1、高炉炼铁燃料高效利用解析高炉炼铁燃料高效利用解析 王筱留王筱留 祁成林祁成林30号号,100083Tel:E-mail:提提 纲纲n 向高炉喷吹向高炉喷吹H2或富或富H2的焦炉煤气的焦炉煤气吨铁吨铁经济喷煤量经济喷煤量焦炭质量焦炭质量操作上的中心加焦操作上的中心加焦结论结论前言前言n近年来随着高炉炼铁原燃料供应紧张，质量下降而价格反升，更受环近年来随着高炉炼铁原燃料供应紧张，质量下降而价格反升，更受环保严格要求需要降低烟粉尘，保严格要求需要降低烟粉尘，CO2等影响，人们提出低碳低排放冶金等影响，人们提出低碳低排放冶金。于此同时受产能过剩，市场低迷，高炉炼铁出现微利，甚至亏损的。于此同时受产能过
2、剩，市场低迷，高炉炼铁出现微利，甚至亏损的局面，人们又寻找降低成本的途径。于是又出现使用低价劣质煤炼焦局面，人们又寻找降低成本的途径。于是又出现使用低价劣质煤炼焦和低价劣质矿生产烧结矿，造成高炉炼铁生产指标局部变差，和低价劣质矿生产烧结矿，造成高炉炼铁生产指标局部变差，2011年年甚至出现全面下降的后果，究其原因很多，其中部分炼铁工作者对若甚至出现全面下降的后果，究其原因很多，其中部分炼铁工作者对若干问题发生的争议，使人们产生片面理解，其中不少甚至是违背冶金干问题发生的争议，使人们产生片面理解，其中不少甚至是违背冶金热力学，动力学和传输原理的客观规律，但经知名人士，专家和媒体热力学，动力学和传
3、输原理的客观规律，但经知名人士，专家和媒体的宣传，我们认为造成的负面影响很大。的宣传，我们认为造成的负面影响很大。n作者认为有必要应用冶金基本原理对这些问题进行剖析，以求与广大作者认为有必要应用冶金基本原理对这些问题进行剖析，以求与广大炼铁工作者达成共识。为我国实现低碳低成本炼铁做一点有益的工作炼铁工作者达成共识。为我国实现低碳低成本炼铁做一点有益的工作。这是本文作者的心愿。这是本文作者的心愿。1.向高炉喷吹向高炉喷吹H2或富或富H2的焦炉煤气的焦炉煤气n近年来，国内外的部分专家，教授宣传最多的技术之一是近年来，国内外的部分专家，教授宣传最多的技术之一是向高炉喷吹向高炉喷吹H2或富或富H2燃料
4、，其目的是用燃料，其目的是用H2来代替碳和来代替碳和CO还原铁氧化物，达到低碳炼铁，还原铁氧化物，达到低碳炼铁，“中国钢铁工业科学与技中国钢铁工业科学与技术发展指南（术发展指南（2011年年-2020年）年）”，将喷吹焦炉煤气列为炼，将喷吹焦炉煤气列为炼铁工艺关键技术，要求喷吹焦炉煤气量达到或超过铁工艺关键技术，要求喷吹焦炉煤气量达到或超过100m3/t，高炉要不要喷吹富，高炉要不要喷吹富H2燃料，例如焦炉煤气，能不能达到燃料，例如焦炉煤气，能不能达到喷吹焦炉煤气量喷吹焦炉煤气量100m3/t，是需要认真分析的。，是需要认真分析的。n作者在作者在2013年曾发表过多篇论文，阐说喷吹焦炉煤气存在
5、年曾发表过多篇论文，阐说喷吹焦炉煤气存在的理论和实践问题，现再补充剖析。的理论和实践问题，现再补充剖析。1.1 热力学和动力学分析热力学和动力学分析n从高炉炼铁的基本工艺原理来研讨。高炉炼铁是火法冶金。它生产的从高炉炼铁的基本工艺原理来研讨。高炉炼铁是火法冶金。它生产的产品是液态高温（产品是液态高温（1475-1510）铁水，生产单位生铁需要消耗）铁水，生产单位生铁需要消耗9-11GJ/t热量，这个巨大数量的热量，主要是由碳在炉内氧化成热量，这个巨大数量的热量，主要是由碳在炉内氧化成CO和和CO2放出的（约占总热量的放出的（约占总热量的75%-80%），其中碳在风口前燃烧放热占），其中碳在风口
6、前燃烧放热占25%左右，碳在直接还原中放热占左右，碳在直接还原中放热占9%-10%;而而CO在间接还原中放热在间接还原中放热占占43%-45%，而，而H2在间接还原过程中放出热量只占在间接还原过程中放出热量只占5%左右。向高炉左右。向高炉喷吹喷吹H2或焦炉煤气，其特点是在高炉内放热少，因为碳氢化合物中的或焦炉煤气，其特点是在高炉内放热少，因为碳氢化合物中的H2在风口前燃烧时，只有其中的碳氧化成在风口前燃烧时，只有其中的碳氧化成CO放热而氢是不能氧化成放热而氢是不能氧化成H2O放热的。焦炉煤气含放热的。焦炉煤气含H2多含多含C少。因此从风口喷入高炉后在风口少。因此从风口喷入高炉后在风口前燃烧放热
7、很少：前燃烧放热很少： 焦炭或煤粉中焦炭或煤粉中C燃烧燃烧 C+1/2O2=CO 焦炉煤气中碳氢化合物燃烧（以焦炉煤气中碳氢化合物燃烧（以CH4为例）为例）CH4+1/2O2=CO+2H2n表表1和表和表2列出不同燃料喷入高炉后燃烧放热与焦炭燃烧放热列出不同燃料喷入高炉后燃烧放热与焦炭燃烧放热的比较。的比较。表表1 1 不同燃料在风口前燃烧放热比较不同燃料在风口前燃烧放热比较燃料种类燃料种类燃料中燃料中H:C放热量放热量KJ/kgC%焦炭焦炭0.0020.0059800100无烟煤无烟煤0.020.03940096气煤气煤0.080.10840085重油重油0.110.13750077甲烷（天
8、然气甲烷（天然气中占中占90%95%）0.333297030表表2 焦炉煤气成分（焦炉煤气成分（%）和燃烧放热量（）和燃烧放热量（GJ/m3）成分成分H2COCH4CnHmO2N2CO2H2O燃烧热值燃烧热值平均成分平均成分606.5262.20.63.02.6-完全完全风口前风口前波动氛围波动氛围58625.58.62.43.02.02.50.51.22.73.623.02-318200.080.18中国某厂成分中国某厂成分59.28.629.42.01.23.62.0-19.6n所以从高炉炼铁的供热角度看喷吹所以从高炉炼铁的供热角度看喷吹H2，焦炉煤气等高，焦炉煤气等高H2燃燃料是难于代替
9、碳发热作用的，那么从还原角度有如何呢？料是难于代替碳发热作用的，那么从还原角度有如何呢？n从铁氧化物还原的热力学规律（图从铁氧化物还原的热力学规律（图1）来分析，图）来分析，图1显示显示CO和和H2的还原能力，即从的还原能力，即从FeO夺取氧的能力在夺取氧的能力在810发生了变发生了变化，在化，在810以上以上H2还原能力比还原能力比CO强，还原中需要平衡产强，还原中需要平衡产物物H2O，以保证反应向生成金属，以保证反应向生成金属Fe方向进行的还原剂过剩方向进行的还原剂过剩系数系数n小于小于CO的的n值，而在温度低于值，而在温度低于810时相反。时相反。H2的还的还原能力不如原能力不如CO，过
10、程系数，过程系数n值值H2的比的比CO的大（见表的大（见表3）,它它说明在高炉中上部中低温区的间接还原中说明在高炉中上部中低温区的间接还原中H2的作用不如的作用不如CO。图1 叉子曲线表表3 不同温度下不同温度下FeO还原到还原到Fe的还原剂过程系数的还原剂过程系数n值值还原剂还原反应不同温度下的过剩系数n值6007008009001000 1100 1200H2FeO+nH2Fe+(n-1)H2+H2O4.18 3.34 2.94 2.60 2.342.352.25COFeO+nCOFe+(n+1)CO+CO22.12 2.50 2.88 3.17 3.523.824.12从动力学规律来分析
11、从动力学规律来分析H2和和H2O的密度和黏度都小于的密度和黏度都小于CO和和CO2，因此前者在气，因此前者在气-固固相还原反应过程中扩散能力大于后者；也就是相还原反应过程中扩散能力大于后者；也就是H2可以扩散到可以扩散到CO不能到达的铁矿不能到达的铁矿石的微孔隙进行间接还原，从而加快还原速率发展间接还原，降低铁的直接还石的微孔隙进行间接还原，从而加快还原速率发展间接还原，降低铁的直接还原度。但是这种优势，受到两方面的制约：一是铁矿石装入高炉后，逐渐被加原度。但是这种优势，受到两方面的制约：一是铁矿石装入高炉后，逐渐被加热到一定程度矿石的气空隙因烧结，软熔作用而变小，原来的空隙被堵塞、熔热到一定
12、程度矿石的气空隙因烧结，软熔作用而变小，原来的空隙被堵塞、熔合而消失。合而消失。H2的扩散也被阻，另一是随着煤气中的扩散也被阻，另一是随着煤气中H2含量的增加，含量的增加，H2的作用递减的作用递减，其中原因之一是高炉内存在着热力学上基本上已达到平衡的水煤气置换反应，其中原因之一是高炉内存在着热力学上基本上已达到平衡的水煤气置换反应： 222COH OCOHnH2还原生成的还原生成的H2O被炉内的被炉内的CO置换成置换成CO2和和H2。这个平。这个平衡反应限制了衡反应限制了H2的作用和利用的作用和利用率，但与此同时，却提高了率，但与此同时，却提高了CO的还原和的还原和CO利用率。结果利用率。结果
13、是高炉内是高炉内H2的利用率总是低于的利用率总是低于CO的利用率。前苏联著名炼的利用率。前苏联著名炼铁专家铁专家A.H.拉姆教授研究拉姆教授研究CO和和H2与煤气中与煤气中H2/CO比值变化比值变化范围范围0-1的条件下，最高的条件下，最高CO和和H2变化相应为变化相应为0.58-0.64和和0.37-0.52。这从理论上证明。这从理论上证明H2的利的利用率低于用率低于CO的利用率。的利用率。图图3 前苏联契钢喷吹天然气后前苏联契钢喷吹天然气后CO和和H2的变化的变化 1.2 实验研究实验研究n许多研究者对许多研究者对H2还原铁氧化物还原做过很多研究，这里介还原铁氧化物还原做过很多研究，这里介
14、绍武汉钢铁公司于仲洁等在实验室中进行了富绍武汉钢铁公司于仲洁等在实验室中进行了富H2还原气体还原气体还原烧结矿，球团矿的实验研究，重点在研究喷吹富还原烧结矿，球团矿的实验研究，重点在研究喷吹富H燃燃料对发展高炉内间接还原，提高煤气利用率的作用。料对发展高炉内间接还原，提高煤气利用率的作用。n还原试验采用恒温法以还原温度还原试验采用恒温法以还原温度900还原时间还原时间180min的的试验为主，还做了部分还原温度试验为主，还做了部分还原温度600，700和和1000的的试验。还原气体由高纯试验。还原气体由高纯CO，H2和和N2按按CO定量为定量为40%，H2分别为分别为2.5%，5.0%，7.5
15、%，10.0%，12.0%和和15.0%。其余为。其余为N2的设定比例配制而成。试样为武钢高炉使用的的设定比例配制而成。试样为武钢高炉使用的自产烧结矿和鄂州球团矿，试样粒度自产烧结矿和鄂州球团矿，试样粒度10-12.5mm，还原剂，还原剂流量为流量为15L/min。试验研究结果列入表。试验研究结果列入表4。表表4 温度和还原气成分对铁矿石还原的影响温度和还原气成分对铁矿石还原的影响温度温度/矿石矿石还原气中还原气中H2含量含量/%2.55.07.510.012.015.0600球团矿球团矿67.171.075.077.4烧结矿烧结矿76.9 80.4 85.3 92.3 700球团矿球团矿87
16、.188.490.092.599.199.4烧结矿烧结矿88.2 90.3 95.1 99.6 99.499.7900球团矿球团矿89.393.495.3897.799.599.4烧结矿烧结矿94.095.196.497.599.599.61000球团矿球团矿90.395.297.499.6烧结矿烧结矿95.897.598.799.9n试验研究结果表明：试验研究结果表明：1）在中低温度区间内（）在中低温度区间内（600-900）H2含量从含量从2.5%提高到提高到5%-7%时，烧结矿和球团矿还原度提高很明显，而时，烧结矿和球团矿还原度提高很明显，而H2含量含量继续提高到继续提高到10%及以上，
17、还原度提高幅度不大。及以上，还原度提高幅度不大。2）在试验研究的温度和煤气）在试验研究的温度和煤气H2含量的范围内，烧结矿的还含量的范围内，烧结矿的还原性明显优于球团矿，而在原性明显优于球团矿，而在900-1000时，低时，低H2含量（含量（2.5%）烧结矿的还原性仍明显优于球团矿，高还原气体中）烧结矿的还原性仍明显优于球团矿，高还原气体中H2含量提高到含量提高到5%以上时，烧结矿与球团矿的还原性差异以上时，烧结矿与球团矿的还原性差异很微小。由此得出结论还原性气体中很微小。由此得出结论还原性气体中H2含量含量5%-7%对改善对改善高炉间接还原，提高煤气利用率有重要作用，过高的高炉间接还原，提高
18、煤气利用率有重要作用，过高的H2含含量这一作用不大或无作用。量这一作用不大或无作用。在高炉生产中风口前燃料燃烧形成的煤气中含在高炉生产中风口前燃料燃烧形成的煤气中含H2量与喷吹燃量与喷吹燃料中的含料中的含H2量和喷吹量，鼓风中湿度和富氧量等有关，在喷量和喷吹量，鼓风中湿度和富氧量等有关，在喷吹重油，天然气，高挥发分的长焰烟煤时，燃烧带中形成煤吹重油，天然气，高挥发分的长焰烟煤时，燃烧带中形成煤气中含气中含H2量就高，同样高富氧（量就高，同样高富氧（8%-14%）时为维持合适的）时为维持合适的理论燃烧温度而加湿鼓风时，煤气中理论燃烧温度而加湿鼓风时，煤气中N2含量减少，含量减少，H2含量和含量和
19、CO含量增加。例如前苏联契钢（现俄罗斯含量增加。例如前苏联契钢（现俄罗斯“北方巨人北方巨人”）喷）喷吹天然气吹天然气50m3/t时，燃烧带形成的煤气中时，燃烧带形成的煤气中H2 5.6%，CO 39.3%，N2 55.1%而喷吹天然气而喷吹天然气100m3/t时煤气中时煤气中H2达达11%以以上，上，CO则降为则降为38.5%，N2 50.9%，随着天然气喷吹量增加，随着天然气喷吹量增加，CO和和H2的变化示于图的变化示于图3。1.3 生产实践中生产实践中H2行为行为从图中可以观察到，在天然气喷从图中可以观察到，在天然气喷吹量低于吹量低于80m3/t时，煤气中时，煤气中H2发发展了铁矿石的间接
20、还原，展了铁矿石的间接还原，H2提高提高也促进了也促进了CO提高。而在喷吹量超提高。而在喷吹量超过过80m3/t时，时，H2趋于降低，而趋于降低，而CO则明显降低。而当天然气喷吹量则明显降低。而当天然气喷吹量到到100m3/t，H2开始下降，开始下降，CO则则由由0.43降到降到0.42以下，而当天然气以下，而当天然气喷吹量提高到喷吹量提高到150m3/t时，时，CO降降低到不喷吹天然气时的水平，如低到不喷吹天然气时的水平，如果天然气喷吹量超过果天然气喷吹量超过150m3/t，则，则CO降到降到0.40以下，比不喷吹时还以下，比不喷吹时还要低要低8%。图图3 前苏联契钢喷吹天然前苏联契钢喷吹天
21、然气后气后CO和和H2的变化的变化从上面冶炼过程热力学和动力学分析，实验室研究结果以及生产高炉富从上面冶炼过程热力学和动力学分析，实验室研究结果以及生产高炉富H2煤气的生产业绩，可以得出结论，在高炉炼铁中，煤气中煤气的生产业绩，可以得出结论，在高炉炼铁中，煤气中H2含量并不是越含量并不是越多越好，而需要适量，即燃烧带形成的煤气中多越好，而需要适量，即燃烧带形成的煤气中H2含量含量5%-8%。至于喷吹焦炉煤气则需要分析高炉冶炼的生产条件。特别要分析投入和产至于喷吹焦炉煤气则需要分析高炉冶炼的生产条件。特别要分析投入和产出是否合理，是获利还是亏损。喷吹焦炉煤气的投入有：煤气需加压出是否合理，是获利
22、还是亏损。喷吹焦炉煤气的投入有：煤气需加压, 焦焦化厂出来的焦炉煤气，压力低（在化厂出来的焦炉煤气，压力低（在0.2KPa左右）要喷入高炉，必须加设加左右）要喷入高炉，必须加设加压站将焦炉煤气压力加压到超过热风压力；增添焦炉煤气清洗设施，焦压站将焦炉煤气压力加压到超过热风压力；增添焦炉煤气清洗设施，焦化厂出来的煤气中残留有相当数量的焦油，硫化氢等，它们会腐蚀煤气加化厂出来的煤气中残留有相当数量的焦油，硫化氢等，它们会腐蚀煤气加压机，所以进加压机前要再进行一次精清洗，以保证加压机长期安全运行压机，所以进加压机前要再进行一次精清洗，以保证加压机长期安全运行；喷吹焦炉煤气的喷嘴不同于喷煤粉，需要专门
23、设计改造风口和直吹管；喷吹焦炉煤气的喷嘴不同于喷煤粉，需要专门设计改造风口和直吹管结构达到煤气与鼓风很好地混合，使焦炉煤气在燃烧带内全部燃烧成结构达到煤气与鼓风很好地混合，使焦炉煤气在燃烧带内全部燃烧成CO和和H2，如果混合不好，焦炉煤气不能全部燃烧成，如果混合不好，焦炉煤气不能全部燃烧成CO和和H2则在高温下裂化而则在高温下裂化而产生大量碳黑，其负面影响远大于未燃煤粉。产生大量碳黑，其负面影响远大于未燃煤粉。1.4 分析结果分析结果n喷吹焦炉煤气的产出：在前面已述及，焦炉煤气在风口前燃喷吹焦炉煤气的产出：在前面已述及，焦炉煤气在风口前燃烧放热非常少仅为焦炭在风口前燃烧放热的烧放热非常少仅为焦
24、炭在风口前燃烧放热的1%-2%，煤粉，煤粉燃烧放热的燃烧放热的3%左右，甚至只有天然气的左右，甚至只有天然气的1/10-1/20。同时燃。同时燃烧消耗的风量很小（烧消耗的风量很小（0.5-0.6m3/m3），热风带入热量也随之），热风带入热量也随之减少（只有喷吹煤粉的减少（只有喷吹煤粉的10%）；焦炉煤气的置换比在低喷吹）；焦炉煤气的置换比在低喷吹量时不超过量时不超过0.45kg/m3，而在高喷吹量时降到，而在高喷吹量时降到0.35-0.40 kg/m3。因此寄希望于喷吹焦炉煤气来降低燃料比是不现实的。喷。因此寄希望于喷吹焦炉煤气来降低燃料比是不现实的。喷吹吹100m3/t焦炉煤气是需要认真地
25、论证和研究，不宜冒然在焦炉煤气是需要认真地论证和研究，不宜冒然在高炉生产中推广。在现代技术水平的条件，焦炉煤气利用的高炉生产中推广。在现代技术水平的条件，焦炉煤气利用的最佳途径是生产甲醇，效益最好。最佳途径是生产甲醇，效益最好。2 经济喷煤量经济喷煤量n高炉喷吹煤粉的目的是用煤粉中的碳置换焦炭中的碳，在风高炉喷吹煤粉的目的是用煤粉中的碳置换焦炭中的碳，在风口前燃烧放热和形成间接还原的还原剂口前燃烧放热和形成间接还原的还原剂CO和和H2，但是焦炭，但是焦炭的重要作用之一是保证高炉料柱具有良好的透气性和透液性的重要作用之一是保证高炉料柱具有良好的透气性和透液性，以保证高炉冶炼过程顺利进行，也就是常
26、说的焦炭的骨架，以保证高炉冶炼过程顺利进行，也就是常说的焦炭的骨架作用和高炉顺行的保证者，所以喷吹燃料，包括喷吹煤粉量作用和高炉顺行的保证者，所以喷吹燃料，包括喷吹煤粉量是受焦炭这个作用的限制，到目前为止，一般认为喷煤量的是受焦炭这个作用的限制，到目前为止，一般认为喷煤量的极限量是燃料比的极限量是燃料比的50%，人们设定的目标是，人们设定的目标是250kg/t煤比，煤比，250kg/t焦比，燃料比焦比，燃料比500kg/t， ，但是，但是至今燃料比可以长期维持在至今燃料比可以长期维持在500kg/t以下（最低以下（最低420-460kg/t），但是没有一座高炉能长期维持喷煤率达到，但是没有一座
27、高炉能长期维持喷煤率达到50%。只有少数。只有少数高炉维持在高炉维持在40%左右，大多数高炉维持在左右，大多数高炉维持在25%-30%，即在，即在燃料比燃料比500kg/t喷吹煤粉量维持在喷吹煤粉量维持在125-150kg/t。=100%=50%+煤比喷煤率煤比 焦比n长期以来，作者根据中国高炉炼铁的冶炼条件：入炉品位长期以来，作者根据中国高炉炼铁的冶炼条件：入炉品位571%；渣量；渣量32020kg/t；燃料比；燃料比53020kg/t；吨铁风量；吨铁风量1200200m3/t；风温；风温1100100；富氧；富氧1.5%-3.5%；鼓风；鼓风湿度不调湿波动在湿度不调湿波动在1%-3%。计算
28、出适合于此条件的喷煤量。计算出适合于此条件的喷煤量在在13020kg/t。因而提出经济喷煤量概念，它就是最适合。因而提出经济喷煤量概念，它就是最适合于冶炼条件的，置换比于冶炼条件的，置换比0.8kg/kg以上，燃料比稳定在以上，燃料比稳定在53020kg/t可取得较好效益的喷煤量。但是有的炼铁工作可取得较好效益的喷煤量。但是有的炼铁工作者，专家认为我们这种提法制约了生产者提高喷煤量的积者，专家认为我们这种提法制约了生产者提高喷煤量的积极性，认为目前中国炼铁喷煤量还有相当大的差距，应该极性，认为目前中国炼铁喷煤量还有相当大的差距，应该鼓励创造条件进一步提高喷煤量以节约更多的焦炭。鼓励创造条件进一
29、步提高喷煤量以节约更多的焦炭。n我们认为在任何时候喷煤量都应该适应于冶炼条件，超越我们认为在任何时候喷煤量都应该适应于冶炼条件，超越冶炼条件的大喷煤量必定是置换比较低，燃料比升高。目冶炼条件的大喷煤量必定是置换比较低，燃料比升高。目前相当多的中小高炉的燃料比高的原因之一，就是喷煤量前相当多的中小高炉的燃料比高的原因之一，就是喷煤量超越了冶炼条件允许的经济喷煤量，例如有的高炉入炉品超越了冶炼条件允许的经济喷煤量，例如有的高炉入炉品位降到位降到57%以下，渣量超过了以下，渣量超过了350kg/t达到达到400kg/t，风温不，风温不足足1100，富氧很少或者不富氧，而喷煤量则超过，富氧很少或者不富
30、氧，而喷煤量则超过170kg/t。造成大量未燃煤粉进入炉尘和布袋灰，使布袋灰成为含。造成大量未燃煤粉进入炉尘和布袋灰，使布袋灰成为含碳碳45%-50%的高灰分煤粉，置换比下降，燃料比在的高灰分煤粉，置换比下降，燃料比在550kg/t以上。实际生产表明，世界上任何高炉不会这样片面追求以上。实际生产表明，世界上任何高炉不会这样片面追求高喷煤量，结果只会是燃料比升高，高喷煤量，结果只会是燃料比升高，CO2排放量增大。排放量增大。 要使高炉炼铁获得好的业绩，必须具有一定的最基本条件，喷吹煤粉也是如要使高炉炼铁获得好的业绩，必须具有一定的最基本条件，喷吹煤粉也是如此，要提高喷煤量，此，要提高喷煤量，1）
31、必须解决和克服制约喷煤量提高的因素，最关键的是）必须解决和克服制约喷煤量提高的因素，最关键的是保证煤粉在风口前的燃烧率，减少随煤气流入料柱的未燃煤粉，喷吹无烟煤保证煤粉在风口前的燃烧率，减少随煤气流入料柱的未燃煤粉，喷吹无烟煤时燃烧率应时燃烧率应80%，喷吹烟煤或挥发分，喷吹烟煤或挥发分20%左右的混合煤时，燃烧率应左右的混合煤时，燃烧率应70%，燃烧率过低。一则减少了煤粉中碳在风口前燃烧放热，降低了煤粉碳，燃烧率过低。一则减少了煤粉中碳在风口前燃烧放热，降低了煤粉碳置换焦炭碳的作用；二则产生的过多未燃煤粉降低了料柱的孔隙度，增加煤置换焦炭碳的作用；二则产生的过多未燃煤粉降低了料柱的孔隙度，增
32、加煤气穿过料柱的阻力，严重时影响炉况顺行；三则随煤气逸出高炉，使重力灰气穿过料柱的阻力，严重时影响炉况顺行；三则随煤气逸出高炉，使重力灰和布袋灰中的碳含量升高，降低了喷吹煤粉在高炉内的利用率，导致置换比和布袋灰中的碳含量升高，降低了喷吹煤粉在高炉内的利用率，导致置换比降低例如某厂高炉大喷煤时煤比超过降低例如某厂高炉大喷煤时煤比超过250kg/t，重力灰中碳含量升高，煤气洗，重力灰中碳含量升高，煤气洗涤水表面漂浮油花般的煤粉，超过涤水表面漂浮油花般的煤粉，超过200kg/t以上煤粉的置换比降到以上煤粉的置换比降到0.5-0.6kg/kg），要保证煤粉燃烧率要采用富氧使燃烧的空气过剩达到），要保证
33、煤粉燃烧率要采用富氧使燃烧的空气过剩达到1.15以上；要提高以上；要提高风温加速反应速度，要将煤粉磨到适当细度（无烟煤风温加速反应速度，要将煤粉磨到适当细度（无烟煤-200目超过目超过80%，烟煤，烟煤或混合煤达或混合煤达70%以上）以增加煤粉反应表面积和表面活性点来加快燃烧速度以上）以增加煤粉反应表面积和表面活性点来加快燃烧速度，要均匀喷吹；，要均匀喷吹； 2）消除个别风口脉冲式黑团煤气流，保证高炉炉况顺行，提）消除个别风口脉冲式黑团煤气流，保证高炉炉况顺行，提高喷煤量后，造成料柱空隙度降低，风口前燃烧形成的炉高喷煤量后，造成料柱空隙度降低，风口前燃烧形成的炉腹煤气量增加，结果单位高度上的压
34、差腹煤气量增加，结果单位高度上的压差 升高，当升高，当 升升高接近甚至超过炉料的堆积密度高接近甚至超过炉料的堆积密度r料料时，高炉就首先出现难时，高炉就首先出现难行，继续发生悬料，而顺行是高炉生产头等重要的炉况，行，继续发生悬料，而顺行是高炉生产头等重要的炉况，高炉难行，悬料必然造成生产指标恶化，本来希望提高喷高炉难行，悬料必然造成生产指标恶化，本来希望提高喷煤来改善操作及其指标，结果适得其反，因此要提高喷煤煤来改善操作及其指标，结果适得其反，因此要提高喷煤量，必须使量，必须使 不升高，就要通过技术措施使料柱的空隙度不升高，就要通过技术措施使料柱的空隙度维持在较好的数值，炉腹煤气量不增加或增加
35、到允许的数维持在较好的数值，炉腹煤气量不增加或增加到允许的数量，这要求重视原燃料质量和提高富氧量。量，这要求重视原燃料质量和提高富氧量。PHPHPH 3）维持高喷煤量下炉缸活跃和具有良好的热状态。活跃的炉）维持高喷煤量下炉缸活跃和具有良好的热状态。活跃的炉缸表现在有足够大的燃烧带保证煤气初始分布合理，缸表现在有足够大的燃烧带保证煤气初始分布合理， n=燃烧带环圈面积燃烧带环圈面积/炉缸截面积的比值：大高炉应维持在炉缸截面积的比值：大高炉应维持在0.5左右，而中型高炉则维持在左右，而中型高炉则维持在0.55-0.6，小高炉维持在，小高炉维持在0.65左左右，活跃炉缸的另一个重要标志就是死料柱有良
36、好的透气右，活跃炉缸的另一个重要标志就是死料柱有良好的透气性和透液性，这要有优质焦炭和较低的炉渣滞留来保证，性和透液性，这要有优质焦炭和较低的炉渣滞留来保证，良好的炉缸热状态特征是良好的炉缸热状态特征是t理理维持在维持在220050，焦炭进入，焦炭进入燃烧带时的温度达到燃烧带时的温度达到0.75t理理和有必要的热贮备和有必要的热贮备630KJ/kg生铁生铁，其中最重要的是，其中最重要的是t理理，大喷煤后煤粉分解耗热增加，焦炭，大喷煤后煤粉分解耗热增加，焦炭带入燃烧带热量减少，煤气体积增大，将导致带入燃烧带热量减少，煤气体积增大，将导致t理下降：长理下降：长焰烟煤焰烟煤3.5/kg，烟煤，烟煤2
37、.8/kg，无烟煤，无烟煤1.5-1.8/kg。需要。需要通过提高风温和富氧来补偿，每通过提高风温和富氧来补偿，每100风温提高风温提高t理理60-80，每，每1%富氧提高富氧提高t理理45-50。n基于以上分析，我们提出喷吹基于以上分析，我们提出喷吹180200kg/t煤粉的必要条件：渣量煤粉的必要条件：渣量280kg/t以下，以下，200kg/t以上时要以上时要260kg/t以下；风温以下；风温12501280；富氧富氧3.0%5.0%；焦炭质量灰分在；焦炭质量灰分在12%以下，以下，S 0.7%以下，以下，M40 90%以上，以上，M10 6%以下，以下，CRI 24%以下，以下，CSR
38、 65%以上，平均粒以上，平均粒度度5055mm，烧结矿以，烧结矿以SFCA的高碱度烧结矿与含的高碱度烧结矿与含MgO酸性球团酸性球团或低或低SiO2低低Al2O3块矿搭配的炉料结构，均匀喷吹各风口之间的不均块矿搭配的炉料结构，均匀喷吹各风口之间的不均匀应在匀应在3%不超过不超过5%，煤粉的灰分和硫均应低于焦炭，挥发分，煤粉的灰分和硫均应低于焦炭，挥发分18%-20%，灰熔点在，灰熔点在1500等，如果上述条件有等，如果上述条件有1-2项达不到要求，就不项达不到要求，就不宜冒然提高喷煤量，否则将造成燃料比升高，达不到低碳低成本炼宜冒然提高喷煤量，否则将造成燃料比升高，达不到低碳低成本炼铁。铁。
39、现在我国高炉冶炼条件在劣化，入炉品位降低，渣量增加，焦现在我国高炉冶炼条件在劣化，入炉品位降低，渣量增加，焦炭质量在降低，部分原来高喷煤量的高炉的喷煤量有所下降，例如炭质量在降低，部分原来高喷煤量的高炉的喷煤量有所下降，例如宝钢本部的喷煤量宝钢本部的喷煤量2013年已降到与其冶炼条件相适应的经济喷煤量年已降到与其冶炼条件相适应的经济喷煤量160-170kg/t达到低燃料比低碳和低成本炼铁。达到低燃料比低碳和低成本炼铁。3.1质量评估质量评估从焦炭是高炉冶炼过程中热量的提供者的作用分析，焦炭的质从焦炭是高炉冶炼过程中热量的提供者的作用分析，焦炭的质量要求是固定碳含量要高，灰分要低，量要求是固定碳
40、含量要高，灰分要低，S要低，以焦炭在高炉要低，以焦炭在高炉内放出的净热量，即焦炭中碳燃烧成内放出的净热量，即焦炭中碳燃烧成CO放出的热量扣除自身放出的热量扣除自身的灰分造渣和脱的灰分造渣和脱S消耗热量以后，可以提供给冶炼的热量，从消耗热量以后，可以提供给冶炼的热量，从计算式可以看出：计算式可以看出：3.焦炭质量焦炭质量q =9800-2760-20000CAS焦焦焦焦q = 84009400280020000MMMCAS煤n但是中国炼焦煤的特点就是灰分高但是中国炼焦煤的特点就是灰分高S低，因此中国焦炭的特低，因此中国焦炭的特点也就是灰分高点也就是灰分高S低，用国产煤炼焦灰分降到低，用国产煤炼焦
41、灰分降到12%以下是很以下是很困难的，炼铁工作者要理智地认清国情，而用困难的，炼铁工作者要理智地认清国情，而用1/3焦煤（即焦煤（即气煤）炼捣固焦可以少量降低灰分，因为气煤与焦煤正好气煤）炼捣固焦可以少量降低灰分，因为气煤与焦煤正好相反，灰分低而相反，灰分低而S偏高。从焦炭的骨架作用分析任何生产液偏高。从焦炭的骨架作用分析任何生产液态铁水的竖炉（包括高炉，态铁水的竖炉（包括高炉，COREX熔融还原炉，熔融还原炉，Finex熔熔融还原炉等），都离不开焦炭，其离不开的原因就是料柱融还原炉等），都离不开焦炭，其离不开的原因就是料柱骨架作用，为保证这一作用高炉用焦炭质量指标中最重要骨架作用，为保证这一
42、作用高炉用焦炭质量指标中最重要的是强度指标冷强度的是强度指标冷强度M40，M10，反应性，反应性CRI，热强度，热强度CSR（与（与CO2反应后强度），反应后强度），4个指标中尤以个指标中尤以M10和和CSR更重要更重要，更要引起炼铁工作者的重视。炼铁工作者都知道，焦炭，更要引起炼铁工作者的重视。炼铁工作者都知道，焦炭在高炉内经受了在高炉内经受了4个方面的劣化：个方面的劣化：1）热应力）热应力 焦炭入炉后被加热，由于它的导热性能较差，焦块表面与中心焦炭入炉后被加热，由于它的导热性能较差，焦块表面与中心之间温度差在之间温度差在150-250，这个温差造成的应力作用，使焦炭沿着出炉，这个温差造成的
43、应力作用，使焦炭沿着出炉时就存在的微孔隙破裂，产生时就存在的微孔隙破裂，产生5mm的焦粉；的焦粉；2）摩擦）摩擦 不同运动速度的焦炭与炉料之间，焦炭与炉墙之间的摩擦使耐磨不同运动速度的焦炭与炉料之间，焦炭与炉墙之间的摩擦使耐磨性能差的焦块（性能差的焦块（M10指标差的焦炭）产生大量粉末，或随煤气进入炉尘指标差的焦炭）产生大量粉末，或随煤气进入炉尘，或残留在料柱，降低料柱空隙度而影响，或残留在料柱，降低料柱空隙度而影响 ，特别在炉缸燃烧带作循，特别在炉缸燃烧带作循环运动的焦炭与死料柱边界焦炭之间摩擦产生焦粉，影响炉缸状态及死环运动的焦炭与死料柱边界焦炭之间摩擦产生焦粉，影响炉缸状态及死料柱的空隙
44、度；料柱的空隙度；3）碳素溶解损失反应）碳素溶解损失反应 焦炭中的碳与煤气中的焦炭中的碳与煤气中的CO2反应反应C+CO2=2CO，将，将焦炭表面溶蚀成蜂窝状，强度降低，焦炭表面溶蚀成蜂窝状，强度降低，CRI指标差的焦炭，以及入炉指标差的焦炭，以及入炉K2O，Na2O等有害元素高的高炉，这个劣化作用最大，是焦炭质量变差的等有害元素高的高炉，这个劣化作用最大，是焦炭质量变差的主要原因；主要原因；4）铁渗碳反应溶蚀）铁渗碳反应溶蚀 滴落带中的焦炭以及炉缸中浸堆在铁水中的焦炭，受滴落带中的焦炭以及炉缸中浸堆在铁水中的焦炭，受此劣化作用大，它对死料柱透气性和透液性影响严重，也影响炉缸铁水此劣化作用大，
45、它对死料柱透气性和透液性影响严重，也影响炉缸铁水环流。环流。PHn随着喷煤量的增加，焦炭在炉内停留时间延长，焦炭劣化随着喷煤量的增加，焦炭在炉内停留时间延长，焦炭劣化更严重，宝钢和首钢迁钢的研究表明：更严重，宝钢和首钢迁钢的研究表明：1）喷煤量由）喷煤量由0kg/t到到100kg/t和和200kg/t，焦炭在炉内停留时间有，焦炭在炉内停留时间有6.5h延长到延长到9.06h和和14.92h；2）宝钢焦炭溶损率相应由不喷煤时的）宝钢焦炭溶损率相应由不喷煤时的29.63%提高喷提高喷100kg/t煤煤粉时的到粉时的到36.25%和喷吹和喷吹200kg/t时的时的46.67%，迁钢焦炭的粒，迁钢焦炭
46、的粒度降解达到度降解达到60%-68%，两厂高炉到达风口前的焦炭粒度由，两厂高炉到达风口前的焦炭粒度由50-54mm降低降低17-13.5mm。n我们通过统计研究，提出了评估焦炭质量的体系，设定焦我们通过统计研究，提出了评估焦炭质量的体系，设定焦炭质量总分为炭质量总分为100分，则最重要的灰分、分，则最重要的灰分、M10、CSR各占各占20分；分；M40(或或M25)、CRI各占各占15分，硫占分，硫占10分，并制定了评分，并制定了评价规则，还为河北某厂建立了价规则，还为河北某厂建立了1780m3高炉和高炉和450m3高炉焦炭高炉焦炭分级评分标准：分级评分标准：表表5 焦炭评价规则焦炭评价规则
47、灰分灰分 降低降低1%，分数提高，分数提高6.6分分 含量含量12%-15% 20分分硫分硫分 降低降低0.2%，分数提高，分数提高1分分 0.6-1.4%5分分M40 降低降低1%，分数降低，分数降低1分分71-85%15分分M25 降低降低1%，分数降低，分数降低1分分78-92%15分分M10 降低降低0.2%，分数提高，分数提高1分分 6-9.8%20分分CRI 降低降低1%，分数提高，分数提高1.5分分 25-38%20分分CSR 降低降低1%，分数降低，分数降低1.5分分 52-65%20分分表表6 1780m3高炉高炉使用焦炭分级评分标准高炉高炉使用焦炭分级评分标准分数分数100
48、分分0分分-5分分灰分灰分A，d/% 12.015.020硫分硫分St，d/% 0.601.60-M40/%85.070.060M25/%927767M10/%6.010.015.0CRI/%253848CSR/%655242表表7 450m3高炉使用焦炭分级评分标准高炉使用焦炭分级评分标准分数分数100分分0分分-5分分灰分灰分A，d/% 12.515.520.5硫分硫分St，d/% 0.701.70-M40/%806555M25/%877262M10/%7.011.016CRI/%284151CSR/%604737关于焦炭还需要分析三个问题：不同容积高炉，关于焦炭还需要分析三个问题：不同容
49、积高炉，特别是大型高炉对焦炭质量要求是否一样，焦炭的反应性和捣固焦质量。特别是大型高炉对焦炭质量要求是否一样，焦炭的反应性和捣固焦质量。3.2大型高炉对焦炭质量的要求是否因炉容不大型高炉对焦炭质量的要求是否因炉容不同而不同？同而不同？n不同容积高炉使用品质不完全相同焦炭适应炉内变化，本来不同容积高炉使用品质不完全相同焦炭适应炉内变化，本来是合理使用煤炭资源和不同焦炉生产的不同级别冶金焦是无是合理使用煤炭资源和不同焦炉生产的不同级别冶金焦是无可非疑的。可非疑的。GB/T1996-94就列出了不同容积使用焦炭的质量就列出了不同容积使用焦炭的质量要求（表要求（表8）但是近年来出现了不同的观点：）但是
50、近年来出现了不同的观点：表表8 焦炭质量要求焦炭质量要求炉容级别(m3)10002000300040005000M4078%82%84%85%86%M108.0%7.5%7.0%6.5%6.0%反应后强度CSR58%60%62%65%66%反应性指数CRI28%26%25%25%25%焦炭灰分13%13%12.5%12%12%焦炭含硫0.7%0.7%0,7%0.6%0.6%焦炭粒度范围(mm)75207525752575257530大于上限10%10%10%10%10%小于下限8%8%8%8%8%其一是我国新疆某厂其一是我国新疆某厂2500m3高炉短时内使用本地煤炼的焦炭，质量稍差，而高炉短时
