高炉的燃料结构包括焦炭、焦丁和喷吹燃料(煤粉、天然气、重油、焦炉煤气、废塑料、废轮胎等)。中国和亚洲大多数国家及欧盟国家以喷吹煤粉为主，近20年来国内外高炉通过增大喷吹燃料量、尽量减少焦比的途径降低高炉燃料成本，但随着高炉炉容的扩大和喷吹比提高，焦炭作为透气、透液骨架的作用更加突出。受世界优质焦煤、肥煤资源的制约和2008年以来经济危机的影响，焦炭质量和入炉铁矿品位普遍呈下行态势，又制约了4000m3以上大型高炉的喷煤比提高。

　　如何既实现较低的燃料比和较低的燃料成本，又确保高炉顺行高产?这须要重新优化设计高炉的燃料结构，并配套相应的使用方法和设备。

　　不同区域燃料消耗行为有别

　　在高炉中、上部块状带，需要焦炭的高反应性提供气体还原剂，而在高炉下部软融带及以下区域，需要焦炭的高反应后强度、较大粒度和较低的反应性来维持透气、透液性。对于焦炭反应性而言，高炉的上部和下部要求是矛盾的。入炉焦炭中包括一部分高反应性焦炭时，与未燃煤粉作用类似，煤气中的CO2会优先与高反应性焦炭和未燃煤粉发生熔损气化反应，使层装大块焦炭减少与CO2的熔损气化数量和粒度衰减，从而起到保护层装大块焦炭的作用，确保层装大块焦炭到达炉腹和炉缸时，仍保持足够高的热强度和粒度，改善死焦堆的透气透液性。

　　在软融带及以下区域，浮氏体和其他难还原元素的直接还原都需要碳素消耗，主要取决于直接还原度的大小，与焦炭的反应性高低关系不大。因此，炉顶入炉的高反应性焦炭或块状无烟煤的极限数量，为料线至风口间碳素熔损反应量和直接还原消耗量加铁水渗碳量，减去未燃煤粉数量。风口煤粉碳素燃烧率为80%，假设20%左右的挥发分全部燃烧气化，在180kg/t煤比、510kg/t燃料比条件下，合计约有40%(165kg/t)的未燃碳素，剔除25kg/t煤粉中的未燃碳，则焦炭中的碳素约有140kg/t通过熔损反应和直接还原气化及渗碳，即炉顶允许装入的高反应性焦炭或块状无烟煤的极限碳素量为140kg/t，按86%的固定碳折算高反应性焦炭比最大值为163kg/t。

　　不同区域还原剂种类要求不一

　　在块状带温度区间300℃~1050℃的区域，铁矿石中的各种铁氧化物和易还原非铁元素都是与CO和H2发生间接还原，需要煤气中保持CO和H2的较高浓度，但事实上间接还原气体产物为CO2和H2O，析碳反应的气体产物也为CO2，都会稀释炉内煤气的还原剂浓度。碳素熔损气化反应可以将间接还原产生的CO2再次转化为还原剂CO，增大炉身中上部煤气的CO浓度、间接还原能力和炉身煤气量，并使炉顶煤气温度降低，物理热损失减少。炉身处煤气温度低于风口至软融带之间的煤气温度，因此，即使多发生一些碳素熔损气化反应，对全炉透气性的影响也不会很大

　　在软融带及以下的高温区域，煤气中CO2消失，CO浓度在全炉最高，熔融滴落的渣铁主要通过固体碳直接还原完成终还原，虽然煤气中CO和H2浓度最高，但基本不起还原作用，在此高温区域煤气只是热量的载体，还原剂只有碳素。风口喷吹煤粉等燃料使炉腹煤气量和高温区压差增大，但产生的气体还原剂上升到块状带时才能产生还原作用。软融带以下区域焦炭的粒级、反应后热态强度、滴落物的性能和数量是全炉透气性的最主要的限制环节。

　　高炉内的碳素熔损反应条件有两点：①物质条件，须有CO2;②温度条件，温度须达到C与CO2反应的最低要求。在一般情况下，高炉内发生焦炭中碳素熔损反应的温度区间为550℃~1100℃，反应性高的焦炭比反应性低的焦炭开始熔损反应的位置更靠上一些，有利于增大块状带中还原剂CO的浓度，促进间接还原。高炉内倒“V”型软融带根部位置低，靠近炉墙，因此，高反应性焦炭装在靠近炉墙边缘的位置，可以发挥更大的气态还原作用，使其在块状带就大量发生碳素熔损反应，消耗掉至少50%的碳素。在软融带到风口之间的液相区，残余高反应性碳素继续发生固体碳与液态浮氏体和非铁元素的直接还原，到达风口平面时基本消失，不会破坏炉缸死焦堆的透气透液性。

　　科学对待块状带的透气性限制

　　在一般情况下，焦炭的反应性与反应后强度成反比，因此限制了高反应性焦炭的使用，也促成了日本对高反应性高强度焦炭和铁焦的研究。中国和其他亚洲国家大多数高炉的含铁原料以烧结矿为主，入炉后在低温还原粉化和碱金属等有害元素作用下粒度衰减、强度下降严重。

　　在混合矿中混装40kg/t~75kg/t的高反应性焦炭或块状无烟煤，只相当于入炉矿料体积的8%~15%，即使与CO2发生气化反应后仍具备一定的粒度和强度，至少比烧结矿还原后粒度要大。因此，混装少量高反应性焦炭或块状无烟煤对高炉透气性和顺行的影响不会很大，中国某钢铁企业2004年曾进行过40kg/t顶装块煤冶炼生产，对顺行没有影响。

　　增大球团矿比例和混装焦丁量，以及减少烧结矿还原粉化和限制有害元素入炉负荷，有助于改善块状带的透气性。

　　合理配比实现低成本燃料结构

　　目前大多数高炉炉顶入炉焦炭分为层装焦炭和混装自循环焦丁，风口喷吹各种燃料，国内以喷吹煤粉为主流，通过增加矿石中混装低价高反应性中块焦和焦丁可以降低燃料成本。粗略计算可知，在混合矿中混合增加40kg/t的低价(按1600元/吨计算)高反应性中块焦和3kg/t焦丁，并适当降低10kg/t煤比，缓解全炉透气性，高炉燃料成本可以降低17.65元/吨。

　　生产高反应性中块焦允许使用更大比例低价的低灰、低硫弱黏结煤，钢厂可通过外购的途径解决。假设层装大块低反应性高强度焦炭用量下限(为保持全炉透气性)为230kg/t，则高反应性中块焦的用量可达到燃料比的7%~15%，占入炉焦比(包括焦丁)的比例约为12%~23%。这部分高反应性中块焦在高炉内块状带通过碳素熔损反应和水煤气反应气化，在软融带和滴落带通过直接还原气化和渗碳反应进入铁液，到达风口时基本消失，避免其恶化炉缸死焦堆的透气和透液性。高炉实际能接受的混装高反应性焦炭数量主要受全炉透气性和炉缸死焦堆透气、透液性(即炉芯活性)的约束，生产中在炉况顺行允许的前提下，须通过工业试验逐步增加其配比。随着焦批缩小，要及时调整焦层布料矩阵，防止中心和边缘气流通道被抑制，出现炉况波动时要及时置换为大块低反应性焦炭。

　　各种燃料实行优化分区投料

　　高反应性焦炭入炉后到达风口平面前与CO2发生熔损反应较多，粒度衰减较大，应将高反应性焦炭分为两种粒级入炉，并适当增大高反应性层装焦炭粒度下限。如以30mm为界，大于30mm的粒级作为层装使用，10mm~30mm粒级作为焦丁使用。

　　受目前国内大多数高炉采用并罐或串罐炉顶限制，不能实现炉顶装料时矿、焦同时放料动态混合的最佳入炉形式，但可以使高反应性中块焦和焦丁在槽下与混合矿混合入炉，并尽量减少混装入高炉中心透气通道的高反应性中块焦的数量。建议适当增大槽下装高反应性焦炭的大块焦仓的筛网尺寸。

　　如果有条件大修时将炉顶更换为三并罐结构，则可以实现炉顶装料时矿、焦同时放料动态混合的最佳入炉形式，并可以灵活控制矿焦混合料在炉喉的入炉圆周位置，对改善炉况顺行和最大限度地增大低成本燃料用量都是非常有帮助的