（冶金工程专业论文）高炉全烟煤富氧喷吹研究.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 高炉全烟煤富氧喷吹研究 摘要 高炉喷煤是世界炼铁工业广泛采用的新技术，通过喷煤，可达到调节高炉 炉况、稳定生产顺行、降低炼铁生产成本的目的。这项技术近几十年来在国内外 均取得了明显的进步。而富氧和喷煤结合，既可以大幅度提高产量又能增加喷 煤比，从而更加降低炼铁生产成本和提高综合经济效益。 从高炉冶炼工艺角度看，烟煤更适合喷吹，因为烟煤燃烧性能好，有利，t - 煤粉在高炉内的燃烧，有利于提高喷煤比。同时因烟煤分布广泛、烟煤价格相对 便宜，可以进一步降低煤粉成本，所以，喷吹烟煤成为喷煤生产发展的方向。 目前，国外大部分先进高炉和国内部分高炉均喷吹烟煤。 本文结合安钢高炉烟煤富氧喷吹生产实际情况，从富氧喷煤理沦、煤粉特 性、烟煤喷吹工艺等方蘑探讨了烟煤富氧喷吹生产的安全、技术问题，讨沦了 进一步提高喷煤比的措施。通过实验，结合生产工艺，通过调整喷煤比、富氧率 大小等几方面的工作，对高炉富氧喷吹烟煤在风口前燃烧率的变化等进行了探 讨和研究，以寻求合适的富氧率和最佳的喷煤比的配合，降低炼铁成本。另外 对煤粉粒度的控制与对喷煤系统安全、生产、炉内燃烧等方面的影晌等方面进 行了实验研究，找出了合理的粒度范围。 无富氧时，适量的喷煤比下煤粉有较高的燃烧率，当煤比过大时，燃烧率 降低；富氧喷煤时，煤比定，煤粉的燃烧率和置换比随富氧率的升高而提 ；每；富氧率一定，煤粉的燃烧率和置换比均随燃比的升高丽降低；当富氧量较 低，喷煤量也不商时，粗细煤粉二者的燃烧率裙差不大；当富氧率较高 f 2 o ) ，且喷煤量也较高( 1 3 0 k g t ) 时，粗粒煤粉的燃烧率高于细粒煤粉。 关键词：高炉喷煤烟煤煤粉燃烧率 查! ! 垄兰翌主兰竺丝查 垒! 皇兰! i n v e s t i g a t i o no nb fw i 血o x y g e ne n r i c h m e n ta n db i t u m i n o u sc o a l 珂e c t i o n a b s t r a c t p u l v e r i z e dc o a l 蛔e c t i o nf o rb f , an e wt e c h n o l o g yi sb r o a d l yu s e di nt h ep r o c e s s o f i r o np r o d u c t i o na n di so n eo f t h ei m p o r t a n tw a y st oa d j u s tc o n d i t i o n so f m o d e mb f 1 1 1 i st e c h n o l o g yh a sb e e nm a d eg r e a tp r o g r e s si nt h el a s td e c a d e s f r o mt h ep r o c e s so fi r o nm a k i n g ，t h eu s eo fb i t u m i n o u sc o a ti sm o r es u i t a b l e b e c a u s eo fb e r e rc o m b u s t i o na n ds u b s e q u e n t l yt h ei m p r o v e dr a t i oo fc o a l a tt h e s a l n et i m e ，t h ep r i c eo fb i t u m i n o u sc o a li sl o w e r , w h i c hc a nr e d u c et h ec o s t b i t u m i n o u sc o a li si n j e c t e di nm o s ta d v a n c e db fi nf o r e i g nc o u n t r i e s b u ti no u r c o u n t r ya n t h r a c i t ec o a li si n j c o t e di nm o s tb fc o n s i d e r i n gt h es a f e t y b a s e do nt h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n so fa n y a n gs t e e l sb l a s tf u l n a c e s ，i nt h i sp a p e r , s e v e r a lr e s p e c t sw e r ed i s c u s s e da b o u ts a f ec o n t r o la n dt e c h n o l o g yf o rt h es y s t e mo f p c i ，s u c ha st h ec h a r a c t e ro fc o a l ，p r o c e s so f 谢e c t i o n ，t h ep a r a m e t e r so ft h es y s t e m a n ds oo n t h ec h a n g e so fc o a lc o m b u s t i o nr a t ei nb i t u m i n o u sc o a li n j e c t i o ni nt h e b l a s tf u l m a c ep r o d u c t i o nw e r ec a r r i e do u tw i t hp r o c e s so p t i m i z i n gf o rs a f e t yp c i o p e r a t i o n ，a d j u s t i n go f c o a ls i z e sf o rb o t ho u t p u ti n c r e a s eo f b a l lm i l la n d p c ir a t er i s e ， a n dc h a n g i n go fb o t hp c ir a t ea n do x y g e ne n r i c h m e n tf o ro p t i m u mc o a lc o m b u s t i o n ， t h er e s u l t so ft h ep u l v e r i z e db i t u m i n o u sc o a li n j e e t i o ni nt h ea n y a n g sb l a s t f u r n a c es h o w e dt h a t ：( 1 ) t h e r ei sa l lo p t i m u mc o a lc o m b u s t i o nr a t i oi nac e r t a i nr a n g e o fp c ir a t ew i t h o u to x y g e ne n r i c h m e n t ，a n dc o a lc o m b u s t i o nr a t i or e d u c e dw i t h i n c r e a s i n gp c ir a t e ，( 2 ) b o t hc o a lc o m b u s t i o nr a t i oa n di t sd i s p l a c e m e n tr a t i of o rc o k e i n c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n go x y g e ne n r i c h m e n tr e s p o n d i n gt oac e r t a i np c ir a t e ，a n d d e c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gp c ir a t ec o r r e s p o n d i n gt oac e r t a i no x y g e ne n r i c h m e n t ，( 3 ) i nl o w e ro x y g e ne n r i c h m e n ta n dn o th i g h e rp c ir a t e ，t h ec o a lc o m b u s t i o nr a t i ow a s a l m o s ts a m ef o rb o t hc o a r s e rc o a la n df r e e rc o a l ，a n d ( 4 ) u n d e rt h ec a s e 谢t ： 1h i g h e r o x y g e ne n r i c h m e n t ( m o r et h a n2 0 呦a n dh i g h e rp c ir a t e ( m o r et h a n13 0 k g t ) ，t h e c o m b u s t i o nr a t i oo f t h ec o a r s e rc o a lw a sl a r g e rt h a nt h a to f t h ef i n e rc o a l k e yw o r d s ：b l a s tf i l m a c e ，p u l v e r i z e d c o a l i n j e c t i o n ，b i t u m i n o u sc o a l ，c o a l c o m b u s t i o nr a t i o 1 1 1 东北大学硕士学位论文独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发 表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的 材料。与我一同工作的闯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0 蝴 日 期：j ：膨孝罗碍 ，j 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用 学位论文的规定：即学校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，允许论文被查阅穰借阕。本人同意东北大学可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 f 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同 意。1 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字目期： 东北大学硕士学位论文 第一章炙献综述 1 1 概述 第一章文献综述 高炉喷吹煤粉是一项国内外高炉冶炼生产中普遍推广使用并不断发展的技 术，其重要意义在于使炼铁生产少用焦炭，节约能源，降低生铁生产成本，改 善高炉冶炼过程，并为使用商风温等技术操作仓4 造条件【l 】。同时该技术可以扩 展风口前的回旋区，缩小呆滞区：增加煤气中的h 2 含量，改善还原过程；增加 矿石在炉内的停留时间，提商c o 的利用率；有利于提高风温，发挥离风温的 作用；可以富化商炉煤气，改善钢铁联合企业的能源供应，从而进一步改善高 炉甚至企业整体的各项技术经济指标。 冶金焦炭是传统高炉炼铁的主要燃料。隧着炼铁生产规模的扩大和生铁需 求量的增加；璇着现有焦炉的老化，环境污染严重，难以再用新建焦炉的办法 增加焦炭产量。冶金焦炭的供应日趋紧张，其价格不断上涨。更主要的是，作 为冶金焦炭生产的唯一原料，炼焦煤不仅供不应求，而且储量也非常有限。因 此，如同增加产量一样，降低消耗、节约焦炭、避免全焦操作是现代高炉生产的 另一个中心任务。 中豳是煤炭生产大国，炼焦煤资源同其他图家相比还算是比较丰富的。但 最近的矿产资源调查表明：中国煤炭总储量约8 0 亿吨，其中炼焦煤储量仅 2 0 0 0 亿多吨，而且主要分布在山西、山东、内蒙等少数凡个地区。可以预测， 到本世纪末，可供选择的冶金焦炭资源将出现严重短缺。 为了改变这种不利局面，人们尝试了包括天然气和重油在内的各种辅助燃 料的高炉喷吹方法，而终因资源条件的限制和价格方面的原因，又将注意力集 中在喷吹煤粉或粒煤上。1 9 8 5 年以前，重油略比煤价高，但1 9 8 5 年以后，重 油的价格不断上涨，现在约为煤价的一倍。 在1 9 7 9 年第二次石油危机的冲击下，重油价格暴涨，迫使许多喷油高炉不 得不采用全焦操作。由于缺乏喷煤调热手段，高炉停止喷泊后，风口前理论燃 烧温度得不到有效控制，经常引起炉温的大幅度波动，选成炉况不顺。为了保 持高炉的稳定顺行，全焦操作的高炉普遍被迫采取降低风温、停止富氧鼓风、 增加鼓风湿度等措施，结果导致高炉焦比升高，生铁产量下降。为了改变这种 被动局面，充分发挥高风温技术的潜力，并为高炉稳定顺行提供灵活的调控手 段，只有通过采用廉价的煤粉来取代重油喷欧的方法才能实现1 5 j 。因此，喷吹 煤粉是高炉技术进步的合理选择，而且应当将离风温、富氧鼓风和喷吹煤粉有 机结合起来后，不仅节焦和增产两方面同时获益，而且这种有机结合也成为 种不可缺少的高炉下部调剂手段。 东北大学硕士学位论文第一章文献综述 追求经济效益、降低生铁成本，是高炉喷煤技术发展的另一个重要原因。 由于焦炭和煤粉的差价越来越大，因此，喷煤所取代的焦炭越多，经济效益越 好。焦炭和煤粉在日本的差价为1 0 0 0 0 日元吨左右；在德国的差价为1 0 0 马克 吨；而在中国，1 9 9 1 年为8 0 1 2 0 元，吨，1 9 9 2 年为1 5 0 2 0 0 元吨，1 9 9 3 年 增加至2 0 0 2 6 0 元吨，到2 0 0 3 年增加至5 0 0 6 0 0 元吨。在这种情况下，如 何增加喷吹囊和改善喷吹效果，从而取代更多的焦炭，以降低生铁成本，已成 为各种喷煤技术的开发与改进所追求的目标。鉴于不同国家的资源和运输条件 存在差异，虽然采用高炉喷煤降低生铁成本的幅度有所不同，但各国高炉生产 实践表明，无论富氧与否，喷吹煤粉达到一定量后，都可以程度不同地降低生 铁成本。如瑞典勒欧( l u l e a ) ) - 高炉喷煤6 0 k g t , f e 时，吨铁成本降低了3 德国马 克；比利时西姆达( s i m d a r ) y - 高炉喷煤1 0 0 k g 1 f e 时，吨铁成本降低5 8 美元； 意大利塔兰托厂高炉喷煤1 5 0 k g t f e 时，吨铁成本降低5 ；英国斯肯索普 ( s c u n t h o r p e ) f - 高炉富氧喷煤2 0 0 k t - f e 时，吨铁成本可降低2 0 英镑【6 】。 在考察高炉喷煤技术发展背景时，还必须注意到环境保护方面的因素。第 二次世界大战期间，钢铁工业受到严重的破坏，工业发达国家为了尽快恢复战 后经济，加速了钢铁工业的发展步伐，在2 0 世纪五、六十年代相继耨建或改建 了一大批焦炉，而这些焦炉中一部分炉龄迄今已近4 0 年，到目前为止，约有半 数焦炉炉龄超过3 0 年。为维持高炉的正常生产，目前这些焦炉及相荧设备都需 要大修或重建，这样不仅所需投资大( 约为喷煤设施建设投资的3 4 倍) ，而且 环境污染日益严重。追于全球性环境保护方面的压力，更多的入主张发展高炉 喷煤技术，大幅度降低焦炭消耗和减少焦炉数量。 实际上，与喷吹其他燃料相比，喷吹煤糟的设备投资较大，工艺过程较复 杂。喷煤技术之所以受到日益广泛的重视且得到迅速发展，主要原因是因为煤 粉在风口前气化燃烧所消耗的补偿热量比天然气或重油的都要少。在同样的风 温水平和富氧率情况下，若维持相同的理论燃烧温度，高炉所能接受的喷煤量 要比天然气和重油的量多得多啊。因此，要想通过喷吹燃料来大量地降低焦炭 消耗，以取代部分焦炭，唯有喷吹煤粉才是最台适的选择。 近年来，随着高炉喷煤技术的雅广应用，所需无爝煤量与日惧增，但我国 无烟煤的资源和产量都有限。因此，扩大高炉喷欧煤粉品静，甩低灰分的烟煤 代替无烟煤，越来越引起人们的重视，并成为高炉喷煤技术发矮的方向。就高 炉喷煤工艺状况而言，实施烟煤与无烟煤混合喷欧是改善高炉喷吹效果，优化 生产操作，提高经济效益的有效途径。高炉喷媒盼意义表现为： 以价格低廉的煤粉代替价格昂贵的部分冶金焦炭，使高炉炼铁焦比降低， 生铁成本下降； 喷煤是调剂炉况热制度的有效手段； 东北大学硕士学位论文 第一章文献综述 喷吹煤粉可以改善高炉炉缸工作状况，使高炉稳定顺行： 喷吹的煤粉在高炉风口前气化燃烧，会降低理论燃烧温度，为维持高炉冶 炼所必需的tm ，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较多的氢气，提高了煤气的还原能力和穿透能 力，有利于矿石还原和高炉指标的改善； 喷吹煤粉替代部分冶金焦炭，即缓和了焦煤的需求，也减少了炼焦设备， 可节约投资，降低炼焦生产对环境的污染； 就世界范围而言，炼焦煤资源日益紧缺，以煤代焦，使富氧喷煤成为必然趋 势。 1 2 高炉喷煤工艺发展现状 1 2 1 国外高炉喷煤发展现状 高炉喷煤始于十九世纪。早在1 8 4 0 一1 8 4 5 年法国就曾作过多次试验，1 9 世 纪中叶法国和比利时搞过几年的试验；1 9 1 0 1 9 2 0 年有人曾试图进行风力喷 吹，但由于空气燃料比难以保持稳定，收效甚微；1 9 5 0 年以后，前苏联作过种 种努力，用喷煤来降低生产硅铁时所升高的焦比；1 9 5 9 年美国矿业局的试验炉 以及在布发洛的喷吹试验均用煤粉试验成功了 6 1 。前苏联帮美国的高炉虽然绩 煤比较早，但没有进一步推广，因为他们有天然气，而喷天然气比喷煤更简 便，投资也少。 国外发展喷煤的主要是日本和西欧各国。8 0 年代初，第二次石油危机使西 欧和日本的高炉被迫改为全焦操作，结果引起高炉运行不稳定，指标全面恶 化，于是他们就纷纷改喷煤粉，且发展异常迅速。到9 0 年代初，西欧喷煤的高 炉达到6 0 以上，日本喷煤粉的离炉达到8 0 ，其中德国蒂森、英国斯肯索普、 法国索拉克、荷兰霍戈文、日本神户和新日铁等钢铁厂的高炉喷煤量达到1 0 0 k g t 以上，有的高选1 8 0 2 0 0 k g t 。同时各国钢铁界对高炉喷煤的认识也大大提高 了q 进入九十年代以来，国外高炉喷煤得到飞跃发展。西欧国家提出“煤比 2 5 0 k g t ，焦比2 5 0 k g t ”的明确目标，原来主要喷天然气的北美高炉，电纷纷转 向喷煤了。如美国钢铁公司g a r y 厂的1 3 号高炉仅用9 个月的时间就达到了 1 8 0 k g t 的高水平f 1 1 。国外当今高炉煤比平均在1 7 0 1 9 0 k g t 是不成i 习题，不少 高炉已超过2 0 0 k g ，t ，如表1 1 所示1 4 】，有的达到2 5 0 k g t 以上。预测未来1 5 年，高炉煤比可达2 5 0 2 7 0 k g t ，焦比相应可降到2 船2 5 0 k g t 。 在喷吹的煤种方面，国外多数高炉喷烟煤，挥发分一般3 0 以上，灰分小于 1 0 ，喷吹烟煤的安全技术以及喷吹系统的计囊和自动控制技术都达到相当高的 水平【引。国外高炉喷煤还在继续向前发展，除喷煤高炉的座数在不断增加以外， 东北大学硕士学位论文 第一章文献综述 吨铁喷煤量和喷煤技术也在继续前进，主要有两个发展途径：一是喷煤与等离予 技术相结合，利用等离子发生器的高温来提离喷煤量：二是喷煤与富氧鼓风相 结合来提高喷煤量。 表1 1 国外高煤比( 2 0 0 k g t 铁) 韵高炉 t a b l e l 1b fw i t hp c ro v e r2 0 0 k f , ta b r o a d 高炉容积，m 3 煤比堍盘 持续时间月年份 日本加古川l 号4 5 5 0 2 0 51 3 1 9 9 5 日本神户3 号 1 8 4 5 2 0 4】21 9 9 4 荷兰霍戈文6 号 2 6 7 8 2 1 221 9 9 2 荷兰霍戈文7 号4 2 0 0 2 1 52 1 9 9 3 英国维多利亚女王号1 5 3 42 1 021 9 9 l 美钢联格里1 3 号 3 5 0 0 2 1 821 9 9 5 意大利塔兰托4 号 3 3 7 72 0 42 】9 9 6 日本福山4 号4 2 8 82 0 821 9 9 4 法国敦刻尔克4 号d = 1 4 m2 0 3 2 1 9 9 6 日本君津3 号4 0 6 32 0 3 2 1 9 9 3 在喷煤工艺方面，如烟煤安全喷吹、计量、输送、分配及自动控制等方面都采 用了许多新技术。德国蒂森公司为了提高喷煤量，在煤粉燃烧的研究中采用了 红外线热成像仪等技术，并研制新型氧煤桅和燃烧器，在单枪试验中，喷煤量达 2 0 0 3 0 0 k g t 的水平。1 9 8 9 年下半年，意大利塔兰托厂的2 号和4 号高炉一直 保持者较高的喷煤比。该厂于1 9 9 0 年1 月在4 座高炉安装煤粉喷欧设备，在1 8 个月后，设备投产，并于1 9 9 1 年9 月向4 座高炉喷入煤粉，其喷吹目标是 1 9 0 2 0 0 k e d t 。1 9 9 1 年6 月投产的千叶6 号高炉( 4 5 0 0 m 3 ) ，开始喷煤量就达 1 2 0 k g t 铁。法固最大的敦克尔克4 号高 炉( 4 8 0 2 m 3 ) 1 9 9 0 年喷煤量达到1 8 0 k g t 铁，焦比降为2 9 5 k g t 铁，其闻热风含氧量为2 5 ，风目前火焰保持保持在2 0 5 0 以上。就日本神户钢铁公司神户厂3 号高炉的实践而论，富氧率每提高1 ， 可使炉顶煤气温度降低1 0 * c ，基于这一分析结果，借助维持适宜的操作条件， 加古川1 号高炉，自1 9 9 2 年6 月以来，在维持稳定操作的同时使煤比得以从 14 0 k g t 铁提高到2 0 7 k g t 铁( 如表1 2 所示) 。 目前，国外高炉喷欢还在继续发展，且表现出下歹4 特点： ( 1 ) 喷煤高炉数量不断增加。 ( 2 ) 喷煤比不断加大，喷煤量不断提赢。许多公司喷煤的目标是喷煤率达到 5 0 。 ( 3 ) 喷吹系统形式、种类多样。大体上可分为并联罐系列和串联罐系列以及 派生出来的其它系统，制粉系统工程全采用中速磨煤机，一次布袋收粉，工艺 向简单化、紧凑化方向发展。 ( 4 ) 喷吹煤种为烟煤混合喷吹。 ( 5 ) 加强技术开发和理论研究，重点对璨粉燃烧性能以及喷吹煤粉对高炉 东北大学硕士学位论文 第一章文献综述 国家起始年特点 一謦峦平最妻堂平 发展 苤垦! ! 一噻墨塑互垫 = 塑 一一 亟塑整囱堕堡塑 英国8 0 ( 篓蒸)1 2 5 1 3 。2 2 0 ( 试验期) 发鼹喷篙赫嚣鬻发无焦 垂豆二互二j 匦匿二二亟 二j 至巫二二二墅匾塑西瑟二二 s 器o o 臻，豫褊 塾笪 ! ! 一堕垡塑 ! ：墅 日本7 0 喷煤粉s 髓 ，s ，s 全罨嚣篙蓦南! i ；髫粉 。潞愁 1 2 2 国内高炉喷煤发展现状 我国于1 9 6 4 年开始在大型高炉上喷欧煤粉，是世界上应用喷煤技术较早的 国家之一。我国煤炭资源虽然丰富，但炼焦煤仅占2 7 左右，丽其中强粘性焦 煤又仅占炼焦煤的1 9 ，粘结性肥煤仅占1 3 ，而且随着过量开采一l - 述比例 正在逐年下降：我国的炼焦煤产地集中在华北等地与钢铁企业的布局不协调， 而非炼焦煤资源丰富，并且分布较广，用这些煤代替炼焦用煤，将会产生显著 的社会经济效益【l “。所以，在我国发展高炉喷煤技术有着较为深刻的技术和经 济背景。我国喷煤发展以首钢1 号高炉、鞍钢2 号磷炉及包钢1 号高炉为代表的 喷煤实践，反映了不同时期我冒高炉喷煤的水平【l ”。首锶1 号高炉子1 9 6 6 年进 行喷吹无烟煤的试验，第二季度平均喷煤燕就达到2 7 4 k g t ，焦比为3 s 8 k g t ，鼓 风含氧量为2 4 5 ，风温1 1 4 8 ，利用系数为2 3 8 t m 3 d 。鞍钢2 号高炉于 1 9 8 6 年进行喷煤短期试验，虽然燃料条件较差，由于提高了富氧率和改进操 作，喷煤量达1 7 0 k g 。高炉喷煤提高到定程度后，高炉冶炼行程发生了很大 的变化，为此，必须进一步探索大喷煤量时高炉上下部调节的靓律，以使高炉 操作适应这种变化。为了寻求高炉在富氧喷煤情况下的合理操作制度及操 乍参 数，首钢于1 9 9 1 年3 月1 2 日5 月2 4 日在1 号赢炉进行了富氧喷煤试验，试 验期间高炉基本稳定顺行，最高富氧率达5 5 ，最离煤比达1 3 8 k g t 铁，试验 东北大学硕士学位论丈 第一章t 献综述 国家起始年特点一謦查平最章! 警平发展 一薹垦 鲤堕墨塑互塑= 塑 一互塑整蜜堕堡熬 英国 8 0 ( d 喷g 潆粒2 m m )1 2 3 。2 2 0 ( 试验期) 发展喷螫慧嚣鬻发无焦 瑟营丽霞磊疆1 丽再i = i 荪圣夏丙西漂蚕焉芦一 s 器o o 臻，焉器 塑望! !堕堡塑翌! ! 日本7 0喷攥粉 s s ，m s 垒絮搿嵩麓警粉 。臻黧 12 2 国内高炉喷煤发展现状 我国于1 9 6 4 年开始在大型高炉上囔吹煤耪，是世界上应用喷煤技术较早的 国家之一。我国煤炭资源虽然丰富，但炼焦煤仅占2 7 左右，丽其中强粘性焦 煤又仅占炼焦煤的1 9 0 ，粘结性肥煤仅占1 3 ，而且随着过量开采一e 述比例 正在逐年下降：我国的炼焦煤产地集中在华北等地与钢铁企业的布局不协调 而非炼焦煤资源丰富，并且分布较广，用这些煤代鸷炼焦用煤。将会产生显著 的社会经济效益i l o i 。所以，在我国发展高炉喷煤技术宥著较为深刻韵技术和经 济背景。我国喷煤发展以首钢1 号商炉、鞍锈2 号高炉及包钢1 号高炉为代表的 喷煤实践，反映了不同时期我国高炉唼煤的永平【l ”。酋锯1 号高炉于1 9 6 6 年进 行喷吹无烟煤的试验，第二季度平均喷攥麓就达到2 7 4 k g t ，焦比为3 s s k g ，t ，鼓 风含氧量为2 45 ，风温1 1 4 8 ，利用系数为2 3 8 t m 3 - d 。鞍钢2 号高炉于 1 9 8 6 年进行喷煤短期试验，虽然燃料条件较差，由于提高了富氧率和改进操 作，喷煤量达1 7 0 k e 矿t 。离炉喷煤提高到定程度后，高炉冶炼行程发生了很大 的变化，为此，必须进一步探索大喷煤量时商炉上下部调节盼靓律，以使高炉 操作适应这种变化。为了寻求高炉在富氧喷煤情况下的合理操作制度及操作参 数，首钢于1 9 9 1 年3 月1 2 日5 月2 4 日在1 号高炉进行了富氧嚷煤试验，试 验期间高炉基本稳定顺行最高富氧率达5 s ，最高煤比达1 3 8 k g a 铁，试验 验期间高炉基本稳定顺行，最高富氧率达5 s ，最高煤比达1 3 8 k g & 铁，试验 东北炙学硕士学位论文 第一章文献综述 效果较好。在富氧率在1 3 l 3 6 7 之间时，其值每增加l ，可增产4 ，5 6 。 在富氧率在3 6 7 5 。0 4 之间对，其值每增加1 可增产铁3 2 6 。 鞍钢从1 9 9 2 年1 1 月初至1 9 9 3 年底，在2 号高炉进行了富氧喷吹烟煤的工 业试验，试验期喷煤比达到1 6 1 k g t ，鼓风含氧2 4 7 1 ，入炉焦比4 0 7 k g t ，置 换比o 8 8 ，高炉利用系数2 2 t t m 3 t ，高炉操作稳定腰行。鞍钢氧煤炼铁二期1 ： 业试验在3 号高炉上进行。在4 5 天试验期内，富氧率4 0 3 ，煤比达到 2 0 2 k g t ，入炉焦比3 6 3 k g t ，高炉基本稳定顺行，煤气利用得到改善。 包钢1 号高炉从1 9 9 0 年到1 9 9 2 年也成功地进行了富氧大喷煤工业试验。 试验分三个阶段进行，探索了不同煤比和富氧率下的商炉冶炼规律。其中第二兰 阶段指标较好，在包钢冶炼含氟特殊矿的条件下，于1 9 9 2 年3 月份高炉喷煤量 突破了1 5 0 k g t ，利用系数创含氟特殊矿的记录，首次突破1 1 7 t m 3 , d 。圈内高炉 近1 2 年煤比有较大幅度提高，极大地降低了生铁成本。表1 3 、表1 4 列出了 2 0 0 0 年部分企业生产情况及有关数据。 从1 9 6 4 年4 月首钢l “高炉开始喷煤，1 9 6 5 年鞍钢离炉喷煤工程投入运 行，到7 0 年代，我国已成为世界瞩目的喷煤大国。8 0 年代以来，我国钢铁工 业飞速发展，但高炉喷煤与国外先进高炉相比，进展缓慢，1 9 8 3 1 9 9 2 年1 0 年间，重点企业离炉平均喷煤薰一直在5 0 6 0 k g t 铁( 相当喷煤率9 l o 呦水 平徘徊，1 9 9 1 年重点企业喷煤高炉6 1 座，占生产高炉总数的7 9 ，喷煤量 5 1 k 趴铁，入炉焦比5 2 4 k g t 铁，风温9 7 0 ，利用系数i 7 2 8 t m 3 d ；地方骨二f 企业喷煤高炉6 l 座，占生产高炉总数斡4 6 5 ，喷煤量只有2 5 3 6 k g t 铁，入炉 焦比6 1 5 k g t 铁，风溢9 0 6 ，利用系数1 7 2 3 t m 3 - d o 在喷吹煤种上，9 0 年代前几乎是喷欧无烟煤，l 略1 年马鞍山钢铁公司小高 炉，苏州钢铁公司小高炉曾试验喷吹烟煤，但投有广泛接广。1 9 8 9 年鞍钢开始 进行了大量基础研究，并对喷煤工艺进行了全面的技术改造解决了喷烟煤的安 全问题，1 9 9 0 年试验喷吹烟煤成功，从此结柬了我国喷吹单一无烟煤的历史。 1 9 9 1 年宝钢引进部分技术，喷吹烟煤后，喷唆烟煤的企业逐渐增加。1 9 9 8 年8 月宝钢3 号高炉在利用系数达2 2 0 9 t m 3 d 的情况下，取得了煤比1 9 6 2 k g , t 、燃 料比5 0 8 2 k 叭的好成绩，宝锅2 号高炉9 9 年喷煤塞以达2 6 0 k g t 铁，吨钢能耗 指标约为7 3 7 k g 标煤，达到了世界领先水平。 9 0 年代以来我国喷煤绒富氧喷煤技术发鼹更迅速，主要表现： ( 1 ) 新型制粉，喷吹工艺的形成和完善及箕装备承平的提高； ( 2 ) 储量丰富的烟煤得至q 应用； ( 3 ) 自动化水平得到提高； 高喷煤比不断提高和低富氧高煤比的喷吹成功，如酋钢8 0 年代中期年平均 喷煤比达1 5 0 k g t 铁；鞍钢二高炉高富氧大喷欧的工业试验，鼓风含氧达到达 东北大学硕士学位论文 第一章文献练述 2 8 5 9 ，喷煤量达到1 7 0 2 k g t ；富氧喷吹烟煤t 6 0 k g t 铁：三高炉的低富氧喷吹 2 0 3 k g ，t 的混合煤，年平均喷煤比1 5 6 k g t ，入炉焦比3 9 t k g t 铁；以及包钢特殊矿 富氧大喷吹技术等。全国喷吹总量每年都迅猛增长翻了一番，成为世界喷煤大 国。氧煤燃烧技术等一批新技术得到实现。 高炉喷煤已成为炼铁系统工艺结梅优化、能源结构变化的核心，它的发展增 强了高炉炼铁工艺与新型非高炉炼铁工艺竞争的力量，缓解了炼铁生产受到资源、 投资、成本、能源、环境、运输待多方面限制的压力，奠定了继续发展喷煤的基 础。在二十一世纪初，我国喷煤总量已经突破1 4 0 0 万t 大关，重点企业年平均喷 煤比达到1 5 0 2 0 0 k g t 。 自1 9 9 2 年以来，我国生铁量一直列屠世界首位，1 9 9 8 年达1 1 5 5 8 万吨。从 撒年礅绷2 函铮l 铁工业更是连续离速发展，2 0 0 4 年我国钢产量超过2 7 2 4 2 万 吨，相当于当年居于第二、第三、第四位的美国、日本、俄罗斯三个国家产量 的总和，2 0 0 5 年我国铜产量有薰超过3 0 0 0 0 万吨，袋铰产量可能达到3 0 0 5 8 万 吨。目前我国钢铁企业正在推进结构优化，降低投资和成本，提高在国际市场中 的竞争力。采用高炉大量喷欧煤粉技术，可以大幅度降低焦比，减少焦炭用量， 从而降低炼铁成本。欧洲一些镪厂的吨钢能耗太体在7 5 0 k g 标煤，同本的平均为 6 5 6 k g ，宝钢指标9 8 年为7 3 7 k g 标煤。但9 8 年全凰重点犬中型钢铁企业吨钢可 比能耗是9 0 1 k g 标煤，比日本商2 4 5 k g ，高出3 7 【l 习。提高商炉喷煤比是钢铁企 业降低能耗、增加效益的重要手段，因此，我国钢铁企监提商喷煤大有潜力。纵 观我国喷煤技术发展状况，还存在以下问题： ( 1 ) 喷煤发展水平不均衡，一些企业重视布够； ( 2 ) 不少高炉喷煤爨太少，没有发挥设备能力； ( 3 ) 喷吹煤种单一，部分高炉喷吹无烟煤，而无烟煤产地少、价格高； ( 4 ) 多数厂自动化水平不高，喷煤系统有待改造。 1 3 高炉喷欢烟煤工艺的发展现状 从高炉冶炼工艺角度看，烟煤更适合喷吹，因为它含挥发物质高，所以燃 烧率高，带入高炉的氢气也多。而氢气既有利于高炉的还原过程，又有利于提 离煤气热值。实践证明喷烟煤有利于提高置换比和增加喷吹量。此外，烟煤一 般比无烟煤质软、好磨，可以降低磨煤电耗捧】。 1 3 1 国外高炉喷吹烟煤工艺的发展现状 从8 0 年代初开始，高炉喷吹烟煤技术在西欧和日本等因得到了迅速发展， 日本有7 0 以上高炉、西欧有5 0 以上的高炉都喷欢质量好、灰分低于8 1 0 的高挥发分烟煤；美国阿姆科韵高炉长期坚持喷吹爝煤：法国敦克尔克2 4 高炉 ( 1 6 0 0 m 3 ) 喷吹低挥发分烟煤( 瘦煤) ：卢森堡阿尔贝德a 高炉( 1 3 7 6 m 3 ) 喷吹褐煤； 东北大学硕士学位论文第一章文献综述 英匿钢铁公司斯肯索普厂女王维多利距号高( 1 6 0 0 m 3 1 喷吹平均粒度为o 4 o 。5 m m 的离挥发分煤糖，德国蒂森公司喷熊煤种包括从无烟煤至o 褐煤的所有品 种的德国煤，主要是中等挥发分煤和不同品种煤组成的混合煤f 煤的挥发分范围 为1 9 2 8 ) ，一些工厂喷吹用煤的灰分和挥发分如表1 3 所示【12 1 。 表1 3 部分工厂喷魄用煤的获分和挥发分 t a b1 , 3a s h e s2 n dv o h , t i 酶o f e o a | 如r 蛋c l 姐s 嘲pc o m p a n i 髂 公司名称灰j 搦挥发f r ”o 从以上情况来看，高炉大喷煤操作所选媒种不狠，但从燃烧性能看，高挥 发分的烟煤燃烧性能比无烟煤好，且挥发份越高，燃烧性能越好。高挥发分和 低灰分烟煤更适用于高炉大喷煤生产。日本神户公司进行的燃烧试验表明，含 挥发分4 0 烟煤的燃烧性能几乎和重油相同，挥发分3 3 的烟煤燃烧率为 8 0 ，挥发分2 2 的烟煤燃烧率只有6 0 ，挥发分越低，燃烧性能越差。荷兰 国际火焰研究中心对各种不同挥发分煤种豹燃烧试验亦得到了类似的结果。见 表1 4 所示。 日本新日铁公司君津厂所用煤粉的挥发分为3 4 ，典型粒度8 0 u m ( 筛下累 积重量百分率8 0 ) ，9 3 年进行了煤比超2 0 0 k g , t 铁、焦比低于3 0 0 k ：卧铁的实 验。该厂喷煤设备简图如图1 1 所示【l “。 表1 4 熏漉和煤的气化褴稳( 气化率，) 翌坚：l 墅塑! ! 竺竺罂竺塑黧! ! 兰! 竺竺：l _ 。 燃料名称挥发分含量里璺里里塑竺 123 东北大学硕士学位论文 第一章文献综述 图1 1 喷吹煤糟设备偷圈 f i l l - 1e q u i p m e n tg r a p h i e so f p c i 国外高炉喷吹烟煤的安全措施都考虑得比较周全。从采用的防火防爆手段 到工艺流程、平面布置、设备选型和能力匹配、容器大小和开关等均有得力措 施，对烟煤的安全制备和安全喷吹都采取了有效措施，整个系统的安全可靠性 较高。归纳起来有如下特点： 两种主要防爆系统： 一种是美国两姆科式的防爆系统，在制粉和喷吹装置的各危险部位安装了 6 个着火探测器和1 7 个灭火器，8 个防爆源探测器和1 2 个灭爆器。1 9 9 3 年。 日本新日铁、荷兰霍戈文公司以及后来建的南朝鲜光阳厂l 号高炉都相继引进了 阿姆科式防爆系统。另一种防爆系统是采用惰性气体汇入喷煤系统的整个工艺 流程，将其气氛含氧量降到一定值以下，一般在8 1 2 以下，使其气氛惰性 化，确保煤粉不能燃烧，更难以爆炸。日本神户钢铁公司和川崎公司先后采用 了此种防爆系统。前一种纯粹是一种防护措施，当有火源和爆源出现时能瞬间 将火源和爆源消除。后一种则是更进一步的预防性接施，不让火源或爆源萌芽 出现。 工况稳定、气固相混合均匀的输煤和喷煤工艺： 在国外，对于将煤粉从制粉间送入喷吹站的输煤工艺或将煤粉从喷粉站喷 入高炉的喷煤工艺都非常注意生产过程中的工况稳定和气固相混合均匀。它既 能提高煤粉的完全燃烧和置换比，又能保障顺利生产，并可减少引发事故的机 会，间接起到了安全作用。为保证煤粉运行的工况稳定和混合均匀，国外主要 是采用流化喷吹技术和机械均匀给粉技术两种手段。 性能良好的磨煤设备： 国夕 烟煤的磨制设备几乎都是采用中速磨，其磨煤工艺既可采用正压操作， 亦可采用负压操作，这就保证了烟煤制备的安全。只有法国敦亥尔克，一采用与我 国相同的、漏风系数很大的筒式钢球磨，但它是用于磨制低挥发分烟煤。另外， 英国斯肯索普厂采用高速磨制备高挥发分烟煤粒，其密封性亦很好。中速磨制备 东北大学硕士学位论文 第一章文献综述 烟煤，不仅安全，而且省电、噪音小，与我国普遍采用筒式钢球磨形成了鲜明的 对照，尤其是中速磨密越性好，为制粉系统控制低含氧量，采用惰性保护的安全 措施提供了良好的条件。 设备少、简单而紧凑的煤粉收集系统： 无论是在煤粉的制备过程，还是在将煤粉输送到喷吹站的过程，对煤粉的 收集一般都采用一级除尘。个别厂最多再加级旋风除尘，如阿姆科式。由于 采用中速磨，没有粗粉分离器，从而在煤粉收集系统中设备少、危险部位少、事 故隐患少、安全性高，这样还能收到投资省和好维护的效果。 受压体积小型化： 输煤系统和喷煤系统均为带压操作。因为输煤罐组都是压力容器，所以它 们亦是最危险的部位。国外离炉的喷煤罐组容积都缀小。1 9 7 3 年开始喷煤的美 国阿姆科曼达高炉喷煤罐容积根据计算为l o m 3 左右，1 9 8 4 年开始喷煤的日本 川崎公司千叶厂3 号高炉喷煤罐和贮煤罐容积只有4 m 3 ，t 9 8 5 年投产的喷吹烟 煤粒的英国斯肯索普厂维多利贬女王号高炉的喷煤罐的体积更小，几乎完全微 型化了，只是将原喷煤罐的每个下粉嘴的地方都变成一组微型重叠式喷煤罐 组，担负两个风口的喷煤任务，而原喷煤罐就变为一个常压容器了，采用常压 喷吹工艺收到了高压喷吹的效果。 高度自动化和完善的煎测仪表： 为了适应精确监测和操作调节频繁的控制需要，装设了高度自动化和精确 的测量仪表。整个喷煤系统的生产只需一个人在搡作室内进行操作即可。 1 3 - 2 国内喷吹烟煤工艺的发展现状 在我国丰富的煤炭资源中，烟煤贮量约占7 0 ，分布于全国各地。各一可 就近喷吹。但由于防火防爆问题，我国绝大多数高炉都喷吹无烟煤，仅几家采 用烟煤。尽管这些厂在喷吹设备及采取的防爆手段不尽相同，但都获得了良好 的喷吹效果，为我国高炉喷欧烟煤技术的发展积累了经验f l “。 我国继苏钢喷吹烟煤( 常压喷吹工艺) 成功后，鞍钢从1 9 8 9 年9 月在对喷吹工 艺和相关设备进行改造的基础上，实现了大高炉全部喷吹含挥发分为2 8 3 8 烟 煤的目标，使我国具有了大、中、小高炉喷吹烟煤韵经验。之后，我国大部分 大中型钢铁企业新上或改造喷煤工艺，进行烟煤喷吹试验和生产。图1 2 所示 为承钢高炉新建的喷煤工艺流程图【旧。 随着生产技术的发展，在防止烟煤爆炸方面各企业均采取了阁全的安全措 施。具体有：降低系统气氛氧浓度( 系统惰化法) ；控制系统温度；设计和操作管 理中所有设施要避免积存煤粉，以防其升温自燃；防止产生静电火花；设爆发 孔。 1 0 东北大擘硕士学位论文 第一章文献综述 匿1 2 承镧高炉喷煤工艺流程示意图 f i l l 2t e c h n o l o g i c a l f l o w c h a r t o f p c i i n c h e d g d e b f 表1 5 熘煤与无短煤成分特性辊忱 t a b l e1 5c o m l r i s i n no f e o m p o g t i o na n dp r o p e r t yb e t w e e ! lb i t u m i n o u sa n da n 也r a c i t ee o a l 1 3 t 3 安钢高炉喷煤现状 安钢炼铁厂1 5 号高炉自1 9 9 5 年开始喷吹煤粉，经过多年的探索和经验 积累，高炉煤比逐年上升，至9 8 年元月煤比以达1 0 0 k g t f e ，为降本增效做出 r 贡献。为了进一步降低喷煤成本，安钢高炉1 9 9 8 年3 月开始烟煤和无烟煤混 合喷吹，1 9 9 9 年3 月实现了全烟煤喷吹。安钢高炉使用的蠲煤为鹤壁三矿、九 矿所产。其成分特性于无烟煤相比如下表1 5 ，表t 6 为安钢商炉2 0 0 1 年部分 指标。 袁1 8 安钢高炉2 0 0 1 年部分指标 t a b1 8m a i nt e e h - e c o n o m i ci n d e xo f a n y a n gb 寥鲰2 0 0 1 - _ - _ _ _ - _ _ - _ _ - _ - - _ _ - - _ - - _ - - _ _ _ - - 一ii i _ _ - _ _ _ o _ _ - - _ - _ _ - _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - - - - - - - _ - _ o _ _ - - _ _ - _ _ 。_ - _ _ _ - 。1 一 炉号容积m 3 科甩蒸数t t m 3 d煤比k 眺入炉焦比k g ，t 风温富氧率 l 5 炉3 0 03 1 91 3 34 1 5 1 0 6 10 7 2 1 4 高炉富氧喷吹煤粉的理论与实践 1 4 1 富氧