摘要：为优化淮钢高炉炼铁成本，本文对淮钢所使用的两种烟煤、一种无烟煤以及神华烟煤和俄罗斯无烟煤进行了全面的综合特性分析，并构建了性价比评价体系。通过对其基础性能、安全性能、工艺性能和灰渣特性的深入研究，结合有效发热值和喷吹成本等关键因素，旨在确定最优煤种，以实现高炉喷吹煤的高效利用与成本控制。研究发现，淮钢烟煤 2 在综合性能方面表现最优，而淮钢无烟煤则在性价比方面最具优势。基于市场环境和燃料结构的精确控制，推荐淮钢优先选用淮钢无烟煤进行喷吹，以达到降本增效的目的，本文为淮钢高炉喷吹煤种的选择提供了科学依据和技术支持。

关键词：高炉、喷煤、综合特性、性价比、有效发热值

引言

随着钢铁行业进入高质量发展阶段，高炉炼铁作为钢铁生产的核心环节，其成本控制与效率提升直接关系到企业的市场竞争力，而高炉喷煤已成为降低炼铁成本消耗、提高产品经济效益的关键手段之一[1-4]。在当前焦炭价格持续高位运行、环保要求日益严苛的行业背景下，喷吹煤的高效利用更是成为企业控制冶炼成本、保障生产稳定的核心抓手。选择适宜的喷吹煤种不仅能提高煤粉燃烧效率，降低焦比，还能确保高炉的稳定运行[5-8]。

目前，国内外对高炉喷吹煤的研究已形成多方向体系，在煤种基础特性、喷吹工艺优化及成本控制模型等领域积累了丰富成果[9-10]。然而，针对淮钢这类具有特定生产工况的企业，其现场使用煤种的综合性能适配性及性价比专项评价尚未完善，难以直接为淮钢的煤种选择提供精准指导。

由于不同煤种在基础特性上有着显著差异，所以在高炉喷吹时需解决安全与效率的平衡问题，降低喷吹成本。淮钢作为钢铁企业，同样面临着如何在保证高炉生产效率和产品质量的前提下，进一步降低生产成本的挑战。因此，本研究通过对淮钢现场使用的多种煤种进行深入分析，构建性价比评价体系，旨在为淮钢高炉喷吹煤种的优化选择提供科学依据，实现喷吹燃料的合理调整和成本的有效精准控制。

1 实验方法与模型构建

为了了解淮钢煤种的综合特性，则需要从煤质分析和性价比两个方面进行。在煤质分析方面，可以通过工业分析、元素分析等标准方法[11-12]，对煤的基础性能进行检测，安全与工艺性能指标会影响高炉冶炼效果，也需进行着重检测。例如灰分含量影响渣量与成渣热支出，挥发分含量关系到高炉喷吹的稳定安全，燃烧性与反应性则影响煤粉在高炉内的燃烧效率与消耗量[13-14]。性价比评价体系是通过结合有效发热值与喷吹成本（含采购价与制粉成本）构建评价体系，从而评估最优煤种。

1.1样品制备

煤粉四分法取样是煤样检测中常用的采集方法，通过将煤粉样品均匀混合后分成四等份，弃去对角两份，保留另外两份，减少样品量的同时保证剩余样品的代表性，可确保煤粉样品的缩分过程科学、准确。以下是详细的操作步骤：

首先确保煤粉无大块，若有需先进行破碎，但要避免过度粉碎改变煤粉粒度，若样品潮湿，需先在低于50℃的条件下烘干。将全部煤粉倒在铁板中央，用铁锹将样品堆成圆锥状。用铁锹从圆锥顶端向下压，将样品均匀摊开，形成厚度均匀的圆饼状（摊开时确保各部分煤粉分布均匀）。重复“堆锥-摊开”操作至少3次，确保样品充分混合。用十字分样板在圆饼正中压出“十”字，将圆饼分成面积相等的四等份（呈“十字”交叉，确保对角线两份完全对称）。用铁锹将其中一组对角的两份样品完全移除，剩余的两份样品即为缩分后的样品，将其收集在一起，再次混合均匀，按上述步骤重复“混合-划分-取舍”操作，直至样品量满足要求。将最终缩分后的样品装入洁净容器，贴好标签（注明样品名称、编号、取样日期、缩分次数等信息），密封后置于干燥处保存。

1.2检测标准

（1）基础性能检测 ：工业分析主要测定煤的水分、灰分、挥发分和固定碳含量，按照国标 GB/T 212-2008 进行；元素分析主要检测煤中各元素的含量，如碳、氢、氧、氮、硫等，按照国标 GB/T 476-2001 进行。

（2）安全性能检测 ：煤粉的着火点采用固体氧化剂法进行测定；煤粉的爆炸性利用长管式爆炸性测试仪进行实验测定，以火焰长度为煤样爆炸性的判定依据。煤粉的可磨性以哈德格罗夫法进行测定。

（3）工艺性能检测 ：运用 HCT-4（B）微机差热天平测定煤粉的燃烧性

1.3性价比模型构建

当前，国内对高炉喷吹煤的研究在煤种基础特性、喷吹工艺优化及成本控制模型等领域积累了丰富经验。从理论上讲，在研究煤粉各方面特性时，应尽可能选择较多的参数和指标。然而，在实际操作检测中，由于难以采集到完整的各部分参数指标的数据，并且也不是每一种参数指标都适用于定量化的研究体系，这就必须对其进行筛选，使用少量且精确的参数指标去研究煤粉的性能以及性价比。

采用高炉喷吹煤粉主要是为了减少焦炭的使用，用煤粉代替焦炭，通过煤粉的燃烧放热，来降低焦比在高炉中的占比。煤粉在高炉内的实际发热量，也被称为有效发热值，在评价体系中有效发热值是体现性价比的重要指标之一。在制粉系统中，煤粉的可磨性关乎制粉的价格，进而影响到喷吹成本。煤粉燃烧性在配煤试验时影响很大，因此选择配煤方案时必须充分考虑，但是煤粉的燃烧性与热值对煤焦置换比的影响尚不明确，无法准确确定，因此对煤粉性价比的构建未考虑到燃烧性。煤粉性价比评价体系的构建主要以煤粉的有效发热值和喷吹成本[15-17]为主。其中有效发热值（实际发热量）包含固定碳、挥发分、灰分、水分以及硫含量五个指标，可通过基础性能检测得出；喷吹成本则包含进厂煤价、水分含量和可磨性三个指标，煤粉性价比结构图如下图1-1所示。

图1-1 煤粉性价比结构图

基于上述要求，确定了煤粉有效发热值的计算过程：

Q有=Q不-Q煤-Q分-Q渣-QS

其中：Q有为有效发热值，Q不为碳不完全燃烧放热，Q煤为水煤气耗热，Q分为碳氢化合物分解耗热，Q渣为灰分成渣耗热，QS为脱硫耗热。

相关反应如下：

C+O2=CO2+H1H1=-408.8kJ/mol

CO+1/2O2=CO2+H2H2=-283.4kJ/mol

H2+1/2O2=H2O+H3H3=-242.0kJ/mol

根据煤粉基础性能检测结果计算发热值的公式如下：

碳不完全燃烧放热=（10×C/12）×125.4，kJ/kg；

水煤气耗热=（10×M/18）×124.5，kJ/kg；

灰分形成炉渣耗热=A×2×420×4.18/100，kJ/kg；

脱硫耗热=S×4600/100，kJ/kg；

碳氢化合物分解耗热=Qc+Qco+QH-Qnet

=（10×C/12-10×O/16）×408.8+（10×O/16）×283.4+5×H×242.0-Qnet，kJ/kg。

低位发热值（单位kJ/kg）=339C+1031H-109（O-S）-25.1M；

其中，Qnet为低位发热值，Qc为C氧化成CO2的热量、QH为H2氧化成H2O的热量，Qco为CO氧化成CO2的热量，C、H、O、S分别为碳、氢、氧、硫元素含量，M为空气干燥基水分含量，A表示灰分含量。

2 综合特性分析结果

2.1基础性能对比分析

煤粉的基础性能主要通过工业分析与元素分析进行了解。

通过工业分析可以了解煤的基础特性，如水分、灰分、挥发分和固定碳，同时也为评价煤样质量提供依据。煤的水分、灰分和挥发分可以通过工业分析仪直接测出，固定碳可以使用公式FCad=100%-Mad-Aad-Vad计算得出。

煤的元素分析主要是对煤中有机物质的各元素含量进行检测。其中碳、氢、氮和硫是测定的，氧可以通过计算求得。通过测定煤样中各元素的含量，可以了解煤的化学性质和煤化程度，从而计算煤的发热量，同时为煤粉的性价比预测提供依据。本次检测是基于空气干燥基下的检测结果。实验样品为淮钢现场用的两种烟煤和一种无烟煤，选用俄罗斯无烟煤和神华烟煤做为对比，实验结果如下表2-1所示。

由表2-1可知，两种淮钢烟煤的挥发分含量都较高，在26%～28%之间，比神华烟煤的挥发分含量略低，符合中高挥发分烟煤特征，且两种淮钢烟煤的灰分和固定碳含量与神华烟煤接近，属于低灰分烟煤，喷入高炉可降低喷煤产生的渣量，进而减少成渣热支出。淮钢无烟煤的固定碳含量高达77.68%，挥发分较低，为8.56%，但灰分含量为11.52%，和其他高炉喷吹煤灰分含量接近，满足高炉炼铁的入炉要求。淮钢无烟煤的碳元素含量达到81.10%，在5种煤样中最高，其他煤样的碳元素含量在65%～70%之间，比较接近，较高的碳元素含量可以为高炉生产提供更多的发热量，并且淮钢三种煤种的含硫量都较低，符合高炉喷吹的特点和要求。在高炉喷吹过程中可以通过搭配淮钢烟煤和淮钢无烟煤进行喷吹，以配入无烟煤来降低混煤的挥发分，从而降低喷吹成本提高经济效益，保障高炉稳定安全运行。

2.2安全性能对比分析

高炉喷吹过程中煤粉的安全性能是高炉稳定安全运行的关键，主要包括着火点和爆炸性两方面。将煤粉加热到开始燃烧的温度就是煤粉的最低着火温度，称为着火点。爆炸性主要是通过在实验中记录火源处是否产生火焰以及火焰长度的方式测定，其实验结果如下表2-2所示。

从表2-2可以看出，在三种烟煤中，淮钢两种烟煤的着火点均比神华烟煤高，且淮钢烟煤的平均着火点在300℃左右，具有较好的安全性；淮钢无烟煤的着火点为427.50℃，比俄罗斯无烟煤着火点高55.1℃，其较高的着火点意味着淮钢无烟煤较慢开始燃烧，燃烧性也会滞后。为保证高炉的透气性，煤粉的着火点要适中，着火点高的煤种安全性高，但也会造成煤粉在风口处无法快速燃烧，从而引起部分煤粉堆积未燃烧，最终对高炉的透气性造成影响。

淮钢无烟煤和俄罗斯无烟煤的火焰长度均为0mm，未发生变化，符合无烟煤不具有爆炸性的特点，而两种淮钢烟煤和神华烟煤的火焰长度都在600mm以上，说明这三种烟煤都属于强爆炸性煤，需要搭配无烟煤进行混合喷吹，以提高高炉喷煤的安全性。

2.3工艺性能对比分析

2.3.1燃烧性

图2-1为实验样品的燃烧性曲线，可以看出淮钢三种喷吹煤和其他两种煤粉之间燃烧性能有着明显差别，其中淮钢两种烟煤位于图中最左侧，说明这两种淮钢烟煤的燃烧性最好，不仅能保证高炉喷吹时风口前的热量，而且能在风口前较快地进行燃烧反应，保证煤粉的燃烧率。淮钢无烟煤的燃烧性最差，神华烟煤和俄罗斯无烟煤的燃烧性在五种煤样中处于中等水平。

从表2-3中也可以具体比较出不同煤种燃烧性能之间的差别。烟煤的燃烧性普遍要优于无烟煤，实验结果也能看出淮钢烟煤和其他无烟煤的开始燃烧温度相差100℃左右，体现出三种烟煤的燃烧效果均优于其他两种无烟煤，淮钢烟煤在350℃左右开始燃烧不到600℃就已经燃烧完全，燃烧效果较好，且淮钢烟煤比神华烟煤更好；淮钢无烟煤的燃烧效果较差，开始燃烧温度较高且到600℃时仅燃烧了54.68%，燃烧效果弱于俄罗斯无烟煤，这可能是淮钢无烟煤的挥发分较低的因素所导致的。

2.3.2可磨性

煤粉破碎的难易程度可以用煤的可磨性指数表示，可磨性指数一般在60～90之间较好，是高炉喷吹煤粉的合适范围，可磨性指数低于50的煤较硬，不容易破碎研磨；对于高于90的煤，破碎研磨时会有一定困难，并且具有较强的粘结性，不利于磨煤和输煤的过程。

实验样品的可磨性如下图2-2可知：淮钢三种煤样的可磨性介于50到90之间，可磨性表现较好。淮钢两种烟煤的可磨性差距不大，可磨性指数低于70，可磨性较差，若将其用于高炉喷吹可能会导致制粉成本提高；淮钢无烟煤的可磨性达到75，可磨性相对较好。

3 性价比评价结果

高炉喷吹煤作为替代焦炭的重要燃料，其性能不仅影响到高炉冶炼的能耗还影响到喷吹成本。尽管制粉系统的气密性和安全参数是在可控范围内，但煤粉的燃烧性、发热值、反应性及可磨性对喷吹效果的影响仍是关键。目前，通用的煤粉性能评价指标众多，但实际生产中难以全面收集数据，建立简化且有效的评价体系十分必要。

高炉喷吹煤的核心主要是通过用煤粉代替焦炭，煤粉燃烧放热 ，最后达到降低焦比的目的。煤粉在高炉内的实际发热量（即有效发热值）是单煤评价的核心指标，喷吹成本（包括采购价格与制粉成本）也是工业应用中不可忽视的因素。本文主要根据煤粉的有效发热值和喷吹成本对淮钢煤种数据进行性价比评估，为高炉喷吹煤的优化选择提供依据。

3.1有效发热值计算结果

根据盖斯定律原理、热力学数据、煤粉成分以及煤粉发热值的理论计算公式即可以计算出煤样的各种热值，计算结果见表3-1.

注：Qnet为低位发热值，Q渣为灰分成渣耗热，QS为脱硫耗热，Q不为碳不完全燃烧放热，Q煤为水煤气耗热，Q分为碳氢化合物分解耗热，Q有为有效发热值。

由表3-1可知，淮钢无烟煤的有效发热值是5种煤粉中最高，这主要因为其含有较高的C、H元素；而淮钢烟煤2比淮钢烟煤1的灰分含量高，使其在成渣过程中吸收了大量的热量，致使其成渣吸热量较多，且其含有较低的C、H元素，S含量也较多，使其有效发热值最低；淮钢烟煤1相对其他两种烟煤来说，C、H元素含量最高，S含量最低，使其有效发热值是3种烟煤中最高。最后得出淮钢煤样的有效发热值排序为：淮钢无烟煤>淮钢烟煤1>淮钢烟煤2。

3.2性价比K值计算结果

针对高炉喷吹煤的性能评价与性价比优化问题，建立了以有效发热值和喷吹成本为核心的评价指标体系。通过结合采购价格与制粉成本作为喷吹成本构建性价比 K 值评价体系，为高炉喷吹煤的优化选择提供依据。

由表3-2可以看出，正如性价比评价原理所叙述的，由于煤的品质和可磨性的影响，不同煤种的采购价格及制粉成本有很大不同。制粉成本主要受可磨性影响，一般可磨性好的煤制粉成本较低，其中制粉成本最低的是俄罗斯无烟煤，淮钢烟煤1的制粉成本略高于淮钢烟煤2。目前淮钢无烟煤的采购价格在1100元/t左右，烟煤的采购价格在1000元/t左右，两者相差100元/t左右。俄罗斯无烟煤和神华烟煤的采购价格相对较高，致使其性价比K值相对淮钢喷吹煤较低。淮钢烟煤1的有效发热值比淮钢烟煤2高179.79kJ/kg，但其采购价格相对高52.53元/t，最终两种淮钢烟煤的性价比K值一样。淮钢无烟煤的较高的有效发热值和较低的采购成本致使其性价比K值最高4.34。淮钢煤种的性价比K值排序为：淮钢无烟煤>淮钢烟煤1=淮钢烟煤2。

3.3煤粉碳效比

现阶段以“发热量+成本”为核心的喷吹煤评价模型已较为完善。通过将碳效比引入煤粉可以进一步验证高炉喷吹煤评价体系，实现从经济性最优到“经济-低碳”双最优的升级。碳效比（CER）是指某一功能单位正常运行后排放的二氧化碳当量[18]，即碳排放总量与功能单位的商，可用于衡量“低碳-高效”水平，碳效比越小，说明产品更加低碳。在高炉喷吹场景中，功能单位可设定为有效发热值，碳排放总量可设定为高炉内CO2排放量。

计算公式为：煤粉碳效比CER=t铁CO2/有效发热值

碳排放总量可使用排放因子法进行估算，该方法适用于快速估算或清单编制，计算公式为：煤粉燃烧产生的CO2排放量=煤粉消耗量×煤粉碳含量×碳氧化率×（44/12）

煤粉消耗量是指单位时间内喷入高炉的煤粉质量，通常以吨（t）为单位。煤粉碳含量是指煤粉中可燃烧碳元素的比例，通常可元素分析获得，以质量百分比表示。碳氧化率表示煤粉中碳元素在燃烧过程中转化为CO2的比率，通常接近但小于100%，因此碳氧化率可设定为98%。（44/12）为CO2与碳的分子量比值，用于将碳质量转化为CO2质量。通过上述公式计算，可以估算出高炉喷吹过程中产生的CO2排放量，进而结合有效发热值求得煤粉碳效比，用于衡量高炉喷吹的低碳高效性能。煤粉碳效比计算结果如下表3-3所示：

由表3-3可知，淮钢无烟煤的碳效比最低，更符合行业内对低碳的要求；淮钢烟煤 1 和烟煤 2 的碳效比相同。在引入碳效比后，淮钢无烟煤仍为最优选择，其低碳效比与高性价比形成了协同优势；淮钢烟煤 1 和烟煤 2 的综合表现接近，也与其相同的性价比对照，进一步反映了性价比结果的科学性和准确性。

4 结论

（1）淮钢两种烟煤的灰分含量较低，挥发分较高，在高炉喷吹过程中可以通过加入一定配比的无烟煤降低挥发分。淮钢无烟煤的C含量最高，其他煤种的C含量相差不大，淮钢无烟煤的有效发热值最高，这也与其较高的C和H元素含量有关。

（2）在安全方面，淮钢三种烟煤的着火点均较高，其中淮钢无烟煤的着火点最高；淮钢两种烟煤具有强爆炸性，需要和其他煤种搭配使用。在燃烧性方面，淮钢烟煤的燃烧效率要优于神华烟煤；淮钢无烟煤的燃烧效率较低。淮钢烟煤的喷流特性优良，淮钢无烟煤略低于淮钢烟煤，整体来说，利于煤粉的输送和燃烧。

（3）通过对淮钢三种煤样综合特性进行对比分析，淮钢两种烟煤的基础性能和安全性能差距不大，通过对比煤样的燃烧性和可磨性可以得出淮钢烟煤2优于淮钢烟煤1，在混合喷吹上可以使用淮钢烟煤2与淮钢无烟煤进行搭配。

（4）在进行性价比测算的时候发现，对于最终性价比的影响权重较大的几个指标有：采购价格、燃烧率、煤的固定碳和灰分含量、煤的C和S含量、煤的可磨性、煤的水分，在采购煤的时候可以从以上几个指标来综合考虑。通过对比计算得出的不同煤种的性价比K值可以看出，淮钢三种煤样的K值均较大，其中淮钢两种烟煤K值相同，淮钢无烟煤最大，也就说明淮钢煤样性价比较高。据此，可以实现煤种的优化选择。

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