炼铁高炉喷吹煤粉燃烧效率优化与节能技术

引言：

高炉炼铁是当前我国钢铁工业中最主要的铁水生产方式，其焦炭消耗量约占冶金用能的 60% 以上。为降低对焦炭资源的依赖、缓解能源紧张局面，高炉喷吹煤粉技术自 20 世纪 80 年代推广以来，逐渐成为高炉冶炼过程中必不可少的节能降耗手段。相比传统燃料，煤粉喷吹可显著降低焦比、减少二氧化碳排放，并在一定程度上调节炉内热结构。然而，喷吹煤粉的完全燃烧并不容易，其燃烧特性受煤质波动、粒径大小、风口气流结构、喷枪设计与高炉炉况等因素的显著影响。如果喷吹煤粉未能完全燃烧，不仅造成能源浪费，还可能导致高炉炉缸热负荷下降、渣铁分层紊乱及炉况波动等问题。因此，提高喷吹煤粉的燃烧效率，推动喷吹系统节能化、智能化升级，是实现绿色高效炼铁的重要方向。

一、煤粉燃烧过程机理与高炉喷吹技术特征分析

高炉喷吹煤粉的燃烧过程主要发生在风口区域及其上部的高温还原带，煤粉进入风口后在高温高压气流作用下迅速加热、挥发、着火、燃烧，并释放出热量与还原性气体，参与高炉冶炼过程。煤粉燃烧分为挥发分燃烧与固定碳燃烧两个阶段，前者释放速度快，热值高，适合在风口短时间内充分燃烧；后者受气流紊动、粒径影响较大，燃烧速度慢，易残留炭黑进入炉缸，影响渣铁界面结构与炉缸热平衡。因此，在高炉运行过程中，必须确保煤粉在风口附近实现最大程度燃烧，以充分发挥其热效应和化学反应能力。高炉喷吹技术的核心在于煤粉与高速热风之间的充分混合与高效反应，这一过程涉及传热、传质、湍流扩散与化学反应的协同控制。

二、影响煤粉燃烧效率的关键参数及优化方向

在高炉喷吹系统中，煤粉燃烧效率受多个因素协同作用影响，其中煤种性质、煤粉粒度、一次风与热风流量比、喷枪结构与喷吹方式等为主要控制变量。首先，煤种的挥发分、固定碳含量、灰分与含硫量决定其着火特性与燃烧速度，高挥发分煤适合快速着火、高热值释放，有利于短时高效燃烧；低灰分可减少炉内积灰与喷枪堵塞。粒度方面，煤粉粒径越细，燃烧反应面积越大，着火时间越短，但过细可能导致喷吹系统结垢与粉尘回流，应控制在80~100 目之间较为合理。风粉比控制对燃烧效率影响显著，过高的风速可增强煤粉分散性，但也易带走热量，降低反应温度；过低则可能导致喷吹偏斜或燃烧不足，应结合喷枪结构合理设定。喷枪的布置形式亦影响煤粉射流扩散与着火区域的均匀性，复合喷枪、多通道混风喷枪被广泛采用，以增强煤粉与热风混合效率。

三、煤粉预处理与煤种混配技术在节能降耗中的应用

在高炉喷吹系统运行中，煤粉的物理与化学性质对燃烧效率具有决定性影响，而通过煤粉预处理与混配技术可有效调控其热值、粒径与燃烧活性，提升整体系统热效率。煤粉干燥技术可降低水分含量，减少蒸发潜热损耗，同时改善流动性与着火性能，常用干燥方式包括热风干燥、余热回收干燥等。煤粉分级筛分技术则可控制粒度分布，提高粒径一致性，减少燃烧过程的反应滞后。在煤种混配方面，不同煤种间的挥发分、灰分、反应性与灰熔点存在较大差异，单一煤种往往无法兼顾燃烧效率与喷吹经济性。通过合理搭配高反应性煤与低灰分煤种，可在保证燃烧效率的同时控制成本，提高经济效益。典型煤种如烟煤、褐煤与贫瘦煤混配喷吹，已在多家钢厂应用，表现出良好的热力学适应性与节能效果。

四、智能控制技术与数值模拟在燃烧效率提升中的应用

传统高炉喷吹系统依赖操作人员经验进行参数调整，难以实现精准燃烧控制，容易造成能耗偏高与系统波动。随着工业自动化与人工智能技术的发展，基于工业大数据与实时感知的喷吹智能控制系统逐步推广。通过部署高精度传感器与热像仪，对喷吹温度、压力、气流速度、火焰形态等关键参数进行实时监测，并结合神经网络、模糊控制与遗传算法等智能算法，构建动态调节模型，实现对喷吹过程的闭环控制。此类系统可根据高炉负荷波动、煤种变化与炉温分布实时调整喷吹风粉比、氧气配比与喷枪参数，显著提高燃烧效率与系统响应速度。在建模与模拟方面，借助CFD数值模拟技术可构建风口区域多相流动模型，对煤粉喷吹过程中的温度场、速度场、着火点位置与反应路径进行仿真分析，为优化喷吹结构提供理论支撑。

五、多元能源协同喷吹与绿色低碳发展策略探讨

在“双碳”背景下，钢铁行业必须进一步降低能源消耗与碳排放水平。基于喷吹系统的多元能源协同利用成为实现绿色炼铁的重要途径。在实际生产中，除煤粉外，喷吹天然气、焦炉煤气、生物质气等多种可燃气体可与煤粉协同喷吹，形成补热、助燃与节碳的复合效应。天然气喷吹可显著提高局部火焰温度，改善煤粉燃烧速率，降低炭黑残留，同时因其氢碳比高，可有效减少单位热值碳排放。焦炉煤气与高炉煤气富含一氧化碳与氢气，作为煤粉补充燃料，可增强还原气氛与燃烧活性。此外，部分企业尝试利用生物质成型燃料替代煤粉喷吹，初步实现了部分碳中和效益。在实际操作中，多元能源喷吹需充分考虑气体热值、流量控制、安全性与设备适配性，建立完善的燃料分配系统与能量管理机制。

结论：

煤粉喷吹作为高炉炼铁中的核心节能技术，其燃烧效率对高炉能耗、焦比与运行稳定性具有决定性影响。本文系统分析了煤粉燃烧机理、影响因素与优化技术，明确了煤种选择、粒度控制、风粉比调节、喷枪结构优化与助燃剂使用等多维度提升路径，强调了煤粉预处理、混配策略与智能控制系统的重要作用。同时指出，多元能源协同喷吹与绿色燃料替代将是高炉喷吹系统未来发展的核心方向。随着人工智能、大数据与仿真技术的深度融合，高炉喷吹系统将迈向智能化、低碳化与自适应运行的新阶段。未来应进一步加强基础研究与工程集成，构建以数据驱动、智能控制与绿色低碳为核心的高效喷吹体系，为钢铁行业实现节能减排与高质量发展提供技术支撑。

参考文献：

[1] 王维兴.高炉喷煤是我国炼铁技术发展的重要路线[J].冶金管理,2016,(08):35-40.

[2] 杨艳华,邓能运,刘开念.高炉喷煤助燃添加剂的实验研究[C]//中国金属学会能源与热工分会.2010 全国能源与热工学术年会论文集.重庆科技学院;湖北新冶钢有限公司; ,2010:433-435+474 .

[3] 锁广胜.基于煤岩学的高炉喷煤燃烧优化研究[D].重庆大学,2020.DOI:10.27670/d.cnki.gcqdu.2020.002857.