八钢欧冶炉拱顶喷煤的改进与实践

田宝山 季书民

（宝钢集团八钢公司炼铁分公司）

1 前言

欧冶炉在八钢建成投产后，原燃料条件、气候条件和操作条件等和罗泾COREX相比都发生了变化。2015的生产实践验证，欧冶炉相对罗泾COREX3000大幅度降低了燃料比近200kg/t,气化炉稳定运行状况改善，但也同时也伴随着发生煤气发生量减少20%～30%，顶煤气单耗不足，还原煤气中CO2偏高的问题，最终导致竖炉金属化实际金属化率只能维持在15%～30%。较低的金属化率限制了欧冶炉产能的提升、铁水硅素偏高，制约了欧冶炉经济技术指标的进一步提升。

为解决煤气量及其品质与金属化率之间的矛盾，八钢与华东理工大学开展了欧冶炉拱顶喷煤技术研究。拱顶喷煤改进后，经现场实践验证有效煤

气发生量增加15%，金属化率提升15%～20%。

2 欧冶炉拱顶喷煤后的流场分析

为了获得欧冶炉流场结构和性能，采用数值模拟方法对欧冶炉内气固两相流场进行研究，分析欧冶炉内的多相反应流动特征，为欧冶炉的优化操作与技术改造提供理论依据。

2.1 欧冶炉速度场

图1是欧冶炉粉煤烧嘴正对布置与偏斜布置两种结构在欧冶炉气流段内的速度场分布，由图1可见，粉煤烧嘴布置方式对炉内流场结构影响较大。正对设置为典型的撞击流流场结构，而偏斜布置如前所述，为典型的旋流流场结构。

图1 烧嘴设置对流场的影响

2.2 欧冶炉温度场

图2是欧冶炉粉煤烧嘴正对布置与偏斜布置两种结构炉内的温度场分布，由图2可见，旋流结构中，烧嘴平面的温度比撞击的高。

图2 烧嘴设置对流场的影响

2.3 欧冶炉颗粒浓度

图3是欧冶炉不同烧嘴设备下炉内的颗粒浓度分布。旋流气化炉内，颗粒分布更加均匀。

3 拱顶喷煤烧嘴的设计与选择

在对欧冶气化炉流场分析研究的基础上现场确定采用“4套喷煤烧嘴+2套氧气烧嘴+4套粉尘烧嘴”的方案，烧嘴布置如图 4。将氢气烧嘴 1#、3#、4#、6#位置改装了新设计的喷烧嘴。

图3 烧嘴设置对颗粒分布的影响

图4 喷煤烧嘴布置图

拱顶喷吹烧嘴设计成了双通道结构，中心是氧气通道，煤粉经环道入炉。结构见图5。

图5 拱顶喷吹烧嘴设计结构示意图

4 欧冶炉拱顶喷煤生产实践

欧冶炉于2017年4月18日05∶30分晨正式投入改进后的喷煤系统，竖炉金属化率从20%提高到40%。金属化率提高，降低了燃料消耗。拱顶喷煤后对炉内的影响主要体现在以下方面。

4.1 对冷煤气CO2的影响

改进的喷煤制气系统投用一个月后冷煤气CO2水平明显下降，CO2控制在了10%，下降近6%，同时由于喷煤后煤粉的挥发分和裂解产生的H2，有效煤气还原成分提高至80%以上（CO+H2）。喷煤制气系统的投入使用，大大改善了还原煤气质量，为提高金属化率创造了条件。

4.2 对煤气利用率的影响

投入前一个月与投入后一个月比较，煤气利用率升高28.3%。主要原因是随着喷煤比的提高，改善了还原煤气质量，还原煤气中有效煤气成分大大提高，最终煤气利用率也相应提高。

4.3 对金属化率的影响

金属化率在喷煤投入前后有明显的变化，喷煤后一个月竖炉金属化率提高至40%。提高了近20%。金属化率的提高直接原因在于喷煤后冷煤气中还原煤气有效成分的提高，顶煤气量增加，有更多的有效还原煤气可以进入竖炉还原矿石。

4.4 对燃料消耗的影响

喷煤系统投入前后一个月焦比降幅14.9%，燃料比平降幅2.9%。主要原因在于煤气质量的改善提高了金属化率，改善了竖炉工作环境，也最终带来气化炉的改善，焦比和燃料比的降低。燃料比的降低没有焦比那么明显，是由于作为煤粉的燃料在拱顶燃烧没有参与气化炉终的还原，而是参与了竖炉的还原，化学和物理热没有最大程度的利用。煤气量的增加带来了公共能介回收的效益。

4.5 对氧气单耗的影响

喷煤系统投入前和投入后一个月比较，风口氧气单耗降幅15.7%，总氧气单耗降幅3%。风口氧气单耗与焦比的降幅基本一致，总氧气单耗和燃料比降幅一致。总氧气单耗降幅不大是因为在拱顶燃烧了更多的氧气，产生用于竖炉还原的煤气。

另外从氧气在风口区域和拱顶区域的分配来看，在拱顶喷煤投入后也发生了变化，由原先的1:0.5变为目前1∶0.8。这跟燃料结构有关，如果喷煤比继续提高，用于拱顶的氧气势必还会增加，分配系数也会相应调整。

4.6 对竖炉顶煤气单耗和压差的影响

喷煤投入前顶煤气平均单耗随着喷煤量上升而下降，煤气质量提高，引起竖炉还原化学反应加剧，竖炉炉料温度升高，因此对顶煤气的需求反而下降。喷煤投入前平均竖炉压差上升8kPa，这主要在于竖炉化学反应加剧，竖炉内温度升高，气体膨胀，而且高温会使得溶剂分解率提高，增加气体量，相应阻损就会增加，导致竖炉压差一定幅度的上升。

5 关于拱顶喷煤问题

2017年4月20日下午14∶00分发现6层平台4#氧煤烧嘴泄漏，经检测后是4#氧煤烧嘴本体管道磨穿，确认1#也有泄漏点。立即停用1#和4#，21日中午工厂休风更换了全部4套氧煤烧嘴。检查更换下来的烧嘴发现4#烧嘴煤粉切线进入管道口已经磨穿，1#烧嘴有细微的沙眼孔，3#和6#也有磨损的痕迹。

分析认为，喷吹煤粉由切线方向进入煤枪，气流会在进口处高速旋转，冲击下方管道位置，造成磨穿。为不影响生产采取了临时措施将烧嘴煤气冲击下方处堆焊增加至30mm，维持使用，并增加了烧嘴测温的点检频度。重新对喷煤工况和氧煤烧嘴关键参数进行了梳理，改进优化了烧嘴进气口设计。

针对氧煤烧嘴磨损问题，进行了设计优化：改变边界参数，降低煤粉流速，同时将易磨损壁加厚。将载送氮气量由1800Nm3/h调整到800 Nm3/h，流速大幅度降低。从后期的实际运行效果来看，磨损程度已经大幅度降低，氧煤烧嘴使用寿命延长。

6 结束语

通过对八钢欧冶炉拱顶喷吹煤粉流场研究，根据欧冶炉拱顶区域温度场、浓度场、速度场的特征。作为烧嘴布置的依据。实践表明，因烧嘴布局合理，氧煤烧嘴同时工作情况下，拱顶区域未出现粘结问题，欧冶炉各项指标明显提升。

（1）喷煤可以有效提高还原煤气中有效还原气成分，竖炉金属化率明显提升，金属化率大幅度提升20%。实践验证效果好于预期。

（2）拱顶喷煤后，顶煤气单耗降低。

（3）拱顶喷煤可有效降低风口焦比，生铁含硅由喷煤前的1.83%降低至1.5%以下，铁水物理热充沛。

（4）拱顶喷煤后焦比和燃料比下降，拱顶氧气用量上升，风口氧气单耗降低，总氧气单耗由于燃料消耗的降低而下降。

（5）喷煤工艺参数的精确控制对系统的稳定运行至关重要，载送气量的调整很好地解决了烧嘴磨损过快问题。