（冶金工程专业论文）重钢高炉喷吹煤粉性质与结构研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 采用冶金、物理和化学等理论与方法，研究了重庆钢铁股份有限公司炼铁厂高 炉喷吹用煤的物理化学性质、高炉内未燃煤粉的行为，分析了喷吹用煤的性质要 求，高炉喷吹量对高炉理论燃烧温度的影响，提出了重钢高炉冶炼条件下，合理 的喷吹煤粉结构和适宜的喷吹量，并在重钢5 号高炉上进行了生产实践验证分析。 对喷吹烟煤和无烟煤的物理化学性质分析结果表明，烟煤中的挥发分含量要 高于无烟煤，h 含量随着挥发分的增加而增加。灰分分析结果表明，重钢喷吹用 煤中的s i 0 2 含量和a 1 2 0 3 含量都很高，喷煤比的提高会影响高炉冶炼的造渣制度。 对不同煤种及混合结构煤的可磨性研究表明，煤粉一2 0 0 目质量分数随着加工 时间增加而加大，综合考虑制粉工艺、不同粒度煤粉的燃烧率和经济效益，建议 重钢喷煤合理粒度- - 2 0 0 目为7 5 。 实验研究了烟煤、无烟煤以及不同比例的混合煤粉的燃烧性、热分解性和不 同温度下煤粉的反应性能。烟煤的燃烧率高于无烟煤，混合煤粉中，随着烟煤比 例的增加，煤粉燃烧率逐渐增大。烟煤的反应性高于无烟煤，混合煤粉中烟煤的 增加有助于提高混合煤粉的反应指数。烟煤的热分解低于无烟煤，因为无烟煤是 煤化度较深的煤，其中无烟煤中的有机大分子在较高的温度下才能断裂、气化， 进行热解。因此，建议重钢喷吹煤粉的合理结构组成为：烟煤4 0 4 5 ，无烟煤 5 5 6 0 。 对煤粉的微观结构进行了分析，结果表明煤中的镜质组和半镜质组为活性组 分，惰质组活性较低。在未燃煤粉中有大量残余的半镜质组和丝质组。研究了喷 吹制度和喷吹量与未燃煤粉形成的关系、未然煤粉的行为及其对高炉渣性能的影 响。高炉内的未燃煤粉的增加对炉渣粘度影响较大，未燃煤粉对高炉渣的熔点影 响不大。对于重钢5 号高炉且前的冶炼条件，煤粉喷吹量小于1 2 0 k g t f e 时，未燃 煤粉产生量较少，对高炉冶炼的影响很小。 关键词：高炉喷煤，烟煤，无烟煤，未燃煤粉 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t t h em e t a l l u r g i c ，p h y s i c a la n dc h e m i c a lt h e o r i e sa n dm e t h o d sh a v eb e e nu s e dt o s t u d yo nt h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i co f t h ep u l v e r i z e dc o a lo nb l a s tf u r n a c e o f c h o n g q i n gi & sc o ，b e h a v i o ro f u n b u r n e dc o a le x i s t e di nt h eb f t h er e q u i r e m e n to f c o a lp o w d e ra n dt h eb l a s tf b r l l a e 宅t h e o r yc o m b u s t i o nt e m p e r a t u r ee f f e c tc a u s e db yp c i w a sr e s e a r c h e dt h e o r e t i c a l l y i nt h ep r e s e n tr e f i n i n gc o n d i t i o n s ，t h ea p p r o p r i a t ec o a l s t r u c t u r ea n dp u l v e r i z e dr a t ei sg i v e n , a n dp r a c t i c a le x p e r i e n c ew a sa n a l y z e do nn o 5 b fo f c h o n g q i n gi & sc o d e t e r m i n a t i o no fp h y s i c a lc h e m i c a lc h a r a c t e r so fb i t u m i n i t ea n da n t h r a c i t e , t h e r e s u l ti n d i c a t et h a tt h ev o l 撕l ef r a c t i o ni nt h eb i t u m i n i t ew a sm o r et h a nt h ea n t h r a c i t e ； t h ehv a l u ei si n c r e a s e da st h ev o l a t i l ef i a c t i o ng r o w s a s hc o m p o s i t i o nr e s u l ti n d i c a t e s t h a t t h es i 0 2 v a l u e a n d a l 2 0 3 v a l u e i ns l a g i s h i g h ，i n c r e a s e o f p c ir a t e w h i c h w i l le f f e c t f o r m a t i o no f s l a gs y s t e m t h eg d n da b i l i t yo fd i f f e r e n tc o a la n dd i f f e r e n tp r o p o r t i o nm i x e dc o a lw a s r e s e a r c h e de x p e r i m e n t a l l y t h em a s sp r o p o r t i o no fc o a ll e s st h a n7 4 p r og r o w sa st h e i n c r e a s e d p o w e rm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y , c o m b u s t i o no fd i f f e r e n tg r a i ns i z ea n d e c o n o m i cb e n e f i t sc o n s i d e r e d ，a n dt h ea p p r o p r i a t eg r a i ns i z e ( 1 e s st h a n2 0 0s i e v e n u m b e r s ) f o rc h o n g q i n gi & sc o i s7 5 t h ec o m b u s t i o no f b i t u m i n i t e ，a n t h r a c i t ea n dm i x e dc o a l ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h e r m a ld e c o m p o s i t i o na n dr e a c t i v i t yi nd i f f e r e n tt e m p e r a t u r ew e r er e s e a r c h e d e x p e r i m e n t a l l y t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h ec o m b u s t i o n r a t eo f b i t u m i n i t ei sh i g h e rt h a n a n t h r a c i t e t h ec o m b u s t i o nr a t eo fm i x e dc o a li si n c r e a s e d 舔t h eb i t u m i n i t ep r o p o r t i o n i n c r e a s e d b i t u m i n i t eh a sab e t t e rr e a c t i v i t yt h a nt h ea n t h r a c i t e ，a n dt h ei n d e xw i l lb e i n c r e a s e da st h ep r o p o r t i o no fb i t u m i n i t eg r o w s t h er e s u l to ft h e r m a la n a l y s i si st h a t t h eb i t u m i n i t eh a v eal o w e rt e m p e r a t u r ef o rw e i g h t - l o s st h a nt h ea n t h r a c i t e ，b e c a u s et h e c o a l i f i c a t i o n d e g r e e i sd i f f e r e n t s o m eo r g a n i cm a c r o m o l e c u l eo n l yc o u l db e d e c o m p o s e di nh i g l lt e m p e r a t u r e t h es u g g e s t e ds t r u c t u r eo fc o a lf o rc h o n g q i n gi & s c o i s ：b i t u m i n i t e4 0 - 4 5 a n dt h ea n t h r a c i t ei s5 5 6 0 t h em i c r o s t r u c t u r eo fc o a lw a sa n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y t h ev i t r i n i t ea n d h a l f - v i t r i n i t ea r ea c t i v ec o m p o n e n t ，a n dt h ei n e r t i n i t ei sn o tt h a ta c t i v e t h e r ei sag r e a t d e a lo fh a l f - v i t i i n i t ea n df u s i n o i dg r o u pi nt h eu n b u r n e dc o a l t h er e l a t i o n s h i po f u n b u r n e dc o a la n dt h ep c ir a t e ，b e l l a v i o ro f u n b u r n e dc o a la n de f f e c to nt h ec h a r a c t e ro f 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 s l a g t h eu n b u m e d c o a li n f l u e n c et h ev i s c o s i t yo fs l a gd e e p l y , h o w e v e r , h a sl i t t l ee f f e c t o nt h em e l t i n gp o i n t w h e nt h ep c ir a t ei s1 2 0 k g t f e ，t h e r ea r el e s st m b u m e dc o a l ，a n d w i l lh a v el i t t l ea f f e c t e do nt h eb l a s tf u r n a c e , u n d e rt h ep r e s e n tc o n d i t i o n so f n o 5b fo f c h o n g q i n gi & sc o k e yw o r d s ：p u l v e r i z e dc o a li n j e c t i o n ( p o x ) ，a n t h r a c i t e ，b i t u m i n i t e ，u n b u r n e dc o a l i t l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导f 进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致 身! | 的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也4 i 包含为获得重迭太堂 或其他教育机构的学位或征书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 院括吞 签字日期：土俨7 年易月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 重麽太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂口j i 以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行榆索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 奉学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 导师签躬： 签字日期： 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1绪论 1 1 高炉喷吹煤粉概论 高炉喷吹煤粉是从高炉风口向炉内直接喷吹磨细的无烟煤或烟煤粉或这两者 的混合煤粉，以替代焦炭提供热量和还原的作用，从而降低焦比，降低生铁成本， 提高产品的竞争力。 1 1 1 国内外喷煤现状 从2 0 世纪6 0 年代开始高炉喷煤，到7 0 年代，我国高炉喷煤技术以其资源广、 喷吹量大、时间长、效益显著而受到国际钢铁界的关注，高炉喷煤普及率和喷煤 量在国际上一度处于领先水平【l 】。8 0 年代，由于喷煤设备、自动化计量手段落后 以及煤炭质量较差等问题影响，我国高炉平均喷煤比在5 0 6 0 k g t 。9 0 年代以来， 高炉喷煤技术纳入国家科技攻关计划，大型高炉全部设置喷煤装置，喷煤高炉不 断增加，喷煤工艺改造步伐加快，喷吹安全技术、均匀喷吹技术、氧煤强化燃烧 技术、计量控制、制粉和喷吹系统计算控制等都取得了很大的进步，大喷煤成为 我国高炉炼铁技术发展的主流。从1 9 9 5 年起，我国高炉煤比逐步提高，1 9 9 5 年重 点企业平均喷煤比仅为5 8 5 k g t ，至上世纪末已达到1 1 8k g t ，翻了一番。2 0 0 2 年 达到了1 2 5k g t 。全国高炉喷煤总量也不断增加，1 9 9 8 年全国喷煤总量达7 5 0 万吨， 2 0 0 1 年喷煤量为1 3 6 0 万吨，2 0 0 2 年达到了1 4 0 0 万吨以上。 在我国四大钢铁企业中，目前首钢平均煤比为1 3 0k g t ；武钢平均喷煤比为 1 2 0k g t ：鞍钢平均喷煤比为1 3 5k g t ：其中3 号高炉喷煤比最高月度记录为2 0 3k g t ： 宝钢喷煤起步较晚，1 9 9 2 年才开始在2 号高炉试验喷煤，但发展迅速，从1 9 9 9 年 至今，3 座高炉平均喷煤已连续4 年稳定在2 0 0k g t 以上的水平，其中l 号高炉喷 煤比平均为2 3 0k g t ，最高月度达2 6 0k g t ，居世界领先水平，宝钢提出要力争在5 年内喷煤比达到3 0 0 k g t 。在大中型企业逐年扩大喷煤量的同时。一些中小高炉， 特别是3 0 0 3 8 0 m 3 高炉喷煤量也迅速提高。“十五”期间，我国钢铁行业提出的喷 煤比奋斗目标是：大中型高炉达到1 5 0k g t ；小高炉普遍开始喷煤，平均达到1 0 0 k g t 。许多企业正在新增和改造设备，扩大喷煤能力，并通过采取提高风温、富氧 和改善炉料质量等措施，以增加喷煤量，预计到2 0 1 0 年，总量将达到2 1 5 0 2 2 5 0 万吨。 从总体水平来看，我国喷煤水平还不普及，尤其是喷吹烟煤。喷煤装备技术 水平也参差不齐。全国平均喷煤比不高，与国际先进水平相差很远。高炉技术的 重庆大学硕士学位论文1 绪论 采用对我国资源、环境和成本压力的缓解没有充分发挥。 6 0 年代初，美国广泛地开展了高炉喷吹煤粉的试验研究。1 9 6 6 年阿姆科钢公 司阿什兰厂贝勒丰特高炉喷吹煤粉系统使用烟煤连续稳定生产，是国外喷吹煤粉 成功最早的高炉。当时国外高炉由于喷吹重油和喷吹天然气的发展，尚未对高炉 喷煤技术引起足够的重视。7 0 年代末期，世界发生第二次石油危机，资源匾乏和 价格上涨，天然气和重油已不再用于高炉炼铁。特别是8 0 年代开始，工业发达国 家的焦炉已经老化，由于环境保护的原因，国家又不准建立新焦炉，使焦炭短缺， 因此，国外又普遍推广了高炉喷煤技术。 其中日本于1 9 8 1 年开始采用喷煤技术，到1 9 9 5 年全部高炉已喷吹煤粉。在 喷煤量方面，1 9 9 1 年就有9 座高炉喷吹量超过1 0 0 k g t 铁，其中喷煤量最大得是神 户3 号高炉( 1 8 4 5 m 3 ) ，平均喷煤量达到1 7 5 5 k g t 铁，月平均最高喷煤量为1 8 7 8 k g t 铁。n k k 公司福山4 号高炉于1 9 9 4 年4 月底完成喷煤设备的安装，系统喷煤 能力为7 2 t h ，6 个月后实现了高煤比操作，最高煤比曾达到2 3 0 k g t 铁，月平均煤 比达到2 1 8k g t 铁 2 , 3 1 。目前，日本许多高炉得喷煤量超过2 0 0k g t 铁。 荷兰h o o g o v e n 公司【2 1 i j m u i d e n j 6 号高炉达到2 1 8k g t 铁。意大利塔兰托4 号 高炉( 3 3 7 7 m 3 ) 在1 9 9 6 年也有两个月突破了2 0 0k g t 铁。英国肯索普厂维多利亚 号高炉喷吹粒煤，喷煤比达到2 0 8k g t 铁。 表1 12 0 0 0 年国内外煤比( 2 0 0 k g t ) 的高炉 t a b l ei 1b f b o t hi nd o m e s t i ca n da b r o a d ( p c ir a t e 2 0 0 k g t ) i n2 0 0 0 2 重庆大学硕士学位论文l 绪论 1 2 高炉喷煤对高炉冶炼的影晌 高炉喷吹煤粉后，煤粉在风口前燃烧。煤粉与热风中的氧在风口回旋区进行 燃烧反应，生成c o 、h 2 和n 2 ，并放出一定的热量。可以把煤粉的燃烧过程分为 若干阶段，第一阶段是煤粉中所含水分的析出。第二阶段与吸附过程有关，其特 征是热焓急剧增加，被煤吸附的氧分子开始发生变化，同时发生化学吸附。第三 阶段是析出挥发性物质。挥发性物质开始燃烧并同时放出热量，此过程开始结束 时，残留的挥发物质就在残焦透热过程中继续析出。第四阶段是残焦燃烧【4 】。 高炉喷吹煤粉后，炉缸煤气量增加，鼓风动能增加并且高炉风口前燃烧带扩 大p i 。由于煤粉中碳氢化合物比较高( 焦炭中挥发分含量一般为1 左右，无烟煤 挥发分在8 1 2 ，烟煤中挥发分则高达4 0 ) ，风口前气化后产生大量的煤气， 使炉缸煤气量明显增加。 高炉喷吹煤粉后，理论燃烧温度下降的主要原因有：喷吹煤粉后煤气量增加， 燃烧产物的数量增加，用于加热产物的热量增加比较多；喷吹燃料气化时因碳氢 化合物分解吸热，燃烧放出的热值降低；焦炭到达风口燃烧带已被上升煤气加热， 可为燃烧带来部分物理热，而煤粉喷入时的温度一般只有8 0 。c 左右，带进的物理 热少。 高炉喷吹煤粉后，炉缸中心温度均匀并略有上升【6 】，主要原因有：煤气量及鼓 风动能增加，燃烧带扩大使到达炉缸中心的煤气量增多，中心部位的热量收入增 加，炉缸径向温度的梯度缩小；高炉上部的还原过程得到改善，在高炉下部进行 的直接还原数量减少，热支出减少；高炉热交换改善，进入炉缸物料的温度升高。 高炉喷吹煤粉后，料柱的阻损增加，压差升高 7 1 。喷吹煤粉后，由炉缸上升的 煤气主要由三部分组成：风口前焦炭中碳燃烧形成的煤气，喷吹煤粉燃烧形成的 煤气，直接还原形成的煤气。随着喷吹量的增加，喷吹煤粉燃烧形成的煤气增大， 而其它两项则降低。生产实践和理论计算表明喷吹煤粉燃烧形成的煤气的增加总 是超过其它两项的减少，最终炉顶压差总是有所增加。同时，单位生铁的焦炭消 耗量降低，料柱中的矿焦比增大，料中透气好的焦炭量减少，使料柱的透气性交 差。所以煤气上升的阻力增加，表现为高炉压差增加，炉身温度和炉顶温度略由 上升。喷吹无烟煤时，煤气量增加的幅度较小，所以炉顶温度的升高幅度也较小。 高炉喷吹煤粉后，间接还原发展而直接还原降低【8 】【9 l 。喷吹煤粉以后，改变了 高炉燃料结构，进而改变了铁氧化物还原和碳气化条件。有利于间接还原的发展 和直接还原度的降低，主要原因有：煤气中还原性气体( c o + h 2 ) 的浓度增加， n 2 含量降低；h 2 的数量和浓度显著提高，而h 2 较c o 在还原热力学和动力学方面 均占一定的优势。 国内外配煤常用含碳高、发热值高的无烟煤和挥发分高、易燃的长焰煤配合， 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 使混合煤的灰分达到2 0 2 5 ，灰分在1 2 0 4 0 以下，充分发挥两种煤的优点，取 得良好的喷吹效果。 1 3 我国喷煤的新工艺 我国有几十年高炉喷煤的实践经验，通过对多种喷煤工艺流程长期运行效果 的比较，明确了高炉喷煤的发展方向，即高风温、低富氧、大喷煤量。要求在风 温超过1 2 0 0 c ，富氧2 5 的条件下，实现煤比和焦比都达到2 5 0 k g t 。对于新建 喷煤系统，设计上应该尽量采用直接喷煤短流程、中速磨制粉和喷吹烟煤。另外， 喷煤系统采用计算机集中控制，取消全部或者大部分二次仪表，这也是技术发展 的必然要求。 两段式喷吹工艺 在高炉大量喷吹煤粉的情况下，由于煤粉流速高，在回旋区停留时间短等原 因。致使风口前未燃煤粉量增加，相当比例的煤粉在回旋区内不能燃烧，以未燃 煤粉的形式存在于高炉内。在高炉料柱内部分区域出现过量的未燃煤粉积留，导 致高炉全压差上升，恶化料柱的透气性，从而影响高炉顺行。两段式喷吹工艺通 过由风口喷入的部分煤粉引至软熔带上部、炉身下部喷入炉内，有利于实现未燃 煤粉在炉内的均匀分布，减轻滴落带内的局部过量积粉，降低高炉全压差，有利 于进一步提高煤粉喷吹量【1 1 】。 直接喷煤短流程 直接喷煤系统要求把制粉设备与喷吹设备建造在同一建筑物内，并且附近一 般要设有较大的存储场或干燥棚。直接喷煤系统可以向一座大型高炉( 如容积大 于4 0 0 0 m3 的宝钢l 号、2 号和3 号高炉) 喷煤，也可以向l 临近的几座高炉同时喷 煤，喷吹输送距离可以达到3 0 0 6 0 0 m 。首钢2 0 0 0 年投产的直接喷煤系统可以向 2 号( 1 8 0 0m 3 ) 和3 号( 2 5 3 6i n 3 ) 高炉喷煤，喷吹输送距离分别是3 5 0 m 和5 5 0 m 。 与间接喷煤流程相比，直接喷煤流程节省了一套收粉装置和仓式泵输粉装置，因 此显著降低了喷煤系统的工程投资并减少了系统运行成本。近年来，我国2 0 0 0 m 3 以上级大高炉新建的喷煤系统几乎全部采用了直接喷煤流程。采用一次布袋收粉 器和总管加分配器的喷吹方式也是喷煤短流程的重要内容。 中速磨制粉 中速磨一直是电厂磨制煤粉的专用设备，近年来被广泛应用于高炉煤粉系统。 与球磨机相比，中速磨的密封性能号、电耗低，而且噪音小，属于节能和环保型 设备。近年来，国内新建的喷煤系统几乎全部采用了中速磨。中速磨对原煤煤质 的要求比较严格，煤质硬度高，磨机的出力下降。因此，采用中速磨制粉时应该 选用硬度较低的无烟煤和或者烟煤。如果用中速磨磨制硬度较高的无烟煤，可能 4 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 会影响磨辊寿命，降低磨机出力，其节电效果也部明显。 一次布袋收粉器 采用一次布袋收粉器可以大大简化煤粉手机除尘设备，节约工程投资，并且 能够明显降低系统阻力，减少尾气排放浓度，它是高炉喷煤短流程的主要设备之 一。目前，国内喷煤系统采用的一次布袋收粉器入口能够直接收集1 0 0 0 9 m 3 的高 浓度煤粉烟气，出口尾气排放浓度小于5 0 m g m 3 ，符合环保要求。一次布袋收粉器 一般使用防静电针刺毯滤箱系统，箱体有多个防暴孔，采用氮气或低氧含量排放 尾气进行反吹，适用于烟煤制粉系统，其设备阻力小于1 2 0 0 p a ，设计过滤风速度 为0 8 1 o m m i n 。 多管路喷吹系统的工程投资高，系统复杂，设备维护量大，喷吹管道容易堵 塞、风口量不均匀，目前已经逐步被喷吹总管加分配器所取代。总管加分配器喷 吹系统由设在喷吹罐后的喷吹总管、设在高炉附近的煤粉分配器以及与喷枪连接 的喷煤支管组成。容积超过1 0 0 0 m 3 的大高炉一般采用2 台分配器，小高炉则采用 l 台分配器。喷煤总管口径因喷煤量的大小而异，一般喷煤支管直径为2 0 2 5 n u n 。 1 9 8 9 年，鞍钢开始陆续淘汰多管路喷煤系统，2 0 0 0 年新建喷煤站后也采用了总管 加分配器。目前使用比较普遍的煤粉分配器为盘式和锥式，分配精度小于5 。瓶 式分配器和锥刀式分配器因其分配均匀度低或结构复杂己被淘汰。 烟煤喷吹 过去由于缺乏可靠的安全检测手段和防暴措藏，我国喷煤系统普遍喷吹挥发 分含量较低( 小于1 0 ) 的无烟煤。高炉喷煤量提高后，低灰分、低硫的无烟煤 出现资源短缺问题，加之其喷煤置换比低、灰分高，迫使企业开始考虑喷吹挥发 分含量较高的烟煤。近年来，鞍钢、宝钢、首钢等企业新建和改善的喷煤系统都 已具备喷吹烟煤或混合煤粉的能力。喷吹烟煤所采取的安全措施主要有：采用热 风炉废气作为干燥煤粉的介质；采用惰性气体进行液化和充压；全系统消除有可 能积粉的死角；监测制粉系统和粉仓内的湿度和烟气中氧气和一氧化碳气体的浓 度等。实践表明，采取以上措施完全可以保证喷吹烟煤的系统长期、安全运行。 由于能够喷吹烟煤的系统必然可以喷吹混合煤和无烟煤，生产企业可灵活地根据 煤炭市场的价格变化调整喷吹煤种，达到降低生产成本的目的。为此，新建喷煤 系统一般应该按照喷吹烟煤来设计，使之具备多煤种喷吹的条件。 浓相喷吹 管道末端喷吹固气比达到3 5 4 0 k g k g 和管道始端喷吹流股的速度达1 4 m s 是浓相喷吹的主要特征，与传统喷吹方式相比，浓相喷吹具有载气消耗量少、对 管道和阀门的磨损小、煤粉喷吹或输送能力高等特点，是国内目前大力推广的一 项喷煤新技术【l ”。应该指出，计算实际喷吹固气比时应该考虑喷吹罐出口煤粉的 5 重庆大学硕士学位论文l 绪论 含气量。忽略这部分气体流量，而仅考虑补气流量，可能导致固气比的计算值偏 高。较高的喷吹压力，良好的流化条件、好的煤粉质量和合适的喷吹管道是实现 浓相喷吹的前提条件。只要能够满足以上条件，上出料和下出料型喷吹罐都能实 现浓相或高浓度喷吹。 喷煤系统的计算机自动控制 近年来，经过计算机改造，许多高炉喷煤系统取消了全部或大部分二次仪表 ( 如温度、压力、流量现实仪和长图记录仪等) ，实现了计算机自动控制。喷煤系 统采用计算机控制不仅可以减轻工人劳动强度，也有利于系统平稳高效的运行。 喷煤系统计算机自动控制的主要内容有：载喷吹系统实现自动倒罐、自动稳压、 自动计量、自动调节喷煤量以及自动统计喷煤数据等。些喷煤站还实现了制粉 系统自动控制，包括自动控制烟气升温炉升温，自动调节干燥气温度和流量等【”】。 有选择的喷吹塑料 我国塑料工业发展迅速，1 9 9 7 年塑料制成品产量达到1 5 3 4 万吨。治理我国塑 料污染已经是刻不容缓的任务，建议国内尽早开始高炉喷吹塑料的研究【1 4 1 。 1 4 高炉喷吹煤粉的意义 从高炉风口向炉内直接喷吹磨细的煤粉，可以替代炉内焦炭起提供热量和还 原的作用，从而降低焦比，降低生铁成本，提高产品的竞争力，因此是现代高炉 冶炼的一项重大技术革命。 从经济增长方式的转变认识喷煤意义，钢铁企业的经济增长方式，坚持外延 与内涵相结合。规模经济由于受资金、原燃料供应、产品市场销售等因素的影响， 不可能长期连续的发展，在具有一定的规模经济基础后，也必须寻找新的经济增 长点，实现生产结构的优化，走内涵之路。炼铁系统工艺结构优化的核心是以煤 代焦，提高喷煤比，降低生产成本。因此，发展高炉喷煤技术是炼铁生产转变经 济增长方式的重要内容之一【1 5 】。 从煤炭资源利用认识喷煤的意义，炼铁生产的燃料主要是焦炭，由于炼焦用 煤、肥煤、焦煤的自然储量不均，主要煤种气煤资源严重不足，质量也受到影响 并不断下降，对炼焦生产的影响逐年增加，进而影响炼铁技术经济指标的稳定和 提高。发展高炉喷煤，煤炭资源取多避少，以煤代焦，提高煤资源的利用。减少 因煤炭炼焦工业生产过程中的投资、资源、环保、成本和运输的压力、兼顾社会 效益的提高。 从提高企业经济效益认识喷煤的意义，提高喷煤比，对降低入炉焦比，提高 经济效益有显而易见的作用。近几年，煤炭、焦炭价格不断上涨，1 9 9 5 年高炉喷 煤用无烟煤进厂平均价格为3 0 0 元t ，焦炭为5 8 0 元t ，通过加工达到高炉可使用 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 成品时，无烟煤的喷煤置换比按0 8 计算，每喷吹1 吨煤粉可节省资金1 0 0 元。而 现在焦炭由于资源缺乏，价格增长很快，己达到了1 0 0 0 元t 左右。可想而知价格 廉价的煤粉部分代替价格昂贵而日趋匮乏的冶金焦炭，馒高炉炼铁焦比降低，生 产成本显著下降。所以喷吹煤粉，不仅使能源的节约，而且使经济效益得到提高。 从高炉冶炼方面认识喷煤的意义，喷煤是调剂炉况热制度的有效手段，如果 充分利用喷煤操作做为高炉操作的调剂手段，改善高炉炉况，就可以实现生产结 构的优化。喷吹煤粉可改善高炉炉缸工作状况，使高炉稳定顺行。喷吹的煤粉在 风口前气化燃烧会降低理论燃烧温度，为了维护高炉冶炼所必需的理论燃烧温度， 温度需要补偿，这就为高炉使用高风温和富氧鼓风创造了条件。喷吹煤粉气化过 程中放出比焦炭多的氢气，提高了煤气的还原能力和穿透扩散能力，有利于矿石 还原和高炉操作指标的改善。由此可见，高炉喷煤对高炉冶炼起了积极的作用。 从物料优化方面认识喷煤的意义，随着生产能力的增加，焦炭缺口问题更加突 出。若新建焦炉受资金等因素影响，则企业还要靠外购焦炭来满足生产的需要。 而喷吹煤粉代替部分冶金焦炭，既缓和了焦煤的需求，也减少了炼焦设施，可节 约基建投资。通过喷吹煤粉，以减少外购焦炭数量，缓解自产焦炭不足和外购焦 炭质量不稳定给炼铁生产带来的困扰。 1 5 重钢高炉喷吹现状 重庆钢铁股份有限公司炼铁厂现有四座高炉：6 2 0 m 3 高炉两座、1 2 0 0 m 3 高炉 一座，1 3 5 0m 3 高炉一座。 图1 1 重钢高炉喷煤系统工艺流程图 f i gl ，1p c it e c h n o l o g i c a lp r o c e s so f c h o n g q i n gi & sc o 7 重庆大学硕士学位论文i 绪论 1 5 1 重钢喷煤设施简介 重钢高炉喷煤系统工艺流程图如图1 1 。重庆钢铁股份有限公司采用双系列中 速磨负压系统，磨煤机为上海重型机器厂生产的h p s 8 6 3 型碗式中速磨煤机，最大 制粉能力2 5 0 k g t 铁。喷吹设备采用德国k u e t t n e r 公司的双罐并列喷吹系统。一个 喷吹罐有三根总管出口，每根总管对应一座高炉，二个喷吹罐交替工作，即“一喷 三”。整个喷吹系统使用全n 2 喷吹，总消耗量约2 5 0 0 m 3 h 。制粉输送速度低，仅l 3 m s ，煤粉输送浓度高达4 0 5 0 k g ( 粉肚g ( 气) 。喷吹能力按年产1 8 0 万吨生铁设计 喷吹量为1 5 0 k g t 铁，最大喷吹量为2 0 0 k g t 铁。 重钢高炉喷煤历史较短，2 0 0 1 年之前采用全焦冶炼，与2 0 0 1 年7 月成立了高 炉喷煤课题组，2 0 0 1 年1 1 月2 8 日和1 2 月2 日先后在原来四高炉、三高炉试喷成 功，五高炉2 0 0 2 年3 月1 2 日试喷成功，三座高炉联合喷吹成功，使煤比逐月提 高至9 0 k g t 左右。2 0 0 2 年四高炉冶炼强度达1 1 0 1 t m 3 d ，较2 0 0 1 年的1 0 7 1t m 3 d 提高了o 0 3t m 3 d ；五高炉冶炼强度达1 1 7 2t m 3 d ，较2 0 0 1 年的1 1 3 8 提高了o 0 3 4 t m 3 d 。 1 5 2 重钢高炉冶炼特点 重钢高炉冶炼特点：炉料变换频繁：烧结矿和球团矿配比经常改变，加之 石灰石、白云石成份波动大，其除导致入炉矿冶金性能大幅波动，进而导致热制 度不稳定外，还使炉渣成份大幅度波动。低钒钛冶炼：重钢使用8 左右自产钒 钛精矿，炉渣中( t i 0 2 ) 常在2 。8 3 ，s ，生铁中 t i 】- 一般在o 2 - - 0 2 5 ，如果生铁 中 t i 】继续升高将会使铁水流动性明显变差。高炉喷煤后未燃煤粉将会部份进入炉 渣，因其具有较大比表面积和较差的反应性，极易与渣中( t i 0 2 ) 发生反应生成 t i 和难熔的t i ( c 、n ) 分别进入生铁和炉渣，从而使铁水渣子流动性均变差，渣中 含铁量升高，最终导致炉缸易于垫结，烧坏冷却设备等。炉渣成份不理想：因 为焦炭灰份高使炉渣中( a 1 2 0 3 ) 常在1 5 左右，加之前述( t i 0 2 ) 较高，使炉渣 脱硫能力较差，同时因硫负荷较高( 常在6 k 趴左右) ，为了保证生铁质量，高炉 被迫采用较高碱度操作。目前二元碱度按1 1 加1 2 2 控制，( m g o ) 在9 左右，因 此炉渣流动性、稳定性均欠佳。以上诸多因素都限制了喷煤比的提高。 1 6 本文主要研究内容 重钢高炉喷煤工艺仍存在着以下问题：喷煤比与国内水平比差距尚大，继续 提高煤比后高炉操作的变化有待研究；混喷中烟煤最佳配比尚不清晰，喷吹无烟 煤后的冶炼制度变化有待进一步探索；最经济富氧量有待研究确定。在此情况下， 针对重钢高炉现状，研究喷吹用煤的性质对提高煤粉在商炉内的燃烧率，从而提 高喷煤比，降低综合焦比，降低生产成本，提高生铁质量，对高炉的高效顺行具 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 有重要意义。 结合重钢高炉冶炼条件，主要研究内容包括： 重钢喷吹用煤的物理化学性质研究； 不同煤种的可磨性分析，烟煤与无烟煤组成结构对制粉工艺的影响研究； 烟煤、无烟煤煤粉的燃烧性研究，不同煤粉结构组成与燃烧性的关系； 烟煤、无烟煤煤粉的反应性研究，不同煤粉结构组成与反应性的关系； 煤粉的微观结构分析，不同配比的混合煤粉性质分析，确定合理的高炉喷 吹煤粉结构； 高炉内未燃煤粉的形成与性质分析，喷煤比对未燃煤粉的影响，确定重钢 目前的冶炼制度条件下的适宜的喷煤比。 9 重庆大学硕士学位论文 2 高炉喷吹用煤性能分析 2 高炉喷吹用煤性能分析 2 1 高炉喷吹的煤种选择 高炉喷吹的煤粉是用来代替焦炭的，所以它用的煤是属于非粘性煤，也就是 非炼焦煤。煤的粘结性是煤在于馏时粘结其本身或外加惰性物的能力。它是评价 炼焦用煤的重要指标。非粘结性煤是指在干馏过程中不能软化成胶质体并固化粘 结成块状焦炭的煤。高炉喷吹用煤主要是无烟煤、贫煤、不粘煤、长焰煤以及褐 煤【1 6 1 ，根据煤的分类，贫煤、不粘煤、长焰煤属于烟煤。 褐煤是泥煤经过进一步变化后生成的，由于它能将热碱水染成褐色而得名。 与泥煤相比，它的密度大、含碳量较高，氢和氧的含量较少，挥发分产率较低， 体积密度为7 5 0 8 0 0 k g m 。褐煤的使用性能是粘结性弱，极易氧化和自燃，吸水 性较强。新开采出来的褐煤机械强度较大，在空气中极易风化和破碎，因而不适 于远距离运输和长期储存，只能作为地方性燃烧使用。国外离产地较近的高炉褐 煤作为喷吹用煤，特别是粒煤喷吹。 烟煤是一种炭化程度较高的煤。与褐煤相比，它的挥发分较少，密度较大( 其 密度为1 2 1 4 5 k g m 3 ) ，吸水性较小，含碳量增加，氢和氧的含量减少。烟煤的 最大特点是具有粘结性。烟煤中凡结焦性差的煤可用来做高炉喷吹用煤。无烟煤 是矿物化程度最高的煤，也是年龄最老的煤。它的特点是密度大( 真密度为1 4 1 t k g m ) ，含碳量高，挥发分极少，组织致密而坚硬，吸水性小，适于远距离运 输和长期储存。无烟煤的主要缺点是受热时容易爆裂成碎片，可燃性差，不易着 火。由于其发热量大( 约为2 9 k j k g ) ，灰分较少，含硫量较低，因此是我国现行 高炉喷煤的主要煤源。 2 2 高炉喷吹用煤的物理化学性质 高炉喷吹煤粉的工艺性质主要包括： 煤粉的燃烧性能。高炉喷吹煤粉的挥发分高低直接影响煤的燃烧率，挥发分 越高，煤的燃烧越完全。 煤粉的含碳量和发热值。煤粉的含碳量和发热值对煤焦置换比有重要的影 响。欧洲喷吹烟煤，煤焦置换比( 校正值) 为0 8 6 左右；首钢喷吹无烟煤，煤焦 置换比达到了0 9 左右，水平相当稳定旧。 1 0 重庆大学硕士学位论文 2 高炉喷吹用煤性能分析 煤粉的灰分含量。过高的灰分将降低风口火焰温度，降低煤的活性，影响煤 粉着火与燃烧。煤粉灰分含量与原煤粒度有关，细粒级煤粉灰分含量明显高于粗 粒级煤粉。通过筛除原煤中细粒级部分，可降低并稳定入炉煤粉的灰分含量。 煤的可磨性指数。可磨性指数低于5 0 的煤比较硬、很难磨；高于9 0 的煤虽 然易磨，但往往是粘结性强的煤，可能给磨煤和输煤造成困斛1 羽。 煤粉的粒度。高炉喷吹煤粉的粒度是影晌煤粉燃烧率的重要因素之一。煤粉 的粒度并非越细越好。a i b a b i c h 1 9 1 等人指出，喷入高炉煤粉的最佳粒度5 0 1 0 0 p r o 应占6 0 8 0 。通常对煤粉- - 2 0 0 目的控制，高变质煤类( 无烟煤、贫煤、 瘦煤) 为 7 0 ；中等变质程度煤类( 不秸煤、弱枯煤、长焰煤、气煤) 为6 0 左右；低变质程度煤类( 气肥煤、长烟煤) 磨得过细则燃烧率上不去。在已有的 喷煤实践中，大多数高炉都喷吹小于2 0 0 目占8 0 左右的煤粉。 煤粉的灰熔点。煤粉灰分开始熔化的温度。混合煤粉没有固定的灰熔点， 存在熔化的温度区间。一般煤粉的灰熔点在1 0 0 0 c 左右。灰熔点很低，对高炉冶 炼不利，易于熔渣，在风口、喷腔处易粘结，造成不正常的燃烧。一般情况下， 烟煤的灰熔点低，无烟煤的灰熔点高。 煤粉的着火点。将煤粉加热到开始燃烧时的温度。取决于煤质( 灰分、挥 发分) 和喷吹条件。挥发分高，着火点低；灰分高，着火点高。一般无烟煤在 4 0 0 左右，烟煤在3 0 0 左右。 煤粉的爆炸性。高炉喷吹煤粉从设计到操作都必须重视安全，防止煤粉爆 炸。煤粉爆炸应同时具备下述3 个条件： 1 ) 煤粉处于分散悬浮状态，浓度在爆炸区间之内； 2 ) 有足够的氧支持； 3 ) 有足够能量的点火源。 一般认为煤粉的爆炸性与挥发分的含量有直接关系，干燥无灰基挥发分低于 1 0 的煤基本没有爆炸性，高于1 0 为有爆炸性煤，高于2 5 为强爆炸性煤。煤 的挥发分越高，爆炸性越强。 2 3 高炉喷吹煤粉性能要求 高炉喷吹用煤应能满足高炉冶炼工艺要求和对提高喷吹量和置换比有利，以 便替代更多的焦炭。因此高炉喷吹用煤应满足以下性能： 煤的灰分越低越好，煤的灰分含量应与高炉使用的焦炭的灰分相同，一般 要求a 1 5 。 煤的硫含量越低越好，煤的含硫量应与高炉使用的焦炭的含硫量相同，一 重庆大学硕士学位论文 2 高炉喷吹用煤性能分析 般要求s 1 0 。 胶质层越薄越好，y 1 0 m m ，以免在喷吹过程中结焦，堵塞喷枪和风口， 影响煤粉喷吹和高炉正常生产。 煤的可磨性好，高炉喷煤需要将煤磨到一定细度，例如小于2 0 0 目达到 6 5 8 5 ，可磨性好，则制粉消耗的电能就少，可降低喷吹费用。 煤的燃烧性能好，即其着火温度低，反应性强等，这可以使喷入高炉的煤 粉能在有限空间和时间内尽可能多地气化、少量未气化的煤粉也因反应性好而与 高炉煤气中的c 0 2 和h 2 0 反应而气化，不给高炉冶炼带来麻烦。另外燃烧性能 好的煤也可以磨得租一些，即- - 2 0 0 目占的比例少一些，这为降低能耗和费用提 供了条件。 煤的发热值越高越好，喷入高炉的煤粉是以其放出的热量和形成的c o 、h 2 来代替焦炭在高炉内提供热源和还原剂。因此煤的发热值越高，在高炉内放出热 量越多，置换的焦炭也越多。 2 4 高炉喷吹合理配煤结构 从高炉喷吹煤粉的性能要求来对照生产用的各种煤，可以发现任何一种煤都 不能达到全部要求，只能满足其中的l 3 项，另外各种煤源由于产地、开采方 法、运输方式等不同，其单位价格也不相同，为了获得较全面的喷吹效果，应利 用配煤来达到以下目标： 磨煤机台时产量趋近理想的经济产量； 提高煤粉在风口前的燃烧率，扩大喷煤量； 达到较高的置换比和高炉生产技术经济指标； 煤的价格经济合理； 综合利用各种煤资源，供煤、运输合理而有保证。 国内外配煤常用含碳高、发热值高的无烟煤和挥发分高、易燃的长焰煤配 合，使混合煤的灰分达到2 0 2 5 ( 平均2 2 ) ，灰分在1 2 以下，充分发挥两 种煤的优点，取得良好的喷吹效果。 2 5 高炉喷吹煤粉燃烧的特点 高炉喷吹煤粉燃烧的一些特点： 有限空间的煤粉燃烧 从燃烧学出发，燃料的燃烧过程，燃烧空间和燃烧时间都是很重要的条件。 燃烧空间和时间不足将导致燃料的不完全燃烧，以致浪费能源并引起环境污染， 重庆大学硕士学位论文2 高炉喷吹用煤性能分析 操作条件恶化等一系列问题。高炉煤粉喷枪位于直吹管的前端，离高炉风口回旋 区很近，一般经过4 0 0 6 0 0 m m ，就进入高炉，直吹管内径一般为2 0 0 r n m ，风口 则更小，这样连同回旋区在内煤粉燃烧空间很小。另外直吹管正常的热风标准状 态速度达1 0 0 1 5 0 m s ，所以煤粉的停留时间有限，一般认为只