摘  要  高爐噴煤工藝是高爐煉鐵系統的關鍵工藝技術和降本增效的重要手段。本文在大量文獻調研和實地考察基礎上，闡述了煤粉溫度提高后，煤粉對熱風的冷卻效應減弱，煤粉利用率得到改善；并探討了首鋼某大型高爐高煤比濃相輸送條件下，提高煤粉溫度的可行性，其應用前景可期。

關鍵詞  高爐噴煤  煤粉溫度  煤粉燃燒率

Discussion on improvement of Pulverized Coal Temperature in Blast Furnace PCI technology

MA Ze-jun1，WANG Wei1，CHEN Hui1， ZHU Wei-chun1，SUN Jian1，WU Jian-long1，LIANG Hai-long1，YAN Tie-feng2 

Shougang Research Institute of Technology, Beijing 100043, China;

Shougang Jingtang Iron & Steel Co., Ltd. , Caofeidian, 063200, China

Abstract  The blast furnace pulverized coal injection technology is the key technology of the blast furnace ironmaking system and the important means to reduce cost and increase efficiency. Based on literature research and field investigation, this paper elaborates that the cooling effect of pulverized coal on the hot air weakens, the utilization rate of pulverized coal is improved with the pulverized coal temperature increasing; and discusses the feasibility of improving the coal temperature on condition of high coal ratio concentrated phase transportation about a large blast furnace of Shougang, its application prospect can be expected.

Keywords  pulverized coal injection; pulverized coal temperature; combustion ratio of pulverized coal

1  前言

作為現代高爐煉鐵系統的關鍵工藝技術和降本增效的重要手段，高爐噴煤工藝可以實現降低入爐焦比、合理利用煤炭資源、減少環境污染和降低鐵水成本等作用[1]。然而隨著高爐煤比的增加，煤粉由于加熱和裂解而消耗的熱量也隨之增加，致使冶煉過程中應補償更高的風溫，進而加大了熱風系統的風溫壓力，以至于增加了鐵水成本，嚴重時還可能對熱風系統穩定性產生不利影響。

高爐煤粉噴槍位于吹管前端，離高爐風口回旋區很近，風口回旋區內煤粉燃燒空間很小。此外，吹管內正常的熱風速度達150～200m/s，所以煤粉的停留時間有限，一般認為只有10ms左右。因此，在有限空間內和有限時間內提高煤粉的燃燒率，是高爐煤粉噴吹的研究重點[2]。

實踐也證明，噴入高爐內有效空間的煤粉，從燃燒學出發，對于煤粉的燃燒過程，燃燒空間和燃燒時間都是非常重要的條件。燃燒空間不夠或燃燒時間不足都將導致煤粉不完全燃燒，以致浪費能源并引起環境污染、高爐操作條件惡化等一系列問題[3-5]。因此，提高煤粉在風口回旋區的燃燒率，解決煤粉在高爐內的燃燒利用問題是大噴煤操作中必須面對的重要問題。

本文在大量文獻調研和實地考察基礎上，總結了提高煤粉溫度的工藝方法，及其對高爐噴煤系統帶來的有益效果；并探討了大型高爐高煤比濃相輸送條件下，提高煤粉溫度的可行性，其應用前景可期。

2  提高煤粉溫度的研究進展

提高煤粉溫度是目前高爐噴煤技術領域的前沿課題，受到高校、企業以及科研單位的廣泛關注和重視。文獻調研發現，有關提高煤粉溫度的技術，實驗研究、技術探索和可行性報告數量很多。本節重點介紹幾個典型的研發案例。

2.1  煤粉預熱對其燃燒性的影響規律

近年來，國內外對噴吹煤粉進行預熱以提高其燃盡率進行了實驗研究，如德國蒂森公司、英國Scunthorpe廠（斯肯索普）、巴西Minas-UFOP公司等。我國的山西潞安礦業集團采用分離式熱管換熱器對煤粉進行加熱，也取得了較好的實驗效果。

劉仁生通過對潞安煤制成的噴吹煤粉樣在不同預熱溫度下燃燒率測定，研究煤粉預熱對其燃燒性的影響規律。

研究發現，預熱可以提高煤粉的燃燒率，并且隨著預熱溫度的提高燃燒率不斷升高。鋼廠采用熱風爐廢煙氣的余熱，對高爐噴吹煤粉進行預熱到150~200℃后噴吹，噸鐵可以提高噴煤量10kg，明顯降低焦比和燃料比，有顯著的經濟效益和社會效益[2]。

2.2  提高煤粉溫度的新型預熱工藝

提高煤粉溫度的新型預熱工藝，是在原有煤粉制備與噴吹系統的基礎上，通過增設煙氣爐，并將熱煙氣作為煤粉倉預熱和煤粉輸送預熱的熱源（如圖1所示），以達到提高煤粉溫度的目的[6]。

提高煤粉溫度的新型預熱工藝主要包括煤粉倉預熱和煤粉輸送預熱兩部分。

煤粉倉預熱要求設置在煤粉倉上的盤管與煙氣爐的排氣管連通，并引溫度為240~350℃的煙氣爐煙氣作為伴熱介質對煤粉倉進行伴熱，保持煤粉倉中煤粉的溫度在80~100℃左右。煤粉輸送預熱工藝，首先通過管道將換熱器與煙氣爐的排氣管連通，引自煙氣爐出口的高溫廢氣作為換熱器的熱介質，用于煤粉輸送的輸送氣體作為換熱器的冷介質，通過熱交換加熱后的輸送氣體溫度最高達到200℃左右。然后加熱后的輸送氣體作為沖壓和流化氣體，進入噴吹罐對煤粉進行預熱，之后加熱后的輸送氣體在輸送過程中持續對煤粉進行預熱，使煤粉在進入風口前時的最高溫度可以達到150℃。在上述方案中，所述的輸送氣體為氮氣或者壓縮空氣。

該方法能夠顯著提高煤粉溫度，大幅縮短煤粉在風口前加熱至著火點的時間，增加煤粉在風口和回旋區的燃燒時間，從而提高煤粉的燃燒率。

2.3  高爐噴吹煤粉噴前預熱工藝

國內某單位自2005年開始潛心研究煤粉預熱工藝及設備，在煤粉預熱的工藝、預熱設備的研發與應用等方面積累了豐富的經驗，對煤粉預熱的可行性、安全性及煤粉預熱后對高爐噴煤節能環保的影響進行了系統研究。其發明的新型高爐噴吹煤粉噴前預熱工藝原理圖如圖2所示。

由圖2的工藝原理圖可以看出，高爐噴吹煤粉預熱工藝，在煤粉噴入高爐之前利用經過升溫的熱風爐高溫廢氣將煤粉直接加熱到250℃-350℃。該發明的工作過程為：高爐熱風爐中產生的廢氣通過廢氣風機1進入升溫爐3中進行二次升溫，升溫爐3由高爐煤氣管道4提供燃料，可以通過調節閘閥的開啟來調節升溫范圍。經過升溫爐3加熱的廢氣進入多級分段預熱器5，高溫廢氣通過介質輸送管道7依次經十個預熱單元6逐級將高速逆向流動煤粉加熱到250-350℃。預熱后的煤粉由煤粉輸送管62送至爐前分配器后噴入高爐。預熱使用后的廢氣進入磨煤機9烘干煤粉，實現能源再次利用。

煤粉預熱系統中所有管道均采用保溫設施，以提高熱能利用率。且介質輸送管和加熱室上均設置有膨脹節，用以解決受熱膨脹補償問題。煤粉輸送管道材質為耐磨耐高溫合金，使用壽命長。煤粉輸送管內設置有測溫傳感器，可以對煤粉輸送管道內的系統溫度參數進行實時監控。

3  國內高爐噴煤系統提高煤粉溫度的應用實例

前期調研并實地考察發現，舞鋼中加鋼鐵有限公司3#高爐為提高煤粉溫度，將煤粉預熱器應用于實踐，煤粉預熱溫度達到280℃。

為定性定量研究煤粉預熱后對高爐煤比與綜合燃料比的影響。舞鋼中加鋼鐵公司于2017年1月10日到27日在3#高爐生產保持穩定順行，原燃料條件基本不變的情況下，進行了煤粉預熱對高爐煤比、綜合燃料比影響的試驗研究。

研究結果表明，在高爐生產保持穩定順行，原燃料條件基本不變的條件下，煤比在150kg/噸鐵以上，煤粉預熱到300℃以上時，可以降低焦比12~19kg/噸鐵，煤比提升6~20 kg/噸鐵，實際綜合燃料比降低8~14kg/噸鐵[7]。

4  提高煤粉溫度在首鋼大型高爐噴煤系統的應用前景

4.1  首鋼某大型高爐噴煤系統現狀

首鋼某高爐設計兩套配置基本相同的噴煤系統，分別對應兩座高爐噴煤。在熱風爐廢氣供給和煤粉分配上可互相補充及調劑。噴煤系統采用大型中速磨煤機制粉、封閉式混風爐干燥、高效布袋一級收粉、三罐并列噴吹、長距離濃相輸送和噴煤總管流量檢測及調節。

煤粉制備用干燥劑由高爐熱風爐廢氣與混風爐產生高溫煙氣混合而成。采用臥式混風爐，混風爐以高爐煤氣作為主要燃料，焦爐煤氣用于保溫、穩燃、點火和伴燒。

采用熱風爐廢氣作為煤粉干燥的主要介質。干燥劑系統要求：以控制干燥氣量和溫度為目標，保證滿足中速磨煤機對干燥氣量和溫度的要求。

4.2  首鋼某大型高爐提高煤粉溫度的應用分析

實地調研發現，舞鋼中加鋼鐵有限公司高爐噴煤系統采用稀相輸送，3#高爐煤粉預熱段為40m，預熱段位置為噴煤總管中后段，預熱后的管道采取全程保溫，減少輸送過程中熱量損耗。預熱結束的廢煙氣用于磨煤機干燥系統。

通過咨詢，投資回收期方面，提高煤粉溫度的投資按爐容計，約0.7萬元/m3。按煤粉溫度提高到300℃，降低燃料比8kg/t計算，投入運營后8~10月收回投資。

首鋼某大型高爐噴煤系統采用長距離濃相輸送，固氣比為46，輸送距離約200m，氧煤槍為套筒式，外腔通氧氣，內腔走煤粉。

理論分析，煤粉溫度提高后，煤粉水分減少，流動性變好；濃相輸送較稀相輸送的傳熱效果更好；長距離輸送較短距離輸送，煤粉預熱更充分；能夠明顯降低高爐焦比和燃料比。

但提高煤粉溫度后，現有的噴煤設備可能存在一定問題：①輸送煤粉的管道材質要求提高，需采用耐熱無縫鋼管（例如1Cr18Ni9Ti）；②煤粉分配器材質要求提高；③氧煤槍與吹管連接處的橡膠圈等配件不適用。

因此，要結合高爐噴煤系統現有實際，合理提高煤粉溫度。

5  結語

通過大量文獻調研，并在實地考察基礎上，闡述了高爐噴煤系統提高煤粉溫度的可行性，其應用前景可期。初步得到了以下結論：

（1）文獻調研發現，提高煤粉溫度的工藝方法較多，其共同點多以增設燃燒爐、預熱器或伴熱管道等形式加熱煤粉。

（2）實地考察發現，高爐噴煤前預熱煤粉，能夠提高煤粉溫度，有效提高煤粉利用率，顯著降低燃料消耗。

（3）應用前景分析，高煤比濃相輸送條件下，煤粉傳熱效果更好，預熱更充分；但噴煤設備可能存在一定問題，需結合現有實際，合理提高煤粉溫度。

6  參考文獻

[1]楊永昌. 高爐噴吹煤粉預熱工藝及預熱對煤粉理化性質的影響[D]. 北京科技大學, 2009.

[2]劉仁生. 高爐噴吹煤粉預熱對其燃燒性能的影響[J]. 全國大高爐煉鐵學術年會, 2008.

[3]王宏強. 煤粉噴前預熱技術研究與工業應用[J]. 全國中小高爐煉鐵學術年會, 2014.

[4]趙俊東, 王恒, 楊永昌, 等. 煤粉預熱對高爐噴吹中煤粉燃燒行為的影響[J]. 過程工程學

報, 2011年第4期：606-612.

[5]紀鵬, 李菊香, 王宏強. 熱管式固相粉末換熱系統在高爐噴煤中的應用[J]. 冶金能源, 

2008年第6期：42-45.

[6]司敬芝, 湯楚雄, 周強, 等. 一種高爐噴煤系統煤粉預熱工藝方法[P]. CN201410070774.1，

2014.

[7]公文亮, 王磊. 舞鋼中加鋼鐵3#高爐煤粉預熱對高爐燃料比影響的試驗研究[J]. 2017.