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煤粉预热喷吹技术的原理与应用优势研究

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王宏强

长治市方圣喷吹技术有限公司，山西长治 046000

摘要

为解决高炉高喷煤比工况下煤粉燃烬率低、炉况稳定性差、综合燃料成本偏高等行业痛点，本文基于煤粉燃烧动力学特性与工业应用实践，系统阐释了煤粉预热喷吹技术的核心原理与应用优势。该技术通过炉外预热将煤粉温度提升至着火温度范围（267~420℃），提前完成水分蒸发与部分挥发分气化，显著缩短高炉内吸热耗时，提升燃烧速率与燃烬率。实验数据表明，煤粉预热至 300℃时，最大燃烧速率较未预热状态提高 2.29 倍，平均燃烧速率提升 23.7%；工业应用验证，该技术可使高炉煤比提升 19.6%~20.7%，焦比下降 13.3%~16.4%，除尘灰含碳量降低 3%~10%，预热系统热效率达 67%。技术兼具经济、节能、环保与运行稳定多重优势，为钢铁企业节焦降本、绿色炼铁提供了有效技术路径，具备广泛推广价值。

关键词：煤粉预热喷吹；高炉炼铁；燃烧动力学；燃烬率；焦比优化；节能降本

一、引言

1.1 研究背景

高炉喷煤是现代炼铁工业的核心节能降本技术，其核心逻辑是以廉价煤粉部分替代昂贵焦炭，降低生铁生产成本。目前行业主流喷煤比约为 160Kg / 吨铁，但当喷煤比进一步提升时，高炉易出现透气性下降、煤粉置换比降低、炉况稳定性变差等问题 [1]。本质原因在于高喷煤比下，煤粉在高炉风口回旋区的停留时间仅 5ms，常规低温煤粉（40~70℃）需消耗大量热风热量完成水分蒸发、升温等吸热过程，导致燃烧不充分，未燃煤粉随煤气逸出或混入炉渣，既造成燃料浪费，又影响冶炼过程稳定性 [2]。

1.2 技术研发背景

常规解决方案如提高风温、增加富氧量已接近技术瓶颈，亟需开发新型煤粉强化燃烧技术。长治市方圣喷吹技术有限公司作为该领域唯一具备自主知识产权、工程业绩及设备研制能力的高新技术企业（证书编号：GR 202114000424），累计获得发明专利 3 项、实用新型专利 5 项，通过三代技术迭代实现了煤粉预热温度从 150℃到 300℃的突破，为技术原理验证与优势转化提供了坚实基础 [3]。本文结合燃烧动力学实验与工业应用数据，系统解析该技术的核心原理与应用价值。

二、煤粉预热喷吹技术核心原理

煤粉预热喷吹技术的本质是通过炉外预热重构煤粉燃烧路径，优化高炉内燃烧时序，其核心原理基于燃烧动力学特性、微观结构变化及协同效应三大维度。

2.1 燃烧动力学机制：预热温度趋近着火温度提升燃烧活性

煤粉燃烧需经历 “水分蒸发→升温→挥发分气化→挥发分燃烧→残焦燃烧” 五个阶段，前三个阶段均为吸热过程。常规喷吹中，低温煤粉需在高炉内消耗热风热量完成吸热，导致有效燃烧时间不足；而将煤粉预热至着火温度范围（烟煤 267~365℃、无烟煤 365~420℃），可提前完成吸热过程，显著提升燃烧活性 [4]。

北京科技大学左启伟、仓大强教授的热重实验验证了这一机制：采用挥发分 27.82%、灰分 3.48%、水分 3.48% 的典型煤粉，在预热温度 673K（300℃）时，最大燃烧速率达 4.2343%・min⁻¹，较未预热状态（423K）的 0.8449%・min⁻¹ 提高 2.29 倍，平均燃烧速率提升 23.7%；综合燃烧特性指数在 350℃后呈倍数增长，表明预热温度接近着火温度时，燃烧活性呈爆发式提升 [8]。这一现象的核心原因在于：预热至着火温度范围的煤粉，部分析出的可燃基挥发分在喷枪出口快速被触发点燃，使煤粉温度瞬间升高，进一步促进燃烧反应进行。

2.2 物理与化学性质变化：优化燃烧反应条件

2.2.1 化学成分重构

连续取样分析显示，煤粉预热至 300℃后，水分几乎完全析出（从 1.4%~2.3% 降至 0~0.9%），约 3.436% 的挥发分（主要为 CO₂）提前析出，灰分相应增加 5.045%（推测为取样过程中部分煤粉燃烧所致）[6]。水分的提前脱除避免了其在高炉内消耗热风热量，挥发分的预析出则为后续燃烧创造了 “可燃气体氛围”，加速整体燃烧反应。

2.2.2 微观结构优化

北京科技大学张建良炼铁新技术研究实验室的电镜观察结果表明：未预热煤粉颗粒表面光滑、棱角分明；预热至 300℃后，颗粒棱角趋于圆润，表面附着部分燃烧后灰分，比表面积扩大 20%~30%[7]。同时，预热使煤粉粒度细化，-325 目粒度占比从 66.2%~93.0% 提升至 79.7%~98.5%，颗粒越小，挥发分析出时间越早、速度越快，析出终点越靠近风口高氧浓度区，进一步提升燃烧均匀性与充分性。

2.3 与高富氧的协同效应：叠加提升燃烧效率

富氧可加速氧在碳颗粒表面的传质速度，而煤粉预热能提高初始温度、降低燃烧活化能，二者形成显著叠加效应 [9]。预热煤粉可更充分利用高风温与富氧条件，减少炉缸温度下降幅度，进一步提高喷煤比。工业实践表明，该协同作用可使煤粉燃烬率提升效果较单一措施提高 15%~20%，为高喷煤比工况提供了稳定保障。

三、煤粉预热喷吹技术的核心应用优势

3.1 经济效益显著：节焦降本，提升产能

3.1.1 提高喷煤比与置换比

预热后煤粉燃烬率提升 5%~10%，为高喷煤比提供了技术支撑。长治兴宝钢铁项目中，煤粉预热至 300℃后，煤比从 154.07Kg/t 增至 183.35Kg/t，提升 19.6%；舞钢中加钢铁 3# 高炉煤比从 145Kg/t 增至 175Kg/t，提升 20.7%[10]。同时，煤粉置换焦炭效果增强，舞钢中加项目焦比从 406Kg/t 降至 352Kg/t，降幅 13.3%；长治兴宝项目焦比从 376.77Kg/t 降至 314.72Kg/t，降幅 16.4%，直接降低生铁生产成本。

3.1.2 投资回收周期短

技术升级成本低，第三代一体式预热系统体积小、布置灵活，单座高炉预热系统占地仅 36m²。工业案例验证，项目投资回收周期普遍在 1 年内，远低于高炉其他改造项目（如热风炉改造需 3-5 年），具备极高的经济可行性。

3.2 节能高效：余热回收，提升能源利用率

3.2.1 余热资源化利用

技术以热风炉废气余热为主要热源，混合部分高炉煤气燃烧补充热量，热交换后废气再用于磨煤机干燥煤粉，实现能源梯级利用 [5]。预热系统热效率达 67%，远高于高炉煤气发电 30% 的热效率，避免了余热浪费。例如，攀钢钒项目通过该技术每年回收余热相当于节约标准煤 1.2 万吨，能源利用效率大幅提升。

3.2.2 降低喷吹能耗

第三代预热系统解决了高温煤粉堵塞问题，实现浓相喷吹（46Kg/M³），大幅降低喷吹补气量，进一步减少能耗。与前两代稀相喷吹系统相比，传热效率显著提升，单位煤粉预热能耗降低 30% 以上。

3.3 环保效益突出：减少污染物排放

3.3.1 降低未燃煤粉排放

煤粉燃烬率提升使高炉除尘灰含碳量降低 3%~10%，长治兴宝项目除尘灰含碳量从 32% 降至 19.7%，降幅 38.4%，减少了碳污染排放 [11]。同时，未燃煤粉减少避免了其混入炉渣导致的二次污染，改善了冶炼环境。

3.3.2 间接降低 CO₂排放

焦比降低减少了焦炭生产过程中的 CO₂排放，按每吨焦炭对应 1.8 吨 CO₂排放计算，长治兴宝项目年降低焦比 62.05Kg/t，每吨铁可间接减少 CO₂排放 0.11 吨，助力钢铁行业 “双碳” 目标实现。

3.4 运行稳定性提升：改善炉况，优化冶炼过程

3.4.1 优化炉渣流动性

未燃煤粉减少使炉渣粘度降低，流动性改善，避免了因炉渣流动性差导致的料柱透气性下降问题。工业实践表明，预热系统投用后，高炉风压波动幅度降低 20%，料线稳定性提升 30%，炉况顺行性显著改善 [12]。

3.4.2 适配性强，运行可靠

技术适配不同容积高炉（580~1350m³），无论是中小高炉（晋城金秋铸造）还是大型高炉（舞钢中加 1350m³），均可通过调整预热参数实现稳定运行。第三代一体式预热系统采用耐磨耐热结构，避免煤粉黏结堵塞，实现 100% 与喷吹系统同步运行，运行可靠性高。

四、工业应用案例

4.1 舞钢中加钢铁项目

应用高炉：3# 高炉（580m³）、1350m³ 高炉

预热系统：第三代一体式预热器，预热温度 300℃
应用效果：煤比从 145Kg/t 增至 175Kg/t（+20.7%），焦比从 406Kg/t 降至 352Kg/t（-13.3%），综合燃料比降低 24Kg/t，年创效超千万元。

4.2 长治兴宝钢铁项目

应用条件：烟煤 40%+ 无烟煤 60% 混合喷吹，挥发分 21%
预热系统：分两台阶预热至 300℃
应用效果：煤比从 154.07Kg/t 增至 183.35Kg/t（+19.6%），焦比从 376.77Kg/t 降至 314.72Kg/t（-16.4%），除尘灰含碳量从 32% 降至 19.7%（-38.4%），风温稳定在 1200℃以上。

4.3 晋城金秋铸造高炉项目

应用系统：第三代煤粉预热系统
应用效果：除尘灰含碳量降低 3%~5%，炉渣流动性改善，解决了中小高炉高喷煤比下炉况波动问题，生产稳定性显著提升。

五、结论与展望

5.1 结论

煤粉预热喷吹技术通过炉外预热将煤粉温度提升至着火温度范围（267~420℃），提前完成水分蒸发与部分挥发分气化，缩短高炉内吸热耗时，使最大燃烧速率提高 2.29 倍，燃烬率显著提升，从根本上解决了高喷煤比下的燃烧不充分问题。
技术兼具经济、节能、环保与运行稳定多重优势，可使煤比提升 19.6%~20.7%，焦比下降 13.3%~16.4%，除尘灰含碳量降低 3%~10%，热效率达 67%，投资回收周期短，经济效益显著。
工业应用验证，技术适配不同规模高炉，运行可靠，可改善炉渣流动性与炉况稳定性，为钢铁企业节焦降本、绿色炼铁提供了有效技术路径。

5.2 展望

未来，随着钢铁行业 “双碳” 目标推进与焦煤资源紧张加剧，煤粉预热喷吹技术可向三个方向升级：一是追求更高预热温度（350~400℃），进一步提升燃烧活性；二是拓展更灵活的热源（如太阳能光热辅助预热），降低对化石能源的依赖；三是实现智能化控制，通过一键智能调节预热参数与喷吹量，优化技术适配性。该技术有望成为现代高炉的标配技术，为炼铁工业高质量发展提供持续支撑。

参考文献

[1] 杜刚，应自伟。预热对混合煤粉爆炸性的影响 [R]. 2007.

[2] 刘仁生，赵兵，房连增。预热对潞安常村高炉喷吹煤燃烧性和反应性的影响 [R]. 2009.

[3] 长治市方圣喷吹技术有限公司。一体式高炉喷吹煤粉预热器 [P]. 中国专利: ZL 2017 10861098.3, 2022-08-16.

[4] 刘仁生，钟雪晴。预热高炉喷吹煤粉提高燃烧效率的研究 [R]. 2010.

[5] 曹晨忠。预热对高炉喷吹煤粉输送性能的影响 [R]. 2010.

[6] 赵俊东，王恒。煤粉预热对高炉喷吹中煤粉燃烧行为的影响 [R]. 2011.

[7] 刘然，王杏娟。预热高炉喷吹煤粉提高燃烧效率的研究 [R]. 2014.

[8] 左启伟，苍大强。煤粉预热燃烧特性及动力学分析 [R].

[9] 孙向伟。高炉喷煤中未燃煤粉的行为 [R]. 2014.

[10] 长治市方圣喷吹技术有限公司。一种高效煤粉预加热装置 [P]. 中国专利: ZL 2021 20471014.7, 2021-11-09.

[11] 舞钢中加钢铁有限公司。煤粉预热喷吹技术工业应用报告 [R]. 2016.

[12] 长治兴宝钢铁有限公司。高炉煤粉预热系统运行总结 [R]. 2023.