高炉喷吹辅助燃料是现代高炉炼铁生产广泛采用的新技术，同时它还是现代高炉炉况调节所不可缺少的重要手段之一。喷吹的燃料可以是重油、煤粉、粒煤或天然气，其中，喷吹煤粉日益受到各个国家或地区的高度重视。这项技术在近几十年中取得了明显的进步，而且，在相关的炼铁新工艺中，也不断地得到了推广和应用。
喷吹煤粉是高炉技术进步的合理选择，而且应当将高风温、富氧鼓风和喷吹煤粉有机结合起来后，不仅节焦和增产两方面同时获益，而且这种有机结合也成为一种不可缺少的高炉下部调剂手段。
追求经济效益、降低生铁成本，是高炉喷煤技术发展的另一个重要原因。由于焦炭和煤粉的差价越来越大，因此，喷煤所取代的焦炭越多，经济效益越好。
完整的高炉喷煤工艺流程应包括原煤储运系统、制粉系统、煤粉输送系统、喷吹系统、供气系统和煤粉计量系统，最新设计的高炉喷煤系统还包括整个喷煤系统的计算机控制中心。
高炉喷吹煤粉是炼铁系统结构优化的中心环节，是国内外高炉炼铁技术发展的大趋势，也是我国钢铁工业发展的三大重要技术路线之一，所以，我们应当努力提高喷煤比。
高炉喷煤的意义
(1) 减少炼焦过程对环境的污染。高炉喷煤代替焦炭，就减少了高炉炼铁对焦炭的需求。减少焦炭的需求，就可以使焦炉少生产焦炭。焦炉少生产焦炭或少建焦炉，就可以减少对环境的污染。
(2) 缓解我国主焦煤的短缺，优化炼铁系统用能结构。炼焦配煤一般需要配50％以上的主焦煤，以满足高炉炼铁对焦炭质量方面的要求。喷吹煤粉的煤种广泛，可以不使用主焦煤。这就缓解了我国主焦煤的短缺，同时也降低了炼铁系统的购煤成本。
(3) 高炉喷煤可以实现结构节能。2006年我国重点钢铁企业焦化工序能耗为123.41kgce／t，喷煤的制粉和喷吹所需的能耗在20~35kgce／t。高炉每喷吹1t煤粉，就可以产生炼铁系统用能结构节约lOOkgce／t的效果。
(4) 高炉喷煤可降低炼铁系统的投资。据统计，国外建设喷煤车间的投资是焦化厂单位投资的25％~30％，转换为冶金焦的单位投资是30％~40％；中国喷煤车间的单位投资是焦化厂建设单位投资的12％~16％，为冶金焦部分投资的15％~20％。所以，在新建和扩容高炉时，喷煤车间必须同步实施，这样会有较大的经济效益。
(5) 煤粉代替焦炭会有巨大的经济效益。目前，焦炭和煤粉的每吨价差在400~500元。一个年产400万t的炼铁企业，如果喷煤比在130kg／t，就可以年喷吹52万t煤粉，代替的等量的焦炭，可以产生年降低208~260万元的炼铁成本。
(6) 提高企业劳动生产率，降低生产运行费。喷煤车间的员工人数和生产运行费用要比焦化厂少，这样就可以产生因高炉喷煤而提高钢铁企业劳动生产率、障低生产运行费用的效果。
高炉喷煤对现代高炉炼铁技术来说是具有革命性的重大措施。它是高炉炼铁能否与其他炼铁方法竞争，继续生存和发展的关键技术，其意义具体表现为：
（1）以价格低廉的煤粉部分替代价格昂贵而日趋匮乏的冶金焦炭，使高炉炼铁焦比降低，生铁成本下降；
（2）喷煤是调剂炉况热制度的有效手段；
（3）喷煤可改善高炉炉缸工作状态，使高炉稳定顺行；
（4）喷吹的煤粉在风口前气化燃烧会降低理论燃烧温度，为维持高炉冶炼所必需的T理，需要补偿，这就为高炉使用高风温和富氧鼓风创造了条件；
（5）喷吹煤粉气化过程中放出比焦炭多的氢气，提高了煤气的还原能力和穿透扩散能力，有利于矿石还原和高炉操作指标的改善；
（6）喷吹煤粉替代部分冶金焦炭，既缓和了焦煤的需求，也减少了炼焦设施，可节约基建投资，尤其是部分运转时间已达30年需要大修的焦炉，由于以煤粉替代焦炭而减少焦炭需求量，需大修的焦炉可停产而废弃；
（7）喷煤粉代替焦炭，减少焦炉座数和生产的焦炭量，从而可降低炼焦生产对环境的污染。
为保证高炉喷煤作业的连续性和有效性，在喷煤工艺系统中，首先要考虑的是建立合适的原煤储运系统，该系统应包括综合煤场、煤棚、储运方式。为控制原煤粒度和除去原煤中的杂物，在原煤储运过程中还必须设置筛分破碎装置和除铁器。筛分破碎即可以控制磨煤机入口的原煤粒度，又可以去除某些纤维状物质。而除铁器则主要用于清除煤中的磁性金属杂物。
煤粉制备是指在许可的经济条件下，通过磨煤机将原煤加工成粒度和含水量均符合高炉喷吹需要的煤粉。制粉系统主要由给料、干燥与研磨、收粉与除尘几部分组成。在烟煤制粉中，还必须设置相应的惰化防爆抑爆及相应的监测控制装置。
煤粉的输送
煤粉的输送有两种方式可供选择，即采用煤粉罐装专用卡车或采用管道气力输送，而气力输送连续性好、能力大且密封性好，是高炉喷煤中最普遍采用的煤粉输送方式。依据粉气比μ的不同，管道气力输送又分为浓相输送（μ>40 kg/kg）和稀相输送(μ=10-30 kg/kg)。目前，国内广泛采用的是稀相输送。浓相输送不仅可以降低喷煤设备费用和能量消耗，而且有利于改善管道内气固相的均匀分布，有利于提高煤粉的计量精确度，是煤粉输送技术的发展方向。
喷吹系统由不同形式的喷吹罐组和相应的钟阀、流化装置等组成。煤粉喷吹通常是在喷吹罐组内充以压缩空气，在自混合器引入二次压缩空气将煤粉经管道和喷枪喷入高炉风口。其中，喷吹罐组可以采用并列式布置，装煤与喷煤交替进行；也可以采用重叠式布置，底罐只作喷吹罐，装煤则通过上罐及其均排压装置来完成。
供气系统是高炉喷煤工艺系统中不可缺少的组成部分，主要涉及压缩空气、氮气、氧气和少量的蒸汽。压缩空气主要用于煤的输送和喷吹，同时也为一些气动设备提供动力。氮气和蒸汽主要用于维持系统的安全正常运行，如烟煤制粉和喷吹时采用氮气和蒸汽惰化、灭火等，系统防潮采用蒸汽保温等。而氧气则用于富氧鼓风或氧煤喷吹。
煤粉计量结果既决定着喷煤操作及设备配置的形式，同时又受喷吹工艺条件的影响，它是高炉操作人员掌握和了解喷煤效果，并根据炉况变化实施调节的重要依据。煤粉计量水平的高低，直接反映了高炉喷煤技术的发展水平。目前煤粉计量主要有两类，即喷吹罐计量和单支管计量。喷吹罐计量，尤其是重叠罐的计量，是高炉实现喷煤自动化的前提，而单支管计量技术则是实现风口均匀喷吹或根据炉况变化实施自动调节的主要保证。实现煤粉计量的连续化和提高煤粉计量的准确性是煤粉计量技术的发展方向。
随着喷煤量的增加，喷煤系统的设备启动频率增高，操作间隙时间减少，喷吹操作周期缩短，手动操作已不能适应生产要求，尤其是当高炉喷吹烟煤或采用多煤种配煤混合喷吹时，高炉喷煤系统广泛采用了计算机控制和自动化操作。根据实际生产条件，控制系统可以将制粉与喷吹分开，形成两个相对独立的控制站，再经高炉中央控制中心用计算机加以分类控制；也可以将制粉和喷吹设计为一个操作控制站，集中在高炉中央控制中心，与高炉采用同一方式控制。
喷煤工艺流程的种类繁多，特点各异，通常可根据下述方法加以分类。
按喷吹方式分按喷吹方式可分为直接喷吹和间接喷吹。
直接喷吹方式是将喷吹罐设置在制粉系统的煤仓下面，直接将煤粉喷入高炉风口，高炉附近无需喷吹站。其特点是节省喷吹站的投资及相应的操作维护费用。这种方式中小高炉采用较多。
间接喷吹则是将制备好的煤粉，经专用输煤管道或罐车送入高炉附近的喷吹站，再由喷吹站将煤粉喷入高炉。其特点是投资较大，设备配置复杂，除喷吹罐组外，还必须配制相应的收粉、除尘装置。
按喷吹罐布置形式分按喷吹罐布置形式可分为并列式喷吹和串罐式喷吹，通过罐的顺序倒换或交叉倒换来保证高炉不间断喷煤。
为便于处理喷吹事故，通常并列罐数最好为3个。并列式喷吹若采用顺序倒罐，则对喷吹的稳定性会产生一定的影响，而采用交叉倒罐则可改善喷吹的稳定性，但后者必须配备精确的测量和控制手段。另外，并列式喷吹占地面积大，但喷吹称量简单，投资较重叠式的要小。因此，常用于小高炉直接喷吹流程系统。
串罐式喷吹是将两个主体罐重叠设置而形成的喷吹系统。其中，下罐亦称为喷吹罐，它总是处于向高炉喷煤的高压工作状态。而上罐也称为加料罐，它仅当向下罐装粉时才处于与下罐相连通的高压状态，而其本身在装粉称量时，则处于常压状态。装卸煤粉的倒罐操作须通过连接上下罐的均排压装置来实现。根据实际需要，串罐可以采用单系列，也可以采用多系列，以满足大型高炉多风口喷煤的需要。串罐式喷吹装置占地小，喷吹距离短，喷吹稳定性好，但称量复杂，投资亦较并列式的大。这种喷吹装置是目前国内外大型高炉采用较多的一种喷吹装置。
80年代以来，英国、法国、美国的少数高炉采用了喷吹粒煤工艺。粒煤的平均粒度约０.６ｍｍ，最大颗粒２－３ｍｍ。１９９１年１０月，英国斯肯索帕厂维多利亚高炉喷吹粒煤的月平均喷煤量达到了２０１ｋｇ／ｔ铁。此时的煤焦置换比仍然比较高（０.９３－１.０ｔ／ｔ），炉顶煤气中含尘量仍保持在７ｋｇ／ｔ铁左右（说明粒煤全部在炉内消化），高炉操作顺行。由于喷吹粒煤具有磨煤机投资低，电耗少以及制煤、喷吹安全性好的优点，加上喷煤量也能达到２００ｋｇ／ｔ铁，国内有些工厂也想采用喷吹粒煤工艺，其中唐钢已经引进了二手设备，供２５００ｍ３高炉使用，目前正在安装调试，不久将投入运行。
如果国内其他工厂也想采用粒煤工艺，建议先要考虑一下该厂的实际情况，与国外高炉对照一下，需要多高的喷煤量，是否具备了喷吹粒煤的条件：
１英国斯肯索帕厂的原燃料条件本来就很好，为了将喷煤量提高到２００ｋｇ／ｔ铁，焦炭Ｍ４０强度从原来的８２%－８３％提高到８６.７％，Ｍ１０＝５.７％（年平均），烧结矿ＩＳＯ强度从７２％提高到７６％。显然，中国大部分高炉的原燃料尚未达到这种上好条件，也就不能要求达到同样的喷煤量。
２喷吹粒煤并不是什么煤种都一样，参照国外经验，宜选择含有较多结晶水的高挥发份烟煤或褐煤，因为这种粒煤具有较强的急热爆裂性，在风口前燃烧时会产生爆裂而进一步被粉碎。根据德国亚森大学的试验结果，即使用了有较强爆裂性的煤种，粒煤在风口前的燃烧率也仅为烟煤粉的７０％左右。如果选用普通烟煤或无烟煤，那么粒煤的燃烧率就会更低达不到粉煤的喷煤量，在喷吹等同煤量时，进入炉内的未燃粒煤就会相应增多，要充分注意喷吹粒煤燃烧率低这一特点。
３维多利亚高炉喷吹２０１ｋｇ／ｔ铁粒煤时的风温为１１３９℃，富氧率为８.５２％（相当于１００Ｎｍ３／ｔ铁氧气）而宝钢３号高炉１９９８年５月月平均喷吹混合煤粉１９７ｋｇ／ｔ铁，风温１１９９℃，富氧率仅为２.２％（相当于３０Ｎｍ３／ｔ铁氧气）。在我国目前电价和制氧成本较高的情况下，富氧量的多少是决定高炉喷煤经济效益的主要因素，因此必须根据本厂条件计算以煤代焦降低铁水成本和富氧增加铁水成本两笔经济账。过多的富氧会使高炉喷煤变成得不偿失。
４在相同燃烧率的条件下，喷吹带有较多结晶水的粒煤在风口前的燃烧生成热量要比一般烟煤少（比无烟煤更少），为了满足高炉操作必需的最低理论燃烧温度，必然要有更多的热量补偿手段枣富氧和风温。如要降低昂贵的富氧量，必须要有高风温（１％富氧率，约相当于７５℃风温）。显然，我国的大部分高炉目前都还不具备高风温的条件，因此，喷吹粒煤与喷吹粉煤相比，更加无法期望较高的喷煤量。
５国外喷吹粒煤一般都采用多支管间接喷吹工艺，每根支管的喷煤量都有调节手段，如果要改成总管加分配器直接喷吹工艺，由于粒煤的粒度较粗而且粒级差别比粉煤大，分配器的分配均匀度能否达到喷吹粉煤时的水平还有待于摸索。
总之，是否采用粒煤工艺要结合工厂本身的条件，最好对粒煤的燃烧机理以及本厂高炉消化未燃粒煤的能力进行必要的研究和试验，同时要在经济上进行全面的计算比较，然后才能决定取舍。当然，根据唐钢２５００ｍ３高炉今后喷吹粒煤的示范和经验来确定本厂是否采用粒煤工艺将是更为重要的依据。
四风道煤粉燃烧器(喷煤管)是近年来开发成功的新型燃烧设备。性能更优越。对我国煤质、设备配置有良好的适应性。是替代进口燃烧器的最佳首选产品。
主要特点是：
★一次风用量少，可达8%以下。
☆燃烧速度快，热力稳定。
★对不同煤质适应性强，可烧劣质煤、褐煤、挥发份4－5％的无烟煤。
☆火焰活泼有力、形状规整、窑内温度分布合理。火焰参数可灵活调节。
★煤粉通道采用陶瓷复合层，磨损极小。
☆头部采用高强耐热材料精密加。各风道不变、火焰决不跑偏。
★适用于水泥厂任何回转窑窑型。
☆主要设计参数：外风速：160—270m/s
风压：15-29kPa
旋流风速：120—245m/s
风压：15-22kPa
煤风速：25—31m/s
一次风量：6—8%
1 前言
济南钢铁集团总公司第一炼铁厂(简称济钢第一炼铁厂)喷煤工艺系统建于1991年,经多次技术改造和改进,现喷煤系统主要由制粉系统和喷吹系统组成。制粉系统由原煤供应系统、烟气供应系统、煤粉收集系统以及2台10t和1台14t球磨机构成的磨制系统所组成;喷吹系统由空压系统和13个喷吹罐组成,其中12个喷吹罐负责向济钢第一炼铁厂6座350m3高炉喷煤,另一个喷吹罐负责向济钢第二炼铁厂输送煤粉。喷吹系统已实现硫化喷吹、自动倒罐、自动装煤、自动充压的微机控制。目前由于济钢第一炼铁厂制粉系统不具备磨制烟煤的条件,所以其喷煤仍然是喷吹无烟煤。
2 喷煤工艺设备改造过程
2.1 第一阶段改造过程
1991年9月～1995年7月为济钢第一炼铁厂喷煤系统改造的第一阶段,由于工艺、设备、安装、施工、人员素质等因素,喷煤设备经常处于停停开开状态,生产很不正常。主要表现在制粉设备上,如:收粉系统的螺旋机吊挂磨损;螺旋叶法兰的断裂;制粉系统球磨机衬板、螺旋断裂,球磨机筒体漏粉等设备缺陷问题影响了制粉生产。
对经常发生故障的设备进行了改造和改进:(1)对喷煤主管的连接互用改造,解决了1＃炉和2＃炉、3＃炉和4＃炉喷吹互用问题 ;(2)对制粉系统的螺旋输送机吊挂连接方式的改进,螺旋轴的法兰连接改销轴链形式,解决了由于螺旋吊挂磨损后,轴同心度不好造成连接法兰断裂现象,使螺旋机这一关键设备的作业率大大提高;(3)原煤场φ2m圆盘给料机安装固定原煤筛过滤掉原煤中的部分杂物,减少了圆盘杂物堵塞现象,相应提高了球磨机的台时产量;(4)对喷煤主管路拐弯处采用耐磨铸钢件的改进,提高了喷煤管道的使用寿命,8年来一直没有更换,使用情况良好,提高了喷吹的作业率;(5)对喷吹系统下煤阀和送煤阀由旋塞阀改为气动球阀,提高了阀门的密封性和灵活度;(6)增设了空压机输气管低压报警装置,提示喷吹操作人员及时采取应急措施,避免了喷吹管道堵塞现象。以上改造使喷煤工艺设备逐步得到了完善,发挥了设备的效能,提高了喷煤设备的作业率,年创效益约150万元。
2.2 第二阶段改造过程
1995年7～12月为济钢第一炼铁厂喷煤系统改造扩建的第二阶段,采用半停产形式进行。改造扩建内容:(1)增设一套14t/h球磨机制粉系统和两组喷吹系统;(2)喷吹装置同时将原来两套10t/h球磨制粉系统的布袋除尘器由环隙脉冲式小布袋改为菱形反吹式大布袋,过滤面积由198m2增加到1256m2,由原一、二级旋风除尘改为一、二级陶瓷多管,由原二级风机收粉工艺改为一级风机收粉工艺;(3)喷吹系统的给煤装置由混合器形式改为硫化器形式;(4)原除尘系统锁气器使用的叶轮给料器改为锥式锁气器;(5)烟气炉由炉容13.63m32个烧咀扩到炉容40m39个烧咀;(6)压缩空气由喷煤3台19m3/min的空压机和1台20m3/min空压机供气改为由制氧厂供气为主、喷煤4台空压机供气为辅济钢的供气方式。
2.3 第三阶段改造过程
1996年1月～1998年6月为济钢第一炼铁厂喷煤系统改造的第三阶段。为缓解喷煤生产的被动局面,逐步适应高炉连续喷煤生产的大煤量需要,使喷煤生产进入良性循环,主要进行了以下改造:(1)球磨机筒体衬板一排楔子固定的改进,减少了筒体螺栓的断裂和漏粉,提高了球磨机制粉作业率;(2)喷吹Dg125下煤阀采用Dg50球阀的改进,提高了下煤阀密封性和使用寿命,降低了材料费用;(3)喷吹罐卸压收粉系统的改造,消除了煤粉卸压外溢现象,改善了作业环境和周围环境;(4)布袋除尘器小螺旋增设电机电流表,加强了小螺旋工作状态的监控;(5)喷吹罐实现自动倒罐、自动装煤、自动充压技术,大大减轻了操作人员的工作强度,提高了喷煤的稳定性和均匀性;(6)球磨机大小齿轮采用稀油站喷油润滑,减少了大小齿轮的磨损和震动,提高了大小齿轮的寿命;(7)布袋除尘器脉动阀的改造,提高了布袋反吹效率,也相应提高了布袋除尘器的作业率;(8)布袋除尘器反吹阀结构的改进,提高了反吹阀的密封程度,减少了反吹风的消耗,增强了布袋反吹能力;(9)排粉风机轴承箱采用负压技术,减少了轴承箱轴头漏油现象;(10)球磨机采用低温启动法,避免了主轴承瓦皮的形成,保护了轴瓦;(11)喷吹罐自动装煤前卸压放散延时程序的改进,解决了因喷吹罐内余压装煤造成的环境污染问题;(12)喷吹系统采用氮气充压、硫化技术,解决了因压缩空气量不足影响一座高炉喷煤的矛盾,也为今后烟煤和无烟煤混合喷吹创造了条件。
2.4 第四阶段改造过程
1998年7～12月为济钢第一炼铁厂喷煤系统改造第四阶段。为实现济钢第一炼铁厂喷吹制粉向济钢第二炼铁厂供应煤粉的需要,决定对制粉系统的部分工艺设备进行改造,其改造项目分别为:(1)400mm螺旋机改造为FU350链式机;(2)收粉系统翻板阀和排料阀采用气动远距离操作的改造;(3)煤粉固定筛改为复合型振动筛的改造;(4)链式机链条运动信号器的安装;(5)链式机电机电流表的安装;(6)0＃喷吹罐组的安装(供济钢第一炼铁厂使用);(7)0＃喷吹管道与制粉系统的连接改造。
通过上述项目的改造,提高了制粉系统的可靠性和作业率,提高了煤粉布料的准确性和可靠性,改善了作业环境,减少了煤粉中的杂质,减轻了炉前分配器的堵塞,为喷煤生产的稳定运行奠定了良好的物质基础。
3 喷煤工艺设备改造后的效果
济钢第一炼铁厂通过几年的不断创新改造,提高了喷煤系统工艺设备的可靠性和作业率。到1998年底完成了由生产被动到主动的转折,满足了6座高炉喷煤的需要,喷煤系统生产发生了质的飞跃,如表所示。
济钢第一炼铁厂年喷煤量、煤比、成本指标
年份1991年1992年1993年1994年1995年1996年1997年1998年1999年
年喷煤量,t279831523529625877247786109543168466182702214250
平均煤比,kg331494232668990104
成本(1),元/t 82.4548.6441.76
注:本成本指标表示的是除人员和原煤外购成本以外的喷吹1t煤粉的单位成本。
由于喷吹工艺设备的技术创新,仅喷煤单位成本降低所创效益分别为:1998年与1997年相比创效益617.73万元;1999年与1998年相比创效益147.4万元。
济钢第一炼铁厂通过工艺设备技术改造创新,不但生产指标和工艺指标得到了改善,同时也大大改善了喷煤车间的作业环境,并通过了清洁车间的验收,受到了外单位冶金企业同行的较高评价。
4 今后技改方向
(1)喷吹系统增设一级硫化装置,提高浓相输送能力,减少压缩空气消耗,降低喷吹成本。
