「輕說」高爐噴煤技術的演變和類型

來自專欄鋼鐵精英

煉鐵行業的人都知道，國內高爐絕大部分噴吹煤粉，寶鋼、首鋼、太鋼、河鋼等先進鋼鐵企業高爐噴煤量最高可以達到200kg以上，近年來部分高爐噴煤量有所降低。高爐為什麼要噴煤？高爐噴煤技術從什麼時候開始的？經歷了什麼樣的改進？噴煤有哪些類型？高爐噴煤的極限在哪裡？大家跟隨小標來了解一下。如您需要下載原文，請關注「鋼鐵精英」並回復「PCI」下載。如您希望加入「鋼鐵精英群」討論實時熱點技術問題或者實際生產問題，請加小編微信：xie215727208。

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1 概述

世界焦煤儲量僅占煤炭總儲量的10%;我國煉焦煤儲量據1990年統計約佔總儲量的28%,而主焦煤儲量約佔總儲量的6%。優質焦煤少且分布不平衡。高爐噴吹煤粉則是部分替代焦炭的「提供熱量」及「還原劑和滲碳劑」,即以價格低廉的煤粉部分替代價格日趨昂貴的冶金焦炭,以緩解因煉焦用主焦煤匱乏所造成的冶金焦產量漸顯不足的矛盾,最終降低高爐煉鐵焦比和生鐵成本。

煤粉加工方便，不必建造造價昂貴的焦爐，節省了建設投資和建廠佔地。煉焦必須以煉焦煤為主原料，噴煤則可不受煤種限制，使有限的煉焦煤資源得到了合理利用。噴煤後，高爐可用煤粉調劑爐溫，操作方便又經濟。高爐噴煤的這些優點已被全世界鋼鐵產業所公認，成為現代高爐冶煉的重大技術進步。目前世界上90%以上的生鐵是在噴煤高爐上生產出來的。

2 噴煤技術的發展史

2.1國外噴煤技術發展史

世界最早的高爐噴吹粉狀燃料的工業應用是1840—1845年在法國布洛涅附近的馬恩省煉鐵廠高爐噴吹木炭屑開始的。此後歷經100多年斷斷續續的試驗，到20世紀50年代，高爐噴吹燃料才開始步入工業規模。1966年美國Armco公司Ashland廠Bellefonte高爐(1488m3)開始噴煤，1973年又在該廠Amanda高爐(2039m3)開始噴煤。然而由於當時國際油價便宜，噴油工藝簡單，投資少，因而噴煤技術未得到廣泛推廣。有資料表明:1960—1968年期間，國外有19座高爐噴吹過煤粉。但到1971年僅有5套噴煤裝置在工作(3套在美國，1套在法國，1套在英國)。大部分噴煤裝置停止使用的原因或是由於向爐內輸送煤粉有許多當時難以克服的困難，或是噴煤後高爐爐況不佳，或是出於經濟上的原因。20世紀20年代，德國加里堡冶金工廠進行了向爐缸噴吹粉狀燃料的試驗。1927年在試驗基礎上，專家得出了否定高爐噴煤的結論意見，同時認為高爐噴吹髮生爐煤氣也是沒有前途的。1965年，前蘇聯首個噴煤裝置在卡特干達鋼鐵廠1719m3高爐投入使用，向高爐噴吹了灰分質量分數為32%～40%的動力煤。經過15個高爐操作周期(每個周期4～7天)不間斷噴煤，在相同冶煉條件下，取得了煤焦置換比0.625、高爐增產0.5%～1.5%的效果。此後，前蘇聯的西西北利亞鋼鐵廠2000m3高爐、扎波羅熱鋼鐵廠1300m3高爐和頓巴斯工廠700m3高爐也相繼進行了較大規模和較長時間的高爐噴煤試驗和工業應用。1973年發生了第一次世界石油危機，原油價格一年內暴漲數倍，迫使國外高爐紛紛停止噴油改用全焦冶煉，導致鐵水成本上升，增產受到限制。1979年又發生第二次世界石油危機，導致世界範圍內逐步停止高爐噴油技術。為了避免全焦操作的弊端，大批國外高爐開始採用噴煤技術。1980年西歐首座高爐開始噴吹煤粉，1981年日本首座高爐(新日鐵大分廠1號高爐4158m3)開始採用噴煤技術，1982年8月，日本42座高爐全部改為噴煤操作。進入20世紀90年代，西歐、美國、日本的一批焦爐開始老化，由於環保和投資等原因，難以新建和改造焦爐。為了保持原有的鋼鐵產能，必須大幅降低焦耗，噴煤成為彌補焦炭不足的主要技術措施。而且，煉焦煤資源日益短缺，全世界都感受到了煉焦煤資源的危機。因此，增加噴煤以煤代焦已成為高爐技術發展的必然趨勢，並且發展日益加速。到20世紀90年代初期，西歐德國、英國、荷蘭部分高爐煤比已達到或超過200kg/t。隨後亞洲日本高爐也進入了高煤比行列，1995年日本高爐平均煤比達到100kg/t，1998年平均煤比達到130kg/t。1991年日本全國噴煤總量是600萬t，占當年世界噴煤總量1750萬t的35%。國外高爐噴煤最好記錄是1998年6月日本JFE福山廠3號高爐(3223m3)的月均煤比266kg/t，焦比289kg/t，噴煤率47.9%。

2.2國內噴煤技術發展史

我國鞍鋼、首鋼從1964年開始高爐噴煤，是世界上開發應用高爐噴煤技術最早的國家之一。1964年4月23日，鞍鋼首次在8號高爐噴吹煙煤。因發生爆炸事故，高爐噴煤一度中斷。1966年鞍鋼5座高爐同時開始噴吹無煙煤。首鋼1964年4月30日在1號高爐(576m3)進行了噴吹無煙煤試驗，1965年10月，在無富氧情況下，噴煤率達到30%以上，創造了當時國內外噴煤工業試驗的最好成績。經過調整高爐操作，首鋼於1966年進行了大噴煤試驗，1月3座高爐都開始噴吹無煙煤。當年該廠在入爐品位52.15%、渣量512kg/t、風溫1092℃條件下，煤比達到159kg/t、噴煤率達25.4%，其中1號爐在入爐品位51.8%、渣量569kg/t、風溫1105℃條件下，煤比達到225kg/t、噴煤率達35.21%。1966年4月，煤比達到279kg/t，焦比336kg/t，置換比0.804，噴煤率為45.4%。這些指標在當時處於世界領先地位，故而斐聲中外，名噪一時。這一階段的特點是全部噴吹無煙煤，而且大多為山西陽泉無煙煤。由於供應緊張，高爐都噴吹未洗原煤，有的灰分高達20%以上，置換比很低，加之風溫低、無富氧，全國重點企業的平均煤比在60kg/t以下徘徊了十幾年，企業都以產量為中心，噴煤積極性不高。首鋼、鞍鋼噴煤成功之後，武鋼、太鋼、本鋼等企業都開始噴煤工業生產。上世紀80年代以前，我國在噴煤高爐數量和噴煤比上均處於國際領先水平。。1990年鞍鋼噴吹煙煤獲得成功，寶鋼2號高爐引進了噴吹煙煤安全技術。此後，一些高爐開始噴吹煙煤或混合煤，使噴吹煙煤或混合煤的企業逐漸增加。這一階段因進口礦大增，我國重點企業高爐入爐品位上升，風溫提高，原燃料條件逐步改善，新型煤粉、噴吹工藝的形成和改善及高爐裝備水平的提高，促進了煤比指標不斷刷新。1999年，我國重點企業平均煤比首次超過100kg/t，達到114kg/t。1999年6月，寶鋼1號高爐月均煤比260.6kg/t、噴煤率51%，至今仍是我國大型高爐噴煤的月度最好記錄。2000年以後，這一時期，世界石油價格保持高位震蕩，全球能源供求矛盾尖銳，以及我國節能政策的逐步落實，我國煤焦價格逐漸與國際接軌，高爐噴煤效益大幅提高，使我國高爐噴煤進入了一個嶄新的發展階段。隨著淘汰落後和高爐大型化進程的加快，國內新建或擬建高爐的設計噴煤量大多在200kg/t以上(見表1)。2010年，我國重點企業高爐平均噴煤量達到149kg/t。

表 國內部分高爐設計煤比及工藝

鞍鋼高爐噴煤流程

3 噴煤技術類型

根據不同的設備結構和組合，目前有以下7種較成熟的噴煤生產流程:

(1)德國kuttner流程：煤粉罐、中間罐、噴吹罐三罐串接→流化小罐→噴吹支管→噴槍,支管上裝有流量計和二次風入口。今年發展的新流程是:煤粉倉→並列噴吹罐→流化小罐→總管→分配器→支管→氧煤噴槍。

(2)美國Armco流程：煤粉倉→並列噴吹罐→總管→分配器→支管→常規噴槍

(3)日本住友流程：煤粉倉→並列噴吹罐→旋轉給料器→噴吹小罐→總管→第一分配器→第二分配器→支管→噴槍。

(4)日本川崎流程：煤粉罐、中間罐、噴吹罐三罐串接→多支管→噴槍

(5)盧森堡Paulwurth流程：與kuttner流程較為類似，在細節上有所區別。老流程中PW用旋轉給料器代替了Kuttner的流化小罐;新流程中用聲納管代替了陰損管,用流化噴嘴代替了流化罐,並增設泄壓氣回收裝置等。

(6)混合型流程：煤粉罐、中間罐、噴吹罐三罐串接→總管→分配器→支管→噴槍。

(7)英鋼聯粒煤噴吹流程：煤粉倉、中間罐、噴煤泵三罐串接→總管→分配器→支管→噴槍

上述各流程均有噴吹量200kg/t的能力和業績，但近年來新建噴煤裝置採用較多的流程是並罐、總管加分配器流程

4 噴煤極限判斷

高爐噸鐵噴煤量不是無限的而是有一定限度的。主要依據就是高爐料柱骨架理論,高爐料柱必須有焦炭做骨架支撐。儘管焦炭在高爐中的熱能和化學能作用可由噴吹煤粉(或其它燃料)所代替,但焦炭的料柱骨架職能是任何噴吹燃料代替不了的。這種職能可理解為焦炭在高爐內所起的一種特殊機械能作用,它保證高爐料柱所必須的透氣(液)性,使高爐冶煉過程能正常進行。特別是在軟熔帶及其以下區域,鐵礦石等原料熔化,造渣,成為液態渣、鐵,只有焦炭仍保持固態支撐著料柱,使其透氣(液),維持著高爐內氣一液一固三相逆向流間化學流體力學和傳熱傳質等正常功能。這正是高爐冶煉過程賴以順利進行的前提和基礎。因此究竟噴煤量可達到多少,煤粉可取代多少焦炭是受料柱透氣(液)性約束的。基於此,宏觀上可以認為,在保證高爐料柱透氣(液)性所必須的最低焦炭量的前提下,能有效代替焦炭的最大噴煤量就是噴煤的極限。全焦冶煉條件下,風口和爐腹區燃燒和氣化的焦炭量約佔入爐焦炭總量的70%,這部分焦炭主要提供高爐冶煉所需之熱能和化學能,這兩個功能,噴吹燃料可完全取代。因此,燃料比一定時可把噴煤率70%估計為噴煤極限。

5 總結

高爐噴煤技術涉及煤粉的採購、制粉技術、輸送技術和高爐噴煤控制技術等方面。作為高爐經濟技術指標最為關鍵的指標之一，噴煤比的提升一直是作為高爐操作水平提升的主要目標。實際上，高爐噴煤受多方面因素的影響，如焦炭強度、鼓風溫度等參數。國內目前噴煤比水平仍處於相對較低的位置，主要是受原料來源、價格因素和高爐操作條件的限制，因此，通過精細管理煤粉料場、堆放方式、建立煤粉資料庫等管理和技術方法，是有可能實現合理的噴煤比的。

技術推廣

噴煤技術涉及較多方面的監控和技術，對以下技術感興趣的可以進行深入探討：

（1）煤粉料場精細化管理技術；

（2）優化配煤技術；

（3）磨煤設備及操作調整；

（4）煤粉輸送技術；

（5）原煤產地及成分詳細信息。

參考文獻：

（1）論高爐噴煤極限，張家駒。

（2）國內外高爐噴煤現狀和發展，侯興。

（3）國內外高爐噴煤技術現狀及發展趨勢，於勇等。

（4）高爐噴煤的幾個問題研討，陳茂熙。

（5）當前高爐噴煤存在的問題及解決途徑，劉德軍。

（6）大高爐噴煤濃相輸送工藝特點，王向明。

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