4所示，可以看出，随着烟煤添加比例的升高，混煤的开始燃烧温度以及燃尽温度都有所降低，从而说明烟煤添加比例增加更有利于混煤在低温区完成燃烧。通过比较不同样品综合燃烧特性指数

S

值发现，随着烟煤含量的增加，

S

值先降低后增加，在混煤挥发分含量为20%时 （方案3），

S

值最低，仅为 3.85×10s·℃。

表4 烟煤和1#无烟煤混合的燃烧特征参数Table 4 Parameters for Combustion Characteristics of Mixture of Bituminous Coal and No.1 Anthracite Coal

2.3.2 烟煤和2无烟煤混合燃烧性能分析

烟煤和2无烟煤的混煤燃烧曲线如图5所示，烟煤和2无烟煤混合的燃烧特征参数如表5所示。从图5可以看出，烟煤和2无烟煤的混煤燃烧性变化规律与图4基本一致。结合表5的综合燃烧特征参数可以看出，除方案6外，烟煤和2无烟煤混煤的综合燃烧特性指数逐渐增大，但与表4对比发现，在挥发分质量分数为19%、21%、23%条件下，烟煤和2无烟煤的混煤综合燃烧特性指数值均低于烟煤和1无烟煤的混煤。可见，1无烟煤与烟煤的混煤燃烧时具有较好的燃烧性能，进行高炉喷吹的效果要优于2无烟煤与烟煤的混煤。

图5 烟煤和2#无烟煤的混合燃烧曲线Fig.5 Combustion Curves of Coal Blended by Bituminous Coal and No.2 Anthracite Coal

表5 烟煤和2#无烟煤混合的燃烧特征参数Table 5 Parameters for Combustion Characteristics of Mixture of Bituminous Coal and No.2 Anthracite Coal

结合上述各分析结果，在保证混煤具有足够的发热值及较好的燃烧性能基础上得出，选用烟煤和1无烟煤混煤进行喷吹时，挥发分含量控制在22%（方案7）时最优，此时烟煤的配比为60%，1无烟煤的配比为40%；选用烟煤和2无烟煤进行喷吹时，挥发分含量控制在20%时（方案4）最优，此时烟煤的配比为53%，2无烟煤的配比为47%。对比两种方案，方案7具有较高的碳含量、低的硫含量以及高的综合燃烧性能，即1无烟煤混煤的燃烧性能优于2无烟煤混煤。

3 结论

（1）本研究系统分析了鞍钢高炉煤粉进行高炉喷吹的基础性能和工艺性能，结果表明，鞍钢高炉使用的烟煤具有较低的灰分和硫含量，并且具有较好的燃烧性能，但发热值较低，两种无烟煤具有较高的固定碳含量和发热值，但其灰分和硫含量较高，且燃烧性能较差。无烟煤和烟煤都不宜单独进行高炉喷吹。

（2）混煤实验表明，烟煤与无烟煤混合搭配能够抑制混煤的爆炸性，降低着火温度和改善燃烧性能。综合考虑成分、热值以及燃烧性能的影响，两种无烟煤最优化搭配分别为60%烟煤+40%1无烟煤和53%烟煤+47%2无烟煤两种方案进行高炉喷吹，其中前者进行高炉喷吹的燃烧性能要优于后者。