项目名称: 贫煤、贫瘦煤高炉喷吹技术开发与应用

申报单位: 潞安矿业（集团）有限责任公司

主要完成人：刘仁生  任润厚  刘应书  金龙哲  孙文东  刘玉全  张志钰   范世民  刘  准   曹晨明  师文林  李文德   赵  兵  邱向平庞晓青

主要完成单位：山西潞安矿业（集团）有限责任公司

北京科技大学

武汉钢铁（集团）公司

天津铁厂

专业（学科）分类名称代码：选矿技术  4405010

炼铁技术  4503410

专项化学用品制造技术  5306210

所属国民经济行业：B类型

计划（基金）名称和编号：山西潞安矿业（集团）有限责任公司科技计划，“潞安高炉喷吹用煤研究开发”，KJ-970010；

山西潞安矿业（集团）有限责任公司科技计划，“高炉喷吹贫煤、贫瘦煤的安全行为研究及其应用”，潞技2002-013号；

山西潞安矿业（集团）有限责任公司科技计划，“高炉喷吹贫煤、贫瘦煤风口燃烧数值模拟和燃烧促进剂研究”，潞技2004-017号。

项目起止时间：1997年1月——2006年2月

项目简介：本项目研究涉及矿山科学技术学科分类中选矿工程领域。

为了开发和优化利用贫煤、贫瘦煤资源，对将其开发成为高炉喷吹用煤的系列关键技术开展科研攻关，取得了突破性创新成果：1）对全国多个矿区的贫煤、贫瘦煤的喷吹性能、燃烧特性、输送特性进行深入研究，填补了贫煤、贫瘦煤喷吹的技术数据空白；2）第一次对高炉喷吹贫煤、贫瘦煤安全行为进行了系统的研究，解决了高炉喷吹贫煤、贫瘦煤的安全瓶颈问题；3）首次开发成功了高炉喷吹贫煤、贫瘦煤风口回旋区的燃烧数学模型。为指导冶炼行业各种高炉喷吹操作和工艺优化提供了技术手段；4）研制成功了适用于贫煤、贫瘦煤的喷吹燃烧促进剂；5）综合集成上述研究成果，在武钢、天铁、鄂钢等钢铁企业不同容量的高炉上进行了长期的工业实验与应用，创造了成套的喷吹工艺技术。

项目系列研究结果通过了飞禽走兽老虎机：及行业组织的科技成果鉴定3项；发表论文3篇；出版专著1本；先后荣获飞禽走兽老虎机：及煤炭行业科技进步特等奖1项、一等奖3项；获发明专利权1项；制定国家标准1项。

    该研究成果自2002年开始大面积工业推广与应用，取得了煤炭企业产品优化、升值，冶炼行业喷吹优质高炉煤种增加的显著效果。潞安集团、襄垣煤矿、郭庄煤矿等煤炭企业已将低价位贫煤、贫瘦煤作为高价值重点产品。如潞安集团从2002到2006年已销售喷吹煤1279.45万吨，多增利税17.8亿元。武钢、鄂钢、天铁等冶金企业大量喷吹贫煤、贫瘦煤获得直接经济效益50余亿元。该成果的推广应用优化利用了煤炭资源，改善了我国煤炭产品结构和炼铁工业的原料结构，促进了煤炭、冶金行业的技术进步，取得了巨大的经济效益；同时，该项目的实施可以大幅度减小炼焦带来的环境污染问题，具有显著的社会、环保效益。

   我国是炼铁大国，年喷煤量持续快速增长，预计将达到每年6000万吨。同时，我国有约1500亿吨的贫煤、贫瘦煤储量，将其开发成为喷吹用煤，资源丰富、市场巨大。因此，该成果具有非常广阔的推广应用前景。

立项背景：  我国是世界第一钢铁大国，钢产量已突破4.2亿吨。由于焦煤资源稀缺，焦炭价格不断攀升，严重制约了钢铁企业的可持续发展。研究高炉喷煤新技术、以煤代焦，努力提高喷煤量已成为冶炼行业节能降耗、减少污染的关键途径。长期以来，国内外研究高炉喷吹煤种主要以无烟煤和高挥发份的烟煤混喷为主。由于无烟煤价格高、制粉能耗高、喷吹燃烧性能差等原因，不能满足现实的发展需要。而高挥发份（一般大于30%）烟煤爆炸性强，制粉与喷吹工序复杂，投资大，也不是理想的喷吹煤种。

    贫煤、贫瘦煤是介于高变质程度烟煤和无烟煤之间的煤种，目前探明的可采储量约为1468亿吨，常用作动力煤，价格低廉。将之开发为高炉喷吹用煤，则可为冶金行业开拓新的喷吹煤种和煤源，降低炼铁成本，同时使低价位的贫煤、贫瘦煤转变为高附加值的喷吹用煤。

    由于高炉喷煤对煤质、安全行为等方面有着特殊要求，因此，该项目立项研究前，国内外均未能实现高炉喷吹贫煤或贫瘦煤。同时，针对贫煤、贫瘦煤的喷吹性能、炉内燃烧行为、输送性能、喷吹安全行为以及安全保障措施等高炉喷吹必需的技术和系统参数的研究亦处于空白状态。

    对于高炉而言，提高燃烧率和置换比（即喷吹煤粉代替的焦炭量）是实现喷煤经济效益的根本，但针对高炉喷吹贫煤、贫瘦煤在高炉回旋区内燃烧的相关研究尚无报道，对其进行定量研究成为高炉喷吹贫煤、贫瘦煤的重大难题。此外，添加煤粉燃烧促进剂是提高煤粉燃烧率的有效而又重要的途径，虽然有开展 针对无烟煤煤粉促燃剂研究的报道，但针对高炉喷吹贫煤、贫瘦煤的专用促进剂的开发研究尚属空白。

综上，项目组提出了在系统研究贫煤、贫瘦煤的喷吹、燃烧性能及喷吹安全行为的基础上，结合贫煤、贫瘦煤特性，将其开发成高炉喷吹用煤及其相关技术体系的研究课题，旨在开拓喷吹煤种和煤源，降低炼铁成本，改善煤炭产品结构，减少使用稀缺的焦炭资源，保护环境，为实现我国可持续发展做出贡献。

科学技术内容 ：1）贫煤、贫瘦煤的理化性能和喷吹性能的研究

为了实现煤炭资源的合理利用和煤炭资源价值的最大化，选择和扩大高炉喷吹煤种，系统研究了潞安等矿区的贫煤、贫瘦煤理化性能和喷吹性能。

在潞安矿区内，沿地理走向、倾斜方向以及不同深度，对五阳、漳村、石圪节和王庄分矿区中的煤质变化及煤层质量进行了全面分析。结果表明：沿走向由北往南，结焦性由焦煤过渡到瘦煤、贫煤，挥发分变化不大，灰分则逐渐增高，硫分微量下降；沿倾斜方向，3＃煤层由浅而深，灰分为12.17％～15.50％，无显著变化规律，挥发分和结焦性能逐渐缓慢地减小；随深度的增加灰分增加，增加的幅度并不与深度成比例，挥发分和结焦性则随着减小，发热量则随煤炭炭化程度的增加而增加，全硫则随之增高。矿区商品煤为瘦煤和贫瘦煤，属于中灰、低硫、高灰熔点，适用于作冶金焦炭的配焦煤，煤中挥发分和发热量均较优，是较好的造气、化工、建材和发电等动力用煤。根据中国煤炭可选性评定标准，石圪节、五阳、漳村、王庄（含常村、屯留）煤属易选煤和极易选煤，同时，原煤可选性由东北向西南方向逐渐变差。

对潞安的五阳、漳村、石圪节和王庄分矿区的20个煤样的挥发分、灰分、硫分、发热量、灰熔融性、热稳定性、可选性、磷含量、氯含量等近100项指标进行分析和测定。以确定潞安喷吹用煤的煤质以及喷吹性能。

按照煤炭分类，漳村矿、石圪节矿、五阳矿为瘦煤；王庄矿为贫瘦煤；常村矿为贫煤。经过测定评定贫煤、贫瘦煤为高热值、高热稳定性、高煤灰熔融性、低挥发分、低灰分、特低硫、磷、氯的“三高二低三特低”的优良喷吹煤种。

从煤质分析报告可以得到以下分析结果：

①五阳、漳村、王庄、常村的煤固定碳含量在76.82%到79.32%之间，低位发热量达到28.33～29.50MJ/kg。在一定范围内，固定碳越高，发热值越大，对喷煤越有利，因此一般要求喷吹用煤的固定碳在70%～87%之间（研究表明，当固定碳大于87%时，随着固定碳增加，发热值反而越低）。因此五阳、漳村、王庄、常村的煤是适合高炉喷吹用的。

 ②五阳、漳村、王庄、常村煤样的挥发分在12.72%～15.01%之间，属于低挥发分、弱爆炸性煤种。与无烟煤相比，这些煤种的燃烧性能好、喷吹燃烧率高，有利于提高置换比。在喷吹过程中，可以只在仓式泵、喷吹罐等高压部分采用氮气，控制12%以内的氧浓度。这样可以大大简化制粉、喷吹工艺，降低设备投资，具有极大的优越性。

 ③高炉喷吹要求煤的灰分越低越好，因为灰分高，理论燃烧温度和燃烧效率都将降低，并且对焦炭的置换比降低。一般来讲，灰分增加1%，焦比增加为喷吹量的2%。五阳、漳村、王庄、常村煤样的灰分为9.01%～9.62%，达到9级和10级冶炼用炼焦精煤的水平，是低灰分的喷吹用煤。煤中灰分的熔融性对喷吹有重要的影响，灰熔点太低，容易导致风口或喷枪前结渣，况且低灰熔点灰分常常会阻碍氧气进入尚未燃尽的煤粉颗粒内部，传质不畅，导致不完全燃烧。分析所用煤样的变型温度为1200～1340℃，软化温度大于1410～1450℃，半球温度大于1420～1450℃，流动温度大于1450℃，属于灰熔点较高的灰分，对喷吹是有利的。

 ④硫在煤中是一种极为有害的物质：硫燃烧后生成SO₂和SO₃能危害人体健康和造成大气污染；在加热炉中造成金属的氧化和脱碳，在炼焦过程中硫化物侵蚀炼焦设备；焦炭中硫、喷吹煤粉中硫影响生铁和钢的质量（钢铁中含硫大于0.07%，就会使之产生热脆性而无法使用），进入高炉的硫主要是来自焦炭和喷吹物。为了脱去钢铁中硫，就必须在高炉和炼钢炉中多加石灰石，又会使成本升高，生产能力降低。所以必须控制焦炉洗精煤和喷吹煤粉的含硫量。一般要求硫含量<1.0%。五阳、漳村、王庄、常村煤样全硫含量为0.30%～0.36%，属于低硫煤种，对高炉冶炼、生铁质量都是有利的。

 ⑤高炉喷吹用煤对灰分成分的要求是SiO₂：40%～60%，Al₂O₃：15%～35%，Fe₂O₃：5%～25%，CaO：1%～15%，MgO：0.5%～8%，Na₂O+K₂O：1%～4%。从煤样灰分成分分析可知，五阳、漳村、王庄、常村的煤样的灰分成分符合要求。

 ⑥可磨性是喷吹用煤的重要指标之一，表示将煤磨成粉的难易程度，常用哈氏指数HGI表示。喷吹用煤的哈氏指数越大越好。如果哈氏指数过小，表明煤的硬度大，会给制粉带来一定的困难，增加动力消耗。同时，煤粉硬度大还会加快喷煤设备（特别是喷枪）的磨损，缩短其使用寿命。常村煤和王庄煤的哈氏指数为86和89，漳村、五阳煤高达92、93，都是可磨性很好的煤种。这对于降低制粉电耗、增加磨煤机产量，增加喷煤量都是非常有利的。

2）贫煤和贫瘦煤的合理粒径与输送性能的理论分析和实验研究

采用显微组分分析研究了煤粉的形貌，以了解煤粉的流动和输送性能及其改善方法。煤的成因及其化学结构不同会导致煤粉的形貌不同，即使粒度分布相同的煤粉，其流动性能也不相同。成煤的整个过程是生物化学、物理化学、地球化学综合作用的结果，十分复杂。煤的显微组分可以分为有机显微组分和无机显微组分两种，前者由植物的有机质转变而成，后者即煤中的矿物质。由高等植物转变而成的腐植煤的有机显微组分大体分四类，即凝胶化组分（镜质组），丝炭化组分（惰质组或丝质组），稳定组分（壳质组），过渡组分（半镜质组、半丝质组等）。而无机显微组分的来源包括成煤植物体内的无机成分（矿物质）和成煤过程中混入的矿物质两部分，且后者是矿物质的主要来源。常见的矿物质有粘土矿物、硫化物、氧化物及碳酸盐类。基于煤形成的机理，采用扫描电子显微镜对潞安试验煤样进行了详细地显微组分分析，表明潞安煤凝胶体少，无机显微组分低，是非常有利于高炉喷吹用的煤种。煤粉粒度的大小对煤的形貌结构有重要影响。潞安煤在-200目达到70%的粒度时，煤粉形貌规则，颗粒棱角较少，能达到良好的输送性能。根据显微组分的分析结果，研究了潞安煤的形貌结构。对低温炭化的煤粉与未炭化的煤粉进行对比，发现未炭化的煤粉边缘比较光滑，成浑圆体，而炭化料棱角较多，成不规则形状。两类煤粉粒度几乎相同，但煤的形貌结构差别较大。炭化料不利于形貌结构的改善，工业应用时不必采取炭化措施。

对制备的11种不同煤种、不同粒度的煤粉进行试验，以全面考察不同粒度煤粉的流动特性及气力输送性能。试验装置为带有插板的漏斗，按逐渐增加煤粉重量的方式依次装入不同重量的煤粉W（g），重量间隔至少100g。每次测定装入煤粉高度H （mm），煤粉从漏斗中自由流出时间t（s），直至煤不能自由流出为止，其前一次重量为最大流出重量Wmax（g）。煤粉的流动速率V（g/s） 按V=W/t计算。

为了探讨不同粒度的煤粉输送性能，做了部分煤粉的堆密度、振实密度、压缩比、安息角的测定。测定结果表明煤粉越细，堆密度、振实密度、安息角越小，而压缩比增大。煤粉堆密度小则气力输送最小速度也小，有利输送。安息角小，煤粉的流动性好。煤粉的压缩比大，不利于气力输送。煤粉最终的输送性能，要上述各因素的综合作用。

将潞安贫煤、贫瘦煤煤与输送性能较好的阿盟贫煤、贫瘦煤煤粉进行实验室流动性试验对比，发现在相同条件下，潞安煤粉比阿盟煤粉流动性好，细粉碎是提高潞安漳村和常村煤输送性能的简单而行之有效的措施。上述二种煤的煤粉粒度对煤的流动性和气力输送性能有较大影响。

进行了十一个方案冷态气力输送试验，以深入探讨潞安煤粉粒度和输送性能的关系。试验结果为漳村煤-300目百分含量逐渐升高时，其输送性能也越好，常村煤粉和炭化料也显示出同样规律，表明潞安煤粉的粒度对输送性能有较大影响，煤粉粒度越细，输送性能越好，表现为输煤稳定时间长，平均喷煤量大；漳村煤粉的输送性能略好于常村煤粉；漳村煤热处理后，并未起到改善输送性能的作用。通过电子显微镜形貌观察可知，这与热处理后的煤样棱角较多、形状不规则有关；与参考方案阿盟煤粉相比，漳村煤粉气力输送性能优于参考方案，常村煤粉气力输送性能不及参考方案。这与前述流动性分析相同；潞安贫煤、贫瘦煤的气力输送性能与煤粉粒度密切相关。漳村煤-300目含量在67%以上，常村煤粉应在72%以上时才能满足喷吹量要求。

3）高炉喷吹贫煤、贫瘦煤安全技术研究

<1> 煤粉爆炸机理及其影响因素的分析

煤粉爆炸机理及其影响因素的研究有助于科学系统的测定爆炸参数，并进行理论分析研究，对防燃防爆措施的建立具有理论指导意义。该项目研究了煤粉爆炸机理，并分析了稳定燃烧转化为爆炸的前提条件。对挥发分、氧浓度、煤粉浓度等影响爆炸性的因素进行了深入的研究，确定了反应速度与各因素之间的数量关系，建立了贫煤、贫瘦煤在高炉中的燃烧模型。

<2> 爆炸参数的测定与分析

该项目在对国内外相关试验进行分析与研究的基础上，对煤粉爆炸性的各项参数指标进行了较详尽研究与测定，参照爆炸分级指标，对国内几种具有代表性的贫煤、贫瘦煤的爆炸性进行了科学的定位。具体研究成果有：

a.煤粉最低着火温度的试验研究。根据爆炸敏感度分级情况，几种贫瘦煤属于易燃性煤种，在高炉喷吹时应该进行一定的防护工作。最低着火温度都随煤粉浓度增加而降低，变化幅度逐渐减小；对同种煤种而言，在其他条件相同的情况下，粒度的减小就会使煤粉的表面积增加，提高反应的活性，可以使煤粉的最低着火温度降低；随着喷吹压力的升高，煤粉的喷吹速度增加，通过炉膛时加热的时间缩短，煤粉的最低着火温度随压力的升高而升高。

b.最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率的试验研究。根据爆炸指数分级情况，几种贫瘦煤都属于弱爆炸性煤，爆炸强度较弱。最大爆炸压力以及压力上升速率都随煤粉浓度的增加先增大后缓慢减小，存在一个临界浓度使煤尘的爆炸压力和压力上升速率最大。

c.煤粉爆炸下限的试验研究。当煤粉浓度低于爆炸下限，煤粉燃烧放出的热不足，燃烧不能进行，可以防止爆炸。四种贫瘦煤的爆炸下限都在60～85g/m³之间。

d.煤粉最小点火能的试验研究。在本次试验所选择的爆炸判据的前提下，四种煤样的最小点火能都超出了本试验设备所提供的最大能量，因此只能以此作为其最小点火能的参考依据。

e.返回火焰长度的试验研究。返回火焰长度反应煤粉爆炸性的强弱，在钢铁企业常以此作为爆炸性强弱的判据，一般认为，被测煤粉引爆形成的返回火焰长度大于600mm就可认定煤粉具有强爆炸性，在400～600mm之间则煤粉具有中强度爆炸性，小于400mm则煤粉具有弱爆炸性，若仅在火源处出现稀少火星或无火星的属于无爆炸性煤。几种贫煤、贫瘦煤返回火焰长度都远远小于400mm，所以都属于弱爆炸性煤。

<3> 高炉喷吹系统安全监控系统的设计

通过运用预先危险性分析和事故树分析两种方法对喷煤系统的制粉、喷吹工艺进行了安全性评价，并结合实际工艺状况制定所需监测的参数，通过计算机程序模拟高炉喷煤各参数变化。监控系统的具体功能如下：

a.自行设定报警参数，使监测系统具备自动报警功能。计算机根据设定的报警参数自行判断流程中的各监测点是否处于危险状态，当处于警戒状态时，自动执行报警操作。

b.实现喷吹系统自动控制。根据设定好的报警条件及相应的处理措施，由计算机自动执行报警和安全控制操作。

c.实现数据的自动保存。根据设定条件，计算机自动监控数据进行保存，并在发生事故时自动记录事故的具体时间及造成事故的具体原因。

d.增加了系统保密性控制。只有相关技术人员可以操作控制监控系统并保存查询数据记录，确保了数据的安全性和保密性。

4）贫煤、贫瘦煤喷吹燃烧试验研究

煤的着火点、燃烧率等燃烧特性是喷吹用煤的重要特性。通过燃烧试验，对贫煤、贫瘦煤的燃烧特性进行了研究，分析了贫煤、贫瘦煤的显微结构和不同显微组分的燃烧方式，在此基础上研究了富氧对燃烧的影响。

<1> 贫煤、贫瘦煤的显微结构及其燃烧方式分析

从煤的形成过程看出，煤种一般是根据其化学成分来分类的，大体分褐煤、烟煤和无烟煤。事实上，由于每一种煤都是由具有一定变质程度的一些显微组分组合而成的，而且正是其中各种显微组分的化学成分构成了该煤种的化学成分，因此，了解不同煤种的显微组分性质和特点是必要的。贫煤、贫瘦煤的性质介于高挥发性烟煤与无烟煤之间，具有基本无结焦核，挥发分比无烟煤略高，燃烧性和反应性比无烟煤好等特点。通过烟煤、无烟煤与贫煤、贫瘦煤的显微结构对比分析，发现焦作洗精煤的微观组分中以结构均一的镜质体为主，其比例达到90％，丝质体和半丝质体仅占5％～8％，其余组分为灰分及杂质。从微观组织上看，焦作煤是一种典型的无烟煤，由于微观组织中结构均一的镜质体占了绝大多部分，因而焦作煤的结构强度较大，挥发分含量低，从而导致该煤种可磨性差，制粉后不具有爆炸性，着火温度较高。

 表4-1  煤种显微结构组分体积含量（％）

同样从煤的微观结构观察可看到，潞安漳村煤、潞安常村煤、鹤壁四矿煤和鹤壁六矿煤的微观结构中镜质体占大部分，同时有一部分的丝质体和半丝质体，从煤的变质程度上分析应属贫瘦煤，其微观结构决定了这四种煤均具有较好的可磨性，制粉后应具有微弱的爆炸性。在这四种煤中，其微观结构有一定的差别，其中潞安漳村煤和鹤壁六矿煤的镜质体较潞安常村煤和鹤壁四矿煤的镜质体含量少，丝质体和半丝质体较高一些（见表4-1），决定了潞安常村煤和鹤壁四矿煤的结构强度较潞安漳村煤和鹤壁六矿煤结构强度高一些，潞安常村煤和鹤壁四矿煤的可磨性稍差一些，爆炸性弱一些，最低着火温度应该高一些，这与性能试验结构基本相符。

从煤的三大显微组分的燃烧性能来看，镜质组因其在煤中含量最高，占60%～90%，且随煤化程度加深，其亚显微组分的变化较有规律，故常用来描述整个煤的变质程度和化学性质，因此煤中镜质组的燃烧行为在很大程度上也代表了该煤种的燃烧行为。稳定组在煤中含量较少，且常分散充填于镜质体中，又因其富含脂肪族成分，在煤粉快速热分解初期即剧烈分解，残留物极少，以至于在燃烧过程中取样做镜下观察时很难再找到它，所以其燃烧行为对整个煤的燃烧性能影响很小。丝质组在中低变质程度的煤中含量较多，约为10%～20%，但因其富含碳，芳构化程度极高，在加热过程中既不软化变形，氧化反应速率又很小，在研究的实验条件下基本保持不变。因此，这里只需研究镜质组不同亚组分在燃烧过程中表现出的各种燃烧方式即可。

镜质组分在燃烧过程的燃烧方式主要有：层状燃烧，内孔燃烧。由其派生出的还有：内外同时燃烧，裂隙燃烧，内孔膨胀燃烧，碎裂燃烧，爆裂燃烧等等。不同显微组分的燃烧方式总的来说应该分为外表面燃烧和内表面燃烧两大类，具体的燃烧方式则多种多样。对于一定变质程度的煤种，在镜质组分中一般都包含2～3种变质程度相近的亚组分，相应地，该煤种的燃烧方式也就具有上述燃烧方式中的2～3种。由此可见，贫煤、贫瘦煤是属于中低变质程度的煤种，其燃烧方式应该是内孔燃烧和碎裂燃烧，属于燃烧性能优良的煤种。

    <2> 煤粉氧煤燃烧时燃烧率测定

氧煤燃烧试验装置是在鞍山热能院“八五”攻关期间研建的“氧煤燃烧试验装置”上进行的。共进行了9个热态喷吹试验方案。其中漳村煤Z₁、Z_2-1、Z₇方案，-300目百分数分别约为75、70、65；常村煤C₇、C_1-1、C₈方案，-300目百分数分别约为76、73、70。ZN方案约为-300目占68.4%的漳村煤泥粉。P₃为C_1-1（-300目占73%）和大同煤粉（DT）各50%，P₄为Z_2-1（-300目占60%～73%）和大同煤粉40%。阿盟煤（D）仍作参照对象。氧煤燃烧试验参数和结果见表4-2。

表4-2  氧煤燃烧试验参数及结果

氧煤燃烧试验过程的参数为喷煤量：100kg/h；热风温度：1000℃；固气比：15kg/kg；富氧率：3%。本次试验供风量为520m³/h，输煤空气量为5.0 m³/h～5.5m³/h，供氧量为21m³/h左右。风量、供氧量受系统阻力影响及炉内压力调整的影响有一定的波动，加之喷煤量的波动，这些都会对煤粉的燃烧有影响。但其本质是氧碳原子比对煤燃烧的影响，即氧气量/煤气量（m³/kg）对煤燃烧的影响。试验的氧/煤比平均为1.30m³/kg，标准离差а=0.0678，变异系数C_v=0.052，说明试验的氧/煤比约为70%在1.23～1.37间变化，相对误差约为5%。可见试验的氧、煤量控制较好，氧、煤量的波动对评价煤的燃烧影响不大。固气比、风温和富氧率虽也有小的波动，但相对误差均小于3.5%，为比较各种煤燃烧性能提供了可靠的依据。为增加可比性，根据国内外经验对各种试验的风温和富氧率进行了校正，校正的基准为风温1000℃，富氧率3%，校正系数为：富氧率±1%→燃烧率±2.0%；风温±100%→燃烧率±2.5。

所有方案的燃烧试验都配以热像仪拍摄分析。得到了全部工况的彩色燃烧状况图、燃烧等温线分布图和喷煤曲线图，其中典型图示于图4-1至图4-3。因为对任何温度分布的等温线图的测定都是以14种颜色来区分温度的，即同一颜色在不同的图像的等温线上代表不同的温度，因此分析不同图像等温线图时，应从相近的温度找出对应的代表颜色，然后再比较大于某一颜色（即某一代表颜色）的面积。对C₇方案由于热像仪镜头偏离一个角度，使成像偏向喷枪一侧，致使图像右侧边偏暗，等温线分布图中高温区分布面积略小，但燃烧区平均温度仍较高，表明此种煤燃烧性能是很好的。由于燃烧炉窥视孔的故障，未能拍摄到ZN方案的燃烧图像。从15炉（包括重复试验）试验多次取样分析中，去除干扰较大的炉次及取样漏气等炉次，选取10炉测试结果，列于表4-2中。

图4-1  Z₁煤燃烧状况图

图4-2  Z₇煤燃烧等温线分布

图4-3  ZN喷煤曲线

从各方案燃烧率（校正后）分析、比较综合如下：

a.漳村、常村煤与阿盟煤燃烧性能比较：漳村、常村煤除Z₇方案（-300目占64%）外，燃烧率明显大于阿盟煤，随煤粉-300目比例增大，差值增大，二者之差最小为1.47％，最大为15.42％。漳村煤和常村煤比阿盟煤高，着火点比阿盟煤低，所以燃烧性能明显好于阿盟煤。

b.漳村、常村煤粒度对燃烧性能有较大影响，在本次试验中，粒度越细，燃烧率越高。图4-4为煤粉粒度与燃烧率关系图。漳村煤粉Z₁、Z_2-1、Z₇方案-300目含量分别为74.5%、70%、64%，燃烧率分别为75.52%、69.57%、64.93%。漳村煤粉粒度从-300目占70%提高至74.5%，每提高1％，燃烧率提高1.32％，而-300目含量从64%增至70%，每提高1％，燃烧率仅增加0.77％。C₇、C_1-1、C₈方案常村煤粉-300目含量分别为76%、73%、69%，相应的燃烧率分别为82.48%、75.12%、69.0%。粒度（-300目含量）从73%提高到76%，每提高1％，燃烧率增加2.45％，而粒度（-300目）从69%提高至73%，则每提高1％，燃烧率增加1.15％，可见潞安煤随着细度提高燃烧率提高得更明显。

图4-4  煤粉粒度与燃烧率关系图

从上述几种煤燃烧温度谱线图和等温分布图分析也可得出类似的规律。Z₁、Z_2-1、Z₇方案燃烧区平均温度分别为1446℃、1402℃及1333℃，＞1400℃等温线的面积比例（在等温线分布图中分别为粉红、红色及黄色区）也从大到小排列。粒度每提高一个百分点，从Z₇到Z_2-1，燃烧平均温度提高11.5℃，从Z_2-1到Z₁约提高9.8℃。C₇、C_1-1、C₈方案燃烧区平均温度分别为1487℃、1439℃、1410℃，粒度每提高一个百分点，从C₈到C_1-1，平均温度提高8.8℃，从C_1-1到C₇提高13℃，也说明贫煤、贫瘦煤细度提高后，燃烧性能改善明显。

c.漳村和常村煤燃烧性能比较：漳村Z₁和常村C_1-1-300目百分含量为74.5和73.0，相差不大，二种煤粉燃烧率为75.52%和75.12%，差别亦不大。比较Z_2-1和C₃二个粒度相近煤粉的燃烧率，差别亦不大，说明漳村煤和常村煤燃烧性能相近。

d.漳村、常村配合煤燃烧性能。P₃煤为50%C_1-1和50%大同煤配合，虽P₃的粒度比C_1-1粗，但因P₃挥发分（V_d为22.72%）比C_1-1（V_d为13.14%）高，着火点比C_1-1低，所以燃烧率比C_1-1高2个百分点。P₄为60%Z₂和40%大同煤配合，燃烧率P₄比Z₁高3.38个百分点。漳村煤和常村煤和挥发分较高的大同煤配合，可更进一步改善其燃烧性能。

e.漳村煤泥ZN方案粒度比Z_2-1略粗，-300目占68.4%，燃烧率比Z_2-1低5.37个百分点，为64.20%。因为煤泥大部分为0.5mm以下小颗粒所以磨粉耗功较小。若能找到一种比较经济的干燥方法，将煤泥用作喷吹原料是合理利用资源的技术措施，建议进行深入研究。

<3> 富氧对贫煤、贫瘦煤煤粉燃烧的作用

比较贫煤、贫瘦煤热风富氧和采用分离式氧煤枪富氧对应的燃烧率，可知，当氧气浓度低于24.5%时，前者略高于后者，当氧气浓度在24.5%～27.0%范围内时，前者随氧气浓度增加已不再变化，而后者还有较大的增长势头；当氧气浓度高于27.0%时，前者随氧气浓度增加开始缓慢下降，后者也增加很平缓。

对于中低变质程度的煤种在热分解和固定碳燃烧过程中对温度的要求均较高。当采用分离式氧煤枪时，由于适当地避开了煤粉颗粒的加热和热分解过程，颗粒先被热风迅速加热并发生了部分热分解反应，颗粒温度已经得到较大的提高，此时再接触到冷的氧气，则颗粒表面温度不会下降太多，足以与氧气发生反应。采用分离式氧煤枪且当氧气浓度低于24.5%时，由于颗粒表面氧气浓度增加得不明显，故燃烧效果略低于热风中富氧的情形。当氧气浓度在24.5%～27.0%范围时，燃烧率由于颗粒表面浓度的增加而明显高于热风中富氧的燃烧率。当氧气浓度大于27.0%时，采用分离式氧煤枪富氧的燃烧过程也变为表面反应速率系数即温度为限制环节的动力学控制过程。可见，在本试验条件下，对于贫煤、贫瘦煤，氧气浓度在24.5%～27.0%时，采用分离式氧煤枪富氧较好；氧气浓度高于27.0%时，富氧的同时还要相应提高热风温度才有效果。

大部分燃烧率变化曲线在氧气浓度较高时都变得平缓，有些曲线甚至有所下降，即不同煤种采取不同富氧方式燃烧时均存在一最佳的富氧率，亦即最佳的O/C比值，高于此值，既不经济，燃烧率也不再增加。碳氧反应的机理表明，当颗粒表面氧气浓度C_b较低时，燃烧为一级反应，即碳表面上不仅氧的溶解顺利，固溶络合也很顺利，反应决定于频率不很大的氧分子撞击而引起的离解速度，故燃烧率随着氧气浓度的增加而提高。当氧气浓度增加到一定程度，燃烧变为零级反应。此时碳表面上虽然氧分子的撞击频率很大，但反应决定于较慢的固溶络合速度，而与氧气浓度及氧分子的撞击频率无关，即燃烧率不再随氧气浓度的增加而提高，甚至可能由于颗粒表面氧分子过高，氧分子在表面吸附太多，抑制了反应产物的逸出，而导致燃烧率的降低。

<4> 不同粒径煤粉富氧燃烧

为了了解富氧对不同大小颗粒煤粉燃烧效果的影响，分别选取不同粒径贫煤、贫瘦煤进行试验。粒径范围为150μm～180μm的颗粒在氧气浓度从21%增加到30%的过程中燃烧率只增加了约3%，结合其工业分析可以看出，颗粒中的固定碳基本上尚未开始燃烧；粒径范围为80μm～120μm的颗粒在氧气浓度较高时燃烧率开始有较明显的增加，氧气浓度大约在26.5%时，固定碳的燃烧量开始明显增加；粒径范围为50μm～70μm的颗粒，在氧气浓度约为23.5%时，燃烧率即开始显著增加。可见，贫煤、贫瘦煤煤种不同粒径的颗粒富氧时，燃烧效果差异很大，粗颗粒由于加热所需时间长，表面温度升高得慢，热分解开始的时间晚，在有限反应空间和一定的停留时间内，只能进行其热分解过程。因此氧气浓度的增加加快了挥发分的燃烧速度。中等颗粒一方面由于表面温度升高较快，加热时间较短，热分解过程可以较早完成，从而有时间进行固定碳的燃烧反应；另一方面，由于其外表面积比粗颗粒明显增大，颗粒内部微孔及热分解物质均较少，燃烧以层状燃烧为主，故外表面积增大即意味着反应有效面积的增大，所以此时增大氧气浓度即可加快固定碳的氧化反应，不过要到氧气浓度高于26.5%左右才有效果。细颗粒由于在表面升温速度及燃烧有效面积两方面都具有很大优势，所以增加氧气浓度，对燃烧效果有显著改善。用此结果还可以从粒径的角度解释混合粒度在热风中富氧燃烧的结果，即由于粒径越细，固定碳燃烧对应的氧气浓度越低，所以具有混合粒度的煤粉随着氧气浓度的增加，燃烧率逐渐增加。当较细颗粒的固定碳大部分已烧掉，剩余颗粒在实验条件下由于热分解尚未完成或燃烧有效面积太低，使得其固定碳无法在氧气作用下燃烧时，混合颗粒的燃烧率即不再随着氧气浓度的增加而增加。氧气浓度很高时，对燃烧过程还有可能产生前面提到的副作用。对于贫煤、贫瘦煤，粒径范围在120μm～180μm的粗颗粒与粒径范围为20μm～60μm的细颗粒在氧气浓度较低时具有基本相同的燃烧率，而粒径范围为60μm～90μm的中等颗粒的燃烧率则在整个富氧范围均低于粗颗粒的燃烧率。这可能是由于大颗粒膨胀造成的丰富的内孔面积及小颗粒较多的外表面积具有的优势使其燃烧率高于相同氧气浓度下中等颗粒的燃烧率。另外，从粗颗粒和中等颗粒的燃烧率随氧气浓度的变化趋势来看，燃烧率在氧气浓度较低时增加并不明显，在氧气浓度较高时还有所降低，只有氧气浓度约在24%～27%时燃烧率才有明显的增加。因此，对于不同煤种和不同粒径，需要选择合适的富氧率。

5）回旋区煤粉燃烧物理数学模型

对回旋区内煤粉燃烧进行热态试验研究非常困难，关于回旋区内煤粉的燃烧情况的数值模拟研究不够深入，这对煤粉喷吹非常不利。搞清楚回旋区内煤粉燃烧的温度场、流场、各种成分的百分比以及煤粉的燃烧率，可以对高炉喷煤及其高炉操作提供指导。

由于实际生产中的回旋区随操作条件的变化而变化，形状难以确定。而且现有的回旋区的研究结果中说法很多，差异很大，没有形成一套系统的研究理论。我们主要是考虑煤粉在回旋区内的燃烧状况，结合fluent给出的算法，模型采用如下假设：

假设回旋区是一个长方体形状；

回旋区中间部分认为是空区，边缘区域用多孔介质模拟焦炭，认为多孔介质只起阻力作用，并不参与反应。

按照矿焦比及矿石氧含量，计算出作为还原剂的焦炭质量。其余的焦炭认为是热源，按照一定的转换比，将其转化为煤粉。

将煤粉看作离散相，颗粒-颗粒之间的相互作用、颗粒体积分数对连续相的影响均未加以考虑。

对回旋区进行模拟就要建立相应的物理数学模型及给定适当的边界条件，下面对各模型进行说明。

<1> 数学模型

a.κ-ε模型

热风从风口以高速喷入回旋区，煤粉也是以高速从支吹管喷入回旋区，为高雷诺数湍流流动。本研究采用双微分方程模型如下：

     （５－１）          

             （５－２）

b.非预混燃烧模型

在一定假设条件下，燃料、氧化剂及产物由混合分数来描述其质量分数，用f表示。换句话说，混合分数就是在所有组分（CO₂、H₂O、O₂等）里，燃烧和未燃烧燃料流元素（C、H等）的局部质量分数。因为化学反应中元素是守恒的，所以这种方法极好。反过来，质量分数是一个守恒的数量，因此其控制输运方程不含源项。燃烧被简化为一个混合问题，并且与非线性平均反应率相关的困难可以避免。一经混合，即可用层流小火焰模型将化学反应模拟成为化学平衡或近化学平衡。

在相同扩散率的假设下，组分方程可转化为一个单一的关于混合组分f的方程。由于删去了组分方程中的反应源项，因此f是一个守恒量。由于相同扩散率的假设对层流流动来说还存在疑问，因此对于紊态对流超过分子扩散的湍流通常是可接受的。平均（时间平均）混合分数方程为：

      （５－３）

    源项S_m仅指质量反应颗粒（煤粉）传入气相中。S_user为自定义源项。

除了解平均混合分数，也要解一个关于平均混合分数均方值的守恒方程

  （５－４）

式中：。常数、C_g和C_d分别取0.85，2.86和2.0，S_user为自定义源项。

c.煤粉颗粒运动的离散相模型

通过积分拉氏坐标系下的颗粒作用力微分方程来求解离散相颗粒的轨道。颗粒的作用力平衡方程（颗粒惯性力＝作用在颗粒上的合外力），在笛卡尔坐标系下的形式（X方向）为：   

               （５－５）

其中为颗粒的单位质量曳力，其中，其中，u为流体相速度，u_p为颗粒速度，μ为流体动力粘度，ρ为流体密度，ρ_p为颗粒密度（骨架密度），d_p为颗粒直径，Re为相对雷诺数（颗粒雷诺数）,Fx为其它作用力，这些力中最重要的一项是所谓的“视质量力”和热泳力等等。          

d.P1辐射模型

P1辐射模型是P-N模型中的一种。P-N 模型的出发点是把辐射强度展开成为正交的球谐函数。

               （５－6）  

其中，E_p为颗粒的等效辐射，a_p为颗粒的等效吸收系数。

e.能量方程

求解时以总焓表示的能量方程：

     （5－7）

其中：k_eff是有效导热系数；J_j是物质j的扩散系数；方程右边前三项分别代表由于传质、扩散和粘性耗散导致的能量传递。式中S_h包括化学反应热和定义的其它体积热源项。

由上述控制方程构成了煤粉在回旋区的燃烧数学模型。

<2> 煤粉参数和边界条件

a.煤粉参数

计算中所用煤粉参数如表5-1所示。

表5-1  喷吹煤样理化性能测定表

b.边界条件的给定

上面给出的物理模型和数学模型，只有给出适当的边界条件才能求解。其中较细的圆柱端面设为煤粉入口，较粗的圆柱端面为空气入口，与圆柱相对的矩形面设为平面1，两侧的平面设为平面2，底部的平面设为平面3，上面的平面设为平面4，边界条件如表5-2所示。

表5-2  边界条件

<3> 数学模型的验证

为验证数学模型的准确性，实测了煤粉在天津铁厂两座高炉内的燃烧率，并与数学模型的计算值进行了比较。

天津铁厂共有炉容300立方米到743立方米高炉5座，总容积2600 立方米。全厂5座高炉都喷吹煤粉。喷吹煤粉工艺流程为原煤从煤场通过原料槽和给煤机送到球磨机粉碎，然后由粗粉分离器和细粉分离器分离将粒度合格的煤粉收集到各高炉的风口，经喷枪喷入高炉风口回旋区。由于高炉喷吹煤粉取得良好经济社会效益，喷吹量逐年增加，煤质要求更加细化和严格。

从1999年开始天津铁厂5座高炉喷吹潞安煤。取得的技术指标如下：热风平均富氧1%-2%；平均煤比150kg/t铁，最高到180kg/t铁；置换比为0.9；高炉日利用系数达2.5。

我们选取了天津铁厂的1号高炉和2号高炉作为验证对象，利用数学模型分别计算出了煤粉在这两座高炉内的燃烧率，并与实际测量的燃烧率进行了比较。表5-3、表5-4和表5-5分别为天津铁厂高炉的基本参数和喷吹参数。实际测得的煤粉燃烧率示于表5-6。

表5-3 高炉基本参数

表5-4喷吹参数

   表5-5风口部位相关参数

表5-6 实际测得的煤粉燃烧率

将天津铁厂1号高炉和2号高炉的各项参数以及所用煤粉的各项参数输入到所应用的数学模型中，从而计算出理论煤粉燃烧率，其结果见图5-1和图5-2。

图5-1 天津铁厂1号高炉富氧条件下的煤粉燃烧率

图5-2 天津铁厂2号高炉富氧条件下的煤粉燃烧率

由图可知利用数学模型计算所得出的煤粉在高炉内的理论燃烧率和实际测量的煤粉燃烧率非常接近，这说明所建立的数学模型比较符合实际，在此数学模型基础上计算出来的理论值具有工程应用的指导意义。

6）燃烧模型的计算结果与分析

根据上面给出的模型及边界条件，对三种煤在不同风温、不同煤比、不同富氧率、不同颗粒、不同灰分的条件下进行了计算，然后分别对一种无烟煤和一种烟煤进行了计算，如表6-1所示，共计计算了116个工况。得到了速度场，温度云图、煤粉轨迹、CO浓度云图以及燃烧率等结果。典型的计算结果示于图6-1至图6-9。

表6-1  116个计算工况的参数

图6-1  1250℃风温时速度场             图6-2  900℃风温时煤粉轨迹

图6-3  900℃风温时温度云图              图6-4  1250℃风温时CO浓度场

                                                                                       图6-5不同煤比对下对燃烧率的影响                             图6-6 不同风温下富氧率对燃烧率的影响（煤比为200kg/t铁）                                                

 图6-7  烟煤和无烟煤燃烧率对比  

  图6-8  不同粒度的燃烧率             图6-9  灰分对燃烧率的影响

通过计算得到以下结论：

a.三种煤。五阳煤燃烧率最高，其次是漳村煤，常村煤比漳村煤燃烧率低一点，但是差距很小。这种燃烧率的差距主要原因是挥发分及灰分的影响。

b.煤比。煤比越高燃烧率越低；在富氧1%的情况下，煤比为150kg/t铁时，理论燃烧温度最高；主要是因为当煤比太大，而富氧率不高时，煤粉挥发分析出要吸收热量，导致风口热量不足；煤比越高回旋区内CO浓度越大。

c.富氧。富氧率越高，燃烧率越高，对应的理论然燃烧温度也越高。富氧率提高，回旋区内CO浓度成降低趋势。

d.风温。风温提高，燃烧率升高；理论燃烧温度也随风温的提高而显著升高，而且提高的幅度较大；风温提高，CO浓度有所增加，但是增加的幅度不是很大。

e.高煤比，高风温配合高富氧率使回旋区内理论燃烧温度最高，燃烧率也是最高的。

f.烟煤和无烟煤。烟煤的燃烧率远大于无烟煤的燃烧率，主要是因为烟煤的挥发分比无烟煤大很多；喷吹烟煤时回旋区内CO浓度，比喷吹无烟煤大很多。

g.粒度。粒度越大燃烧率越低，理论燃烧温度越低，CO浓度越低，煤粉越不容易扩散；但是当粒度减小到一定程度时，燃烧率变化趋于平缓。

h.灰分。灰分越高，燃烧率越低，理论燃烧温度也越低。

i.挥发分和灰分比较。灰分对燃烧率的影响要大于挥发分的影响；也就是灰分增加一定百分比对燃烧率造成的负影响，要大于挥发分增加相同百分比对燃烧率的正面影响。

j.通过计算给出了温度场，浓度场，速度场和煤粉的轨迹；给出了一组比较直观的图片。

7）贫煤、贫瘦煤燃烧促进剂研究开发

<1> 煤粉燃烧促进剂的要求

    为提高煤粉燃烧性能，添加燃烧促进剂是一种有效手段。煤粉燃烧促进剂是通过一定的方法混合在煤粉中能够强化煤粉燃烧，提高燃烧率的单一物质或混合物质。作为高炉喷吹燃烧促进剂应达到以下要求：

a.具有破坏煤的大分子结构的化学性质。煤结构研究表明，煤分子结构属于复杂的大分子结构类型。燃烧过程是其大分子结构单元之间的桥键断裂的化学过程。因此，燃烧促进剂应对煤的大分子结构有破坏作用，从而促进煤的燃烧。

b.提供活性氧。煤粉燃烧过程首先是挥发分的燃烧，以后才是残炭的燃烧。挥发性气体在燃烧过程中消耗了氧，煤粉周围氧含量降低不利于残炭的燃烧。因此，燃烧促进剂应能在一定程度上提供活性氧以补充氧的消耗。

c.燃烧促进剂的热分解温度要尽可能与煤粉着火温度相一致。如果热分解温度太高，不能起到促进作用；反之，在较低温度下就分解，其促燃作用得不到充分发挥。

d.一般情况下化学物质的热分解具有吸热效应，燃烧促进剂在热分解的过程中同样需要吸热，为保证煤粉燃烧释放出的热量能够充分被利用，要求促进剂热分解时吸热作用要小，以免过量的热被促进剂消耗。

e.本试验研究的燃烧促进剂主要是应用于高炉喷吹用煤，因此必须考虑其对高炉的影响。一些对高炉不利的元素，例如钾，钠等元素应被排除在外。

f.添加方便。促进剂要均匀添加到喷吹煤粉之中。 如何结合高炉喷煤制粉、输送、喷吹等工艺过程，将促进剂加进去是促进剂使用过程中要解决的重要问题。选择促进剂必须考虑其添加使用的便利性。

g.安全。高炉喷煤工艺对煤粉的爆炸性是有严格要求的，而且煤粉制备形成、输送、喷吹设备内氧含量和温度都要进行检测控制。煤粉燃烧促进剂在这些过程中不能导致形成爆炸的因素，如释放氧气，提高温度，产生火花等。

<2> 试验用的促进剂

促进剂种类繁多，它包括碱金属、碱土金属和过渡元素的氧化物、氢氧化物及其盐类，其中应用最多的是碱金属、碱土金属的盐类。

选用促进剂应尽量做到废物利用。不少工农业废物可能是性能优良的促进剂，例如含有大量Ca（OH）₂的造纸黑液 、用完废弃的电石、含有NaOH的石灰水、农家废弃的草木灰等等，甚至锅炉渣和水分除渣的废水，都可用做促进剂，就地取材，因地制宜，设计适合局部地区使用的促进剂配方是非常重要的。对于高炉喷吹用煤燃烧促进剂，应首先能促进气相燃烧，加快挥发分燃烧，迅速补充热解温度，提高燃烧温度。

 此次试验研究选取了一号促进剂,、二号促进剂，三号促进剂，四号促进剂，五号促进剂进行研究，其中静态燃烧促进剂为一号促进剂、二号促进剂和三号促进剂；喷吹燃烧促进剂为一号促进剂、 二号促进剂、三号促进剂和四号促进剂；爆炸性能试验用促进剂为一号促进剂、 二号促进剂、三号促进剂、五号促进剂。

<3> 促进剂对煤粉静态燃烧性能的影响

 将煤粉放入马弗炉中静态燃烧，然后用灰分失重法计算出煤粉在马弗炉中的燃烧率。一号促进剂，二号促进剂，三号促进剂三种物质的不同添加比例用于常村煤的燃烧率示于表7-1。

在试验范围内，常村煤煤粉的燃烧率与一号促进剂添加量几乎成线性增加关系。当添加量达到6%时，燃烧率可提高10%以上。添加量较低时，二号促进剂的促燃效果不够明显，而当其添加量超过2%时，其促燃作用增强。三号促进剂含量较低时，对煤粉燃烧有一定的促进作用，然后，随着含量的增加，煤粉的燃烧率迅速降低。对于所试验的三种促进剂来讲一号促进剂助燃效果最好，其次是二号促进剂，三号促进剂效果最差。

表7-1 静态燃烧试验的燃烧率结果

<4> 促进剂对煤粉喷吹燃烧性能的影响

喷吹燃烧试验是在如图7-1所示煤粉燃烧性测试装置上进行的。 试验所用的煤为常村煤，试验内容示于表7-2，其中每个试验工况试验2次。

                                                                  图7-1 燃烧装置示意图

表7-2 喷吹燃烧试验工况

喷吹燃烧试验的数据见表7-3。煤粉的喷吹燃烧率随一号促进剂添加量增加而增加，但当一号促进剂添加量较低（＜2%）时，燃烧率增加较缓慢，而当其添加量继续增加时，煤粉燃烧率可以显著提高，加入5%的一号促进剂可使燃烧率提高大约25%。与静态燃烧相比，煤粉喷吹燃烧所对应的燃烧率较高。

二号促进剂对常村煤粉燃烧有促进效应，且燃烧率随着二号促进剂添加量增加而增加，当二号促进剂添加量达到5%时，煤粉燃烧率可增加12%。从表7－3可知二号促进剂添加量在2%左右时，其促燃效果最差。

加入1%的三号促进剂时燃烧率能提高6%左右，当增加三号促进剂的添加量时燃烧率明显下降。

四号促进剂对煤的燃烧促进作用不明显，并且加入过多四号促进剂使煤的灰分增加，不利于煤粉燃烧，燃烧率也相应下降。其变化趋势与静态燃烧率的变化趋势基本相同。

表7-3 喷吹燃烧试验结果

无论是静态燃烧试验还是喷吹燃烧试验，四种促进剂中一号促进剂的效果最好，在半工业试验中加入3%、5%的一号促进剂使常村煤的燃烧率分别提高14%、25%。这主要是由于一号促进剂中的阳离子的促燃作用和促进剂热分解出活性氧两者共同作用起到了提高燃烧率的作用。

二号促进剂对常村煤的促燃效果也较好，在半工业试验中最多使常村煤的燃烧率提高了10%左右。其原因主要是二号促进剂中的阳离子的促燃作用，因而提高了煤粉燃烧率。

三号促进剂和四号促进剂都有一定的促燃作用，并且都表现在添加量小于2%的情况下，当添加过量时都使得燃烧率下降。这主要是两方面的原因造成的：第一，三号促进剂和四号促进剂的促燃作用主要是由于其离子交换造成的，并不是靠释放出活性氧来提高煤粉燃烧率的。这两种促进剂在高温下分解量有限，因此添加过量时加重了煤样的灰分，最终表现为燃烧率下降。第二，由于本次试验均采用直接添加促进剂的方法，机械混合的分散性很差，以至于这两种物质促燃效果不明显，如果采用浸渍加入的方法三、四号促进剂的促燃效果应该要比目前的机械混合好。

<5> 促进剂对煤粉爆炸性能影响的试验研究

本课题对常村煤粉加入一号促进剂，二号促进剂，三号促进剂，五号促进剂后的爆炸性能在返回火焰测量仪进行试验，为煤粉燃烧促进剂的工业应用提供安全性能依据。实验结果示于表7-4。返回火焰长度由光电转换器测得后直接将数据传送给计算机，由计算机记录并打印出结果，其结果显示原煤返回火焰长度为零，不具爆炸性。由于此次试验采用的常村煤挥发分较低，原煤的返回火焰长度为零；加了一号促进剂，二号促进剂和三号促进剂的煤粉存在返回火焰现象，但最长的火焰长度也不超过10mm，说明不具有明显的爆炸性，可以保证高炉喷吹的安全可行。

表7-4  添加促进剂后返回火焰长度

8）贫瘦煤用于高炉喷吹的工业性试验研究

从1999年开始先后在鄂城钢铁公司、天铁冶金集团公司、武汉钢铁公司、唐山钢铁公司、首钢集团等钢铁公司的炼铁厂近二十座高炉上进行了长期的工业试验。高炉容积有大有小，代表性强，煤比都达到100kg/t铁以上，高的大于200kg/t铁。

<1> 天铁集团炼铁厂贫煤、贫瘦煤单喷工业试验

天铁集团炼铁厂共有炉容300立方米到743立方米高炉5座，总容积2600立方米，年生产铁约250万吨。从1999年开始高炉喷吹贫煤、贫瘦煤。采取的工艺为原煤从煤场通过原料槽和给煤机送到球磨机粉碎，然后由粗粉分离器和细粉分离器分离将粒度合格的煤粉收集到粉煤仓，再通过仓式泵将煤粉通过输粉总管道以及煤粉分配器送到各高炉的风口，经喷枪喷入高炉风口回旋区。

工业试验首先在300立方米高炉上进行低比例添加贫煤、贫瘦煤的喷吹试验，然后逐渐提高添加比例，直至全部采用贫煤、贫瘦煤喷吹，最后扩展至5座高炉全部喷吹贫煤、贫瘦煤。期间配合贫煤、贫瘦煤工业试验，结合天铁高炉喷煤系统的具体情况研发了高压容器的充压和流化均使用氮气、控制制粉系统氧气含量、全负压制粉等适应的喷吹安全技术。

5座高炉全部喷吹贫煤、贫瘦煤后，在热风平均富氧1%～2%；平均煤比150kg/t铁，最高到180 kg/t铁，置换比为0.9以上；高炉日利用系数达到2.5。

<2> 鄂城钢铁集团有限责任公司贫煤、贫瘦煤单喷工业试验

鄂城钢铁集团有限责任公司是湖北省最大的建筑钢材基地，高炉总容积为1544立方米，1999年开始高炉贫煤、贫瘦煤喷吹试验。制粉系统采用“风扫磨”流程。喷吹工艺为采用单罐并列、总管加分配器。

鄂钢炼铁厂在高炉喷吹过程中，对单喷贫煤、贫瘦煤、单喷无烟煤、喷混合煤等方式的喷吹效果进行了对比试验与分析。试验结果表明：单喷吹贫煤、贫瘦煤比其他两种方式的喷吹效果更为显著，经济上更为合理。因此从2001年开始，鄂钢炼铁厂高炉喷煤全部采用贫煤、贫瘦煤，年喷煤总量达到30多万吨。置换比达到0.85，利用系数达到2.4至2.66。

<3> 武钢炼铁厂贫瘦煤与无烟煤混合喷吹工业试验

武钢炼铁厂有高炉5座，总容积为10949立方米。喷吹工艺流程原为无烟末煤场通过原料槽和给煤机送到球磨机粉碎，然后由粗粉分离器和细粉分离器分离将粒度合适的煤粉收集到粉煤仓，再通过仓式泵将煤粉通过输粉管道以及煤粉分配器送到各高炉的风口，经喷枪喷入高炉风口回旋区。

武钢技术中心根据贫煤、贫瘦煤的燃烧特性和安全特性，确定了贫瘦煤配煤比例按10％、20％、30％逐步提高，最高为40％，混合煤粉的挥发分不大于12％，进行了一系列的工业性试验。

混合煤喷吹工业试验是将混合煤粉制备好后，送到高炉喷吹站进行喷吹。混合煤粉由制粉间的仓式泵送到高炉喷吹站的过程中没有出现输送困难或管道堵塞及输粉管道压力大幅波动的异常现象。这说明混合煤粉的输送性能比较好。

高炉喷吹站在试验期间，喷吹压力稳定，喷吹罐出煤速度稳定，喷煤枪喷煤顺畅，混煤喷吹试验期间未出现喷煤枪堵塞，烧毁的故障，同样反映出混合煤粉良好的流动性。

试验期间将考察选取的煤样进行了显微结构分析和工业成分分析，在此基础上进行了不同贫瘦煤配比混煤的哈氏可磨性试验、不同配比混合煤粉的爆炸性试验、不同配比混合煤粉的最低着火温度试验等。通过考察喷吹贫瘦煤过程中的工况、主要的技术指标以及经济效益的计算与分析，可以得出贫瘦煤适用于高炉喷吹，是一种优良的煤种。通过以上试验可得出如下结论：

a.从煤质分析可以看出潞安贫瘦煤和鹤壁贫瘦煤都是低挥发分、低灰分、低硫的优质贫瘦煤，焦作无烟煤是一种低灰分、低硫的无烟煤，将此两种煤粉混合喷吹是可行的。

b.随着贫瘦煤在混煤比例中的增加，可磨性逐渐变好，在贫瘦煤不同的配比时，各种贫瘦煤对混合煤的可磨性的提高能力是不一样的。

c.焦作无烟煤无爆炸性，潞安常村贫煤、漳村贫瘦煤、鹤壁四矿贫瘦煤、鹤壁六矿贫瘦煤都为弱爆炸性的贫瘦煤。随着贫瘦煤配比的增加，混合煤的爆炸性逐渐有所升高，若贫瘦煤的混合比例不超过40%，其混合煤在制粉和喷吹过程中是不会出现爆炸性的。

d.以最低着火温度为393℃的焦作无烟煤为基础，随着贫瘦煤的配比增加，最低着火温度逐渐降低。

e.混煤喷吹有利于提高球磨机的生产能力，降低制粉能耗，此次试验在严格限制球磨机产量的情况下，球磨机台时产量最高增加了15%，在正常生产情况下，当贫瘦煤混合比为30%时，球磨机产量可提高20%～30%；混煤粉在输送和喷吹过程中性能优良，说明该混合煤粉具有较好的流动性；混煤喷吹较原无烟煤喷吹更有利于提高喷煤量，降低焦比，提高置换比，4#高炉和5#高炉焦比分别下降了17.23kg/t铁和8.44kg/t铁，喷煤置换比分别提高了5%和7%。

（3）特点：与当前国内外同类技术主要参数、效益、市场竞争力的比较

我国高炉过去常喷吹无烟煤。对无烟煤的喷吹性能进行研究表明，无烟煤具有固定碳高、热值高、置换比高、安全性好等优点以及着火温度高、燃烧性较差、燃烧率相对低等缺点，且我国无烟煤储量少，造成无烟煤供不应求，价格持续升高。因此，全喷无烟煤将面临着煤源缺乏、可选择性差、燃烧率低以及炉内未燃煤粉难消化等难题。目前我国喷吹无烟煤的高炉喷煤量少，效益不高，从而影响了无烟煤作为高炉喷吹用煤的效果与前景。贫煤、贫瘦煤与无烟煤相比具有着火温度低、燃烧性好、可磨性（HGI）高、硫分低、发热量高等优点，由于其挥发分、燃烧率都比无烟煤高，所以吸热量和要求的热补偿量比无烟煤多。如表1和图1所示。

表1  无烟煤与贫煤、贫瘦煤的各项喷吹性能比较

图1  无烟煤和高炉喷吹贫煤贫瘦煤的相关技术参数比较图

1989年鞍钢进行了大量基础研究，并对喷煤工艺进行了全面的技术改造，解决了喷吹高挥发性烟煤的安全技术问题。1991年宝钢引进日本喷吹烟煤技术，从此喷吹烟煤的钢铁企业逐渐增加。研究和应用实践表明高挥发分烟煤爆炸危险性大，安全设施投入大，而且在喷枪头及风口管壁上易粘附结渣。因此，我国发展喷吹烟煤和无烟煤的混合煤。由于混煤比例和性质是各个钢铁厂根据自己的高炉技术条件和原料条件确定的，没有统一标准，无法逐一比较。

国外高炉风温水平高，并且均具备一定程度的富氧，高炉提供热补偿的能力强，因此有条件喷吹高挥发分烟煤。其研究方向主要针对如何提高烟煤的利用效率。我国高炉的原燃料质量和提供热补偿能力这两方面均低于国外，没有条件完全喷吹高挥发分烟煤。在研究开发方面，国内外关于高炉喷煤的理论与技术研究主要集中在对无烟煤和高挥发分烟煤的性能研究领域。在已公开发表的文献和专利中有喷吹粉煤和细铁矿石的贫煤、贫瘦煤燃烧性能以及喷吹合理粒径、喷吹过程常规燃烧和富氧燃烧研究成果、高炉回旋区状态的数学模型；喷吹粉煤和细铁矿石的高炉回旋区状态的数学模型；高炉回旋区粉煤燃烧的理论分析；基于多相流概念的炼铁高炉瞬时数学模型；模拟高炉回旋区喷吹粉煤流和粉煤燃烧的三维数值模拟；在热空气流中添加化学燃烧助剂对粉煤的热解影响；高炉喷吹单粉煤燃烧效率的改进及燃烧机理，以及采用氧扩散控制燃烧率等问题；在试验高炉上进行风口富氧和800～1000℃情况下粉煤喷吹燃烧试验，以获取粉煤的燃烧效率等等方面的研究。   

而在喷吹贫煤、贫瘦煤的研究方面，目前的研究主要集中在对贫煤、贫瘦煤的煤质特性分析和市场前景分析两方面，尚无针对高炉喷吹贫煤、贫瘦煤的系统研究。

本项目系统地研究了贫煤、贫瘦煤的显微结构、燃烧性能、输送性能、安全性能，创建了高炉喷吹贫煤、贫瘦煤的系列集成技术，为高炉喷吹贫煤、贫瘦煤提供了完善的基础技术数据，填补了高炉喷吹贫煤、贫瘦煤煤种中基础技术数据方面的空白。系统地研究了贫煤、贫瘦煤喷吹安全行为研究，开发了高炉喷吹贫煤、贫瘦煤安全监控系统，解决了高炉喷吹贫煤、贫瘦煤的安全瓶颈问题。创建了高炉喷吹贫煤、贫瘦煤风口回旋区燃烧数学模型，可以系统地预测回旋区速度、温度、一氧化碳浓度以及煤粉燃烧率，并在高炉上得到了实际应用，可广泛用于不同高炉喷吹贫煤、贫瘦煤确定喷煤指标、优化喷煤操作工艺，大量节省高昂的工业试验费用。开发成功了高炉喷吹贫煤、贫瘦煤的专用燃烧促进剂。科技查新表明，以上研究国内外尚无类同报导。

过去，在煤炭与冶金行业贫煤、贫瘦煤被认为只宜用作动力煤，价格低廉。经过本项目基础研究开发，发现其是一种优质的高炉喷吹煤种，并且形成了完善的喷吹工艺和安全控制系统，因此得到冶金行业的广泛欢迎。煤炭行业也由此得到了巨大的经济效益。2006年仅潞安集团生产贫煤、贫瘦煤590万吨，产生经济效益11.1亿元。由于贫煤、贫瘦煤的可磨性好，燃烧性好，爆炸性弱，制粉成本低，置换比高，安全设施投入少，因此冶金行业喷吹贫煤、贫瘦煤的效益优于喷吹无烟煤与混合煤。自2003年以来潞安生产的喷吹煤共为冶金行业增加了50亿元的效益。（图2显示了近三年武钢、天铁和鄂钢采用贫煤、贫瘦煤高炉喷吹后新增经济效益情况。）

我国约有1500亿吨的贫煤、贫瘦煤资源，冶金行业每年的喷吹煤需求量在6000万吨以上，因此贫煤、贫瘦煤拥有巨大的市场竞争力。

图2  武钢、天铁和鄂钢采用贫煤、贫瘦煤后新增经济效益

（4）应用情况

潞安矿业集团1997年开始研究开发高炉喷吹贫煤、贫瘦煤技术以来，先后在鄂钢、天津铁厂、唐钢、武钢等企业进行工业性试验取得成功后，目前已在全国20余家钢铁公司大面积推广应用，并销售到日本、韩国等国外的一些钢铁公司。

潞安贫煤、贫瘦煤储量大，质量稳定，2006年生产煤炭3000余万吨，可为高炉喷吹用煤提供稳定的优质产品。2002年——2006年潞安销售喷吹煤产品1279.45万吨，应用该项技术，晋东南地区的郭庄煤矿、襄垣煤矿等地方煤炭企业也生产销售贫煤、贫瘦煤产品。将低价位的煤变成了高附加值的产品，为企业带来巨大的经济效益。

钢铁企业推广应用高炉喷吹贫煤、贫瘦煤技术，大大降低了制粉能耗，有利于提高喷煤量，降低焦比，从而降低炼铁成本。据测算，2006年全国高炉喷吹贫煤、贫瘦煤1156万吨，每吨铁节约成本70.95元，取得经济效益50余亿元。通过高炉喷吹贫煤、贫瘦煤实践表明，各项技术指标满足高炉喷吹的要求，并有利于控制环境污染，是一种理想的高炉喷吹用煤。

我国是炼铁大国，年喷煤量持续快速增长，预计将达到每年6000万吨。同时我国有约1500亿吨的贫煤、贫瘦煤储量，贫煤、贫瘦煤高炉喷吹技术产品的开发成功，为资源丰富的低价值煤带来高附加值的巨大市场空间，通过技术的转让和辐射，对于我国节约焦煤战略资源，实现炼铁工业结构优化，提高钢铁质量，节能降耗具有重大的促进作用。因此，该成果具有非常广阔的推广应用前景。

发现、发明及创新点：（1）第一次对贫煤和贫瘦煤的理化性能、显微结构、喷吹性能以及输送性能进行全面的研究与分析，丰富了高炉喷吹用煤的技术数据；成功地将贫煤、贫瘦煤开发成为优质喷吹煤。

（2）首次系统地确定了贫煤、贫瘦煤爆炸行为参数，研究了煤比、富氧、风温等喷煤工艺因素对贫煤、贫瘦煤爆炸行为的关系，揭示了贫煤、贫瘦煤喷吹安全行为特征，开发了贫煤、贫瘦煤喷吹安全监控平台，形成了系统的贫煤、贫瘦煤喷吹安全控制技术。    

（3）采用红外热像等先进的实验手段，对贫煤、贫瘦煤在高炉内的燃烧方式、常规燃烧以及富氧燃烧进行了系统研究，首次揭示了贫煤、贫瘦煤喷吹燃烧特性。

    （4）首次建立了高炉喷吹贫煤、贫瘦煤煤粉在风口回旋区的燃烧数学模型，实现了对不同成分、不同粒径的贫煤、贫瘦煤煤粉在不同风温、煤比、富氧率条件下风口回旋区的轨迹、速度场、温度场、CO浓度场以及燃烧率进行定量预测，为指导冶炼行业各种高炉喷吹贫煤、贫瘦煤操作和工艺优化提供了技术手段。

（5）首次研制成功了提高贫煤、贫瘦煤煤粉燃烧效果的五种促进剂，并在不同添加比例条件下对贫煤、贫瘦煤煤粉进行了静态燃烧、喷吹燃烧试验以及爆炸性试验进行了系统研究。

应用情况：潞安矿业集团1997年开始研究开发高炉喷吹贫煤、贫瘦煤技术以来，先后在鄂钢、天津铁厂、唐钢、武钢等企业进行工业性试验取得成功后，目前已在全国20余家钢铁公司大面积推广应用，并销售到日本、韩国等国外的一些钢铁公司。

潞安贫煤、贫瘦煤储量大，质量稳定，2006年生产煤炭3000余万吨，可为高炉喷吹用煤提供稳定的优质产品。2002年——2006年潞安销售喷吹煤产品1279.45万吨，应用该项技术，晋东南地区的郭庄煤矿、襄垣煤矿等地方煤炭企业也生产销售贫煤、贫瘦煤产品。将低价位的煤变成了高附加值的产品，为企业带来巨大的经济效益。

钢铁企业推广应用高炉喷吹贫煤、贫瘦煤技术，大大降低了制粉能耗，有利于提高喷煤量，降低焦比，从而降低炼铁成本。据测算，2006年全国高炉喷吹贫煤、贫瘦煤1156万吨，每吨铁节约成本70.95元，取得经济效益50余亿元。通过高炉喷吹贫煤、贫瘦煤实践表明，各项技术指标满足高炉喷吹的要求，并有利于控制环境污染，是一种理想的高炉喷吹用煤。

我国是炼铁大国，年喷煤量持续快速增长，预计将达到每年6000万吨。同时我国有约1500亿吨的贫煤、贫瘦煤储量，贫煤、贫瘦煤高炉喷吹技术产品的开发成功，为资源丰富的低价值煤带来高附加值的巨大市场空间，通过技术的转让和辐射，对于我国节约焦煤战略资源，实现炼铁工业结构优化，提高钢铁质量，节能降耗具有重大的促进作用。因此，该成果具有非常广阔的推广应用前景。

社会效益：贫煤、贫瘦煤高炉喷吹技术的研究成果对贫煤、贫瘦煤在高炉上的推广应用起到了巨大的促进作用，为科学合理利用国家资源、提高煤炭企业经济效益和冶金企业经济效益奠定了坚实的技术基础，促进了煤炭行业和冶金行业的技术进步。研究成果对于我国开发利用煤炭资源、调整煤炭产品结构，开拓煤炭应用市场、稳定高炉喷吹煤源、提高喷煤效益、降低焦炭消耗、减小环境污染，具有巨大的社会效益和环境效益。

奖励情况：

专利情况：“用于高炉喷吹的贫瘦煤的优化处理方法”项目成功获得国家专利号（中国  ZL200410030866.3）