高炉炼铁煤焦置换新概念
DOI:10.13228/j.boyuan.issn1001-0963.20160245
2017, Vol. 29, No. 5, p345-351
高炉炼铁煤焦置换新概念
唐庆利，张建良，李克江，钟建波，徐润生，刘征建
（北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083）
摘要：煤焦置换比是衡量喷煤效果的重要指标，在一定冶炼条件下，置换比与喷煤量的关系遵循递减规律，如何优化高炉操作提高煤焦置换比是高炉炼铁的重要工作之一。为了明确置换比的可调控因素，首先通过对比分析实际置换比和理论置换比的计算方法，确定了高炉喷煤置换比与入炉焦炭成分、煤粉性能和煤粉在高炉内行为之间的数学关系。其次通过统计分析焦比和置换比随着煤比的变化关系，发现焦比随着煤比的变化存在一个拐点，拐点之后焦比降低程度减小，表明置换比开始显著降低。焦比拐点和置换比显著降低开始点是表征置换比稳定区的重要指标，延迟拐点位置是高炉炼铁节能降耗、降本增益必须关注的问题。影响喷煤置换比的主要因素包括3个方面：喷吹煤粉特性、高炉操作以及实际喷煤量。改善置换比的主要措施包括3个方面：提高燃料的燃烧性、保持合理的炉料分布以及改善原燃料质量。
关键词：煤比; 焦比; 置换比; 高炉
引言
21世纪的中国炼铁技术发展进入自主创新阶段，近十几年来，中国钢铁工业以更高的速度发展［1-2］。2015年，中国生铁产量为69141.51万t，占世界铁产量的59.89%，比上年下降3.45%。2015年中国铁矿石产量为138128.81万t，比上年下降7.69%；进口铁矿石量为952843.99万t，比上年增长2.2%，增幅下降11.6%。资源与能源的短缺是制约中国炼铁工业发展的重要因素［3］，中国钢铁工业的任务是在尽可能降低自然资源与能源消耗的前提下，保持中国经济的持续发展［1,4］。高炉炼铁是整个钢铁工序中的耗能和排放最大的环节，这是由高炉通过碳脱氧还原的本质特征所导致的，所以降低高炉的燃料比（碳消耗）始终是当前炼铁工作者的目标［5-7］。
随着焦煤资源的逐渐紧缺，煤焦价格差距将逐渐加大，焦炭用量成为影响炼铁成本的主要影响，而高炉喷吹仍然是目前及未来高炉节焦降耗的主流［8-9］。煤粉在高炉内的行为复杂，导致喷煤量受到众多因素的影响［10-12］,包括：炉缸热状态，煤粉燃烧速率，流体力学，炉料性能（特别是吨铁渣量和焦炭的热态性能），煤粉工艺性能以及高炉操作水平等［8］。煤焦置换比是衡量喷煤效果的重要指标，在一定冶炼条件下，置换比与喷煤量的关系是遵循递减规律的，即随着喷煤量的增加，置换比将会降低［8］。置换比的降低有可能导致燃料比过高，造成经济上不合算的情况，这时进一步扩大喷吹量只能造成喷吹燃料的浪费［13］。但是实践表明可以通过各种技术手段来减缓下降速率［14-16］。影响喷煤置换比的因素有很多，如煤的质量、煤粉燃烧、高炉操作等因素，其中煤种的优化是提高煤焦置换比的重要措施［17-18］。日本的煤焦置换比一直处于世界先进水平，平均维持在1.00左右［9,19］，而中国的平均置换比在0.85左右［20-21］，赶先进水平还有一定差距。
本文通过对比分析了实际置换比和理论置换比的计算方法，研究影响实际和理论置换比的各种因素。结合实际生产情况，给出了扩大置换比稳定区域的建议措施。
1 实际与理论置换比基本概念
1.1 实际置换比的计算
目前，国内计算煤粉实际置换比时采用式(1)［13, 17］：
式中：R0为以全焦冶炼为基准的喷吹辅助燃料置换比；RC0为未喷吹辅助燃料前的实际平均焦比，kg/t；RC1为喷吹辅助燃料后的平均入炉焦比，kg/t；∑ΔRC为其他各因素对实际焦比影响的代数和，kg/t；PCR为吨铁辅助燃料的喷吹量，kg/t。
使用式（1）时，需要一个纯焦冶炼的基准期，在生产中有时难以获得这样一个基准期，因此以某一喷煤比下的冶炼工况为基准期，计算喷煤比变化时的差值置换比，如式(2)［17］：
式中：R1为以某一喷煤比为基准的差值置换比；R′C1为喷吹比为PCR1时的焦比，kg/t；RC2为喷吹比为PCR2时的焦比，kg/t；∑ΔR′C为喷吹比PCR1、PCR2时其他各因素对实际焦比影响的代数和，kg/t；PCR1为参考工况条件下的喷吹比，kg/t；PCR2增喷煤量冶炼阶段的煤比，kg/t。
∑ΔRC的计算用到许多经验数，因各高炉计算中考虑影响焦比的因素及其折算标准不一，各高炉置换比之间不具有可比性。除了以上根据一个参考标准计算置换比之外，还有一些学者通过数学拟合法找到置换比与煤焦灰分、喷吹比、鼓风量或者风温等参数之间的经验公式［17,21］，但是这样的经验公式只适用于某一特定冶炼条件，不具备普遍适用性。
1.2 理论置换比的计算
在实际使用时，上述实际置换比的计算必须有一个基准期及∑ΔRC的确定，既复杂，准确性也较差。晏伟［22-23］ 等基于风口前燃烧1kg煤粉与燃烧1kg焦炭的碳素平衡建立了置换比的理论计算法Rl。
式中：w(C)coal、w(C)coke分别为煤粉和焦炭中碳的质量分数，%； w(C)coal，ash、w(C)coke，ash分别为煤粉和焦炭中灰分造渣耗热折合的碳质量分数，%；w(C)H为煤粉中氢参加还原而节约的碳的质量分数，%；w(C)l为煤粉分解热和加热至1500℃物理热所消耗的碳的质量分数，%。
式（3）中的w(C)H的计算方法如下：
式中：w(H)coal 为煤中氢的质量分数，%；ηH为氢气在高炉内的利用率，%；xC 、xH2 分别为碳和氢气的摩尔分数,%；QH2(d) 为氢气参加直接还原替代的热量，一般取62222kJ/kg;QC 为单位质量碳在风口燃烧放出的总热量，kJ/kg；
式（4）中的ηH根据以下经验公式求得：
式中:φCO2和φCO分别为CO2和CO的体积分数,%。
式（4）中的QC根据以下公式求得：
式中：Vw 为1kg碳在风口带燃烧所需要的风量，m3/kg；Cw为鼓风热焓，kJ/(m3·°C）；tw 为风温，°C；QC→CO为碳不完全燃烧放出热量，一般取9794kJ/kg；Qcoke为焦炭里的1kg碳加热至1500℃时的物理热，一般取2758kJ/kg ；
式（3）中的w(C)coke,ash根据以下公式求得：
式中：Acoke、Acoal分别为焦炭和煤粉中粉灰分质量分数，%；w(SiO2)coke、w(SiO2)coal分别为焦炭和煤粉灰分中SiO2的质量分数，%；R为炉渣二元碱度；Qslag为炉渣热焓，取1883kJ/kg；w(C)k为焦炭分解热和加热至1500℃物理热所消耗的碳的质量分数，%。
虽然毕学工等人［15,24］在式（3）的基础上又更多的考虑了煤粉在高炉内的利用率，以及煤粉和焦炭中的脱硫过程耗碳，但是其主体思想是一致的，结果也差别不大，其表达式如下：
式中：w(C)S,coal、w(C)S,coke分别为煤和焦炭中的脱硫过程耗热折合耗碳的质量分数，%；bc为煤粉的利用率，%。
1.3 实际置换比与理论置换比之间关系
通过式（3）和（8）可以发现，如果入炉焦炭成分稳定，式（3）和（8）中分母为常数，那么理论置换比就可以看成是煤粉性能（固定碳含量、灰分含量、氢含量以及硫含量）和煤粉在高炉内行为（燃烧率）的函数。实践证明煤粉对焦炭的实际置换比不仅是理论置换比的函数，也是煤粉在高炉内利用率的函数［15］。因此为了实现高的实际置换比，既要保证高的理论置换比，还要保证煤粉在高炉内有较高的利用率。
对于特定的煤种，其性能相对比较稳定，因此只能通过优化配煤提高喷吹煤粉的理论置换比。而对于特定的喷吹煤粉，可以通过优化高炉操作来提高喷吹煤粉的实际置换比［14］，例如改善高炉初渣性能，保持高炉下部良好的透气性和透液性，维持高炉下部调剂保持煤气流合理分布，提高煤粉在风口前的燃烧率，提高炉内未燃煤粉的消化能力，保持高炉内良好的炉缸热状态等。同时，对于挥发分含量高的喷吹配煤，为了充分发挥煤中氢的有益作用，尽量提高氢的利用率［15］。因为氢的利用率与CO利用率基本呈现正相关关系［13］，二者有互相促进作用，因此，在提高喷吹煤挥发分含量的同时，可以通过优化送风制度和装料制度，改善煤气利用率［15］。
2 煤焦置换比新概念
2.1 焦比变化拐点
通常来讲，焦比都会随着煤比的增加而降低，而对于焦比降低的程度很少有研究。通过统计大量历史数据，可以找出焦比降低程度与煤比的关系，如图1所示。从图1（a）可得出，对于2000m3以上的大高炉，入炉焦比随着煤比的增加显著降低，但是当煤比达到170kg/t时，出现一个拐点，再增加煤比，焦比降低的幅度明显降低。从图1（b）可以看出，对于600~2000m3的中小高炉中也存在着焦比变化的拐点，并且与大高炉比较，中小高炉的拐点更早，在150kg/t左右。近年来，焦比与煤比的关系受到生产企业广泛关注。图2（a）统计了富成亮［25］、冯帅［20］ 和竺维春［26］ 等在最近2年的工业试验中得到的数据，图2（b）统计了近年来国外的煤比与焦比情况［16, 19］。从中也可以发现与图1相似的规律，即焦比随着煤比的增加，其降低程度最终会降低，曲线变化趋于平坦。从图2也可以看出国外的煤比普遍比国内的要高，而其焦比比国内的普遍要低。国内的拐点出现在120kg/t左右，而国外的拐点出现在170kg/t左右，这也与中国的小高炉较多有关。在实际生产中，往往希望拐点尽可能的延迟，这样可以保证增加煤比的效益。
2.2 置换比显著降低开始点
从式（2）可见，焦比变化与煤比变化的比值即为喷吹煤粉的置换比，结合图2（a）中的数据以及候兴［21］等研究，可以得到置换比随煤比的变化规律如图3（a）所示。同时，结合图2（b）中的数据，可以得到其置换比随煤比的变化规律如图3（b）所示。置换比随着煤比的变化在一定范围内先基本不变，之后逐渐降低，并且降低程度越来越大。从图3可以看出，国外的置换比也普遍比国内置换比高，表明中国的喷煤置换比与国外还有较大差距。
拐点的意义是一个焦比降低程度转折点，同时也是煤焦置换比显著降低开始点，对于不同高炉，其转折点各不一样。如何使高炉的煤焦置换比拐点向后移动的问题也就是一个如何保持较高置换比的问题，如何通过系统研究煤焦置换比拐点后移，即煤比提高，置换比不变，或者置换比降低的幅度较小，是节能降耗，降低成本，大喷吹情况下所必须关注的问题。
2.3 几个喷煤概念的定义及相互关系
适宜煤比是指在高炉低碳冶金条件下的最佳利用碳的喷煤比，即最大置换比条件下的喷煤比。此时的煤焦置换比往往与理论置换比较为接近，煤粉利用率较高。但这种情况下，仅仅单方面强调煤粉的利用率，而煤比较低，焦比较高，对于高炉铁水成本不利。
经济煤比是指在最佳生产调配条件下，考虑高炉原燃料结构和质量、高炉操作条件、原燃料市场价格等因素，喷煤比最高且稳定，焦比、燃料比最低的操作。经济煤比的大小取决于煤焦价格、原料价格、喷煤量、煤焦置换比和操作水平等多种因素，最终由总燃料消耗和铁水成本来决定。经济煤比对应的置换比称之为经济置换比。
极限煤比一般为理论计算获得，为理论上煤粉最大喷吹量。在极限煤比条件下，焦炭只充当骨架作用，煤粉完全代替焦炭充当还原剂和热源的角色。首钢刘云彩等研究表明，高炉可以接受的极限煤比为250kg/t。虽然在极限煤比条件下，焦比较低，但往往煤焦置换比偏低，高炉炉况易于波动，不利于高炉低成本冶炼。
焦比变化拐点指随着煤比的增加，焦比降低程度明显降低的开始点；置换比稳定区指随着煤比的增加，置换比维持固定水平的喷煤量范围。
几个煤比概念的关系如图 4所示，可以看出适宜煤比为一个范围，中国当前高炉条件的适宜煤比为(130±20)kg/t。极限煤比为一个理论计算的定值，当前公认取值为250kg/t［19］。经济煤比是介于适宜煤比和极限煤比之间的一个值，同时经济喷煤比处于置换比稳定区。在实际生产过程中，要结合煤焦价格，寻找经济煤比，不宜过分追求高置换比或高煤比操作。需要通过各种调整，使得高炉煤比稳定在经济煤比范围内，逐步提高喷煤量，降低焦比和燃料比，降低生产成本。
2.4 改善置换比的措施
图 5［19］总结了影响喷煤置换比的全部因素，其主要包括3个方面：喷吹煤粉特性、高炉操作以及实际喷煤量。改善置换比的主要措施包括3个方面：提高燃料的燃烧性、保持合理的炉料分布以及改善原燃料质量［27-28］。
通过改善喷吹煤粉的成分及物理性能，改善喷吹及鼓风条件，以及降低未燃煤粉的产生，可以提高燃料在高炉内的燃烧性［29］。通常来讲，喷煤比超过一定限度后，煤粉在高炉内的燃烧性降低，因此置换比降低［9］。例如在邯钢西区1号高炉的实践表明［20］，煤比每增加10kg/t，置换比降低0.038；煤粉w(C)每增加1%，置换比可提高0.049左右。通过合理布料保持炉料的合理分布，可以提高煤气利用率。因为高炉内一部分还原煤气来源于煤粉的不完全燃烧，提高煤气利用率也间接地提高了煤粉的利用率。通过改善原燃料质量可以降低焦炭粉化率，提高炉缸活性。整体来讲，由于高炉各种因素互相关联影响，要获得最优置换比需要对高炉进行综合关联优化［30-31］。
3 结论
（1）对比分析了实际置换比和理论置换比的计算方法，并基于实际置换比是理论置换比的函数，得出影响实际置换比的因素包括入炉焦炭成分、煤粉性能（固定碳含量、灰分含量、氢含量以及硫含量）和煤粉在高炉内行为（燃烧率），并明确了各种因素与置换比之间的数学关系。
（2）通过对不同容积高炉入炉焦比与煤比关系的分析，发现对于相对稳定冶炼条件下的高炉，其焦比随着煤比的增加整体上保持降低趋势，但是焦比的降低趋势有一个拐点，拐点过后焦比降低的程度减小。大型高炉的拐点位置较中小高炉的要靠后，表明大型高炉的煤比可提高空间较小高炉提高空间大。
（3）经济喷煤比介于高炉适宜喷煤比和极限配比之间，并且处于置换比稳定区。延迟焦比变化拐点既是扩大置换比稳定区，也是节能降耗、降低成本、大喷吹情况下所必须关注的问题。实际生产需要根据不同的高炉原燃料质量、冶炼制度、高炉本身的状况等限制性环节，“因地制宜”选择适合本厂最佳煤比，并且应用各种条件使最经济煤比靠近高炉最适宜喷煤比。同时改善条件，以期获得适宜煤比，最经济煤比靠近极限煤比，达到降低到最大成本的效果。
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