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高炉喷吹兰炭助降本减排
2021-12-15 15:25:22 点击数：
刘文权 苏步新 毕传光 洪建国
高炉喷煤是钢铁企业降低成本、提高竞争力的重要手段，但由于使用煤受到煤价、环保政策等因素限制，钢铁企业采用性能优良、价格更具经济性的兰炭作为替代燃料。使用兰炭替代无烟煤用于高炉喷吹、用作烧结燃料和焦丁，可以提升环保效益。按照每年2亿吨铁水产量计算，可利用兰炭约1500万吨/年，较使用原煤减少二氧化碳排放约58万吨/年；按原煤含硫量0.7%、兰炭含硫量0.35%计算，可减少向脱硫系统中引入二氧化硫约10万吨/年。
高炉喷吹兰炭具有多方面优势
兰炭是以侏罗纪时期形成的不黏煤和弱黏煤为原料，采用中低温干馏工艺生产的高固定碳含量的固体物质，是一种新型优质燃料，具有固定碳高，铝、硫、磷低等优点。通常情况下，平均每吨兰炭价格比煤粉价格低100元~200元。兰炭作为高炉喷吹燃料，有利于降低铁水成本，对企业有重要的经济意义。2014年，北京科技大学进行的在炼铁领域高炉混合喷吹兰炭应用研究和兰炭替代焦丁在高炉中的应用研究表明，兰炭有效热值和反应性均超出无烟煤，具有成本优势。
兰炭是经中、低温干馏炭化除去煤中焦油物质和大部分挥发分后的半焦产品，具有硫分低、灰分低、气化效率高、反应性好、燃烧性能好等特点。在生产中，兰炭经中、低温干馏时，其挥发分会大量析出，部分硫、氮等元素提前释放。因此兰炭中硫、氮、灰分、挥发分含量大幅降低，并且仍保留有煤的特性。其固定碳高，灰分、硫、磷等含量均较低，且无任何黏结性，化学活性优于焦炭，流动性和喷流特性指数优于烟煤，在高炉喷吹方面燃烧性能和反应性能俱佳，置换比较高，能够满足高炉喷吹用煤的技术要求。
高炉喷吹使用兰炭可减少对无烟煤的依赖、降低焦比，显著提高喷吹过程中的安全性。同时，兰炭的冶金性能稳定且较好，灰熔特性较好，不易堵枪，用于高炉喷吹过程更容易控制。
兰炭替代无烟煤和烟煤有利于高炉喷吹原料的资源结构优化。在长三角地区，受限煤政策的影响，高炉喷吹兰炭对实现兰炭资源综合利用、炼铁生产节能减排、减少二氧化硫及二氧化碳排放具有重要意义。2014年，北京科技大学完成了兰炭在炼铁领域高炉混合喷吹兰炭应用研究和兰炭替代焦丁在高炉中的应用研究，研究表明：兰炭中硫（≤0.3%）、锌（≤0.01%）、钠（0.045%~0.055%）、钾（0.0096%~0.043%）等有害元素含量较少，可以减少高炉入炉硫负荷，进而减少高炉脱硫耗热，有助于降低燃耗和二氧化碳排放量。
多家钢企开展高炉喷吹兰炭试验
目前，我国宝钢、南钢、鞍钢、新兴铸管、包钢、酒钢等多家钢企已开展过高炉喷吹兰炭的研究与试验。
其中，宝钢2号高炉喷吹兰炭生产试验，通过工业分析、可磨性、爆炸性和着火点等实验室研究表明，兰炭对高炉制粉的出力和喷吹过程无明显影响，且对高炉炉况顺行亦不产生影响，兰炭可替代部分无烟煤用于高炉喷吹。
2018年，新兴铸管在3号高炉燃料比不变的情况下，由于煤粉利用率提高，高炉焦比降低。综合分析表明，在兰炭资源充足时，喷吹兰炭可以改善髙炉指标，降低炼铁成本。当混合煤中兰炭比例为10%时，吨铁燃料成本降低1.43元；当混合煤中兰炭比例增加到20%时，吨铁燃料成本降低1.92元。
太钢开展高炉使用兰炭替代无烟煤喷吹的可行性研究和工业试验，并将其用到生产中。可行性研究及工业试验结果表明：兰炭各项基础性能符合喷吹煤粉的要求，具备高炉喷吹的使用条件。高炉生产实践表明：喷吹煤粉中兰炭比例达到15%~20%，最高25%，有利于降低钢铁企业的生产成本。2017年太钢高炉配加兰炭煤后，喷吹用煤价格降低17元/吨、吨铁燃料成本降低13元。
高炉喷吹兰炭发展建议
虽然国内外的钢铁企业和研究机构在兰炭替代无烟煤进行喷吹方面取得一定成果，但仍需要在工业生产应用方面进行更多研究，从而满足企业更多需求。同时，喷吹兰炭技术刚刚起步，采用高炉喷吹兰炭的企业不多，兰炭供应端可能会影响兰炭的总体质量，导致兰炭燃烧性能参差不齐，从而在工业应用进度上制约高炉喷吹兰炭技术发展。
在技术方面，兰炭存在水分含量高且固定碳含量较低、主要成分波动较大的问题；兰炭水分偏高，会增加干燥消耗的热量；兰炭可磨指数偏低，为保证喷吹煤粉粒度，会增加磨煤机的电耗和对磨辊的磨损，并影响出力（在磨机能力有富余的情况下，对生产组织不存在影响）。由于兰炭结构特性，在生产时发现，兰炭对磨煤机出口管道和喷枪金属软管磨损增加，易出现磨漏情况。
笔者建议，应成立国家级减煤技术创新中心，致力于研究、推广兰炭用于烧结、高炉喷吹等；根据钢企个性化需求，实行兰炭定制化，将高炉喷吹兰炭哈氏可磨系数提升至58～60，使其与无烟煤可磨系数灰分、挥发分相当，实现50%~100%替代高炉喷吹煤；制定高炉喷吹兰炭的相关标准，推动高炉喷吹兰炭技术发展更加规范有序。
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