摘 要：

对 5、6 号高炉提高喷吹煤固定碳工业试验生产数据进行理论置换比和实际相对置换比 的计算分析；并通过线性规划的办法对配煤结构进行优化，对优化计算的不同挥发分的混合喷吹煤 成本和理论置换比进行比对，提出经济配煤因子。计算结果表明，经济配煤因子随混合煤挥发分的 增加呈抛物线变化趋势，在挥发分为 16%～17%时具备最经济配煤条件。

关键词：

高炉；喷煤；配煤；置换比；线性规划；经济配煤因子

1 引 言 

焦炭和煤粉差价较大，高炉炼铁采用 喷煤技术能降低高炉焦比，降低生铁成本。柳 钢炼铁厂也通过大喷煤综合冶炼技术的实践、 喷煤工艺设备的革新以及自动化技术的进步等 创新攻关，实现了180kg/t的喷吹能力。而随着 煤粉和焦炭价格的波动以及对高炉喷煤工艺认识的不断深化，炼铁界普遍接受了“经济煤比” 的概念。也就是说，提高煤比的终极目的是为 了通过以煤代焦，降低炼铁燃料消耗为企业创 造经济效益。当煤比达到一定的水平，假如继 续提高煤比生铁成本没有降低甚至上升，此临 界点即为对应于当前装备水平、原燃料质量和 操作技术诸条件的该高炉的经济煤比。因此， 在讨论柳钢高炉合理配煤方案的时候，必须对 各高炉的生产条件做具体分析。 喷吹煤进入高炉后一部分在风口前燃烧和铁水渗碳有效利用，另一部分未被利用的以未燃 煤的形式进入炉内，若未燃煤粉量过多，就会堵 塞煤气通道，使压差升高，从而影响顺行，造成 悬料，甚至有些未燃煤粉随煤气逸出炉外，失去 喷煤的作用，所以衡量煤粉的利用率可以通过除 尘灰中固定碳含量来进行判断。王国雄[1]等认为在 高炉正常喷吹条件下，煤粉的颗粒较小，燃烧速 度很快，挥发分的逸出与固体碳的燃烧同时进行。 其中，挥发分的燃烧对煤粉的整个燃烧过程非常 重要，它加速了煤粉颗粒的快速升温，促使挥发 后炭的显微结构的变化，改善传质条件，加速了 气体在炭粒中的扩散；与此同时，炭粒表面快速 升温和燃烧，又反过来加速其内部残留挥发分的 逸出。国外的研究[2]也表明，高炉对喷吹煤挥发分 及固定碳含量没有严格的限制，国外经济配煤要求灰分小于10%、挥发分控制在20%～25%，喷 煤量能够提高25%左右。固定碳含量高，热值高 的混合煤理论置换比高于挥发分含量高，固定碳 含量低的喷吹煤；但挥发分的升高又能促进煤粉 燃烧，提高实际置换比。合理的喷吹煤成分，不 仅影响着燃烧性能和反应速度，还直接影响着炼 铁成本。

2 高炉配煤方案试验及其分析

选取 5、6号高炉的生产数据为研究对象 （见 表 1）， 设 定 基 准 期 为 2014-10-26 至 2014-11-01， 试 验 期 为 2014-11-05 至 2014-11-14（高炉喷吹高固定碳混合煤试验 期），分别计算这两段时间内各高炉煤粉对焦炭 的理论置换比和实际相对置换比。

在冶炼条件相对稳定的前提下，以高温区 为基础，将喷吹燃料和焦炭均换算成焦炭碳素 的热量，两者之比即为理论置换比。根据文献[3] 中计算理论置换比的公式，计算中用到的H、O 含量按质量部煤粉分析数据折算，两座高炉基 准期和试验期理论置换比与混合煤粉中挥发分 呈负相关关系，即煤粉中固定碳含量高和挥发 分低其理论置换比相应较高 （见表 1）；同时， 选取喷煤试验前炉况较稳定的一段时间假定一 个煤粉置换比，根据国内普遍采用的计算煤粉 实际置换比公式 （式 1），计算基准期和试验期 的实际相对置换比，同一时间段理论置换比和 实际相对置换比的变化趋势相同，但变化幅度 有差异（直线斜率差异）。由于喷入高炉的煤粉 是以其放出热量和形成的还原剂CO、H2 来置换 焦炭在高炉内的热源和还原剂，所以实际置换比需要考虑到气流变化热量能否充分利用和挥 发分中H2含量变化的还原效果。

式中B ——煤粉置换比，%；M —— —煤比，kg/t；

K 0——喷煤前焦比kg/t；K—喷煤期焦 比，kg/t；

∑Δ K ——其它因素对焦比的影响。

表1 各高炉喷吹煤配煤方案和成分

3 经济配煤方案 

混合喷吹煤的关键成分为固定碳和挥发分， 挥发分的燃烧对煤粉的整个燃烧过程非常重要， 它加速了煤粉颗粒的快速升温，促使挥发分逸 出后炭的显微结构发生变化，改善氧的传质条 件，加速了有关气体组分在炭粒中的扩散；与 此同时，炭粒表面快速升温和燃烧，又反过来 加速其内部残留挥发分的逸出[4]。所以找到适合 高炉冶炼条件的煤粉挥发分是关键，而混合煤在灰分一定的情况下，固定碳含量与挥发分存 在反比例关系。

过高的灰分会阻碍挥发分的析出，从而导 致挥发分开始析出温度的升高，使着火温度升 高，煤粉着火延迟。此外，由于加热灰分需要 消耗一定的热量，因此，灰分多还将影响到煤 粉燃烧的稳定性，并使煤粉的燃烬性能变差。 根据经验混合煤灰分需要控制在10%～12%[5]。

将影响混合煤燃烧性能的固定碳、灰分、 挥发分以及各煤种库存作为约束条件进行线性 规划求解，并在约束条件中挥发分设定在不同 水平进行不同煤种配比的规划，计算得到混合 煤的成分和单价数据，进而计算不同挥发分下 的煤粉理论置换比 （见表 2）。由此可以归纳出 理论最经济配煤因子 Y 的计算式（见式2），两 段时期置换比差值大于配煤成本差值，即 Y 值 越大，配煤方案在成本上体现得更为合理。焦 炭价格按1050元/吨计，表2中不同挥发分相 应的经济配煤因子见图1。经济配煤因子随混合 煤挥发分的增加呈抛物线变化，最高点为理论最经济配煤方案，即混合煤挥发分控制在16% ～17%时具有最经济的配煤条件。把约束条件挥 发分量设置在16%，根据炼铁厂各煤种库存情 况对配比进行约束，成本价为目标函数，线性 规划求解即可得到喷吹煤最优配比。

（2）式中，Y —— 经济配煤因子；Z理—— 理论置换比，%；Z基—— 基准理论置换比，%；选取V d=20%配煤条件下的理论置换比，%；P —— —计算配煤成本，吨/元； P基—— —基准配煤成本，吨/元。

表2 不同挥发分下的煤粉理论置换比和单价

4 结 语

  （1） 配煤方案可以通过煤成分计算理论置 换比和高炉喷吹该混合煤的实际置换比进行评 价。两种计算方法在成分变化的情况下，计算 结果的变化趋势相同，但实际置换比变化幅度 有差别，与高炉操作和气流的调整有关。

（2） 按不同的成分计算优化配煤结构成本的变化幅度，并与理论置换比的变化幅度进行 比对，找到经济配煤因子的最大值，配煤方案 在成本上体现得更为合理、经济。

（3） 在当前煤种库存条件下，经济配煤因 子随挥发分的增加呈抛物线变化，当挥发分为 16%～17%时达到最大值，设定此约束条件进行 线性规划求解可得最优喷吹煤配比。