喷吹煤优化高炉效率：技术原理与操作控制要点

喷吹煤(PCI)是将大量细煤粉喷入高炉(BF)风口区工艺。喷吹煤是高炉炼铁重要辅助燃料，部分替代冶金焦，经济环保双优，显著提升高炉效率，降低能耗和排放。

煤粉经吹煤管、风口喷入高炉，通过挥发分析出、气化、燃烧及未燃焦炭形成，提供热量和还原剂。现代高炉广泛喷吹煤部分替代冶金焦。PCI是成熟成熟技术，多数高炉实施，新建高炉标配PCI能力。喷吹煤成分性质影响高炉操作稳定性、产量、铁水质量、炉煤气成分。

PCI性能评价三大维度

1. 制粉与操作性：除煤成本外，PCI主要运行成本在制粉和配煤分配。
2. 高炉操作影响：喷吹煤质影响铁水质量、高炉稳定性、炉顶煤气成分。喷吹煤灰分：(i) 抑制氧化过程，(ii) 主要碱金属来源，(iii) 消耗熔化能量。
3. 经济效益：核心替代高价焦煤及焦化成本，亦观察到产量提升(依赖焦炭质量)。

PCI主要经济与操作效益

• 降低昂贵焦煤消耗，用廉价弱粘结/热力煤替代降低还原剂成本。
• 延长焦炉寿命(少炼焦)，关键因许多焦炉寿命将尽，替代/维护需巨资。
• PCI系统投资<新建焦炉电池，折旧利息低。
• 提高高炉产量(配合其他操作调整)。
• 操作灵活性大：可调火焰温度，热工状况调整比顶部调整炉料快得多。
• 改善铁水质量一致性及硅含量稳定性。
• 降低全厂排放，特别是减少焦化排放。

PCI发展历史

19世纪开发PCI但未工业化。1960年代美国AK Steel、中国首钢成功实施。当时多国试验证明气力输送喷吹技术可行，但经济性和便利性使油/天然气喷吹更流行。1980年代因1973和1979年油价暴涨，PCI作为焦炭替代潜力被重视。1980年代初欧日装喷吹设施，喷吹率40-90 kg/tHM，焦煤替代率~0.9 kg焦/kg煤。1980年代后期成功实现180-200 kg/tHM喷吹。1990年代PCI技术成熟，真正转向PCI是在冶金焦全球需求增致价格上涨时。

PCI用煤质量要求演变

随喷吹技术进步和喷吹率提高，煤质关注点变化。1970年代末油危机重燃PCI兴趣，煤作油替代燃料，重燃烧性，多用热力煤(易得、成本远低于硬焦煤/弱粘煤)。后关注转向煤质对焦炭替代比影响：发现低挥发分(LV)煤替代比优于高挥发分(HV)煤。

制粉关键参数

磨煤机四主操作参数：(i) 给煤量，(ii) 风量，(iii) 分级机设置(旋风分离器+袋滤器)，(iv) 磨辊/球磨压力。给煤量、磨压、分级设置直接影响磨煤机负荷和功耗。风量间接影响分级效率进而影响功耗。

煤可磨性通常用少数标准分析测试结果描述，据此预测磨煤行为。常用哈氏可磨指数(HGI)评价，无量纲。HGI越小煤质越硬越难磨。可磨性影响产品细度、功耗、产量。

煤水分影响制粉。需降总水分至平衡水分左右，减少磨内和仓内操作问题。磨出煤水分为平衡水分2/3。磨内除水量=收到基水分-2/3(平衡水分)。亚烟煤及以上煤阶平衡水分≈0.69+0.84×(空干基水分)+0.18×(空干基水分)²。平衡水分随煤阶、镜质组分、灰分变化。

煤种类和表面水分决定制粉干燥需求。磨煤机干燥能力取决于内部循环负荷、干回粉与湿生煤快速混合能力、设计容许的风煤比和进风温度。

PCI工艺系统组成

从收煤到各风口喷吹，PCI系统含六子系统：(i) 原煤储存卸料，(ii) 原煤制粉干燥，(iii) 煤粉输送储存供应，(iv) 煤粉均匀分配至各风口，(v) 煤粉燃烧，(vi) 防爆设施。关键特性：

• 储煤罐大容量设计：单条制粉线停运时，维持喷吹至调整操作条件(减矿或准备停炉)。
• 三料仓轮换：一卸料、一备用、一减压/充填/增压。
• 输送管道(稀/稠相)低压损平稳输送。储煤罐至风口高压管道除截断阀无动件，高可用性、易控制维护。
• 制粉储存全流程装防爆抑制器、灭火器等可靠防爆系统。

高炉内关键现象关注

PCI成功运行需关注高炉内现象：(i) 喷吹煤燃烧度/未燃细煤在焦炭层中行为影响透气分布，(ii) 熔融煤灰行为/吹煤管-风口区沉积可能，(iii) 矿焦比随喷吹率增大影响透气区煤气流分布，(iv) 热性能(腹部煤气温度/热流比)影响下部反应。

吹煤管内喷枪位置关键：确保风口区煤粉完全燃烧，同时避免煤灰沉积吹煤管端部。图1为典型PCI流程图。

图1 高炉喷吹煤典型流程图

煤粉喷吹过程

PCI核心概念：细磨干燥煤粉经输送气体(通常N₂)输送至高炉，分配至各风口，经吹煤管喷枪喷入，与富氧热风混合进入风口区。

1. 原煤收料斗收料→筛分除杂→原煤仓储存。
2. 原煤制粉干燥→一次通过系统气力输送至分级机。煤粉彻底干燥防淤积结块。
3. 煤粉沉降单一储煤罐，惰性气氛储存。
4. 煤粉重力从储煤罐入料仓，惰性气体加压，批次循环(充填、卸料、泄压、保压)连续供煤粉入高炉。煤粉流速按料仓重量变化调节惰性气压控制。
5. 单股稠相煤流在混合三通与输送气(N₂)合并。
6. 单根输煤管输煤气混合物至高炉分配器(图2)。分配器自动分多股等量流经管道入各风口喷吹。堵塞检测系统防风口堵塞。

图2 分配器类型

PCI工艺关键特性

• 闭环系统：滤器排气部分回收磨煤机入口，形成惰性环境，降氧含量，减煤粉爆炸风险。
• 热风炉废气+高炉煤气(必要时)作干燥热源，降一次能耗。煤水分高效脱除无需气体冷却器/冷凝器。
• 储煤罐惰性气体运行降火爆风险。
• 称重系统精确控制总喷吹量，连续调整达设定点。
• 料仓并联保证连续供煤。
• 分配系统简单高效无动件。
• 喷吹率通过料仓出口计量阀调节。系统保证各风口喷吹均匀，具备自动再分配能力(个别风口停喷时自动重分配总量)。
• 加压N₂从料仓喷煤粉入输煤管。少量额外输送气下，煤粉稠相输送喷吹，煤气比~40-50 kg煤/kg气。
• 管道煤速仅数m/s，低速减磨损延寿命。稠相输送能力强可长距离输送。
• 煤粉均匀分配至风口至关重要。高炉高效运行要求周向负料和煤气流均匀。各风口喷吹率尽可能均匀。要求分配精度~1.5%(热风分配精度~2.5%)，分配器实现(图2)。图3示意风口喷吹与风口区。

图3 风口喷吹煤粉示意图

高炉操作与PCI交互影响

喷吹率>140 kg/tHM时高炉操作发生变化：(i) 矿焦比降低，(ii) 风口区尺寸变化，(iii) 风口周围焦炭透气性降低，(iv) 风口区温度分布变化，(v) 风口区焦炭机械降解，(vi) 死人区温度下降。均相互依赖，受喷吹煤性质量、焦炭质量、风况影响。

透气性影响

高炉内煤气流、液流、料柱下降动态，导致腹部、死人区、料柱非活性区动态现消失。高喷吹率下高产稳定运行关键：各风口煤流稳定、煤质稳定。煤质稳定可通过PCI煤配煤和各风口独立控制实现。煤性质影响下部复杂气液固流(图4)，但稳定流和煤质下影响不显著。喷煤通过以下影响下部透气性：

• 燃烧度影响风口外逸未燃物(焦炭、烟尘)量。
• 风口区焦炭细粉生成因风动量传递能量，量取决于焦炭质量。风动量受风口内燃烧度影响。
• 渣粘度影响渣铁流经死人区及风口热气渗透死人区进一步降低死人区渣粘度。

操作调整应对高喷吹率透气性下降：如中心装焦增强炉身透气性、加深风口区改善透气减热负荷损失。图4示PCI对高炉操作影响。

图4 PCI对高炉操作影响

未燃焦炭影响

低喷吹率下风口生成焦炭细粉在下部经燃烧、溶解损失等反应消耗。喷吹率增高观察到：炉顶细粉带出增加、风口物理深度增加、高炉不稳定。但带出碳主要为细焦炭+少量烟尘+可忽略未燃焦炭。未燃焦炭反而有益：有焦炭时焦炭耐磨性增加，似限于低反应性高强度焦炭。

焦炭可燃性

风口处喷吹煤燃烧度随喷吹率增大或煤挥发分降低而下降。但风口上700mm处所有煤燃烧度>95%(未燃焦炭溶解损失反应)。未被溶解损失反应消耗的未燃焦炭滞留高炉或随粉尘排出。估算最大喷吹率230 kg/tHM(燃烧效率75%)。风口/风口区剧烈燃烧致高挥发分析出。评价低挥发分煤发现：高升温率下挥发分析出量与工业分析挥发分(VM)比随煤阶(含碳量)显著增加。有燃烧颗粒碎裂证据。风口未燃焦炭流影响下部和死人区透气性。

煤颗粒碎裂发生于挥发分析出期(一级碎裂)和焦炭燃烧期(二级碎裂)。一级碎裂受煤VM影响。大焦炭颗粒产飞灰颗粒远多于小颗粒。煤阶主要影响：碎裂程度随煤阶升高增强、随灰分负荷增加减弱。

高炉快速升温、高温、富氧、高阶PCI煤均促进风口内一级碎裂。外表面因氧反应或热退火硬化在内核完全挥发分析出前发生，导致颗粒爆炸性碎裂。

焦炭反应性随煤VM增加而增(焦炭形态变化)，但风口区焦炭燃烧高温下化学反应性意义小，燃烧速率受氧扩散限制，燃尽时间更依赖颗粒尺寸和氧浓度。高灰分负面影响燃烧。混掺HV煤可增强LV煤燃烧性：HV煤缩短着火时间、升高风口温度。

未燃焦炭灰分组成影响灰对溶解损失反应催化效应。灰分组成不同可堵塞焦炭孔隙(焦炭颗粒炉渣形成比例增)阻碍碳转化。虽大部分焦炭因反应性远高于焦炭在炉内反应消耗，但普遍认为未燃焦炭通过降低死人区对气液流透气性使死人区失活显著。透气阻力随喷吹率增大(因过剩空气比降低致燃烧性下降)而增加。部分未燃焦炭被滴渣捕获，量受焦炭与富铁渣非润湿行为影响。

煤/焦炭碎裂和扩散控制燃烧是VM对PCI煤燃烧性影响小的主因。

高炉内未燃焦炭沉积

下部未燃焦炭和焦炭细粉沉积是复杂现象：反应、多相流、累积、再卷入多机制。实测和数值模拟证实：风口区形状尺寸随下部粉末累积再卷入动态变化，两周期：短周期风口内常规波动、长周期粉末累积致大流量变化。大煤气流量变化致炉壁附近高速→增热损耗和磨损。

填料床粉末累积经实验/数值研究。二维填料床(3mm颗粒+0.075mm粉末)实验展示粉末负荷和表观气速对风口底部/鸟巢区累积影响。不同粘结带形状对颗粒累积影响实验展示。数值分析重现实验累积行为，并显示粉末尺寸对死人区累积显著影响。

数值分析细粉(未燃焦炭+细焦炭)影响：不同直径密度粉末流型、累积区、反应区不同。粉末密度显著影响流型(尤大颗粒)。>1mm颗粒倾向从上升煤气脱离沉降入死人区恶化透气性。未燃焦炭优先随煤气流带至上部与滴铁/煤气反应。有证据显示高细粉含量鸟巢存在。细粉量取决于焦炭质量和PCI水平。大重焦炭细粉离开煤气流累积死人区，对下部透气性不利影响更显著。

近期数值分析和物理取样确认：死人区累积未燃焦炭量相对小且不随PCI率增大而增。故未燃焦炭对炉底透气阻力增加影响小。细焦炭沉积对透气性影响更显著。

焦炭性质影响

高PCI率高产需优质烧结和焦炭。改善整体高炉透气性是关键。高PCI高炉常用高强焦炭(鼓指数)、低SiO₂低Al₂O₃优良高温还原性能烧结。多亚洲高炉用优质原料实现>200 kg/tHM喷吹率高产。

工业经验显示：腹部焦炭尺寸随冷强度(I40)增、热强度(CSR)增、粗焦尺寸增、PCI率减而减。Corus Ijmuiden高炉风口掏焦数据：I40每增1点，>40mm方块腹部焦炭增1.5%。煤喷吹率与风口细焦量无关系。喷吹率和I40数据提示~120 kg/tHM PCI率处焦炭最大降解。

研究高PCI率下焦炭下部行为：焦炭优先消耗，降低焦炭颗粒周围CO₂浓度，向表面和内部扩展反应层。喷吹焦炭存在下焦炭耐磨性增、总孔隙增。高PCI率下耐磨性增可能是腹部焦炭尺寸增大原因。

风口焦炭样品分析：高喷吹率下高温性能(CSR、CRI)对透气性正面影响大于冷强度。透气性在CSR~65-70%后不再改善。多数>170 kg/tHM喷吹率高炉炉底指数(HI=CRI-2.5×CSR+100%)>97%，虽HI与喷吹率无明确关系，但产量随HI升高。建议高喷吹率焦炭耐磨(低I10)且高CSR。

全球焦炭质量指数：I_global.coke = 0.5×[(I40-3.42×I10+100)+(CSR-2.6×CRI+100)]。高炉底部热变差由此指数解释。用于确定操作策略：I_global.coke低则降喷吹率和产量。认为未燃煤加入现有焦炭细粉降低死人区透气性致焦炭床稳定性下降。

但透气性随VM增加和煤粉细化而降低。解释：燃烧性增强(VM增/磨细)→风口内燃烧增→注入风口煤气量增→风动量增→风口深度增+风口焦炭降解增→焦炭细粉带出增。

风能与风口深度线性关系。二维风口模型显示定焦尺寸和炉尺寸下风速与风口深度线性。死人区不稳定和焦炭降解随风动量增模型化。模型显示定焦强度下风口深度随风速线性增。用各研究数据估算喷吹煤含碳量与风动量变化：高VM煤产焦炭细粉达低VM煤2倍(风口内挥发分燃烧增风动量)。操作数据显示：~170 kg/tHM喷吹率下增深风口(高风动量)透气性和产量增。扩大风口减死人区面积增铁渣下降和煤气上升区域。

欧用冷焦强度、日用热焦强度监控高PCI高炉焦炭质量。证据显示单一焦炭强度不足预测物理化学机制降解。

煤灰化学对渣粘度影响

渣粘度影响高炉产量(下部淹没现象相关)。渣粘度不利影响透气性和液体淹没因子。日本高炉风口样品揭示喷吹煤灰对滴渣物性和风口周围透气性影响(高产高PCI操作)。

近年多研究预测渣粘度(对高炉渣流动行为重要)。准化学粘度模型用于Al₂O₃-CaO-FeO-MgO-SiO₂全液相渣，全成分范围实验预测吻合好。渣成分影响SiO₂-CaO-MgO-Al₂O₃系液相线温度。渣临界温度(粘度突变)描述：碱度<1.3时~1340℃，>1.3时~1380℃。降MgO降粘度但渣温是主因。

实验室研究：喷吹熔剂与焦煤灰混合降风口渣熔点>200℃，粘度大幅改善。另研究未燃焦炭-铁界面反应：碳溶入液铁受界面形成灰层化学影响大于他因。增SiO₂减碳溶解。部分煤Si挥发。铁素体表面形成也减碳溶解。

焦炭/PCI碱关注Na₂O、K₂O。高炉内碱循环：下部碱蒸汽上部冷凝。高碱负荷致炉壁结瘤(骨架)→悬料/滑料。喷吹煤Cl增碱循环。循环负荷可调渣量和化学控制。

碱控制研究显示：降渣碱度、降炉底温度、增炉顶煤气温度、用低碱负荷为控制碱关键因素。最有效控制：限碱输入2.0-2.5 kg/tHM。碱与焦炭主相互作用：焦炭经循环区富集碱→弱化焦炭易碎。程度取决于碳织构类型。焦炭下降经风口区高温区失碱。

PCI碱在风口蒸发随温降死人区冷凝。峰值碱在风口前~2m。死人区碱累积致铁水流向炉底透气问题。Cl和碱影响研究：降Cl和碱输入改善高炉透气性。