一、研究的背景与问题
钢铁工业是我国国民经济的重要基础产业，但其能源消耗量大，且主要依靠优质煤炭资源。而我国煤炭的资源分布与消费区分布极不协调，已探明储量中，烟煤占73.7%、无烟煤占7.9%、褐煤占6.8%、其他煤种占11.6%，烟煤中优质焦煤和肥煤的储量仅占7.97%。因此，国家能源局已计划对冶金焦生产所依赖的焦肥煤资源和高炉喷吹用无烟煤资源进行保护性开发。钢铁工业“十三五”、“十四五”发展规划中明确要求降低钢铁企业单位增加值能源消耗、二氧化碳排放和用水量，减少二氧化硫排放总量。因此，钢铁企业在发展的同时，必须着力解决发展过程中给资源环境带来的压力。
兰炭是采用弱粘结性煤或不粘煤经低温干馏而成，具有固定炭高、比电阻高、化学活性高、含灰份低、铝低、硫低、磷低的特点，已逐步取代冶金焦而广泛应用于电石、铁合金、硅铁、碳化硅等产品的生产。目前国内兰炭主产地为陕西、新疆、内蒙和宁夏地区，预计兰炭年产能在1.2亿吨左右。若将这部分改质后的煤炭资源应用于钢铁行业，将有助于减小钢铁工业对焦肥煤、无烟煤的依赖，优化资源配置，减少环境污染。
但是，兰炭末用于替代高炉喷吹煤粉，具有三大难题，一是可磨性差，设备磨损大幅度增加，制粉效率大幅度降低；二是兰炭热值较无烟煤低，高炉燃料比有上升风险；三是兰炭燃烧性和反应性波动大，限制了兰炭的喷吹量。要想大幅度提高兰炭喷吹比例，或者以兰炭全部替代喷吹煤，必须攻克上述三大难题。
项目团队基于在炼铁基础理论、炼铁生产操作技术、冶金机械与自动化等多方面的长期研究和实践，历经了多年的产学研用攻关，开发了“兰炭全部替代高炉喷吹煤技术”，开创了我国兰炭资源在高炉喷吹领域绿色、高效利用的新局面。
1 项目整体思路
围绕“兰炭全部替代高炉喷吹煤技术开发与应用”展开研究，首先研究兰炭喷吹可磨性提升技术，解决兰炭可磨性差的问题；随后研究兰炭喷吹燃烧/气化反应性提升技术，解决兰炭喷吹燃料消耗波动大的问题；然后研究兰炭喷吹高炉冶炼对策与操作，攻克了兰炭喷吹炉况异常波动的隐患；最后研究兰炭喷吹高炉燃料智能搭配系统和新标准，保证了兰炭稳定生产与高效喷吹。各个阶段分步骤推进，保证基础理论与工业实施循序渐进。
图1 项目研究技术路线图
2 技术方案
2.1 研究兰炭可磨性提升技术，以解决兰炭制粉产量低、喷吹管道磨损的难题
（1）多硬度燃料复合研磨的配比优化
重点开展了兰炭、烟煤、无烟煤、CDQ粉不同配比试验，寻找喷吹燃料配比对可磨性的影响规律。①燃料结构为“兰炭40%+烟煤35%+无烟煤20%+CDQ粉5%”可磨性最高，出粉能力正常，对设备磨损最小，同时保证了混合煤的安全性。其机理：随兰炭比例增加，混合煤中兰炭发挥着“研磨体”作用，使混合煤可磨性先增加后减小；②原煤水分对可磨性影响较大，现场在制粉过程要控制混合煤水分以保证制粉能力。
图2 不同燃料配比条件下可磨性指数变化规律
（2）面向可磨性提升调控兰炭制备工艺参数研究
模拟兰炭制备工艺，研究了热解温度和热解时间对兰炭可磨性的影响。①发现了热解温度对半焦可磨性影响明显。随热解温度升高，可磨性先升高，后降低；在600-700℃之间出现可磨性最大值。随着热解时间的增加半焦的可磨性是降低的。不同煤种控制区间不同，基于此，梅钢开始实施“定制兰炭”采购机制。②揭示了兰炭炭化过程可磨性的演变机制。在低温脱除挥发分阶段，主要发生裂解反应，结晶水和挥发分大量析出产生微孔和微裂纹有利于半焦破碎。继续升高温度，半焦发生缩聚反应，炭基质逐渐变得致密，碳原子向增加有序度方向发展，半焦可磨性急剧下降。
图3 兰炭制备参数对其可磨性影响机理研究
2.2 研究兰炭喷吹燃烧/气化反应性提升技术，以解决兰炭喷吹燃料利用率低的问题
（1）优化混合燃料配比提高其燃烧/气化性能
通过开展混合煤配比优化实验，寻找不同配比对燃料燃烧率/反应性的影响规律，确定混合燃料协同燃烧机制。①兰炭配加有助于提高混合燃料燃烧率。随着兰炭量的增加，混合燃料燃烧特征温度（失重50%的温度）也逐渐降低，表明混合燃料的燃烧性变好。主要是烟煤和兰炭挥发分高、燃烧性好，易燃烧并释放大量热量，可促进焦粉和CDQ的的燃烧。②兰炭配加有助于提高混合燃料反应性。混合燃料中随着兰炭比例的增加，混合燃料反应性增加。当混合燃料中兰炭含量从0%增加到40%时，反应性曲线向低温区方向移动。
图4 兰炭配加对混合燃料燃烧率提升的促进作用
（2）兰炭与其他燃料粒度梯度控制技术
首次揭示不同燃料粒度与燃烧率的关系，提出兰炭喷吹适宜的粒度控制方案。①混合燃料粒度要求-200目≥70%，随大粒级燃料占比增加，混合燃料燃烧率出现明显下降趋势。②焦粉粒度要求-300目≥75%，难燃烧焦粉需要更细的粒级分布，在混合燃烧时借助协同燃烧作用，其燃烧率能满足高炉冶炼要求。③焦粉配比<14%，在兰炭各个比例下随焦粉含量增加，混煤燃烧率下降。当焦粉比例大于14%，混煤燃烧率快速降低；再一次证明控制兰炭性能的重要性。④CDQ粉配比<20%，当CDQ粉比例大于20%以后，混煤燃烧率快速降低。
图5 兰炭与焦粉混合喷吹粒度分布控制对燃烧率的影响
（3）面向兰炭燃烧性能和反应性能提升的制备工艺参数优化
重点研究了热解温度和时间对兰炭燃烧性和反应性的影响，解析了热解半焦的物理结构特征。①随热解温度提高，在650-750℃区间，兰炭比表面积出现爆发性增长，兰炭比表面积越大，其燃烧性和反应性越好；②热解产生的气体破坏了兰炭的孔结构，气体析出造成碳质膨胀破裂。兰炭大孔被破坏形成了大量中孔与微孔，平均孔径降低；③兰炭热解温度控制在600℃-700℃，能够同时优化兰炭的可磨性、燃烧性、反应性。
图6 兰炭燃烧性与其制备工艺参数的相关性研究
2.3 研究兰炭喷吹高炉冶炼对策与操作参数，已解决兰炭喷吹炉况异常波动的隐患
（1）首次揭示了兰炭喷吹对喷吹置换比的影响
重点研究了兰炭配比与炉热的对应关系，实现了高兰炭喷吹比下对燃料比的准确预设。①采用兰炭替代烟煤，有助于提高喷吹燃料的置换比；②确立混合燃料与基准煤置换比的线性回归关系：置换后燃料比=实际焦比+实际煤比*(100.44-0.067*b)。
图7 兰炭喷吹对喷吹置换比的影响
（2）解析了兰炭喷吹对理论燃烧温度的影响
本项目揭示了兰炭配比与理论燃烧温度的对应关系，实现了高兰炭喷吹比下对理论燃烧温度的准确调控。考虑燃烧率的情况下，基准期的理论燃烧温度为2205℃，随着兰炭比例的变化，理论燃烧温度值变化很小。焦粉喷吹时，混煤的燃烧率快速降低，此时风口回旋区未燃煤粉量大幅增加，理论燃烧温度降低幅度明显。
图8 兰炭喷吹对理论燃烧温度的影响
（3）提高焦炭骨架空隙度、大幅度降低渣比，保证高炉接受大比例兰炭喷吹
高炉喷吹兰炭时提高大焦率，实施“提高大焦率”技术，提高大焦率6个百分点，提高了焦炭骨架空隙度；同时采用低碱度低镁烧结技术，高炉添加熔剂量下降8.3kg/t，高炉渣比下降7.1kg/t；高炉滴落带、软融带透气透液性改善，四号高炉喷煤比和兰炭配比大幅度提高后，高炉顺行特征指标压差ΔP反而由168kPa下降至163kPa、透气性指数k由2.99下降至2.88。炉渣性能优化采用低镁配矿技术，炉渣镁铝比降低至0.47，炉渣R提高到1.23，有利于提高炉渣热容量，保证炉缸热量充沛活跃，促进高炉稳定顺行和铁水脱硫。
图9 高炉原燃料调配对高比例兰炭喷吹炉况的影响
（4）兰炭喷吹条件下高炉煤气流分布调控技术
本项目重点研究高炉一次至三次气流分布控制技术，应用逆反式布料模型应对炉料结构变化。①风口回旋区一次气流分布，提高鼓风动能强化中心气流，提高热风温度和富氧率，提高煤粉燃烧率，减少未燃煤粉，优化一次气流分布；②软融带二次气流分布，通过一次气流和炉顶布料，优化二次气流分布，降低压差；③块状带三次气流分布，合理调整块状带气流分布，提高炉身煤气利用率、炉顶煤气温度、降低块状带压差。
图10 煤气流调控对高比例兰炭喷吹炉况的影响
（5）高水分高比例兰炭制粉效率提升技术
首次揭示了中速磨气氛含氧量与不同配比兰炭混合煤着火点和爆炸性的对应关系。①降低中速磨气氛含氧量可大幅度提高混合煤着火点温度。含氧气氛由21%降低到10%以下，100%兰炭的着火点由300℃提升到363℃；②控制烟气含氧量10%以下，中速磨入口烟气温度由上限280℃提高至上限320℃；③按新标准制粉，中速磨平均制粉能力由42.4t/h提升到50.3t/h，最高提升至52.4t/h，恢复正常制粉水平。
图11 磨机参数对兰炭制粉产量的影响
2.4 研发了高炉喷吹兰炭智能搭配软件和标准规范，保证了兰炭高效喷吹与稳定供应。
（1）兰炭喷吹高炉燃料智能搭配软件
图12 兰炭喷吹高炉燃料智能搭配系统
开发了高炉喷吹燃料优化配煤软件，方便现场技术人员对各种燃料性能指标的判断和确定不同燃料的选择搭配。突出特点：①根据高炉需求开发了性能约束方程和成分约束方程；
②开发了单种燃料的性价比评价模块，基于燃料的基础性能、工艺性能及价格等指标对混合燃料进行有效热值计算分析，确定不同燃料性价比高低；③开发了燃料优化搭配模块，基于单纯形法，实现计算机智能优化搭配；④开发不同混合燃料方案的优化配比模块，计算得到不同配比方案下的优化燃料成本。
（2）制定高炉喷吹兰炭技术要求
根据高炉兰炭的干馏特性和现场需求，制定了高炉喷吹兰炭技术新标准。标准增加了对兰炭末发热量 、水分、全硫 、灰熔融性温度、哈氏可磨性等指标的技术要求，对兰炭末挥发分含量的技术要求增加了第三级档（15.01%-20%）。
图13 高炉喷吹兰炭技术要求（T/SSEA0095-2020）
（1）开发了兰炭可磨性提升技术，解决了兰炭制粉产量低、喷吹管道磨损的难题。开展兰炭、烟煤、无烟煤、CDQ粉不同配比试验，揭示了喷吹燃料配比对可磨性的影响机理，提出了基于“研磨体”的多硬度燃料复合研磨的配比优化技术；解析了兰炭制备温度和时间对可磨性的影响规律，提出了面向可磨性提升的兰炭生产工艺参数调控方案。
（2）开发了兰炭喷吹燃烧/气化反应性提升技术，解决了兰炭喷吹燃料利用率低的问题。针对燃料在高炉风口回旋区燃烧不完全易形成未燃煤粉，影响高炉透气透液性，危害高炉顺行的难题，本研究从优化混合燃料配比、兰炭与其他燃料粒度梯度控制、调控兰炭制备工艺参数三个方面来解决兰炭喷吹利用率低的问题。
（3）提出了兰炭喷吹高炉冶炼对策与操作参数，攻克了兰炭喷吹炉况异常波动的隐患。首次揭示了兰炭喷吹对喷吹置换比、理论燃烧温度的影响规律，开发了低碱度低镁烧结技术，降低了高炉熔剂比；采用焦炭大焦率技术，提高了高炉下部透气透液性；提出了煤气流分布控制技术、逆反式布料模型应对炉料结构变化，保证了高炉炉况稳定。
（4）研发了高炉喷吹兰炭智能搭配软件和标准规范，保证了兰炭高效喷吹与稳定供应。结合高炉喷吹工艺对燃料性能的要求，开发了高炉喷吹燃料优化搭配软件，方便现场技术人员对各种燃料性能指标的判断，确定不同燃料最优的搭配模式；根据兰炭的干馏特性和高炉冶炼需求，制定了高炉喷吹用兰炭末挥发分、发热量、水分、全硫、灰熔融性温度、哈氏可磨性等指标的技术要求。
2017年7月梅钢四号高炉（3200m3）和五号高炉（4070m3）开始喷吹兰炭，喷吹比例7%，喷吹煤价格1269.7元/吨，兰炭价格891.1元/吨，到2018年11月兰炭喷吹比例达到25%。2019年10月份在完成所有实验室试验及兰炭喷吹比例25%的工业化试验后，两座大高炉兰炭喷吹比例直接由25%提高到50%，随后两个月内提高到80%；2020年9月，大高炉兰炭配比提高到95%，CDQ粉5%；2020年11月兰炭喷吹技术推广至二号高炉（1280m3)，2021年6月兰炭喷吹比例达到100%；
项目首创全兰炭喷吹技术，成为国内外第一家以100%兰炭全部替代喷吹煤、并实现高效生产和稳定喷吹的厂家，并拥有多项自主知识产权和成套应用技术。项目改进期间兰炭喷吹量达到61万吨，财务认定完成降本效益5478万元。2020—2022年三年累计降本效益达到40576万元。
图14 梅钢高炉兰炭配比提升趋势图
（1）高比例兰炭喷吹项目实施前后对比
表1 项目实施年度与基准年度各项指标和关键参数变化对比
①2020年各项经济技术指标、关键操作参数，较2019年均有改善趋势，说明高炉炉况向好；②表征高炉稳定顺行的特征指标压差ΔP由168.6kPa下降至163kPa，说明高炉炉况顺行良好；③煤比提高了10.6kg/t，焦比下降了11.9kg/t，燃料比下降了1.25kg/t。高炉能够接受兰炭配比和喷煤比的提高，而且混合煤粉在炉内的燃烧和利用保持高效的状态，喷吹煤在高炉内与焦炭的置换比达到11.9/10.6=1.123。
（2）高比例兰炭喷吹工业化应用后关键指标变化趋势（年度）
图15 梅钢高炉兰炭配比提升年度关键指标趋势图
①2017年到2020年四号高炉燃料比稳定在500kg/t左右；②焦比和煤比的变化趋势反映出高炉炉况的变化趋势。焦比下降33.7kg/t，煤比上升40.8kg/t，反映出高炉炉况整体稳定可控。③针对大比例使用外购焦和大幅度提高兰炭配比所采取的各种技术和措施是有效的，为四号高炉长期稳定顺行发挥了坚实的作用。