低风温条件下实现高煤比的操作技术探索

张红启，王志刚，朱振秀，崔学锋

(莱芜钢铁股份有限公司股份炼铁厂)

摘 要：针对如何突破常规大煤比条件限制，开展提升煤比操作技术探索，创新、应用、总结出了一系列低风温条件下高炉操作控制方法，建立低风温高煤比下的长期炉况稳定顺行模型，大幅降低焦比，环保意义重大。

关 键 词：低风温；高煤比；煤粉燃烧率

1 概述

在能耗和环境问题日益突出的今天，高炉提高喷煤比成为当代高炉炼铁技术进步、降本增效的重要方向。煤比提升至170kg/tFe以上时对于高风温的依赖作用尤为显著，而中小型高炉热风炉大多存在热风炉能力不足，风温水平偏低的困境，限制了煤比的提升。

莱钢股份炼铁厂2号高炉热风炉为1993年所建的内燃式热风炉，虽经过2006年高炉大修时改造，但送风风温到2009年后逐步下滑，采取多项提升风温措施后，平均送风风温仍在1080℃以下。在风温现状下，成立煤比提升项目攻关组，经过多次煤比攻关，2号高炉自2009年10月以来保持了201kg/tFe的水平，2010年6—8月煤比连续超过210kg/tFe(见图1)。

2 技术思路与操作探索

2．1 总体技术思路

贯穿“上稳下活中畅”的操作理念，加强过程控制，保持炉况长期稳定顺行。在此基础上，以提高煤粉燃烧率为中心，减少炉内未燃煤粉量，控制炉内二次煤气合理分布，实现煤比提升，燃料比不异常上升的目的。

2．2 技术方案

高炉煤比提升后，炉内冶炼进程发生了一系列负面变化，高炉炉缸热制度方面，风口前理论燃烧温度下降；煤粉热滞后作用延长；煤气流分布上，随着煤比上升，煤气发生量增加，煤气流发生再分布；焦窗减小，煤气阻损加大；煤粉利用方面，煤粉燃烧率下降，煤粉置换比降低。

针对这些变化，项目攻关小组在深刻分析其演变原理后，结合2号高炉存在的煤比提升制约因素进行分析后，进行主因筛选和部分快速改善工作，在工艺操作上完善标准化管理，分阶段制定方案，针对主因，展开专项攻关，结合遇到的问题，不断完善，确保了煤比提升过程中产生的综合效益最大化。

2．2．1 原燃料质量控制

(1)焦炭反应后强度在高煤比条件下尤为重要，随着煤比提升，焦炭在炉内料柱骨架作用至关重要，而这项作用是煤粉所无法取代的。在实际生产中发现焦炭反应后强度下滑后，炉况表现料柱透气性差，难行，崩塌料多，调整不及时容易出现管道、悬料等炉况失常。

通过总结分析多次炉况波动与焦炭反应后强度关系，煤比>200kg/tFe时，焦炭反应后强度>62％，反应性<28％；煤比>180kg/tFe时，焦炭反应后强度>60％，反应性<30％以保证必要的料柱透气性。

(2)矿料成分控制。

如果高炉喷煤比提高，而渣量维持不变时，由于未燃煤粉量的增加，使料柱焦层中的炉渣积聚量增大，从而会影响高炉下部的气流分布和风口气流向中心区的穿透以及整座高炉的透气性。从实际生产中发现，当煤比从160kg/t提高到190kg/t时，气流压差提高了20％左右。为适应高煤比，在满足各项冶金指标的同时考虑降低高炉渣量是首要问题。

考虑老区资源状况，在无法提高入炉品位的情况下，采取了提高镁铝比的措施，降低炉渣粘度，保证必要的透气性。

2．2．2 风口前理论燃烧温度的控制实践研究

根据行业经验，当高炉煤比上升后，风口前理论燃烧温度将随之下降，一般要求控制在2200℃以上，而风温低的高炉操作中往往局限在经验中，认为风温低不能进行高煤比作业，不能满足必要的风口前理论燃烧温度造成高炉炉况失常，指标下降。

2号高炉热风炉是股份炼铁厂唯一一座内燃式热风炉，平均风温水平低于其它高炉低120℃以上，也存在着风口前理论燃烧温度不足的情况。提升煤比过程中，因风温水平低，导致部分煤粉燃烧不充分，出现炉缸堆积征兆，在这种情况下，利用炼钢富余氧多，放散率高的有利时机提高富氧率至4％以上，在风口前理论燃烧温度依然不足的情况下，保证了炉缸的正常工作状态。

项目攻关小组在生产中突破煤比提升必须保持较高风口前理论燃烧温度的观念，通过提高富氧率减少未燃煤粉的作用下，经过煤比提升多次试验，大喷煤后造成风口前理论燃烧温度计算值虽然偏低，但由于高煤比条件下入炉部分未燃煤粉量同时增加，实际火焰温度要高于计算值，实践中发现，在煤比>200kg/tFe，风口前理论燃烧温度在2100℃左右的情况下，通过各项参数的合理控制，消弱未燃煤粉在炉内的影响，高炉运行状况仍然能够保持稳定顺行。

2．2．3 煤气流二次分布

合理的煤气流分布，是炉况稳定顺行的基础。煤气流在炉内进行二次分布，首先在风口形成初始煤气流，在料柱焦窗的作用下，再次分布，这两次气流分布的平衡决定了煤气流分布的合理性。合理的煤气流在高炉上表现为炉况稳定、顺行、透气性指数适宜、煤气利用率高、燃料比低等方面。高炉进行大喷煤，期间能否保持合理的煤气流分布是煤比攻关的重要环节。

不同的冶炼条件必须要有与之匹配的煤气流分布，在矿焦比提高和未燃煤粉增加的情况下，通过调整煤气流分布来改善料柱透气性非常重要。合理的煤气流分布使高炉的透气性指数在可控范围内，还能获得高煤气利用率，保证燃料比的不异常升高。

(1)初始煤气流分布

初始煤气流分布与鼓风动能、送风温度、富氧等多种因素相关。在生产中，控制适当的鼓风动能可以促进煤粉燃烧，同时可保持一定的循环区长度，保持炉缸活跃的工作状态，这是高炉能否接受高煤比的关键所在，因为它不仅可以改变未燃煤粉的分布和利用，还直接影响着整个高炉的透气性。

2号高炉长期高煤比下的适宜鼓风动能在5500kg．m／s左右，改变风口面积，实现高风速虽然可以增大鼓风动能增加风口前焦炭燃烧的循环区长度，达到活跃炉缸的目的，但是，过小的风口面积容易造成中心气流过旺，在上部抑制中心的调剂下，造成气流的二次分布不合理，炉腹部位渣皮不稳定，频繁滑落，影响炉况的长期稳定顺行。

在鼓风动能计算中，鼓风动能还与鼓风压力的平方成反比，减小鼓风压力同样可以增大鼓风动能，而减小鼓风压力是要靠上下部综合调剂才能实现，也是合理调整二次气流分布的努力方向。

(2)煤气流在炉料中的第二次分布

煤气流在炉料内的第二次分布由上部调剂决定，此次煤比攻关中，借鉴专业知识，建立了炉喉焦炭厚度概念，确定了扩大矿批和保持固定焦窗厚度的方案。

扩大矿批的目的也是为了将炉喉焦层厚度扩大到400mm以上，解决在煤比提升过程中焦批缩小带来的料柱透气性不足的弊端。

保持固定焦层厚度主要是在煤比提升过程中，保持稳定炉喉焦层厚度，调整矿批，实现料柱煤气通路的稳定过渡。

2．2．4 煤粉燃烧率的研究

(1)未燃煤粉解决方案。

煤粉在高炉内充分利用的问题，在于如何让未燃煤粉参加炉内反应。煤粉喷入高炉后，风口回旋区内未完全燃尽的煤粉以未燃煤粉的形式进入炉内。未燃煤粉在炉内的数量与喷煤量、煤粉粒度及燃烧率等因素密切相关。

项目攻关中提高煤粉利用率主要针对两个方向，一是提高煤粉在风口区的燃烧率，主要是通过保证必要的风口前理论燃烧温度，提高富氧量、及时调整煤枪位置，清理堵塞喷枪提高喷吹面积，保证全喷率来控制；二是提高未燃煤粉在炉内的利用率，主要是通过未燃煤粉在炉缸的合理分布来解决。

(2)高顶压的使用。

采用提高顶压的方式，通过厂相关部门协调，经煤气管道及除尘系统验证，逐步提高顶压水平，由上限顶压150kPa提高到170kPa，大大提高了对煤气流的控制能力。

生产中，在较高煤比下，特别是短期煤比达到200kg/t后，会出现煤气利用率下降。这是因为煤比越高，炉腹煤气量越大，边缘气流发展的越强烈，而边缘气流过于发展时上部调剂很难控制，而且为了确保炉况稳定顺行，改善透气性，也需要适当疏松两股气流，这样大量高温煤气从周边上升，煤气利用程度下降，炉顶温度升高，煤气带走的物理热增加，从而导致燃料比上升。

同时炉尘比呈显著上升，而且瓦斯泥的吹出量超过了重力灰比。重力灰和瓦斯泥的碳含量随之升高，通过炉尘灰特别是瓦斯泥带走的未燃煤粉及焦粉增多，可燃物利用率下降，导致入炉燃料比上升。原燃料条件下降使入炉粉末量增加，也导致炉尘灰比升高。

采取高顶压控制后，炉内煤气流速减缓，顶温降低，风口回旋区内煤粉的燃烧率得到进一步提高，随煤气炉尘溢出量得到有效控制，减少了除尘灰中的C含量，提高了煤粉利用效率。

(3)高富氧使用。

在项目攻关中，炼钢富余氧多，只能放散掉，为了进一步提高氧气的利用，同时2号炉风温现状也急需大富氧来弥补必要的风口前理论燃烧温度的不足，在此背景下进行了大富氧的尝试。

通过改造氧气管道，氧气用量由原来不足2％提高到5％，大大提高了煤粉的利用率，解决了大煤比下渣铁热量不足的问题，经分析，用氧水平和必要的风口前理论燃烧温度相关，因此在富氧率>3％的情况下，低风温水平也能保持180kg/t以上的煤比水平。

2．2．5 低硅冶炼与煤比关系

煤比提升过程中会造成炉温的一定程度波动，一是焦炭负荷变化，炉温调剂不当，正常下滑；二是煤比提升阶段煤气流存在通路变化，煤气利用率下降造成一定的热量损失。

在煤比提升阶段，采取了循序渐进的模式，首先在煤比提升初期保证中上限炉温，实现煤比提升的平

稳过渡，然后稳定煤比的基础上，摸索合理的操作制度，确认持续保持住煤比后再次进行煤比提升。

当煤比达到目标值后，要积极采取低硅冶炼操作，因为在生产中发现含硅量>0．5％后，高煤比条件下受生铁质量的提升，炉况操作难度增大。

3 实施效果

通过项目攻关，实现了低风温(<1100℃)下高煤比的目标，同时操作水平也得到大幅提高，通过技术攻关，煤比水平在全国中小型高炉中名列前茅，实现长期200kg/tFe以上的煤比水平。

3．1 运行情况

炉况长期保持稳定顺行，煤比2009年10月—2010年9月平均煤比200．99kg/tFe，平均燃料比：528．07kg/tFe，取得良好绩效。

3．2 主要技术指标及达到的水平

莱钢股份炼铁厂2号高炉通过低风温条件下煤比提升攻关项目，取得成效显著。项目实施过程中，克服风温水平低，原燃料波动的不利条件，积极寻找煤比提升解决办法，自2009年10月，保持炉况顺行的基础上，实现长期煤比>190kg/tFe的攻关目标。

通过国内炼铁企业中型高炉指标对标，莱钢股份炼铁厂2号高炉喷煤水平达到国内领先水平。

高炉喷煤技术是国内外钢铁企业广泛运用的一项技术。高炉喷煤能够降低焦炭使用量，减少高炉炼铁对日益匮乏的炼焦煤的依赖，延长焦炉寿命，降低炼焦和高炉炼铁环境负荷，减少炼焦过程中造成的环境污染，并能够大幅度降低炼铁成本。在能耗和环境问题日益突出的今天，高炉提高喷煤比成为当代高炉炼铁技术进步的重要方向，也是环境保护的一项重要举措。

通过煤比提升，炼铁成本进一步降低，年效益大于1500万元，如果和2008年平均煤比指标相比，创效益超过2000万元以上。在煤比指标提升的同时，三类品率得到进一步降低，由9．3％下降到2．689％，炼钢厂提出的质量异议大幅减少。

4 结语

(1)突破常规范围操作，尝试高顶压、利用炼钢富余氧大富氧操作，提高风口前煤粉燃烧率，减少未燃煤粉在料柱内的滞留。

(2)煤比提升期间，通过上下部调剂手段的采取，建立了高煤比条件下炉内煤气流合理分布的模型，践行了“上稳下活中畅”的操作理念。

(3)建立炉喉合理焦炭厚度概念，提升煤比过程中，保持炉喉焦炭厚度即料层焦窗大小不变调整矿批的方法，保持煤气通路的相对稳定性，消弱因焦比降低带来的料层焦窗变化从而引起的煤气流失常问题。

(4)针对风温低的现状，突破煤比提升必须保持较高风口前理论燃烧温度的观念。通过提高富氧率减少未燃煤粉的同时，经过煤比提升多次试验，大喷煤后造成风口前理论燃烧温度计算值虽然偏低，但由于高煤比条件下入炉部分未燃煤粉量同时增加，实际火焰温度要高于计算值，实践中发现，在煤比>200kg/tFe，风口前理论燃烧温度>2100℃的的情况下，通过各项参数的合理控制，消弱未燃煤粉在炉内的影响，高炉运行状况仍然能够保持稳定顺行。