高爐噴吹混煤試驗研究

周永平

(安陽鋼鐵集團有限責任公司)

0 前言

高爐噴煤是當前各國高爐為降低生鐵成本、減輕環(huán)境污染和優(yōu)化工藝結(jié)構(gòu)所采取的主要技術(shù)手段［1］，因此，大幅度地提高高爐噴煤量是許多鋼鐵企業(yè)共同追求的目標。噴煤利用煤代替冶金焦能降低生鐵成本，同時可合理利用不適于煉焦的煤資源。采用多煤種混合噴吹.既擴大了煤源使用范圍，又可調(diào)整煤種使用特性，提高煤粉的燃燒率，減少了高爐內(nèi)的未燃煤粉，促進高爐順行。

1 現(xiàn)狀

安鋼目前有400 m3、2000 m3高爐級高爐各兩座，2010年400 m3級高爐焦比為392 kg/t、煤比150 kg/t，2000 m3級高爐中 8#高爐焦比為 351 kg/t、煤比 154 kg/t，9#高爐焦比為 356 kg/t、煤比 158 kg/t，其中8、9#個別月煤比高達170 kg/以上，焦比降至340 kg/t以下。隨著煤比的提高，噴吹煤的特性對高爐的順行有著重大的影響，對降低煉鐵成本具有十分重要的意義?；诖?，筆者對煙煤和無煙煤不同混合比下混煤的燃燒特性進行研究，為改善高爐混煤噴吹技術(shù)經(jīng)濟指標提供參考。

2 試驗研究

2.1 試驗原料

選取神木煤、潞安煤、金牛煤、鑫龍、九礦、潞安、國龍及混合煤。神木煤為煙煤，潞安煤、金牛煤、鑫隆煤為無煙煤，篩分后作為試驗用樣煤(粒度≤140目)。煤粉的工業(yè)分析見表1。

表1 煤粉工業(yè)分析 w%

2.2 試驗裝置

試驗使用噴煤燃燒模擬試驗裝置(如圖1所示)。該設(shè)備由送風系統(tǒng)、噴吹系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、控溫系統(tǒng)、取樣系統(tǒng)等幾個部分組成。該實驗裝置模擬高爐風口的燃燒條件，用燃燒爐模擬高爐風口的煤粉燃燒狀況，將經(jīng)過干燥的煤粉噴進燃燒爐中，將燃燒后的殘余物置于馬弗爐中除碳處理，處理后進行煤粉燃燒率的計算。實驗控制參數(shù)模擬安鋼高爐生產(chǎn)條件確定。

圖1 煤粉燃燒模擬試驗裝置示意圖

2.3 燃燒率的計算方法

本試驗考慮試驗氣體流量大，流速快，故采用灰分平衡計算法來計算煤粉的燃燒率，其公式為：

式中：R、A、A1——分別為煤粉燃燒、燃燒產(chǎn)物和原煤樣的灰分。

3 結(jié)果與分析

3.1 單一煤種燃燒試驗

單種煤的性能是混合煤性能的基礎(chǔ)，對安鋼所用主要單種煤進行了燃燒試驗。實驗條件為風溫1150 ℃，煤比 150 kg/t，富氧率 2.5%。

煤粉的氣化燃燒過程可以認為按下列3個階段進行：①煤粉被加熱并發(fā)生揮發(fā)分的析出;②揮發(fā)分的燃燒(反應(yīng))和脫氣(結(jié)焦);③揮發(fā)后剩余的物質(zhì)，無機成分(灰分)熔化和殘?zhí)寂c氧化性氣體進行非均相反應(yīng)。

煤粉要在噴入燃燒爐裝置里完成上述煤氣化3個階段，首先是表面顆粒熱解，釋放出揮發(fā)分，在一定溫度下先進行的是氣相著火，然后是固定碳升溫著火，實驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 單種煤的燃燒率

由圖2可以看出，在安鋼所用單種煤中，神木煤的燃燒率遠遠的高于其它煤種，這是因為：①不同的噴吹煤種著火溫度也不同含固定碳較低，揮發(fā)分較高的煤種著火溫度通常較低，因此在條件相同時，離開風口回旋區(qū)前煤粉有較長的燃燒時間和較大的燃燒空間，在風口回旋區(qū)有較高的燃燒率。②根據(jù)煤粉燃燒理論，在高爐噴煤條件下，煙煤之所以燃燒率較高是由于含有較高的揮發(fā)分，大量揮發(fā)分逸出后迅速燃燒放熱，加快了顆粒表面溫度升溫的速率，縮短了氣固相著火延遲時問。促進殘?zhí)碱w粒的燃燒，因而揮發(fā)分含量高的煤種燃燒性能好。③從煤的結(jié)構(gòu)來看，煙煤由于揮發(fā)份的逸出，在煤粉顆粒的表面和內(nèi)部都留下了空隙，這樣就增加了煤粉顆粒的比表面積，有利于煤粉的燃燒。而無煙煤的燃燒過程是由外到內(nèi)的層狀燃燒過程［1］。從以上可知，安鋼噴吹用單種煤中，燃燒率依次為煙煤神木煤、九礦、鑫龍、潞安和金牛煤。

3.2 混合煤的燃燒試驗

3.2.1 熱風溫度對混合煤燃燒率的影響

煙煤與無煙煤配比按4∶6混合，考察熱風溫度為1050℃、1100℃、1150℃、1200℃?；旌厦旱娜紵阅苋鐖D3所示。

圖3 熱風溫度對混合煤的燃燒率

由圖3可以看出，隨著熱風溫度的升高，混合煤的燃燒率均有不同程度的提高。這是因為熱風溫度提高可以快速加熱煤粉和載氣的溫度，由于煤粉揮發(fā)份的分解和煤粉中水分的蒸發(fā)都吸收熱量，因此較高煤粉溫度和載氣溫度可以促進煤粉分解的速率，促使煤粉提前著火和加快煤粉燃燒的反應(yīng)速率，從而有助于煤粉燃燒率的提高。

3.2.2 噴煤量對混合煤燃燒率的影響

混和煤配比按4∶6混合?？疾靽姶得罕葹?40 kg/t、160 kg/t、180 kg/t、200 kg/t?；旌厦旱娜紵阅苋鐖D4 所示。

圖4 噴煤量對混合煤燃燒率的影響

由圖4可以看出，噴煤量提高后，混和煤的燃燒率呈下降趨勢。這是因為隨著煤粉的增加，煤粉在燃燒過程中氧的過剩系數(shù)逐漸降低，使得煤粉和氧氣接觸減少，同時較多的煤粉量由于分解和自身溫度的升高都需要耗費熱量，造成煤粉顆粒周圍溫度降低，從而不利于煤粉在高爐風口區(qū)的燃燒。

3.2.3 富氧率混合煤燃燒率的影響

煙煤與無煙煤配比按4∶6混合，模擬煤比為150 kg/kg，熱風溫度為1150℃?？疾旄谎趼蕿?、1%、2%、3%、4%、5%、6%，燃燒性能如圖5所示。

由圖5可以看出，混合煤粉的燃燒率隨鼓風富氧率的增加而相應(yīng)提高。當鼓風富氧率從0%提高到3%時，各煤種的煤粉的燃燒率有了較大的提高，這是因為鼓風中氧濃度越高，擴散到煤粉表面的氧量越多，占領(lǐng)煤粉顆粒表面和空隙中活性點的氧含量也越多，煤粉燃燒反應(yīng)亦進行得越快，故燃燒率提高。但隨著富氧率的進一步增加，混和煤在富氧率為4%時，燃燒率的增加趨于變緩。

圖5 富氧率對混合煤的燃燒率

3.2.4 粒度對混合煤燃燒率的影響

煙煤與無煙煤配比4∶6混合，考察煤粉粒度小于200目占80%、70%、60%、50%、40%?；旌厦旱娜紵阅苋鐖D6所示。

圖6 煤粉粒度對燃燒率的影響

從圖6可以看出，增加煤粉中-200目的比例，混合煤粉的燃燒率升高。當煤粉粒度比較粗時，煤粉粒度的變化對煤粉燃燒率的影響比較大;而當煤粉粒度比較細時，煤粉粒度的變化對煤粉燃燒率的影響卻比較小。這是因為中-200目比例的提高，一方面可以提高煤粉顆粒的比表面積，從而有利于煤粉燃燒率的提高;另一方面煤粉粒度的縮小，也會降低煙煤顆粒中豐富的內(nèi)孔面積，抑制內(nèi)孔燃燒的發(fā)生，從而不利于煤粉燃燒率的提高。兩種效果的綜合作用將導(dǎo)致煤粉-200目比例越高時，煤粉粒度的變化對煤粉燃燒率的影響也就越小。應(yīng)當控制合理的粒度范圍，降低制粉成本。

3.2.5 煙煤比例(揮發(fā)份)對混和煤燃燒率的影響

模擬煤比為160 kg/t，熱風溫度1200℃，富氧率為3%，煤粉粒度-200目＞80%。考察煙煤比例為10%、20%、30%、40%、50%及60%。實驗結(jié)果如圖7所示。

由圖7可以看出，燃燒性能好的煤組成的混合煤燃燒性能較好。隨著煙煤配比提高，混煤的燃燒率逐漸提高。煤粉的燃燒率受煤揮發(fā)分產(chǎn)率的影響。隨揮發(fā)分產(chǎn)率增加，煤粉燃燒率總體呈增加趨勢。根據(jù)煤粉燃燒理論，在高爐噴煤條件下，揮發(fā)分燃燒放出的熱量使環(huán)境溫度升高，能夠促進殘?zhí)碱w粒的燃燒，因而隨著煙煤比例增加(揮發(fā)分含量高)的煤粉的燃燒性增加。

圖7 煙煤比例對燃燒率的影響

隨著煙煤添加比例的增加，混和煤的燃燒率呈上升趨勢，但當煙煤配比超過一定范圍后，混煤燃燒率提高幅度減小。煙煤的比例應(yīng)該控制在60%以下。

4 討論

混合噴吹可擴大噴吹煤煤種，煙煤和無煙煤混合噴吹提提高無煙煤的燃燒率，起到優(yōu)化噴煤，提高噴煤效率的作用?；旌厦喝紵孰S著風溫的升高而提高，較高的風溫可提高煤粉水分蒸發(fā)、熱分解、著火和燃燒速率，促進煤粉在風口回旋區(qū)的燃燒，目前煤比在200 kg/t以上的高爐風溫基本在1200℃以上［2-3］。煤比提高后導(dǎo)致風口燃燒溫度的降低，影響煤粉的燃燒速率，產(chǎn)生較多的未燃煤粉，未燃煤粉進入爐渣后會引起爐渣粘度的升高，應(yīng)控制合理的煤比。富氧對提高煤粉燃燒率十分重要，尤其對熱風溫度較低的高爐，但合理的富氧量必須與熱風溫度、煙煤比例及氧氣的成本結(jié)合，富氧率還能起到減少爐腹煤氣量的作用，降低煤氣帶走的熱量，在風溫較高時，從圖4看，富氧率可控制在3%左右，風溫較低時，課適當?shù)奶岣吒谎趼?。過去一度認為煤粉粒度-200目應(yīng)保持在80%以上，但研究和實踐表明-200目可放寬至60%左右，但粒度應(yīng)控制 ＜0.100 mm［4］隨煙煤比例的增加課進一步放寬-200目的比例。煙煤在混合噴煤起著重要的作用，煙煤的混入降低混合煤的著火溫度，提前煤粉的燃燒［5］，其次煙煤與無煙煤的燃燒方式不同，煙煤是煤粉顆粒表面與內(nèi)部均進行燃燒，無煙煤基本是顆粒表面進行燃燒，因此增加煙煤可增加混合煤燃燒面積，提高燃燒率，但煙煤比例不能過高，煙煤一般比較“粘”過高的煙煤比例會影響煤粉分散，影響煤粉與熱風的充分混合;其次，煙煤的固定碳含量低，影響發(fā)熱量，導(dǎo)致置換比降低;煙煤由于揮發(fā)酚含量高，燃燒后產(chǎn)生的煤氣量較大，會造成高爐爐腹煤氣增加，影響高爐順行;目前對煙煤的控制一種是控制在50%以下，一種是按混合煤的揮發(fā)分來控制，維持揮發(fā)分在18% ～23%。

5 結(jié)論

1)燃燒性能好的單種組成的混和煤燃燒性能好，在配煤選擇時應(yīng)該選出燃燒性能較好的單種煤。

2)隨著煙煤比例的提高，混和煤的燃燒率呈上升趨勢，但比例超過一定比例后，燃燒率的提高開始變緩，煙煤的比例應(yīng)該控制50%以下。

3)隨著富氧率的提高，混合煤的燃燒率均有不同程度的提高，但隨著富氧率的提高，混合煤的燃燒率提高幅度表小。

4)隨著熱風溫度的提高，混合煤燃燒率均較大幅度的提高。

5)隨著噴吹煤量的增加，混合煤的燃燒率呈下降趨勢。

6)隨著-200目粒度的增加，混合煤燃燒率呈上升趨勢，但提高到一定比后，提高的幅度變小。

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