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中国高炉喷煤发展现状与展望
来源:中国冶金报 作者:寇建仁 时间:2018/9/21 

高炉喷煤技术于20世纪60年代成功运用于工业实践之后,在最近的几十年中得到了快速发展,是目前高炉炼铁生产中广泛采用的技术手段。高炉喷煤工艺的出现,对钢铁冶炼的发展历程来说是一次技术层面的创新。高炉喷煤有降低焦比、降低冶炼能耗、调节高炉炉况、减少污染从而改善环境、促进资源的综合利用等优点。高炉喷煤可以充分利用目前储存量非常大的非结焦性煤来取代部分价格相对较高的焦炭,这不仅降低炼焦煤资源的需求量,促进资源的合理利用,而且降低企业的生产成本。这些优点已被全世界钢铁产业所公认,成为现代高炉冶炼的重大技术进步。目前,世界上90%以上的生铁是在喷煤高炉上生产出来的。

高炉喷煤的发展

高炉喷煤技术始于1840年S.M.Banks关于喷吹焦炭和无烟煤的设想,世界最早的工业应用即是根据这一设想于1840年~1845年间在法国博洛涅附近的马恩省炼铁厂实现的。但此后的100多年,高炉喷煤技术发展却相对缓慢,基本无进展。直至20世纪60年代初,欧洲及中国、美国的一些工厂才陆续开始在高炉上试验喷煤。70年代末,第二次石油危机的出现,加快了高炉喷煤技术的研究和发展,特别是欧洲和日本更是在实际应用上取得了重大突破。到90年代初,欧洲和日本已有小部分高炉月均喷煤比超过了200kg/t的大关。

从20世纪60年代开始应用高炉喷煤,发展到70年代,我国高炉喷煤技术以其资源广、喷吹量大、效益高而受到国际钢铁界的关注,高炉喷煤普及率和喷煤量在国际上一度处于领先水平。在80年代后期,我国高炉平均喷煤比在50kg/t~60kg/t,这是因为受配煤设备、自动化计量手段以及煤炭质量较差等问题的影响。90年代以来,高炉喷煤技术被纳入国家科技攻关计划,大型高炉全部设置喷煤装置,喷煤高炉不断增加,喷煤工艺改造步伐加快,大喷吹成为我国高炉炼铁技术的主流。从1995年起,我国高炉喷煤比逐步提高,1995年重点企业平均喷煤比仅为58.5kg/t,到上世纪末已经达到118kg/t,2002年为125kg/t,2010年增加到了149kg/t。

目前,我国高炉喷煤总量约为5000万吨~7000万吨。

我国高炉喷煤技术研究现状

在上世纪末,我国钢铁企业一味加大喷煤比,从而使得环境污染日趋严重,而当前,炼铁企业已不再单纯追求高喷煤比的指标,讲究经济喷煤比、经济燃料比、最佳的经济效益,合理选择煤种,并对喷煤工艺做出了一些改进。

煤的质量要求及煤种的选择。

质量要求。高炉喷吹用的煤粉,对其质量有如下要求:一是灰分含量低,固定碳含量高。二是含硫量低。三是可磨性好。四是粒度细:根据不同条件,煤粉应磨细至一定程度,以保证煤粉在风口前完全气化和燃烧。五是爆炸性弱,以确保在制备及输送过程中人身及设备安全。六是燃烧性和反应性好。煤粉的燃烧性表征煤粉与O2反应的快慢程度。在反应性上,人们希望煤粉的反应性好,以使未能与O2反应的煤粉能很快与高炉煤气中的CO2反应而气化。高炉生产实践表明,约有15%的煤粉是与煤气中的CO2反应而气化的。这种气化反应对高炉顺行和提高喷煤置换比都是有利的。

煤种的选择。目前,我国高炉对喷吹煤种的选择大致可以分为两种情况:一种是东部沿海地区的一些钢厂,由于当地的煤炭资源短缺,不论是烟煤还是无烟煤,都主要依赖于中西部地区的调入,烟煤和无烟煤比价关系不太明显,因此大都实行混煤,且烟煤比例低于无烟煤,例如宝钢混煤比例为烟煤∶无烟煤=6∶4。另一种是东北、华北地区的钢厂,所在地烟煤资源比较丰富,所以有掺加烟煤喷吹增长的趋势。这主要源于我国煤炭资源分布不均匀。从理论上讲,任何煤种都可用于高炉喷吹,但由于焦煤、肥煤是宝贵的炼焦煤,因此,高炉喷吹以无烟煤、贫煤、瘦煤和气煤为主。但无烟煤燃烧性差,尤其在煤比较高时,过多的未燃煤粉会影响高炉顺行,还会降低置换比。

鉴于上述情况,我国高炉在经过多年的实践之后,更倾向于混合喷吹,认为混煤的理论置换比等于单一煤种理论置换比的加权平均数,但燃烧率都比加权平均值高,与单独喷吹无烟煤相比,混煤在牺牲少量置换比的条件下获得了较高的煤比,降低了生产成本,因此混煤的效益要高于单一煤种,能达到较好的喷吹效果。

钢铁企业对喷煤工艺的改进。

我国钢铁企业对高炉喷煤正在探索新的突破。2009年沙钢5800m3高炉建成,在风温1200℃~1250℃、富氧率7%~10%的条件下,取得煤比160kg/tHM、焦比300kg/tHM以下、燃料比500kg/tHM以下的成绩。首钢京唐公司5500m3高炉在2013年采用氧煤枪喷吹氧气,通过实践摸索氧煤枪配氧浓度逐步提高,已经稳定在60%,成功实现了向高炉兑入5%氧气,强化了富氧喷煤工艺。

有研究者对安阳钢铁2000m3级高炉喷煤系统做了进一步改进:一是根据“死煤层”形状,将平板流化器改为锥形流化器,仍保留下出料方式,保证了流化效果,解决了喷煤出煤量波动的问题,取得了显著成效,喷吹能力提高了一倍以上。二是在倒罐时为了彻底吹扫完输煤管道内的煤粉,防止出口管道堵塞,在喷吹出口管道上增加了吹扫管线和相关控制阀门,完善了倒罐工艺,并且优化了倒罐程序和相关参数,缩短了送煤罐停煤到备用罐出煤的时间。三是为了减少补气量的波动,在稳压球罐上单独引出了一条补齐管线,稳定了补气量,从而保证了喷煤量的稳定,另外,通过改变管径也提高了固气比。四是为了达到降低阻损的目的,采用了扩大喷枪内径的措施,进一步提高了喷煤能力。实践证明,系统喷煤能力和煤粉喷吹的稳定性都有了显著提高,同时也促进了高炉喷煤量的提高。

有研究者对安徽长江钢铁3号1080m3高炉喷煤系统应用了一些先进的技术:一是实现了对高炉热风炉废烟气的利用,这一方面有利于磨机内惰性气氛的控制,另一方面利用余热可减少高炉煤气的使用量。二是由于制粉系统在仓顶设置除尘器严密性不足、检修率高,给生产带来安全隐患,设计中采用泄压风机代替仓顶除尘器,从而保证了煤粉仓内极低的氧含量,有利于安全生产,设备布置和检修维护也方便了许多。三是采用3罐并列喷吹、全自动倒罐和喷吹技术,为3号高炉快速达到高产和节能降耗提供了有利的技术保证。

展望

对于高炉炼铁来说,铁前工序承担着较大的降本和减排压力,无论从降低生产成本还是从节约能耗和减少污染物排放的角度来看,提高高炉喷煤比及降低焦比和燃料比都是高炉炼铁发展的必然趋势。

针对目前条件的考虑,喷煤工艺已趋于成熟,短期内恐不会出现新的喷吹工艺,故近几年高炉喷煤将继续采用现有的喷吹工艺流程,但是在控制系统和计量检测方面将有所改进。因此,我们应积极学习国内外先进技术,大胆创新。随着计算机技术的迅猛发展,数据储存容量的不断增加,以及近年来大数据技术方面取得的突破性进展,数据驱动技术的实现成为可能,这需要我们研究炼铁工艺的专家学者不断进行探索和进取,从而使喷煤工艺达到更加理想的效果。


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