高炉喷煤概论

§1 高炉喷煤概论

长期以来，开发摆脱或降低对焦炭依赖的炼铁技术一直在走着两条并行的路线。一条是开发新的炼铁工艺，从根本上改变能源结构，完全不用焦炭，如熔融还原、直接还原工艺等。另一条就是在不根本改变高炉工艺的前提下，采用某种技术措施用其它燃料替代部分焦炭，如喷煤、喷油、喷吹天然气等。8

高炉应少用焦炭，因此，高炉喷煤工艺因需而生。所谓高炉喷煤，就是指从高炉风口向炉内喷吹磨细了的煤粉（无烟煤、烟煤或无烟煤、烟煤混合物以及褐煤），以代替焦炭向高炉提供热量和还原剂。

1.1 高炉喷吹煤粉技术发展的必要性

（1）高炉喷吹煤粉技术的发展背景

1）冶金煤炭资源的经济合理地利用，客观上对高炉喷煤技术的开发与应用提出了最为迫切的要求。

2）冶金焦炭供需紧张。

3）资源、价格因素：煤与重油价格变化的对比来看，煤的价格相对低且平稳，这是高炉喷煤技术得以发展的一个重要原因。

4）高炉操作调剂及其相关技术的发展，也促进了喷煤技术的发展。

5）追求经济利益、降低生铁成本，是高炉喷煤技术发展的另一个重要原因。

6）在考察高炉喷煤技术发展背景时，还必须注意到环境保护方面的因素。

（2）高炉喷煤的意义

1）以低价的煤代替了日趋贫乏且价格昂贵的冶金焦，降低了焦比，使高炉炼铁的成本大幅下降。

2）高炉喷煤可以作为一种调剂炉况的手段。

3）高炉喷煤可以改善炉缸工作状态，使高炉稳定顺行。

4）为高炉提高风温和富氧鼓风创造条件。因为喷吹煤粉会使风口前理论燃烧温度降低，导致理论燃烧温度降低的原因主要有：

⏹高炉喷吹煤粉后煤气量增加，加热煤气需要消耗热量；

⏹高炉煤粉带入的热量少，而焦炭进入到风口区时已加热到

1450~1500℃，而喷吹煤粉的温度不超过100℃；

⏹煤粉中碳氢化合物分解吸热。

5）喷吹煤粉中的氢含量比焦炭带入的多，氢气提高了煤气的还原能力和穿透扩散能力，有利于矿石的还原和高炉操作指标的改善。

6）喷吹煤粉代替了部分焦炭，不仅缓解了焦煤的供需紧张状况，也减少了对炼焦设施的投资和建设，降低了炼焦生产对环境的污染。

1.2 高炉喷吹煤粉技术发展历程

（1）高炉喷吹煤粉技术发展与评价指标

衡量高炉喷煤技术发展水平，除了要看喷煤设施及检测、控制等硬件的水平外，通常还主要采用下述两个指标进行评价，即：

1）煤比(或称喷煤量)Gm，是指生产单位生铁所喷吹的煤粉量，单位为kg/t ；

2）喷煤率qm，是指煤粉在生产单位生铁所消耗的燃料(煤粉加焦炭)中所占的比例。

为考察不同国家相地区高炉喷煤技术的发展状况，一般还采用普及率φm这一参数，它是指喷煤高炉占全部运行高炉的百分数。

（2）高炉喷吹煤粉技术的新进展

1）富氧喷煤技术得到普遍应用

2）氧煤喷吹技术日趋成熟

3）喷煤工艺简化，便于监控

4）粒煤喷吹和配煤混合喷吹技术

事实上，随着喷煤技术的不断发展，许多相关的或与喷煤并用的技术都取得了重大进展。这些技术涉及到了诸如煤粉的浓相输送技术、煤粉在高炉内气化燃烧及炉况调节等的基础研究、喷煤高炉数学模型及计算机控制等。

1.3 高炉喷煤工艺流程

高炉喷吹煤粉工艺系统主要有：原煤贮运、煤粉制备、煤粉输送、煤粉喷吹、干燥气体制备和动力系统。

图4 高炉喷煤系统工艺流程

§2 高炉喷吹用煤

2.1 煤的分类及化学成分

（1）煤的分类

煤在形成过程中经历了植物残骸转变为泥炭的泥炭化阶段和泥炭转变为褐煤、烟煤、无烟煤的煤化阶段。根据成煤物质和成煤条件不同，将煤分成三大类：腐植煤、残质煤和腐泥煤。腐植煤在自然界分布最广，蕴藏量最大，是人类使用最多的煤。腐植煤按煤化程度又可分为泥煤、褐煤、烟煤和无烟煤四大类。

（2）煤的组成

煤的化学成分包括碳(C)、氢(H)、氧(O)、氮(N)、硫(S)以及灰分(A)和水分(W)，其中，氧、氮、硫与碳和氢一起构成了可燃性化合物，它们称为煤的可燃质；而灰分和水分则称为煤的惰性质。

1）可燃成分

碳：65%~95%，以碳氢化合物和碳氧化合物形态存在，是煤中主要的可燃成分，含碳量愈高，煤的发热量愈高。

氢：2%~7%，大多以碳氢化合物状态存在，也是煤中主要的可燃元素，发热量为碳的三倍。氢存在于挥发分中，炭化程度愈高的煤，氢含量愈少。

氧：3%~5%，大多数以氧化物的形态存在，与碳、氢结合成氧化物后，煤中的可燃碳和可燃氢含量减少，降低煤的发热量。部分游离氧可以助燃。一般来说，随着煤的炭化程度的提高，煤中含氧量减少。

氮：1%~2%，煤中的惰性元素，在燃烧的高温烟气中与氧化合成NOx，造成大气污染，是有害元素。

硫：1.0%，以有机硫、黄铁矿硫（硫化物硫）和硫酸盐三种形态存在，前两

种硫燃烧时放出热量，以及硫酸盐分解，产生SO

2、SO

3

，污染环境，有害元素。

2）灰分

灰分是指煤中所含的矿物杂质在燃烧过程中，经过高温分解和氧化作用后所

生成的一些固体残留物，主要包括SiO

240%~60%，A1

2

O

3

15%~35%；Fe

2

O

3

5%~25%，

CaO1%~ 15%，MgO0.5%~8%，Na

2O十K

2

O1%~4%。灰分是煤中的主要杂质成分，煤的灰分越高，煤的发热量就

越低，其燃烧性能亦越差。灰分增加，将增加渣量，熔剂消耗，并使燃料比升高。

3）水分

煤中的水分按其结合状态可分为游离水和结合水。游离水是以物理吸附或吸着方式存在于煤的毛细管中与煤结合的水分；化合水是以化合方式同煤中的矿物质结合的结晶水，是矿物晶格的一部分。煤的工业分析中只测定游离水，游离水份降低煤的发热值，并增加煤粉磨制过程中干燥剂的消耗，降低磨煤机的台时产量。化合水在较高温度（200℃以上，甚至500℃以上）下才会析出，相当于部分加湿鼓风。

煤中水分含量（W）：>15%为高水分煤，≤5%为低水分煤，5%~15%为中水分煤。

（3）煤的分析及换算

为了实际应用和理论研究的不同需要．通常把煤分为应用基、分析基、干燥基和可燃基四种状态进行成分分析。

1）应用基：以实际使用的煤为基础分析出来的成分，y

元素分析：C y%＋H y%＋O y%＋N y%＋S y%＋A y%＋M y%=100%

工业分析：M y%＋A y%＋V y%＋FC y% = 100%

2）分析基：分析基成分是以在试验室里分析时用的煤为基础分析出的成分。这种煤一般为气干状态，与应用基比较它已失去了表面水分。f

元素分析：C f %＋H f %＋O f %＋N f%＋S f %＋A f%＋M f%=100%

工业分析：M f%＋A f %＋V f %＋FC f% = 100%

3）干燥基：是指失去了全水分的煤成分，g

元素分析：C g %＋H g %＋O g %＋N g%＋S g %＋A g%=100%

工业分析： A g %＋V g %＋FC g% = 100%

4）可燃基：是指除去水分和灰分后的煤成分，r

元素分析：C r %＋H r %＋O r %＋N r%＋S r %=100%

工业分析： V r %＋FC r% = 100%