国外钢铁企业的高炉喷煤技术

2 国外钢铁企业的高炉喷煤技术

2.1浦项光阳厂和阿塞勒Gijon厂

近年来，浦项公司和阿塞勒公司的高炉生产者一直计划改进现有的喷煤装置，并对其静力分配器系统提出两种改进方案。改进现有喷煤装置的主要原因如下:1)焦炭的价格提高，质量较差，改进喷煤系统后，可以减少焦炭的使用量；2)寻求一种更经济、更稳定的高炉操作方式；3)高炉中修后，铁水生产能力提高；4)多年来的喷煤实践证明，喷吹煤粉可以实现高炉工艺最佳化，高煤比操作是可行的；5)原有喷煤装置的计量精度无法满足更高煤比的要求，即高煤比时不能保证稳定喷吹。

要想对原有的喷煤装置进行改进，有两个问题必须解决：首先，提高喷煤装置喷吹能力，应额外增加1台喷吹罐或优化喷吹罐的倒罐循环次序；其次，须检测煤粉总流量和流量精度。

对于单管流量控制系统或采用分配器的喷吹系统以及流量均衡喷嘴的系统，在安装测量和控制设备后，一般能够达到所要求精度，为了达到今后所必需的高精度，须改进喷煤装置。

2.1.1 单管流量控制

计划用一台喷吹罐取代静力分配器。喷吹罐后序的喷吹管线将安装煤粉流量的测量装置和煤粉流量控制阀，以对高炉各个风口煤粉喷吹过程实现闭环控制。喷吹罐前序的输送罐将用于向喷吹罐送煤。输送煤的载气一部分用于维持喷吹罐内的压力，另一部分通过布袋收粉器释放掉。布袋收粉器出口处的压力控制阀用于控制喷吹罐内的压力。这套方案具有单管流量控制装置的所有优点，如在喷吹管路中，煤粉流量精度的偏差小于1%、总流量控制偏差小于0.5%以及带入高炉的氮气量少等。实际上，由于喷吹罐的位置靠近高炉，因此喷吹罐内的喷吹压力较低，可实现高浓相输送。

此外，由于输送系统(输送罐到喷吹罐)与喷吹系统是分开的，所以总流量的波动不会影响喷吹流量。对简单分配器进行的第一套改进方案已在韩国浦项公司光阳厂的1号高炉成功实施，其原理见图1-1所示。

图1-1 单管流量喷吹罐系统

2.1.2 动力分配器

在分配器后序的每道喷吹管路都安装一套煤粉流量测量装置和煤粉流量控制阀(见图1-2)。用原来的控制线路对总流量进行控制，能够达到和以前相同的精度，而且喷吹管路中控制线路与总流量控制线路分开。考虑到这一点，该系统用于单管喷吹控制系统是满足不了要求的，但可以用于喷吹罐控制系统。用于喷吹罐控制系统时，其偏差小于2%，优于原来的静力分配器系统。虽然该方案达不到单管流量控制系统的精度，但它的投资费用较低。

图1-2 带有煤粉控制线路的动力分配器系统

该动力分配器系统目前已在阿塞勒集团的4座高炉上使用，其中2座高炉在比利时COCKERILLSAMBRE公司的Liege厂，另2座在阿塞勒公司的Gijon厂。

2.1.3 浦项公司光阳厂1号高炉喷煤装置的改进

2001年，浦项公司决定将其光阳厂1号高炉的静力分配器喷煤装置改造为单管流量控制系统，并选择Paul Wurth S.A.公司作为供应商。

1号高炉的制煤工作在两个制粉厂进行。将煤粉从粉仓输送到3个并列喷吹罐中的1个，

加压后经一条输送管线，将煤粉输送到位于高炉上部的喷吹罐中。喷吹罐连接两条喷吹管线，一条向高炉的奇数风口输送煤粉，另一条向高炉的偶数风口输送煤粉。该系统的设计喷吹能力为110kg/t铁。

喷煤装置的改进被列入到1号高炉第一次中修工作中。主要工作包括建造一座新型喷吹塔及在其中一个制粉厂安装3个新型输送罐，这项工作计划在高炉中修之前进行；同时，在另一个制粉厂安装输送罐和喷吹管线，该工作计划在高炉中修期间进行。

该新型装置靠近高炉，主要包括一台带有布袋过滤器的喷吹罐及所有必需的阀门和仪器，用于煤粉从喷吹管线喷入高炉过程中，对煤粉产生流化作用和控制流量。两条输送管线能够以恒定的流量将煤粉输送到喷吹罐中。该系统设计的喷煤比可达到240kg/t铁。

高炉送风后的生产表明，改进后的喷煤装置非常成功。投入使用后的2个月里，月平均煤比超过175kg/t铁。可以看出煤比已得到了显著提高，已超过180kg/t铁。但是目前喷吹能力受到现有的磨煤和干燥能力的限制，计划安装一台新型磨煤机，将煤比提高到200kg/t 铁以上。

焦比随煤比的变化情况，与低煤比相比，高煤比条件下的置换比保持不变或略有升高。而使用静力分配器装置时则达不到如此高的置换比。使用静力分配器装置煤比过高时，还会影响高炉的顺行。这主要是由于在总流量精度和支管流量精度方面，静力分配器装置的性能差造成的。改进后的喷煤装置支管流量精度可控制在±1%内(图5略)。这一控制结果是获得极好燃烧性、高置换比和高炉稳定的基础。

2.1.4 阿塞勒公司Gijon厂A、B高炉喷煤装置的改进

2002年末，阿塞勒公司与Paul Wurth S.A.公司签订了一项合同，将Gijon厂A高炉和B高炉的喷煤装置由静力分配器系统改造为动力喷吹罐系统。

喷煤系统主要由一个主厂房和2台静力分配器组成，每台分配器对应1座高炉。主厂房上部有2个煤粉仓，下部有4个喷吹罐，每2个喷吹罐供1座高炉。两条主输送管线将煤粉从此处输送到每座高炉的静力分配器中，通过分配器喷吹管线将煤粉送往高炉风口。

在改进喷煤装置期间，主要更换从喷吹罐底部到煤枪的所有部件。用一个新型的加压和输送室取代以前的流化器，这样可缩短工作周期，从而在没有更新喷吹罐的情况下也能够达到较高的煤比。新型流化器可实现平稳、正常的流化和浓相输送。在总管线喷吹罐的后面安装了一个煤粉流量控制阀和一台煤粉流量测量装置，实现对总管线上煤粉流量的闭环控制。

在停炉前已经对原喷煤装置进行了改造，将新型分配器作为喷煤装置的一部分，安装在目标位置上。喷吹罐主要由3个平台构成，顶部平台安装分配器。分配器将全部煤粉分送到不同的喷吹管线，煤粉从顶部平台的喷吹管线到达中间平台，中间平台安装了煤粉流量控制阀和煤粉流量测量装置，以对每条喷吹管线中的煤粉流量实现闭环控制，因此具有良好的控制精度。最下面的平台安装了可对煤枪进行冷却的阀组。

对煤枪和煤枪的锁定装置也进行了更换。煤枪的位置可以在高炉送风期间随意调整，甚至更换。整个改造项目从合同的签定到再次向高炉送煤用时大约11个月。由于计划周密，因此缩短了高炉停煤时间，B高炉缩短到约110h，A高炉缩短到约70h。

与以前的喷煤装置相比，新型自动控制系统使新型喷煤装置的利用率得到了显著提高。由于变量记录和操作屏幕显示和记录都比原装置的好，所以操作人员能够精确和全面地掌握喷煤装置的状况。故障诊断系统有助于快速识别故障以及产生的原因，几分钟内便可轻易地判断出可能引发的工艺问题，使大部分问题得以避免。

自动控制系统允许有三种不同的操作方式，全自动、半自动和手动操作(以前的喷煤装置不允许半自动和手动操作)。正常操作时选择自动操作方式；在半自动操作方式下可以进行设备运转情况的检测；手动操作方式适用于检测某个部件的功能，例如检查某一个阀门。在关键部位安装了手动截止阀，用于在操作期间对装置进行维护。

新型喷煤装置投入使用后，煤比提高得很快，几天之后就达到了130kg/t铁。尽管暂时还不能过早地得出明确的结论，但是使用效果已越来越明显。新型喷煤装置使用仅2个月便创下了最高喷煤比纪录，并且置换比较高。由于新型喷煤系统较原来的系统有极大的改善，因此在总流量控制和精度方面，将取得良好的效果。

焦比随煤比的变化情况，事实上，在A、B高炉使用新型喷煤装置最初的2个月内，偶尔还使用以前的喷煤装置。这样在相同的时间和条件下，可以对新旧喷煤装置的总流量控制精度进行比较。结果表明，新型喷煤装置总流量的波动明显低于原装置。同时，由于煤质较差，使用原装置时A高炉的煤粉流量减少，但是在同样的煤质条件下使用新型喷煤装置向B 高炉喷煤时，煤粉流量却能够达到较高水平。

在阿塞勒公司决定对其喷煤系统改进之前，对原喷煤装置的喷吹精度进行了测定。为了对流量进行比较，将4台流量测量装置安装到4条喷吹管线上，并进行了几种方案的排列与组合。为了检验精确度，测量前在1条管线上安装了4台测量装置。由于流量波动很大，以至于仅能通过测定100s内流量的平均值来进行评估，绘制出的曲线表明，4条管线流量平

均值的偏差在-20%～+20%的范围内。很明显，在这种条件下，为了不影响高炉操作，喷煤比难以达到150kg/t铁以上。

改进之后，所有的喷吹管线都安装了流量测量装置，以便能够同步记录所有管线的流量。可以看出，流量偏差几乎为0，所有管线平均流量的相对误差约为1%。因此，可以说动力分配器系统与简单的分配器系统相比，精度大幅度提高。

浦项公司和阿塞勒公司应用新型喷煤装置后，随着喷吹装置性能的改善，煤比得到了显著的提高。采用单管流量控制装置和动力分配器装置可精确控制喷入高炉内的煤粉总流量，同时还可提高各风口煤粉的分布精度。这两方面因素有助于在喷煤比提高到200kg/t铁甚至更高时，在高置换比的条件下运行该喷煤装置。

2.2蒂森克虏伯公司

对气相输煤条件进行改进后，在煤枪的前端便可依靠煤粉的自燃烧直接进行氧化反应。蒂森克虏伯钢铁公司的所有高炉已全部采用了这种工艺，在保证高炉高利用系数的条件下，达到了焦比300kg/t铁、煤比175kg/t铁的水平。为促进氧化反应，煤粉在进入风口之前进行了预热，2000年Schwelgern公司1号高炉第20～40号风口的煤粉喷吹采用了这种煤粉预热技术，其余的20个风口的煤粉喷吹于2004年底也采用了该技术。

蒂森克虏伯公司的喷煤操作具有20年持续发展、进步和成功经验的历史。Schwelgern 公司最新一代的1号和2号高炉仍然采用这种喷煤技术。作为德国的第一家钢铁公司，1983年蒂森钢铁公司决定引进高炉喷煤技术。那时，蒂森、克虏伯和赫施公司共有15座高炉，包括蒂森和克虏伯公司在杜伊斯堡的12座高炉和赫施公司在多特蒙德的3座高炉。

1981年以前，高炉一直采用喷油操作，但由于第二次石油危机期间石油价格上涨，喷油操作成本很高。因此，需要寻找一种可替代的喷吹物如焦油、天然气、焦炉煤气或煤浆等，最后选择了喷吹煤粉技术，以期达到最低焦比、最高利用系数和降低燃料成本的目的。

需要说明的是，哪些喷吹系统可以用煤替代油。蒂森钢铁公司选择了PaulWurth和Küttner提供的喷吹工艺，因为这些系统装备了煤粉单管流量控制系统。单管流量控制对于蒂森钢铁公司高炉喷吹系统的重要性如下：1)使炉料和焦炭的分布更均匀；2)各风口间的风量分配均匀；3)各风口间的煤粉分配均匀；4)能够确保煤粉和热风之间的比例，这对于获得高燃烧率来说是必须的，高燃烧率又是获得低焦比、低燃烧比、低燃料成本和高利用系数的基本条件之一。

1984年半工业试验成功后，1985年10月德国第一座喷煤高炉，即HaUVWrn的4号高炉开炉。取得良好的开炉效果后，蒂森钢铁公司决定在两个月内将其正在生产的高炉全部安装上喷煤装置。

198X年，冶炼铸造铁的蒂森钢铁公司HaUVWrn厂的X号小高炉配备了改造了的4号高炉中间试验厂。该套系统为一套配备了静力分配器而没有单管流量控制的并联系统。

1987年Schwelgern公司的1号高炉和RuVrWrt公司的X号高炉开始喷煤。随后，克虏伯的1号和2号高炉于1987年末开始喷煤，赫施公司的4号和7号高炉于1988年实施了喷煤工艺，HaUVWrn厂的9号高炉和Schwelgern公司的2号高炉也分别于1991年和1993年安装了喷煤系统。

由于德国钢铁工业的重组，蒂森钢铁公司和克虏伯赫施公司合并后，将所有的炼钢生产都集中在杜伊斯堡进行，那里有4座高炉(其中HaUVWrn两座，Schwelgern两座)。

对于第一座采用喷煤技术的Hamborn4号高炉来说，那时候能源市场有足够的适于喷吹的煤种，从无烟煤到褐煤都进行过喷吹试验。1987年，在Duisborn厂安装了3套具有90万t/a生产能力的制粉系统，为Hamborn、Ruhrort和Schwelgern的高炉提供煤粉。要想提高煤粉喷吹量，必须要有较高的制粉能力。2003年，蒂森克虏伯公司安装了第六套制粉系统，目前总制粉能力已达到240万t/a。

由于经济原因，所有操作者都希望尽可能多地用煤替代焦炭。目前，通过实践，认为用煤粉替代160kg/t的焦炭是比较标准的。随着喷煤量的增加，高炉会出现如下现象：透气性恶化；煤焦置换比降低；高炉利用系数降低；炉况不稳定；炉尘和瓦斯泥中碳含量增加；炉尘和瓦斯泥量增加。

针对上述情况，采取的应对措施有：提高风温；增加富氧量；改善煤粉、焦炭和炉料的性能；改进煤枪的设计和布置。

实际生产中发现，仅仅通过上述措施是远远不够的，因为传统的喷吹系统不能够满足高炉生产的需要，仅能够保证煤粉的均匀分配、较大的调控范围、良好的操作安全性和较低的操作成本。

采用先进的喷煤系统则可以满足高炉生产的需要。这些先进的技术包括：煤粉的点燃是在煤枪的前端开始，而不像以往那样在回旋区进行，到风口前端时煤粉已燃尽，回旋区内没有未燃烧的碳；另一方面，传统的喷煤系统中，由于死料柱内积聚了大量的未燃煤粉，导致其透气性恶化，必须调整喷吹系统的参数，以适应高炉的需要。也就是说，喷煤工艺必须要

与高炉生产工艺紧密结合，不同的研究结果也表明了二者之间重要的相关关系。

将煤粉喷吹看作是一种气动输送过程，在气动输送的终端-喷煤枪的前端，由煤粉的点燃引起整个燃烧过程，燃烧过程必须于回旋区起始位置结束。

煤粉的燃烧是一种固-气反应，该反应需要较长的时间。煤粉与氧气接触的时间很短，而且反应空间也很小。煤粉的粒度必须要足够小，而且煤粉的燃烧必须尽快开始，同时易挥发物质的含量对燃烧过程的影响很小。

为了保证大级别高炉高利用系数、低成本运行，必须避免回旋区内积聚煤粉，以防止“鸟窝”的形成和炉缸的侵蚀。可以通过三方面的措施来改善燃烧过程所导致的结果：采用局部富氧鼓风；延长煤粉与氧气的接触时间；加速燃烧过程。

蒂森克虏伯公司陆续实施了上述措施。1990年在所有高炉上安装了氧-煤喷吹系统；1996年改善了输煤条件。该公司降低了煤粉的喷吹速度(从20m/s降到8m/s)，以延长氧气与煤粉的接触时间。吹氧的速度调节为50m/s。随着使用同心煤枪进行局部富氧，在煤枪端头的前面形成一富氧区，在此纯氧与煤粉接触。

2000年，蒂森克虏伯公司为高炉安装了一套可对煤粉进行预热的喷吹系统，以加速燃烧过程。用热风炉排出的废气加热热油，这部分能量再通过特殊的热交换器传递给煤粉。2000年，Schwelgern公司1号高炉在20个风口(该高炉有40个风口)进行了喷吹预热煤粉试验。

试验期间，在高利用系数水平下，焦比降到了280kg/t铁以下，煤比达到了190kg/t铁。同时，我们也看到，2003年高炉的总燃料比和焦比提高了，而煤比降低了，其原因是众所周知的原料市场形势的不理想。煤粉喷吹技术的发展是高炉操作者与设备供应商共同努力的结果。先进的喷吹技术可保证高炉生产的顺行，为获得最经济的炼铁指标开辟了一条途径。其适合喷煤的系统及操作实践见表1-3和表1-4。

表1-3 适合喷煤系统

表1-4 各公司喷煤操作实施的情况

2.3 神户制钢

神户制钢在高炉的焦炭及铁矿的投料方法上狠下功夫，使炉内原料的分布保持最佳，因而在长达1年的时间里实现了稳定的和大量的喷吹煤粉作业。该公司的神户钢铁厂3号高炉从1995年10月到1996年9月的一年时间内平均喷吹煤粉达到202.6kg/t铁，打破了该公司迄今保持的201kg/t铁纪录，同时刷新了长期喷煤粉的世界纪录，神户3号高炉的焦比随着喷吹煤粉的增加已达到293.9kg，降到了300kg以下。

目前日本正在运行的30座高炉中，已有27座高炉使用喷煤粉设备。一般生产1t生铁需要使用约500kg煤炭，用喷吹煤粉置换200kg则相当于生铁成本降低1000～1500日元。今后神户制钢将进一步加强技术开发，使喷吹煤粉向250kg/t铁的目标挺进。

2.4 NKK福山厂

继神户加右川厂1号高炉(容积4550m3)3月份创月均喷煤254kg/t铁后，日本钢管(NKK)公司福山厂3号高炉又创月均喷煤粉266kg/t铁新纪录。该高炉内容积3223m3，今年3月份以后开始喷煤，5月下旬已喷煤200kg/t铁，5月份平均喷煤184kg/t铁，6月份该高炉利用暂未投产的2号高炉的制粉能力进行提高喷煤量试验，创造了月平均利用系数1.86t/m3·d、富氧率5%、喷煤266kg/t铁、焦比289kg/t铁的新纪录。

在实现大量喷煤过程中，该高炉采用了中心加焦、低硅烧结矿(SiO24.3%)配15%氧化球团，鼓风富氧，大部分风口采用偏心双枪喷吹及几个风口进行偏心双氧煤枪试验以及人工智能炉热控制等新技术，其目的是探索高炉最佳喷煤率，大幅度降低焦炭消耗，延长焦炉寿命，稳定高炉操作，降低生产成本。

2.5 克里夫兰4号高炉

1990年，欧洲克里夫兰炼铁厂4号高炉(有效容积600m3)进行了富氧喷煤工业试验，在英国钢铁公司（属于克鲁斯集团）克里夫兰厂4号高炉的一套实验装置，于1991年6月短期喷吹出318kg/t（粒煤）的世界最好成绩。