高炉喷吹混煤试验研究

2012-10-13周永平

河南冶金 2012年6期

周永平

(安阳钢铁集团有限责任公司)

0 前言

高炉喷煤是当前各国高炉为降低生铁成本、减轻环境污染和优化工艺结构所采取的主要技术手段［1］，因此，大幅度地提高高炉喷煤量是许多钢铁企业共同追求的目标。喷煤利用煤代替冶金焦能降低生铁成本，同时可合理利用不适于炼焦的煤资源。采用多煤种混合喷吹.既扩大了煤源使用范围，又可调整煤种使用特性，提高煤粉的燃烧率，减少了高炉内的未燃煤粉，促进高炉顺行。

1 现状

安钢目前有400 m3、2000 m3高炉级高炉各两座，2010年400 m3级高炉焦比为392 kg/t、煤比150 kg/t，2000 m3级高炉中 8#高炉焦比为 351 kg/t、煤比 154 kg/t，9#高炉焦比为 356 kg/t、煤比 158 kg/t，其中8、9#个别月煤比高达170 kg/以上，焦比降至340 kg/t以下。随着煤比的提高，喷吹煤的特性对高炉的顺行有着重大的影响，对降低炼铁成本具有十分重要的意义。基于此，笔者对烟煤和无烟煤不同混合比下混煤的燃烧特性进行研究，为改善高炉混煤喷吹技术经济指标提供参考。

2 试验研究

2.1 试验原料

选取神木煤、潞安煤、金牛煤、鑫龙、九矿、潞安、国龙及混合煤。神木煤为烟煤，潞安煤、金牛煤、鑫隆煤为无烟煤，筛分后作为试验用样煤(粒度≤140目)。煤粉的工业分析见表1。

表1 煤粉工业分析 w%

2.2 试验装置

试验使用喷煤燃烧模拟试验装置(如图1所示)。该设备由送风系统、喷吹系统、燃烧系统、控温系统、取样系统等几个部分组成。该实验装置模拟高炉风口的燃烧条件，用燃烧炉模拟高炉风口的煤粉燃烧状况，将经过干燥的煤粉喷进燃烧炉中，将燃烧后的残余物置于马弗炉中除碳处理，处理后进行煤粉燃烧率的计算。实验控制参数模拟安钢高炉生产条件确定。

图1 煤粉燃烧模拟试验装置示意图

2.3 燃烧率的计算方法

本试验考虑试验气体流量大，流速快，故采用灰分平衡计算法来计算煤粉的燃烧率，其公式为：

式中：R、A、A1——分别为煤粉燃烧、燃烧产物和原煤样的灰分。

3 结果与分析

3.1 单一煤种燃烧试验

单种煤的性能是混合煤性能的基础，对安钢所用主要单种煤进行了燃烧试验。实验条件为风温1150 ℃，煤比 150 kg/t，富氧率 2.5%。

煤粉的气化燃烧过程可以认为按下列3个阶段进行：①煤粉被加热并发生挥发分的析出;②挥发分的燃烧(反应)和脱气(结焦);③挥发后剩余的物质，无机成分(灰分)熔化和残碳与氧化性气体进行非均相反应。

煤粉要在喷入燃烧炉装置里完成上述煤气化3个阶段，首先是表面颗粒热解，释放出挥发分，在一定温度下先进行的是气相着火，然后是固定碳升温着火，实验结果如图2所示。

图2 单种煤的燃烧率

由图2可以看出，在安钢所用单种煤中，神木煤的燃烧率远远的高于其它煤种，这是因为：①不同的喷吹煤种着火温度也不同含固定碳较低，挥发分较高的煤种着火温度通常较低，因此在条件相同时，离开风口回旋区前煤粉有较长的燃烧时间和较大的燃烧空间，在风口回旋区有较高的燃烧率。②根据煤粉燃烧理论，在高炉喷煤条件下，烟煤之所以燃烧率较高是由于含有较高的挥发分，大量挥发分逸出后迅速燃烧放热，加快了颗粒表面温度升温的速率，缩短了气固相着火延迟时问。促进残碳颗粒的燃烧，因而挥发分含量高的煤种燃烧性能好。③从煤的结构来看，烟煤由于挥发份的逸出，在煤粉颗粒的表面和内部都留下了空隙，这样就增加了煤粉颗粒的比表面积，有利于煤粉的燃烧。而无烟煤的燃烧过程是由外到内的层状燃烧过程［1］。从以上可知，安钢喷吹用单种煤中，燃烧率依次为烟煤神木煤、九矿、鑫龙、潞安和金牛煤。

3.2 混合煤的燃烧试验

3.2.1 热风温度对混合煤燃烧率的影响

烟煤与无烟煤配比按4∶6混合，考察热风温度为1050℃、1100℃、1150℃、1200℃。混合煤的燃烧性能如图3所示。

图3 热风温度对混合煤的燃烧率

由图3可以看出，随着热风温度的升高，混合煤的燃烧率均有不同程度的提高。这是因为热风温度提高可以快速加热煤粉和载气的温度，由于煤粉挥发份的分解和煤粉中水分的蒸发都吸收热量，因此较高煤粉温度和载气温度可以促进煤粉分解的速率，促使煤粉提前着火和加快煤粉燃烧的反应速率，从而有助于煤粉燃烧率的提高。

3.2.2 喷煤量对混合煤燃烧率的影响

混和煤配比按4∶6混合。考察喷吹煤比为140 kg/t、160 kg/t、180 kg/t、200 kg/t。混合煤的燃烧性能如图4 所示。

图4 喷煤量对混合煤燃烧率的影响

由图4可以看出，喷煤量提高后，混和煤的燃烧率呈下降趋势。这是因为随着煤粉的增加，煤粉在燃烧过程中氧的过剩系数逐渐降低，使得煤粉和氧气接触减少，同时较多的煤粉量由于分解和自身温度的升高都需要耗费热量，造成煤粉颗粒周围温度降低，从而不利于煤粉在高炉风口区的燃烧。

3.2.3 富氧率混合煤燃烧率的影响

烟煤与无烟煤配比按4∶6混合，模拟煤比为150 kg/kg，热风温度为1150℃。考察富氧率为0、1%、2%、3%、4%、5%、6%，燃烧性能如图5所示。

由图5可以看出，混合煤粉的燃烧率随鼓风富氧率的增加而相应提高。当鼓风富氧率从0%提高到3%时，各煤种的煤粉的燃烧率有了较大的提高，这是因为鼓风中氧浓度越高，扩散到煤粉表面的氧量越多，占领煤粉颗粒表面和空隙中活性点的氧含量也越多，煤粉燃烧反应亦进行得越快，故燃烧率提高。但随着富氧率的进一步增加，混和煤在富氧率为4%时，燃烧率的增加趋于变缓。

图5 富氧率对混合煤的燃烧率

3.2.4 粒度对混合煤燃烧率的影响

烟煤与无烟煤配比4∶6混合，考察煤粉粒度小于200目占80%、70%、60%、50%、40%。混合煤的燃烧性能如图6所示。

图6 煤粉粒度对燃烧率的影响

从图6可以看出，增加煤粉中-200目的比例，混合煤粉的燃烧率升高。当煤粉粒度比较粗时，煤粉粒度的变化对煤粉燃烧率的影响比较大;而当煤粉粒度比较细时，煤粉粒度的变化对煤粉燃烧率的影响却比较小。这是因为中-200目比例的提高，一方面可以提高煤粉颗粒的比表面积，从而有利于煤粉燃烧率的提高;另一方面煤粉粒度的缩小，也会降低烟煤颗粒中丰富的内孔面积，抑制内孔燃烧的发生，从而不利于煤粉燃烧率的提高。两种效果的综合作用将导致煤粉-200目比例越高时，煤粉粒度的变化对煤粉燃烧率的影响也就越小。应当控制合理的粒度范围，降低制粉成本。

3.2.5 烟煤比例(挥发份)对混和煤燃烧率的影响

模拟煤比为160 kg/t，热风温度1200℃，富氧率为3%，煤粉粒度-200目＞80%。考察烟煤比例为10%、20%、30%、40%、50%及60%。实验结果如图7所示。

由图7可以看出，燃烧性能好的煤组成的混合煤燃烧性能较好。随着烟煤配比提高，混煤的燃烧率逐渐提高。煤粉的燃烧率受煤挥发分产率的影响。随挥发分产率增加，煤粉燃烧率总体呈增加趋势。根据煤粉燃烧理论，在高炉喷煤条件下，挥发分燃烧放出的热量使环境温度升高，能够促进残碳颗粒的燃烧，因而随着烟煤比例增加(挥发分含量高)的煤粉的燃烧性增加。

图7 烟煤比例对燃烧率的影响

随着烟煤添加比例的增加，混和煤的燃烧率呈上升趋势，但当烟煤配比超过一定范围后，混煤燃烧率提高幅度减小。烟煤的比例应该控制在60%以下。

4 讨论

混合喷吹可扩大喷吹煤煤种，烟煤和无烟煤混合喷吹提提高无烟煤的燃烧率，起到优化喷煤，提高喷煤效率的作用。混合煤燃烧率随着风温的升高而提高，较高的风温可提高煤粉水分蒸发、热分解、着火和燃烧速率，促进煤粉在风口回旋区的燃烧，目前煤比在200 kg/t以上的高炉风温基本在1200℃以上［2-3］。煤比提高后导致风口燃烧温度的降低，影响煤粉的燃烧速率，产生较多的未燃煤粉，未燃煤粉进入炉渣后会引起炉渣粘度的升高，应控制合理的煤比。富氧对提高煤粉燃烧率十分重要，尤其对热风温度较低的高炉，但合理的富氧量必须与热风温度、烟煤比例及氧气的成本结合，富氧率还能起到减少炉腹煤气量的作用，降低煤气带走的热量，在风温较高时，从图4看，富氧率可控制在3%左右，风温较低时，课适当的提高富氧率。过去一度认为煤粉粒度-200目应保持在80%以上，但研究和实践表明-200目可放宽至60%左右，但粒度应控制＜0.100 mm［4］随烟煤比例的增加课进一步放宽-200目的比例。烟煤在混合喷煤起着重要的作用，烟煤的混入降低混合煤的着火温度，提前煤粉的燃烧［5］，其次烟煤与无烟煤的燃烧方式不同，烟煤是煤粉颗粒表面与内部均进行燃烧，无烟煤基本是颗粒表面进行燃烧，因此增加烟煤可增加混合煤燃烧面积，提高燃烧率，但烟煤比例不能过高，烟煤一般比较“粘”过高的烟煤比例会影响煤粉分散，影响煤粉与热风的充分混合;其次，烟煤的固定碳含量低，影响发热量，导致置换比降低;烟煤由于挥发酚含量高，燃烧后产生的煤气量较大，会造成高炉炉腹煤气增加，影响高炉顺行;目前对烟煤的控制一种是控制在50%以下，一种是按混合煤的挥发分来控制，维持挥发分在18% ～23%。