毕业设计（论文）-MnO2对高炉喷吹无烟煤燃烧特性的影响.doc

重庆科技学院毕业设计（论文） 题 目 mno2对高炉喷吹无烟煤燃烧特性的影响 院 （系） 冶金与材料工程学院 专业班级 冶金普2008-02 学生姓名 学号 2008442247 指导教师 职称 讲师 评阅教师 职称 2012年 6 月 1 日注 意 事 项 1.设计（论文）的内容包括： 1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用a4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订3）其它学生毕业设计（论文）原创性声明 本人以信誉声明：所呈交的毕业设计（论文）是在导师的指导下进行的设计（研究）工作及取得的成果，设计（论文）中引用他（她）人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及为获得重庆科技学院或其它教育机构的学位或证书而使用其材料。与我一同工作的同志对本设计（研究）所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 毕业设计（论文）作者（签字）： 年 月 日重庆科技学院本科生毕业论文 摘要摘要本文主要介绍了高炉喷煤现状、我国煤炭资源概况以及煤粉燃烧特性的相关指标，主要研究分析了mno2含量对煤粉燃烧特性的影响。本课题利用热重分析仪综合测定了添加不同比例mno2煤粉试样的着火点温度、燃尽温度、燃尽时间、失重率等，根据测出的数据计算出各试样的煤粉和煤焦综合燃烧特性指数。对比分析了各试样的dta曲线，以了解mno2含量对煤粉放热性能的影响。以此为依据找出对煤粉具有最佳助燃效果的mno2含量。分析结果表明，当mno2含量为3%时，煤粉的综合燃烧特性指数最大，煤粉燃烧放热性能最好；mno2含量为3.5%时，能显著降低煤粉的着火点温度，与原煤相比降低了17.5，此时煤焦的综合燃烧特性指数最大。因此，煤粉中添加的mno2含量为3%3.5%时，对煤粉的助燃效果最好。关键词：高炉喷煤 燃烧特性 助燃剂 mno2 i重庆科技学院本科生毕业论文 abstractabstractthis paper mainly introduces the present situation of coal powder injection in blast furnace、the coal resources in china and the index relate to combustion characteristic of pulverized coal, mainly researched and analysed the effect of the content of mno2 on the combustion characteristic of pulverized coal. this topic have determined the fire point、burning temperature、burning-down period and weightlessness rate of the samples of pulverized coal that have different proportion of mno2 by thermogravimetric analyzer comprehensively. then calculate every samples comprehensive combustion characteristic index about pulverized coal and coke according to the data that have measured. analysed every samples dta curve comparatively, to know the influence of the content of mno2 in pulverized coal. at last find out the content of mno2 to the pulverized coal that have the best burning effect according to the research.as the analysis results show, when the content of mno2 in the pulverized coal is 3%, that it has the highest comprehensive combustion characteristic index and the combustion heat release performance is the best. when the content of mno2 in the pulverized coal is 3.5%, it can reduce the fire point temperature of the pulverized coal dramaticlly, that is to say, it has reduced 17.5 compare with the raw coal. and at the same time, the comprehensive combustion characteristic index is the highest of the coke. therefore, when the content of mno2 in the pulverized coal is 3%3.5%, it has the best combustion effect.keywords: spray-blow coal；combustion characteristic；oxidant；mno2ii重庆科技学院本科生毕业论文 目录目录摘要iabstractii1 绪论11.1 高炉炼铁及其发展11.1.1 高炉炼铁的主要燃料11.1.2 高炉生产中焦炭的作用11.1.3 煤的焦化21.1.4 我国炼焦工业出现的问题21.2 我国煤炭资源概况21.2.1 我国煤炭资源的储量及其分布31.2.2 我国煤炭资源的种类31.2.3 我国煤炭资源的利用现状31.3 高炉喷煤技术41.3.1 我国高炉喷煤技术的现状41.3.2 高炉喷煤技术的发展趋势51.4 本文的研究内容52 高炉喷吹煤粉性能的研究现状62.1 高炉喷煤的常用煤种及要求62.1.1 喷吹煤粉的密度、堆角及比表面积62.1.2 煤的可磨性及粒度62.1.3 煤粉的着火点及灰熔点62.1.4 煤粉的自燃和爆炸性能72.2 高炉喷吹煤粉的燃烧过程82.3 高炉喷煤的传质过程92.4 高炉煤粉喷吹工艺93 煤粉的燃烧特性103.1 热重分析法测定煤粉燃烧特性103.1.1 煤粉着火点、燃尽温度的测定103.1.2 煤粉综合燃烧特性指数113.2 煤粉燃烧特性的影响因素113.2.1 煤种、粒度对煤粉燃烧特性的影响113.2.2 助燃剂对煤粉燃烧特性的影响123.3 本章小结124 mno2含量对煤粉燃烧特性影响的研究144.1 实验条件144.1.1 实验设备144.1.2 实验原料144.2 实验方案144.3 具休实验方法154.4 实验结果及分析164.4.1 第一组试样燃烧特性测定结果及分析164.4.2 煤焦的燃烧特性结果及分析194.4.3 热重实验dta、tg曲线的分析214.5 实验结果总结22参考文献24致谢25附录26iv重庆科技学院本科生毕业论文 1 绪论1 绪论1.1 高炉炼铁及其发展 人类使用铁器制品的历史源远流长，但原始的炼铁炉及冶炼方法非常简单、粗放，只能生产出类似块状的海绵铁。最早的一批冶炼生铁的高炉出现于14世纪中叶，再加之冶炼条件的改善从而产生了生铁。但由于生铁不能锻造，使得其在使用上受到了限制。自1735年英国人亚德尔比发明了强度高于木炭和煤的焦炭，以及18世纪中叶蒸汽机的出现，使得炼铁炉容积迅速增大，冶炼强度提高，生铁产量大幅度提高。1829年英国人尼尔逊用热风炉向高炉预热鼓风，开创了高炉炼铁的新时期。1857年蓄热式热风炉的出现，基本上确立了近代高炉炼铁的形式。19世纪中叶以后，高炉炼铁技术迅速发展，生产不断强化，指标日益提升，操作逐步走向自动化。主要表现在入炉原料与焦炭质量不断提高以保证精料入炉，高炉容积日益大型化，富氧鼓风和高风温技术、喷吹燃料技术、高压操作技术的出现等。80年代中期，电炉在欧洲各国、美国、日本等发达国家兴起，近20余年电炉炼钢取得了突飞猛进的发展。有关调研表明1，工业发达国家钢铁生产原料中45%为废钢，这也表明高炉炼铁在钢铁生产中的地位逐渐降低。但仍有55%的生铁需要铁矿石作为原料生产，且高炉生产的生铁仍占41%。可见高炉炼铁在未来钢铁生产中仍占有举足轻重的地位。1.1.1 高炉炼铁的主要燃料 燃料对高炉而言是不可缺少的基本原料之一。高炉炼铁生产中铁矿石的还原和渣铁熔化分离都需要燃料燃烧以提供所需要的热量与温度。木炭是最早使用的高炉燃料，其优点是：固定碳含量高、灰分低（一般在0.5%2.5%之间），几乎不含硫，气孔度高。但木炭机械强度差，价格昂贵且需要大量木材，因此已被焦炭所取代。 焦炭是由煤在高温下（9001000）干馏而成，其化学成份完全能满足高炉炼铁的要求，机械强度显著高于木炭，气孔度虽不如木炭但比无烟煤大得多。简言之，焦炭是目前高炉炼铁的理想燃料与主要燃料。1.1.2 高炉生产中焦炭的作用 由上面可知，焦炭对高炉炼铁是不可或缺的燃料。其在高炉炼铁中具有三方面的作用：（1） 作发热剂，高炉炼铁过程中70%80%的热量是由焦炭燃烧提供的。为此要求焦炭的含碳量尽量高，灰分尽量低。其含碳量的多少用焦炭中的固定碳含量表示。焦炭灰分对其质量影响很大，灰分高则焦炭固定碳含量低，且耐磨强度也降低。（2） 作还原剂，焦炭中的碳素以及在高炉中燃烧产生的co气体均是高炉炼铁的主要还原剂。（3） 作料柱骨架，焦炭占高炉体积的1/2左右，在高炉下部具有不熔化、不软化的性能，因而对料柱起支承作用。且在软熔带形成焦窗，改善了料柱的透气性。另外，焦炭还是生铁的渗碳剂，其燃烧还为炉料下降提供自由空间。 1.1.3 煤的焦化 现在焦炭的生产过程主要包括洗煤、配煤、炼焦和产品处理等工序。 其中配煤即将各种结焦性能不同并经选洗之后的煤按一定比例配合用以炼焦。此工序可以在保证焦炭质量的前提下扩大炼焦用煤的使用范围，合理利用资源。能够用来配煤炼焦的煤种主要是焦煤、肥煤、气煤、瘦煤等。炼焦是煤焦化的主要环节，将配好的煤料装入炼焦炉的碳化室，在隔绝空气的条件下通过两侧燃烧室进行加热干馏，煤料最后形成焦炭。焦炭产品处理即将炉内产出的红热高温焦炭进行熄焦之后，再对焦炭进行筛分分级以获得不同粒度的焦炭产品。其中熄焦方法有干法和湿法两种，温法熄焦即把红热焦炭运至熄焦塔，用高压水喷淋6090s。干法熄焦是将红热焦炭放入熄焦室内，用惰性气体经24小时循环以回收焦炭的物理热。炼焦过程还产生焦炉煤气和多种化学产品。其中焦炉煤气是烧结、炼焦、炼铁、炼钢等生产中的主要燃料。各种化学产品达100多种，是化学、农药、医药等部门的重要原料。 1.1.4 我国炼焦工业出现的问题我国煤炭资源虽然丰富，但炼焦煤资源仅占其27%左右，且其中强粘结性焦煤只占炼焦煤的19%左右，粘结性肥煤只占约13%，此比例正在逐年下降2。随着我国炼焦煤的过快消耗，有关研究表明，预计到二十一世纪中后期炼焦用煤将基本耗尽。我国炼焦工业目前正面临着布局不合理、生产分散、竞争无序、集中度低等问题。且焦化生产过程中能源回收率低，环境污染和资源浪费十分严重。为了获得高强度的焦炭，需要加大焦煤和肥煤的配比，但这与我国资源现状极不协调。虽然我国炼焦煤洗选能力很强，但由于煤炭种类分布的不均及优质炼焦煤资源不断减少，使得生产优质焦炭的炼焦精煤显得供不应求。加之我国大部分炼焦煤的可选性差，从而使得炼焦煤的质量较差。作为钢铁工业的辅助产业，炼焦煤资源紧缺最终导致焦炭生产成本的增加，价格不断上涨，难以满足钢铁生产的需求。 1.2 我国煤炭资源概况煤、石油、天然气并为当今世界的三大不可再生消费资源。2003年世界煤炭消费总量为25.78亿吨油当量，占世界一次性能源总消费的26.47。可见煤炭生产大大缓解了全球的能源供需矛盾。1.2.1 我国煤炭资源的储量及其分布我国是煤炭资源大国，2006年我国已探明的煤炭储量超过114500百万吨，占世界煤炭储量的12.6，煤炭的生产量和消费量也居世界前列。煤炭也是我国最为主要的能源之一，目前在已探明的化石能源资源中煤炭储量占90%以上，在我国能源消费总量中占70%左右3。我国煤炭资源的分布总的说来是北多南少，西多东少，煤炭资源的分布与消费区分布极不协调。动力煤储量主要分布在华北和西北，分别占全国的46和38，炼焦煤主要集中在华北，无烟煤主要集中在山西和贵州两省。各地区煤炭品种和质量变化较大，分布也不理想。中国炼焦煤在地区上分布不平衡主要表现在4种主要炼焦煤种中，瘦煤、焦煤、肥煤有一半左右集中在山西，而拥有大型钢铁企业的华东、中南、东北地区的炼焦煤却很少；在东北地区，钢铁工业在辽宁，炼焦煤大多在黑龙江；西南地区，钢铁工业在四川，而炼焦煤主要集中在贵州4，这大大增加了运输成本。 1.2.2 我国煤炭资源的种类 我国煤炭种类较多，按挥发分不同可分为褐煤、烟煤、无烟煤三类。煤的种类不同，其成分组成、质量、发热量也不相同。 现今我国已探明的煤炭资源储量中：（1）褐煤（又名柴煤）占13%，其煤化程度最低，含碳量在60%77%，故发热量低，约为2302227209千焦/千克。但其富含挥发分，在40以上，燃烧时火焰大，冒黑烟。着火点低，在270310，容易燃烧。多为块状，呈黑褐色，光泽暗，质地疏松。 （2）烟煤占75%，其煤化程度低于无烟煤而高于褐煤，含炭量为75%90%。发热量较高，热值约为2717037200千焦/千克。质地细致，挥发分含量在1040%，着火温度较低，较易点燃。一般为小块粒状，也有粉状的，多数能结焦。（3）无烟煤（俗称白煤或红煤）约占12%，有粉状和小块状两种，呈黑色有金属光泽而发亮。其煤化程度最高，含碳量一般在90%以上，挥发分在 10以下。着火点温度（370420）高，不易着火；其发热量也很高，热值约为33486.835579.7千焦/千克。黏结性弱， 燃烧时不易结渣。 其中对于褐煤和无烟煤可分别按其煤化程度和工业利用的特点分为2个和3个小类。烟煤可按其粘结性指数g再分类，其中05为不粘结或微粘结煤；520为弱粘结煤；2050为中等偏弱粘结煤；5065为中等偏强粘结煤；65则为强粘结煤。至于强粘结煤，又把其中胶质层最大厚度y25mm或奥亚膨胀度b150%的煤归为特强粘结煤。在煤的命名上，有时仍延用传统的分类。即，气煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫煤、弱粘煤、不粘煤、长焰煤这8种煤。 1.2.3 我国煤炭资源的利用现状煤炭的用途十分广泛，根据其使用目的主要分为两大类：动力煤和炼焦煤 动力煤的主要用于发电，其约占我国1/3的煤用量。一般工业锅炉用煤量（除热电厂及大型供热锅炉外）约占动力煤的30。生活用煤的数量较大，约占燃料用煤的20。冶金用动力煤主要为烧结和高炉喷吹用无烟煤，用量不足动力用煤的1。炼焦煤如前所述主要用于炼焦，而焦炭则主要用于钢铁行业。煤炭给我国带来了巨大的经济效益，但近年来随着我国煤炭资源的大量开采与使用的同时也给我国带来了巨大的环境问题。煤炭的开采破坏了生态环境，引起地表下沉。其燃烧放出大量的so2、氮氧化合物、粉尘等极大地造成了大气污染、形成酸雨等环境问题。我国已探明的煤炭资源储量虽居世界第三位，但我国人均煤炭资源占有量只能接近世界平均水平。而且随着我国人口数量的增长和煤炭资源的大量开采，人均煤炭资源占有量逐年降低。我国煤资源开发量自1989年以来年产量达10多亿吨，其中浪费十分严重。我国原煤入洗比重也比世界其他主要产煤国低。随着采煤机械化程度的不断提高，原煤灰分、水分、硫分、含矸率和末煤含量都有所上升。因未经洗选，使得原煤质量水平很低，我国大部分劣质煤也没有开发利用。所以在今后的能源利用中必须注重节约、提高能源利用率。 1.3 高炉喷煤技术如果从高炉风口装置吹入粉状固体、液体、和气体燃料，如煤粉、重油、天然气、裂化气等以替代部分炼铁生产时所需的焦炭，则既可节约焦炭用量、降低炼铁生产成本，也可以改进冶炼工艺。这种炼铁新技术出现在20世纪60年代。由于喷油工艺比较简单、投资少，到70年代时已比较普遍。但在经历了1973年和1979年的两次世界性石油危机后，各国都注意到高炉喷吹煤粉在燃料喷吹中的重要性。高炉喷煤技术始于1840年smbanks提出的关于喷吹焦炭和无烟煤的设想，并于18401845年在法国进行了实践操作。因工艺方面的问题，最终未能得到推广。到20世纪60年代初期再次试验，经过多次改进后才真正在工业实践中得到运用。到1991年，欧洲喷煤高炉普及率超过了50%，日本1981年才引进了第1座喷煤高炉，但到1992年全日本在投入生产的33座高炉中已有27座采用了喷煤技术，其普及率达到82%。 1.3.1 我国高炉喷煤技术的现状衡量高炉喷煤技术水平，除了看喷煤设施及检测、控制等硬件水平外，通常还需要采用另外两个指标进行评价，即：（1） 煤比（或喷煤量）gm，是指生产单位生铁所喷吹的煤粉量，单位为kg/t；（2） 喷煤率qm，是指煤粉在生产单位生铁所消耗的燃料（煤粉和焦炭）中所占的比例5。我国自60年代初就开始采用喷煤、喷油技术。由于我国煤炭资源丰富，加之石油价格昂贵、重油供应量的减少，从而使得喷吹重油高炉逐渐减少，到1981年下半年，全国高炉重油喷吹几乎全部由煤粉代替。到70年代末，我国喷煤高炉普及率（1991年达75%）和喷煤量（1991年为51.1kg/t）在世界上几乎都是领先的。但由于我国高炉炼铁工艺落后、设备简单、监控水平低等原因，使得目前我国的高炉喷煤技术对于欧洲和日本等工业发达国家已失去了优势。 1.3.2 高炉喷煤技术的发展趋势由前面所述，高炉喷煤技术具有诸多不可替代的优势。简言之即：节能降焦、改善经济技术指标、控制环境污染等。目前喷煤技术发展较成熟的是富氧喷吹和配煤混合喷吹。此外，矿煤复合喷吹、煤粒喷吹等还处于研究阶段。氧煤喷吹是20世纪80年代末期开发并得到应用的一项新技术。该技术可以显著地改善煤粉在风口前的燃烧条件，从而提高煤粉燃烧率，增加喷煤量和更大程度的降低焦比。目前富氧喷煤技术已日趋成熟并得到普遍应用。配煤混合喷吹不仅可以有效地改善煤粉燃烧性能提高燃烧效率，而且还可通过不同煤种的混合制粉从而获得最佳的高炉冶炼技术经济指标，为高炉的高富氧率、大喷吹提供了一种新的方法。1.4 本文的研究内容为了提高高炉喷煤量，进一步降低焦比，则必须强化煤粉在风口回旋区的燃烧。通常措施是采用富氧和高风温，同时添加助燃剂也可进一步有效地提高煤粉燃烧率。本文研究内容主要是综合分析助燃添加剂mno2对煤粉燃烧性能的影响，即利用热重分析仪测定添加不同比例mno2的粉煤试样的着火点、燃尽温度、燃尽时间等。根据测定结果进行分析，以获得最佳助燃效果的mno2添加量。5重庆科技学院本科生毕业论文 2 高炉喷吹煤粉性能的研究现状2 高炉喷吹煤粉性能的研究现状2.1 高炉喷煤的常用煤种及要求 世界范围内高炉喷吹煤粉的种类并不固定，包括无烟煤、烟煤、褐煤等，而我国目前喷吹用煤主要是无烟煤。 2.1.1 喷吹煤粉的密度、堆角及比表面积煤或煤粉的密度有两种：一是物质密度（亦称材料密度或真密度），即单位体积无间隙煤的质量。二是堆积密度，指单位体积自然堆积的煤或煤粉（包括空隙）的质量。煤（煤粉）的物质密度在12002000kg/m3之间，其是煤化度的函数1。无烟煤密度（14002000kg/m3）最大，其次为褐煤（12801420kg/m3)，烟煤的密度(12701330kg/m3)最小。研究表明煤的物质密度是氢含量的函数6。喷吹煤粉的堆积密度在5001000kg/m3之间，其除了与煤的物质密度有关外，还与煤的粒度、形状及混合情况有关。煤粉的物质密度越大，其堆积密度也相应更大。煤粉的堆积密度是喷吹系统尤其是贮煤仓设计的最为重要的参数之一。煤（或煤粉）的堆角是指其自然堆积形成的斜面与水平面的夹角，一般在2050之间。煤或煤粉的堆积角与煤种、煤颗粒形状及粒径分布、水分含量等有关。一般而言，水分含量高，煤或煤粉中小粒径的颗粒少则堆角大1。煤（或煤粉）的比表面积定义为：单位质量的煤或煤粉的总表面积（m2/kg）。喷吹用煤的比表面积一般在（37）102m2/kg之间。煤粉的比表面积与其爆炸性及燃烧性能密切相关1，即煤粉比表面积越大，其燃烧性能越好，爆炸性指数也越高。 2.1.2 煤的可磨性及粒度煤的可磨性反映了制备煤粉的难易程度，它是用以估计磨煤机出力和耗电量等设计参数的基础，用可磨性系数来表示。可磨性系数有两种表示方法，即哈特葛罗夫（hardgrove）系数和btn系数，前者主要用于西欧和美国，后者则用于东欧国家。因btn系数测定时操作不方便和测定结果再现性不好，目前已被哈特葛罗夫系数所取代。哈特葛罗夫系数定义为7：式中，w为用哈特葛罗夫可磨性测定仪磨完后通过200目筛的煤粉重量。哈特葛罗夫系数是以美国宾州煤作为标准，即h=100是可磨性好的煤。h越小，表明煤越难磨。研究表明7,8，煤化度是影响煤的可磨性系数的主要因素，煤化程度高和低的煤可磨性较差，中等煤化程度煤的的可磨性较好。2.1.3 煤粉的着火点及灰熔点煤粉的着火点即煤粉开始燃烧的温度。煤粉着火点与其挥发分含量有关，在周围氧气含量相同并等于大气含氧量时，煤粉着火点tc与挥发分vm的线性关系为1：无烟煤的着火点为400左右，烟煤的着火点为300左右。高炉煤粉喷吹时，希望煤粉能快速着火、迅速燃烧。故煤粉的着火点越低越好，但低着火点的煤粉仓贮时又易着火爆炸。因此在煤粉喷吹系统设计时，应充分考虑这两方面的因素。煤粉灰熔点是指其灰分开始熔化的温度。由于煤粉的灰分是由各种矿物质组成的混合物，因此其没有一个固定的熔点，而是存在一个熔化温度区间，即软化到熔化的温度区间。煤粉的灰熔点与煤种或煤化度、燃烧时空气过剩系数和气氛有关9。一般在8001100之间。煤粉的灰熔点太低对高炉喷吹不利，甚至可能导致风口或喷枪前结渣，且低灰熔点灰分常常会阻碍氧气进入尚未燃尽的煤粉颗粒内部，导致传质不畅、不完全燃烧。故一般认为喷吹煤粉的灰熔点高一些更好1。2.1.4 煤粉的自燃和爆炸性能 我国喷吹煤粉用的无烟煤目前出现供不应求、煤质下降等问题，故多煤种、大喷量是进一步发展高炉喷煤的主要方向。高炉喷吹烟煤、褐煤的关键是安全问题，即煤粉的自燃和爆炸性问题。近年，人们对煤粉的自燃和爆炸性能进行了大量的研究。煤粉的自燃性能是指贮存或沉积的煤粉因氧化放热而达到自发燃烧的性质。煤粉的氧化自燃可分为以下四个阶段1：（1） 缓慢氧化期，此阶段如果煤粉是在常压下，则其温度不超过100；如果煤粉是在加压状态下（一般喷吹罐压力范围内），则温度不超过70。在此阶段，反应速度慢、温度低，因此对煤粉而言是安全的。（2） 水分蒸发期，在此阶段，煤粉温度值随含水量不同而变化，仍是煤粉喷吹的安全期。（3） 氧化加速期，在此阶段，常压下煤粉的温度约为120140；加压下煤粉温度为80120。（4） 剧烈氧化自燃期，此时煤粉温度上升极快，很有可能发生自燃甚至爆炸。故氧化加速期和剧烈氧化自燃期对煤粉喷吹极为危险，进入这两个阶段时应马上采取措施。掌握煤粉自燃规律后有时仍不能有效地避免其爆炸的发生，因此对煤粉的爆炸性能也做了许多研究。其中煤粉爆炸性能的评价标准主要有以下3种1：（1） 长管式煤粉爆炸性能测定仪测定的煤粉返回火焰长度，一般认为反回火焰长度大于400mm时为强爆炸性煤，小于400mm时则为弱爆炸性煤，若仅在火源处出现稀少火星或无火星则属于无爆炸性煤。（2） 三口瓶爆炸实验中煤粉发生爆炸时的气氛含氧浓度。气氛含氧浓度越高则煤粉爆炸性能越弱。（3） 煤粉的挥发分含量，一般认为，煤粉的可燃基挥发分小于10%的为无爆炸性煤，大于10%则为爆炸性煤，大于25%的为强爆炸性煤。高炉喷吹煤粉爆炸性指标常采用第1种标准。第2种标准因测得的气氛氧浓度有时变化很小而不明显，因此不便于比较。第3种标准只能进行粗略的判断，因为挥发分相同的煤，粒度不同则爆炸性能也不同。其中影响煤粉爆炸性能的主要因素有挥发分含量、煤粉粒度、水分含量、煤粉悬浮浓度等。2.2 高炉喷吹煤粉的燃烧过程 高炉生产中，喷吹的煤粉燃烧状况不同于一般实验炉，故煤粉燃烧实验结果会与实际高炉中的燃烧存在很大差别。因为10：（1）高炉风口气体流速很快，在燃烧区内的停留时间不超过l0毫秒。（2）在循环区内煤和焦炭同时进行燃烧，因此煤气成份随循环区内燃烧的进行而急剧变化。（3）焦炭温度高达2000以上，比实验炉的炉壁温度高得多。因此有必要了解实际高炉生产中煤粉的燃烧情况。高炉煤粉喷枪位于直吹管的前端，离高炉风口回旋区很近，一般大型高炉直吹管的内径为200mm左右，连同风口回旋区在内的煤粉燃烧空间很小。直吹管内热风速度达到100200m/s，故煤粉的停留时间很短。燃烧学表明，燃烧空间不足或燃烧时间不足都将导致燃料不完全燃烧。因此，在有限的燃烧空间和时间内必须提高煤粉的燃烧率才能保证其完全燃烧。研究表明1，煤粉从喷枪喷入直吹管，是一个从冷煤粉突然喷入到9001250热风的瞬间过程。此时煤粉的加热速率达103106k/s，燃烧温度可高达2000，接近爆炸火焰的加热速度和温度。在此加热速度下，煤粉燃烧的预热、干燥、脱气、挥发、着火、挥发分燃烧等过程交叉进行。煤粉喷入高炉后其均相反应与非均相反应有如下几种：（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）（9）高炉煤粉燃烧和气化反应是在一定压力下进行的，与常压下炭的燃烧和气化不同。且在一定压力下燃烧过程的参数变化比较复杂，如各组分气相密度变大，氧分子、co2等气体的扩散系数变小。2.3 高炉喷煤的传质过程高炉喷吹煤粉的粒度一般为200目（约74um)，载气运动强烈，且高炉直吹管中热风动量很大，使得煤粉颗粒与其周围热风的相对速度逐渐减小。最终对传质系数影响较大，不利于氧分子向半焦表面的扩散，也不利于燃烧反应产物由反应表面向外扩散，从而影响了煤粉的燃烧反应速度1。2.4 高炉煤粉喷吹工艺高炉煤粉喷吹工艺可分为间接喷吹和直接喷吹两种11。（1）间接喷吹工艺，即制粉系统和高炉旁喷吹站分开，通过罐车或仓式泵气力输送，将煤粉送至高炉附近的喷吹站，再向高炉喷吹煤粉。此喷吹工艺可以充分发挥磨煤机的生产能力，任一磨煤机均可向任一喷吹站供粉，出现故障时也能保证高炉连续喷煤。并且煤粉不易堵塞，适应性较强，可向多座高炉供粉，特别适于新增制粉站远、高炉又多的冶金企业的改造。但其缺点是投资高，动力消耗大。这种喷吹工艺在国内外都有使用。（2）直接喷吹工艺，即制粉系统和高炉喷吹站共建在一个厂房内，磨煤机制备的煤粉通过煤粉仓下的喷吹罐组直接喷入高炉。其优点是取消了煤粉输送系统，简化了流程，新建高炉大多采用这种工艺。根据煤粉容器受压力情况可将喷吹设施分为常压和高压喷吹两种。根据喷吹系统的布置可分为串罐喷吹和并罐喷吹。根据喷吹管的条数又可分为单管路喷吹和多管路喷吹。串罐喷吹即将煤粉仓、中间罐和喷吹罐从上到下依次重叠布置。这种喷吹系统的喷吹罐具有连续运行、喷吹稳定、设备利用率高、厂房占地面积小等优点。并罐喷吹工艺即将两个或多个喷吹罐并列布置，一个喷吹罐喷煤时，另一个喷吹罐进行装煤和充压，喷吹罐轮流喷吹煤粉。并罐喷吹具有工艺简单、设备少、厂房低、建设投资少、计量方便等优点。单管路喷吹即喷吹罐下只设一条喷吹管路的喷吹工艺。其具有工艺简单、设备少、投资低、维修量小、易实现自动化等优点。在喷吹高挥发分的烟煤时，采用单管路喷吹可以较好地解决由于死角处的煤粉自燃和因回火而引起爆炸的可能性。因此，目前高炉多采用单管路喷吹。多管路喷吹即从喷吹罐引出多条喷吹管且每条喷吹管都连接一支喷枪的工艺。其与单管路喷吹相比具有明显的缺点。一是设备多、投资高、维修量大；二是喷煤阻损大，不适合远距离输送（一般多管路喷吹系统输煤距离不宜超过150m，而单管路喷吹系统输煤距离可达500600m）和并罐喷吹系统。三是多管路喷吹只能用于串罐喷吹系统，而单管路喷吹既可用于串罐系统又可用于并罐系统。23重庆科技学院本科生毕业论文 4 mno2含量对煤粉燃烧特性影响的研究3 煤粉的燃烧特性3.1 热重分析法测定煤粉燃烧特性以往判断煤的燃烧性能多以可燃质挥发分含量为指标，但挥发分仅仅是在一定试验条件下的热解量，它是煤的活性表现，仅用挥发份判别煤的可燃性具有一定局限性。因此煤的燃烧特性还包括煤的着火、燃尽、积炭、结渣、磨损等。目前，热重分析法已在国内外广范用于研究煤的燃烧特性。用热重分析法分析煤的燃烧特性可得到煤的着火温度或着火点（ti）、燃尽温度（th）、燃烧速率（dm/dt）、燃尽时间（t）等。热重分析法可分为程序升温热重法和恒温热重法两种。两者的反应体系是相同的，主要区别在于前者是升温反应，后者是恒温反应。恒温热重法测定煤粉燃烧特性是使煤粉在设定的很高温度下开始反应，这种方法与实际高炉喷煤生产中煤粉的反应相似。而程序升温热重法是煤粉在设定一定升温速率的条件下逐渐进行反应，且挥发分的析出是在较抵温度下进行的，这与实际高炉喷吹煤粉的反应相差很大。但这种方法能有效地通过tg-dtg曲线测出煤粉的着火点温度、燃尽温度、燃烧速率等，故本课题采用程序升温热重法分析煤粉的燃烧性能。3.1.1 煤粉着火点、燃尽温度的测定利用热重分析法测定煤粉的着火点有不同的方法，主要有以下几种： （1)tg法，煤粉试样在着火前失重比较缓慢，当达到着火温度并开始燃烧后反应速率迅速增加，失重明显，此时tg曲线上存在一突变点，在突变点附近曲线上作切线，切线与基线的交点即为着火点。此种方法缺点是切线的作法在一定的范围内具有随机性。（2)dtg法，将dtg曲线上失重率达0.1 mg/min时对应点的温度定义为着火点。试验表明，当同一煤种的煤粉量控制在一定范围(69 mg)时，用该法所获得的着火点具有较好的重复性。 （3）tg曲线分界点法，此种方法定义燃烧曲线与热解曲线在tg曲线上的分界点为着火点。（4）dtg曲线分界点法，此种方法定义燃烧曲线与热解曲线在dtg曲线上的分界点为着火点。（5）tg-dtg法，即在dtg曲线上过峰值点作垂线与tg曲线交于一点，再过这点作tg曲线的切线，该切线与失重开始时的平行线的交点所对应的温度定义为着火点温度12。中国煤炭科学研究院测定煤着火点的方法是：把煤样放在特制的玻璃仪器或铝制容器中，以一定速度通以氧气并进行加热。在此条件下，煤被氧化而逐渐放热使温度升高。经过一段时间达到一定温度后，煤开始燃烧，从而放出大量的热，使煤的温度更明显升高，煤样内部的温度上升速度超过对煤样的加热速度，在试验中记录加热速度和煤样的升温速度，用加热曲线和升温曲线的交点表示煤的着火点。关于热重分析求煤粉着火点温度的实验中，利用tg和dtg曲线求煤粉着火点的观点不一。实际上，由于具体试验仪器和试验条件的差异较大，很难有统一的规定。所以至今对于这个问题仍有很大的争议。若以中国煤炭科学研究院测定值为标准，有关研究表明，固定失重百分数法和tg法所获得的结果偏大，其中tga法偏大是因为用该方法作切线具有一定的随机性。tg曲线分界点法的结果总体偏大，而dtg曲线分界点法的结果总体偏小，若采用二者的平均值，则中和了各自的偏差，所得结果比较理想。dtg法测定的结果与中国煤炭科学研究院测定的结果十分接近，因而被泛采用。tg-dtg法也是确定煤粉着火点的常用方法之一。与以往的实验结果相比，本实验采用dtg法求煤粉着火点较为准确。煤粉的燃尽温度采用dtg曲线上峰后值基本为0的点所对应的温度13。从而将dtg曲线上煤粉着火点到燃尽温度点的时间作为燃尽时间。3.1.2 煤粉综合燃烧特性指数 为了全面评价煤粉试样的燃烧情况，本课题采用综合燃烧特性指数s来描述煤粉试样的燃烧性能14。 式中，s为综合燃烧特性指数，其单位为mg2min-2-3；(dm/dt)max为最大燃烧速率，单位为mg/min；（dm/dt）mean为平均燃烧速率，单位为mg/min；ti为着火点温度，；th为燃尽温度，；综合燃烧特性指数s全面反映了煤粉试样的着火和燃尽性能，其中s值越大表明煤粉的综合燃烧性能越好。3.2 煤粉燃烧特性的影响因素煤粉燃烧特性受诸多因素的影响，如煤种、煤粉粒度、助燃剂及其添加量等。3.2.1 煤种、粒度对煤粉燃烧特性的影响其中煤种的影响如前所述，无烟煤煤粉具有固定碳高、热值高、置换比高、安全性好等优点，但其具有着火点高、燃烧性差、燃烧率低等缺点；烟煤与无烟煤相比具有着火点低、燃烧性好等优点，但烟煤挥发分高、安全性差并且吸热量比无烟煤多，要求热补偿量也多。贫煤瘦煤的性质则介于烟煤与无烟煤之间。有关研究表明15，随着煤粉颗粒粒径的减小，煤粉着火提前，着火温度降低，煤粉易燃烧，燃尽温度也降低。煤粉粒径越大，燃尽性能越差，从而导致煤粉燃烧时间延长，不完全燃烧也相应增大。所以应尽量使煤粉的粒径足够小。但煤粉过细将增加磨制煤粉的成本和磨煤机的损耗。因此应寻求高炉喷吹煤粉的经济细度。煤粉经济细度与煤质有关，一般而言，对高挥发分的煤因其容易燃烧可磨得粗些。相反，对低挥发分的煤和可磨性指数较大的煤，应磨得细些为好。对高炉喷吹煤粉要求粒度均匀，大小适中（目前一般为200目）。3.2.2 助燃剂对煤粉燃烧特性的影响目前，高炉喷煤用助燃剂种类较单一，相关研究报道较少。国内研究的助燃剂主要包括碱金属、碱土金属和过渡元素的无机盐类。 关于碱金属及碱土金属类助燃剂，有关研究表明16，na、k 等碱金属的氧化物或盐类在高炉炼铁中会破坏炉衬，因此该类金属不宜作为改善高炉喷煤燃烧特性的催化剂。如kmno4可以改善煤粉燃烧状况，但由于含有碱金属钾，不利于高炉操作，所以实际生产中无法使用类似kmno4的助燃剂17。 彭其春，周飞，陈永金等18认为，白云石等熔剂也具有助燃效果，但由于喷煤过程中时常出现突发性“断煤”事故，使得炉渣碱度失控，影响高炉正常生产，从而限制了熔剂类物质作为助燃剂的使用。魏国、杜鹤桂、刁日升通过研究mno2、mgco3、mnco3、nacl(普通食盐)、mgcl2、生石灰、caf2作为添加剂对喷煤生产的影响指出19，添加剂的助燃效果与煤种本身性质有关。其中添加剂效果较好的有nacl、mno2、mgco3、mnco3、生石灰。比较几种有助燃作用的添加剂的助燃效果，从强到弱依次为nacl、生石灰、mno2、mgco3、mnco3。而caf2和mgcl2的助燃效果不明显。这几种助燃剂中，nacl对煤粉的助燃效果最好。它是较实用的助燃剂，但使用其作助燃剂时应该注意，添加比例必须控制在一定范围之内。加入过多的nacl将使高炉碱负荷提高，带来不利影响。稀土元素因其电子结构特点具有较高的催化活性16，田君等指出20稀土燃煤添加剂能改变劣质煤的燃烧历程从而显著降低反应活化能。相关研究表明16，ce2(co3)3能显著提高煤粉中挥发分的释放量和燃烧速率、降低着火点温度，促进煤的均相着火过程，对煤粉燃烧有较好的助燃效果。其与ceo2、cao、caco3这三种催化剂相比助燃效果最为突出。有关研究表明21，mno2能有效地降低煤粉着火点温度，对无烟煤而言，在最佳配比（mno2添加量为3.5%）下，能降低着火点温度20左右。其中mno2对煤粉的发热量和爆炸性影响不明显。 关于mno2对煤粉燃烧特性的助燃机理，沈峰满，彭雪飞等22认为，在煤粉燃烧后混加的mno2转化为mn3o4，进入高炉后mn3o4分解为mno。炉渣中含适量的mno可抑制tio2还原，降低炉渣熔化性温度。有关研究还认为，mno2具有较强助燃效果的关键在于热分解释放活性氧使煤粉着火初期火焰传播速度加快，并非锰元素的催化作用。3.3 本章小结从以上研究可以看出，煤粉燃烧特性的影响因素有许多，其中添加助燃剂能有效地改状况煤粉的燃烧性能，在高炉喷煤生产实践中能促进煤粉完全燃烧，从而有利于进一步提高喷煤比、降低焦比、改善冶炼条件。但高炉喷吹煤粉中添加助燃剂的有关研究较少，且在生产实践中很少运用。其中mno2对高炉喷吹无烟煤粉燃烧特性有着显著的响，因此非常有必要对粉煤中添加mno2进一步研究，从而对以往之研究做一定的补充。4 mno2含量对煤粉燃烧特性影响的研究4.1 实验条件4.1.1 实验设备本实验所用的热重设备是北京恒久科学仪器厂生产的hct型微机差热天平，该设备为微机化的dta-tg-dtg同时分析仪（hct-2 型），符合中华人民人共和国机械行业标准jb/t6856-93热重-差热分析仪。其可以对微量试样同时进行差热分析、热重测量及热重微分测量，广泛用于化学、物理学、地质学、生物学等基础科学领域以及化工、冶金、地质、电工、陶瓷、轻纺、食品、医学、农林、消防等行业的生产企业，科研单位及大专院校。hct-2型为高温型微机差热天平，其主要技术指标为：（1）温度范围，室温1450；（2）调温速度，0.1/min40/min（3）差热量程，10-1000v（4）坩埚容积，0.06ml （5）天平主机真空度：2.5102 pa4.1.2 实验原料本实验的原料为重钢新区高炉喷煤所用的无烟煤，煤样经粉碎后研磨至200目以下，原煤工业分析见表4.1。实验煤样中添加的mno2均为成都市科龙化工试剂厂生产的分析纯化学试剂，其成份分析见表4.2。表4.1 煤样工业分析煤种固定碳/%水分/%挥发分/%灰分/%无烟煤65.092.3415.3217.25表4.2 mno2试剂成份分析mno2盐酸不溶物/%硫酸盐/%有机杂质/%碱金属及碱土金属/%铁/% 86.940.060.050.012.000.024.2 实验方案（1）制备一定粒度（200目）的无烟煤煤粉，煤粉在使用之前充分干燥(水分0.3% )并向其中加入不同比例的mno2以制备试样，其中mno2的含量在2%7%范围的试样作为第一组，经热重实验分析后再大致找出对粉煤着火点温度和综合燃烧特性指数影响较大时的mno2的含量。以此为依据，再制备5个试样作为第二组，进一步准确研究最佳助燃效果下的mno2的添加量，根据需要可酌情增加试样数。（2）分别对第二组的5个试样进行热重实验，测出各