（钢铁冶金专业论文）马钢2500m3高炉烟煤无烟煤混合喷吹的研究.pdf

摘要 摘要 对马鞍山钢铁股份有限公司提供的8 种喷吹用煤，在马钢高炉喷煤的实际生产 条件下进行了系统的试验研究，在试验的基础上制订了马钢高炉适宜的喷吹煤种和 合理的喷吹配煤方案。 通过对8 种煤粉的工业分柝、恒容低位发热量、元素分析、胶质层指数、灰分 成分、可磨性、灰熔点、反应性、燃烧性能和输送性能的测定。根据高炉喷吹煤粉 的质量要求和马钢高炉生产的实际状况，将神府煤确定为马钢高炉喷吹用烟煤的首 选煤种，大同煤确定为马钢高炉喷吹用烟煤的备用煤种：永城青町煤确定为马钢高 炉喷吹用无烟煤的首选煤种，百善煤和焦作煤确定为马钢高炉喷吹用无烟煤的备选 煤种。 混合煤粉中烟煤配比的提高，可以改善混合煤粉在高炉喷吹条件下的燃烧过程 和煤粉输送性能。提高高炉内未燃煤粉的反应性。煤粉粒度比较粗时，煤粉粒度改 善对混合煤粉燃烧过程和输送过程的幅度比较大：当煤粉粒度比较细时，煤粉粒度 改善对混合煤粉的燃烧过程和输送过程的幅度比较小。综合考虑混合煤粉在高炉喷 吹条件下的燃烧过程、输送过程、磨煤的动力消耗和安全性，马钢2 5 0 0 m 3 高炉若喷 吹5 0 永城青町煤配加5 0 神府煤，混合煤粉中2 0 0 目的比例控制在6 0 左右比较 适宜。 煤粉水分含量的增加对煤粉在高炉喷吹条件下的燃烧过程有不利的影响，但煤 粉中适量的水分却能使煤粉获得良好的输送性能。考虑到喷煤制粉系统的实际生产 状况和在高炉喷吹条件下的燃烧过程以及煤粉的输送性能，马钢2 5 0 0 m 3 高炉若喷吹 5 0 永城青町煤配加5 0 神府煤，混合煤粉的水分含量控制在1 左右是比较适宜 的。 图1 2 关键词： 分类号： 表1 9参5 0 烟煤；无烟煤；配煤；输送性能；燃烧性能 4 5 0 3 1 5 0 河北理工人学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sa r t i c l ei sw r i t t e na b o u tp u l v e r i z e dc o a li n j e c t i o no fm a a n s h a ni sc o h a v e c a r r i e do n s y s t e m a t i ce x p e r i m e n t a ls t u d yu s i n g8k i n d so fi n j e c t o nc o a ls u p p l i e db y m a a n s h a n1 sc o u n d e rt h ea c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o no fi n j e c t i o ni nb fo fm a a n s h a n1 sc o ，h a v em a d et h ep r o p e rc o a lf o rt h eb fo fm a a n s h a n1 sc o ，a n dt h er a t i o n a l s c h e m eo fi n j e c t i o np r o p o r t i o no nt h ef o u n d a t i o no fe x p e r i m e n t s d e t e r m i n a t i o no fi n d u s t r i a la n a l y s i s ，c o n s t a n tv o l u m en e tc a l o r i f i cp o w e r ，e l e m e n t a r y a n a l y s i s ，p l a s t o m e t e ri n d i c e ，a s hc o m p o s i t i o n ，g r i n d a b l i t y ，a s hf u s i o np o i n t ，r a c t i v i t y ， c o m b u s t i o na n dt r a n s p o r t a t i o np e r f o r m a n c eo ft h e8k i n d so fc o a l i ti sa c c o r d i n gt ot h e q u a l i t yr e q u i r e m e n t so ft h ec o a lf o ri n j e c t i o ni nb fa n dt h ep r a c t i c a lp r o d u c t i o nc o n d i t i o n o ft h eb fo fm a a n s h a ni sc o t h es h e n g f uc o a lo fb i t u m i n i t ei st h ef i r s tc h o i c ef o r i n j e c t i o n ，t h ed a t o n gc o a lo fb i t u m i u i t e i st h eb e t t e rs t a n d - b yo n e ，a n dt h ey o n g c h e n g q i n g d i n gc o a lo fa n t h r a c i t ei st h ef i r s tc h o i c e ，t h eb a i s h a na n dj i a o z u oc o a la r et h eb e t t e r s t a n d - b yo n e s i n c r e a s i n gt h em a t c ho fb i t u m i n i t ei nt h em i x e dp u l v e r i z e dc o a l ，w h i c hc a ni m p r o v e c o m b u s t i o np r o c e s so ft h eu n d e rm i x e dp u l v e r i z e dc o a lc o n d i t i o no fi n j e c t i o na tb f ， i m p r o v et h et r a n s p o r t a t i o np e r f o r m a n c eo ft h ep u l v e r i z e dc o a la n di n c r e a s et h er e a c t i v i t y o ft h eu n b u m e dp u l v e r i z e dc o a li nt h eb f w h e ng r a i ns i z eo ft h ep u l v e r i z e dc o a li st h i c k , i m p r o v i n gi t w i l le f f e c tt h ec o m b u s t i o np r o c e s so ft h em i x e dp u l v e r i z e dc o a la n dt h e t r a n s p o r t a t i o np r o c e s sg r e a t l y ；w h e ni ti st h i n ，t h er e s u l ti sc o n t r a r y c o n s i d e r i n go fa l lt h e c o m b u s t i o np r o c e s s ，t r a n s p o r t a t i o np r o c e s s ，p o w e rc o n s u m p t i o no fc o a lg r i n d i n ga n ds a f e t y u n d e rt h ec o n d i t i o no fi n j e c t i o na tb f ，i fi n j e c t s5 0 y o n g c h e n gq i n g d i n gc o a lw i t h5 0 s h e n f uc o a la sw e l la sc o n t r o l l i n gt h ep r o p o r t i o no ft h em i x e dp u l v e r i z e dc o a lo f 2 0 0 s i e v en u m b e ra t6 0 o rs o i ti sm o r ep r o p e ra tt h e2 5 0 0 m 3b fo fm a a n s h a ni sc o i n c r e a s i n gm o i s t u r ec o n t e n ti nt h ec o a lw i l lt a k eu n f a v o u r a b l ee f f e c t i o n so nt h ec o a l c o m b u s t i o np r o c e s su n d e rt h ec o n d i t i o no fi n j e c t i o na tb f b u tt h ep r o p e rq u a n t i t i e so f m o i s t u r ei nt h ec o a lc a nm a k et h ec o a lg e tag o o dt r a n s p o r t a t i o np e r f o r m a n c e c o n s i d e r i n g o ft h er e a lc o n d i t i o no fp r o d u c t i o ni nt h ei n j e c t i o nm i l l i n gs y s t e ma n dt h ec o m b u s t i o n p r o c e s sa l o n gw i t ht h et r a n s p o r t a t i o np e r f o r m a n c eo fc o a lu n d e rt h ec o n d i t i o no fi n j e c t i o n a t b f ，i fi n j e c t s5 0 y o n g c h e n gq i n g d i n gc o a lw i t h5 0 s h e n f uc o a l a sw e l la 8 n 摘要 c o n t r o l l i n gm o i s t u r ec o n t e n ti nt h em i x e dp u l v e r i z e dc o a la t1 o rs o i ti sm o r ep r o p e ra t t h e2 5 0 0 m 3 b f o f m a a n s h a n i & s c o f i g u r e1 2 t a b l e1 9r e f e r e n c e5 0 k e y w o r d s ：b i t u m i n i t e ；n t h r a c i t e ；m i x e d c o a l p u l v e r i z e d ；t r a n s p o r t a t i o n p e r f o r m a n c e ；c o m b u s t i o np e r f o r m a n c e c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t f 5 3 8 6 3 i i i 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 河北理工大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：盔茎宝日期：熟年互月4 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：蕴l 建立导师签名；翅墼： 日期；超年互月卫日 引言 引言 我国大多数高炉长期以来喷吹无烟煤。高炉喷吹无烟煤技术和设备都比较简 单，安全性比较好，但无烟煤煤粉在高炉风口前完成燃烧的程度低于烟煤，且煤源 与煤质难以长期保证。同时随着高炉喷煤量的提高，加之无烟煤资源有限，出现了 煤质下降、喷煤成本升高等问题。一般认为烟煤具有灰分低、可磨性好、挥发分 高、燃烧性能好等特点，可使高炉煤气含氢成分提高，有利于改善高炉内的还原过 程。 马钢高炉喷吹的煤粉一直采用无烟煤。1 9 9 6 年9 月，高炉喷煤量达到9 0 k g t ， 2 0 0 0 年高炉喷煤量达到了1 2 3 3 k e d t ，2 0 0 2 年高炉喷煤量达到了1 3 0 k g t ，2 0 0 3 年高 炉喷煤量达到了1 5 0 k g t 。可见近几年马钢喷煤比有一定幅度的提高，但与先进企业 2 0 0 k g t 的高炉喷煤量的水平相比存在很大的差距。 马钢要减小与先进企业的差距，就必须提高高炉喷吹的煤比。为了进一步提高 高炉喷吹煤比，对于煤的性质要求就更加严格。单一煤种很难满足高炉冶炼的要 求，因此需要采取在无烟煤中配加烟煤的方法改进喷吹煤粉的性质。况且近期焦炭 价格上涨，高炉喷煤以价格低廉的烟煤无烟煤混合煤种部分替代价格昂贵而日趋匮 乏的冶金焦炭，使高炉炼铁焦比降低，生铁成本显著下酶，给企业带来可观的经济 效益。 在目前的技术经济条件下研究马钢2 5 0 0 m 3 高炉烟煤无烟煤混和喷吹煤种和配比 以及水分要求，对马钢的高炉喷吹煤比的提高有至关重要的意义，可以为马钢高炉 喷吹煤比提高到2 0 0 k g t 以上创造有利的条件。 课题来源“马钢2 5 0 0 m 3 高炉烟煤无烟煤混合喷吹的研究”。 河北理l ：人学硕士学位论文 1 文献综述 1 1 高炉喷吹煤粉技术的发展 高炉喷吹煤粉始于1 8 4 0 年班克( s b a n k s ) 喷吹焦炭和无烟煤的设想。高炉喷 吹煤粉自1 8 4 0 。1 8 4 5 年法国博洛涅附近的上马恩省炼铁厂喷吹木炭屑开始，1 8 8 1 年 取得专利【1 l o 国际钢铁联合会于1 9 6 1 年在北美汉纳公司的2 号高炉上完成了现代第 一次大规模的工业高炉喷煤试验。英国于1 9 6 2 年在斯坦顿厂对高炉喷吹烟煤和无烟 煤进行了工业试验。结果较为满意。我国于1 9 6 4 年5 月首次在鞍钢6 号高炉喷吹烟 煤1 2 1 。1 9 6 4 年4 月3 0 同在首钢1 号高炉喷吹无烟煤【3 j o1 9 6 6 年5 月首钢煤比达到过 2 7 9 k g t 铁喷吹率为4 5 5 ，焦比降至3 3 6 k g t 铁，置换比为0 8 0 4 1 4 】这些技术指 标在当时处于世界领先地位。 正当国内外高炉喷煤试验取得初步成功之时，高炉喷油技术兴起。由于工艺简 单、投资省以及当时油价较低，喷油技术具有很强的吸引力，因此许多企业转向喷 油。只有中国等少数国家的一些企业仍坚持喷煤。7 0 年代石油危机爆发后，高炉喷 煤技术受到重视而进入新的发展时期。进入8 0 年代，世界各产铁国家纷纷积极采用 和发展高炉喷煤技术。 近十几年来，国外高炉喷煤技术发展很快。西欧1 5 i 从1 9 8 0 年第一座高炉开始喷 煤以来，现在已有5 0 余座高炉喷煤，许多高炉的喷煤量已经超过了2 0 0 k g t 。日本 从1 9 8 1 年第一座高炉开始喷煤，现在已有3 0 余座高炉喷煤。美国、韩国等国家也 在迅速发展高炉喷煤技术1 6 1 。1 9 8 6 年德国汉博恩4 号高炉实现了吨铁喷煤1 7 7 k g t ， 焦比降至2 9 5 k g t1 7 j 。1 9 9 2 年英国钢克利富兰铁厂采用氧煤混喷实现了吨铁喷煤 3 0 0 k g t1 8 】。法国、德国的许多炼铁厂结合资源和成本为获得更好的喷煤效果，进行 了喷吹混合煤粉的研究【9 j 。 九十年代以来，我国高炉喷煤技术取得了长足的发展。在此期间，一大批喷煤 新工艺和新设备陆续投入生产应用，许多高炉也新建和改建了喷煤系统，使喷煤总 量和喷煤比获得大幅度地提高。1 9 9 0 年。我国高炉喷煤总量仅为2 1 8 万吨，1 9 9 9 年 已超过1 0 0 0 万吨。1 9 9 0 年，重点企业的平均喷煤比约为5 0 k ：g t ，1 9 9 9 年喷煤比提 高到1 1 4 k g t 。我国鞍钢、包钢、宝钢以及许多地方铁厂( 如苏钢、石钢等) 大力发 展了喷煤技术【1 0 l 。1 9 9 2 年包钢进行的富氧大喷煤试验，喷煤比达到了1 7 0 k g t x l l 。 鞍钢采用富氧喷吹烟煤的试验突破了喷煤比2 0 0 k e , t 大关，并取得了良好的冶金效 2 1 文献综述 果。1 9 9 9 年，上海宝钢集团公司实现了喷吹烟煤，喷吹量长期保持在1 5 0 k g t 以 上。年平均喷煤比达到2 0 7 k g t ，其中1 号高炉( 4 0 6 3 m 3 ) 在1 9 9 9 年9 月的喷煤比为 2 6 0 6 k g t ，达到世界领先水平l l q 。 目前，世界上高炉喷吹煤粉除了喷煤高炉数量不断增加、喷煤比不断加大外， 还出现了许多特点：提高喷煤量；喷吹煤种一般为无烟煤与烟煤的混合；喷吹系统 形式多样；加强的技术开发主要着眼于对煤粉燃烧性能以及喷吹煤粉对高炉冶炼过 程的影响的研究。 从总体水平上来看，我国的喷煤还不普及，喷煤装备技术水平参差不齐。全国 平均煤比不高，与国际先进水平相差一定距离。高炉喷煤技术的优越性在我国还没 有充分发挥出来i ”】。研究高炉喷吹煤粉的性能以及在高炉内的燃烧状况对于提高我 国高炉喷煤的技术水平是很有必要的。 1 2 高炉赜吹煤粉的意义 现代高炉冶炼需要使用焦炭。它在高炉中的作用是： 1 ) 在风口前燃烧，提供冶炼所需要的热量。 2 ) 固体c 及其氧化产物c o ，作为还原铁矿石需要的还原剂。 3 ) 在高温区，矿石软化熔融后，焦炭是炉内唯一以固态存在的物料，是支撑高 达数十米料柱的透气性的骨架。 4 ) 铁水渗碳，降低铁水的熔点。 高炉喷吹煤粉是从高炉风口向炉内直接喷吹磨细了的无烟煤粉或烟煤粉或这两 者的混合煤粉，以替代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，因此它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，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f 1 4 】。 从煤炭资源利用认识嚷煤的意义炼铁生产的燃料主要是焦炭，由于炼焦用气 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，近而影响炼铁技术经济指标的稳定和提 3 - 河北理 人学硕十学位论文 高。发展高炉喷煤，煤炭资源取多避少， 煤炭炼焦工业生产过程中的投资、资源、 的提高。 以煤代焦，提高煤炭资源的利用。减少因 环保、成本和运输的压力，兼顾社会效益 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 焦炭的价格增长较快，为1 0 0 0 元t 左右。可想而知以价格低廉的煤粉部分替代价格 昂贵而日趋匮乏的冶金焦炭，使高炉炼铁焦比降低，生铁成本显著下降。所以喷吹 煤粉，不仅是能源的节约，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，就可阻实现生产结构的 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。新建焦炉受资金等因素影响，企业还要靠外购焦炭来满足生产的需要。喷吹煤 粉替代部分冶金焦炭，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 3 高炉喷煤对高炉冶炼的影响 1 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【l 引。 - 4 一 1 文献综述 2 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1 1 6 】。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 ) ，在风口前气化后产生大量的煤 气，使炉缸煤气量明显增加。 3 高炉喷吹煤粉后，理论燃烧温度下降。其原因主要有： 1 ) 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。 2 ) 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。 3 ) 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 喷入时的温度一般在8 0 左右，带进的物理热少。 4 高炉喷吹煤粉后，炉缸中心温度均匀并略有上升1 1 7 】。主要原因有： 1 ) 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。 2 ) 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。 3 ) 高炉热交换改善。进入炉缸物料的温度升高。 5 高炉喷吹煤粉后，料柱的阻损增加，压差升高1 1 8 】。喷吹煤粉后，由炉缸上升 的煤气主要出三部分组成：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，最终炉项煤气量总是有所增加。同时，单位生铁的焦炭消耗 量降低，料柱中的矿焦比值增大，炉内料柱中透气性好的焦炭量减少，则造成料柱 透气性交差。所以煤气上升的阻力增加，其表现为高炉压差增加，炉身温度和炉顶 温度略有升高。喷吹无烟煤时，由于煤气量增加的幅度比较少，炉身和炉顶温度升 高的幅度比较低。 6 高炉喷吹煤粉后，间接还原发展而直接还原降低【1 9 】【2 0 】。喷吹煤粉以后，改 变了高炉燃料结构，进丽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。其主要原因有： 1 ) 煤气中还原性气体( c o + h 2 ) 的浓度增加，n 2 含量降低。 2 ) 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。 5 河北理】大学硕士学位论文 3 ) 高炉内的温度场发生变化，焦炭与c 0 2 发生反应的直接还原区域温度降 低，而上部的间接还原区域温度升高。 4 ) 焦比降低减少了焦炭与c 0 2 反应的表面积，降低了直接还原反应的反应速 度。 1 4 高炉喷吹用煤 1 4 1 高炉喷吹的煤种 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。煤的粘结性是指烟煤在干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 弘”，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 3 。褐煤的使用性能是粘结性弱，极易氧化和自然，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做为喷 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( 真 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 7 k g m 3 ) ，含碳量高，挥发分极少，组织致密而坚硬，吸永性小，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 0 0 0 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。 1 4 2 高炉喷吹用煤的化学和工艺性质 高炉喷吹煤粉的工艺性质主要包括 6 1 文献综述 1 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。 2 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【2 2 l 。 3 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。 4 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难【2 3 】。 5 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 2 4 】等人指出，喷入高炉煤粉的最佳粒度5 0 1 0 0 pm 应占6 0 8 0 。通常对煤粉一2 0 0 目的控制，高变质煤类( 无烟煤、贫 煤、瘦煤) 为 7 0 ：中等变程度煤类( 不粘煤、弱粘煤、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【捌。在已有的 喷煤实践中，大多数高炉都喷吹一2 0 0 目占8 0 左右的煤粉。 6 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。 7 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 04 c 左右，烟煤在3 0 0 左右。 8 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。 7 河北理 ：夫学硕士学位论文 1 , 4 3 高炉喷吹煤粉的性能要求 离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： 1 煤的灰分越低越好，煤的狄分含量应与高炉使用的焦炭的灰分相同，一般要 求a 1 5 。 2 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，一般 要求s 1 o 。 3 胶质层越薄越好，y 1 0 m m ，以兔在喷吹过程中结焦，堵塞喷枪和风口，影 响煤粉喷吹和高炉正常生产。 4 煤的可磨性好，高炉喷煤需要将煤磨到一定细度，例如一2 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。 5 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、少量未及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 也可以磨得粗一些，即一2 0 0 目占的比例少一些，这为降低能耗和费用提供了条 件。 6 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还原剂 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。 1 4 4 高炉喷吹配煤的原因 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1 3 项，另外各种煤源由于产地远近、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： 1 ) 磨煤机台时产量趋近理想的经济产量。 2 ) 提高煤粉在风口前的燃烧率，扩大喷煤量。 3 ) 达到较高的置换比和高炉生产技术经济指标。 4 ) 煤的价格经济合理。 5 ) 综合利用各种煤资源，供煤、运输合理而有保证。 8 1 文献综述 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 ) ，坎分在1 2 以下，充分发挥两种煤 的优点，取得良好的喷吹效果。 1 4 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： 1 ) 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，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 段，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 m 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，一般认为只有 1 0 m s 左右。以平均粒径为一2 0 0 目的煤粉为例，足以满足其燃烧时间的要求。 2 ) 高加热速率及高温环境中燃烧从喷枪喷入直吹管的煤粉，是一个从冷煤粉 ( _ 一般小于8 0 。c ) ，突然喷入9 0 0 1 2 0 0 6 c 的热风中的瞬间过程，此时煤粉的加热速 率可达到1 矿1 0 6 k s ，煤粉的燃烧温度可高达2 0 0 0 c ，接近爆炸火焰的加速度和温 度。 3 ) 交织进行的燃烧物理化学反应速度由于煤粉处在很高的加热速率下，煤粉 燃烧的预热、干燥、脱气、挥发、着火、挥发分燃烧以及残碳燃烧等过程几乎是同 时交叉进行，而挥发物着火燃烧和残碳燃烧也几乎是同时进行的。 4 ) 高炉喷煤是加压下的分解燃烧过程高炉喷煤的煤粉燃烧是在与发电厂锅炉 等燃烧状况不同的高压高温下进行的，其挥发分产物成分和数量都发生变化。煤的 热解过程在3 0 0 4 0 0 c 就开始，可见煤的燃烧是分解燃烧，挥发分大量分解后。煤 的颗粒结构发生变化，出现大量空洞，煤中官能团和烷基侧链断裂。煤粉的燃烧不 仅在表面，而且内部也存在。 半焦或残碳燃烧一般近似于气一固燃烧反应。值得提出的是煤形成的半焦或残 碳的固体物质不是均相的。不少试验表明，这种半焦或残碳的化学活性远大于焦炭 的反应活性，未燃煤粉的二氧化碳反应速率远大于焦炭与二氧化碳的反应。不少研 究还认为未然煤粉参加气化反应，有利于减弱焦炭在高温区质量劣化，并保护焦炭 强度。 9 河北理工大学硕十学位论文 1 4 6 混合煤粉喷吹 烟煤的燃烧性能比无烟煤的燃烧性能好，并且煤的挥发分越高，其燃烧性能越 好。烟煤的结构疏松，其燃烧过程是多孔性燃烧【2 2 1 。因此，煤粉颗粒的粒度对烟煤 的燃烧性能影响不大。但烟煤喷吹存在爆炸的可能性比较大，对安全条件要求比较 商。此外，烟煤喷吹还容易造成碳量供应不足而影响煤焦置换比。因此，单纯的烟 煤喷吹不是合理的选择。 无烟煤喷吹不利于提高煤粉燃烧率，高炉内末燃煤粉的数量增加，未燃煤粉的 活性降低，当未燃煤粉的数量超过了高炉可以接受的范围，就会给高炉透气性带来 十分不利的影响，从而限制了高炉喷煤量的提高。此外无烟煤的煤源与煤质都难以 长期保证。但无烟煤含碳量高，发热值也高，从而煤焦置换比比较高。对于无烟煤 来说，煤粉的粒度越细，其燃烧性能就越好，因为无烟煤的燃烧过程是由外到内的 层状燃烧过程 2 6 1 。在喷吹煤粉中一2 0 0 目煤粉的比例达到8 0 时，大部分煤粉在回 旋区距风口0 8 m 处就可以燃烧气化。 1 9 9 0 年，大型高炉喷吹烟煤于鞍钢试验成功，结束了我国大型高炉喷吹单一无 烟煤的历史，为使用烟煤和无烟煤进行合理配煤喷吹创造了条件。烟煤与无烟煤混 合喷吹可以弥补单独喷吹无烟煤燃烧率低的不足【2 7 1 。喷吹技术先进的高炉采用多煤 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，提高煤焦的置换 比，取得良好的效果1 。我国许多钢铁企业如鞍钢、宝钢、包钢等将烟煤和无烟煤 混合喷吹，取得了较好的效果【2 9 1 。因为无烟煤、烟煤混合后，无烟煤对烟煤的爆炸 起抑制作用，所以配入无烟煤后爆炸性大幅度降低，混合煤的其它工艺性能也适合 于高炉喷吹l 如】。馄台煤粉喷吹充分利用了我国资源，保证了高炉喷吹用煤粉的安 全。特别是喷吹混合煤，可以兼顾高炉对煤粉性能的多种要求，有利于稳定煤粉的 质量，不同煤种又可相互促进燃烧，提高煤粉的燃烧率。混合煤粉的燃烧性能是一 项重要指标，高挥发分烟煤配入比例较高时燃烧率较高，但难以提高置换比。低挥 发分无烟煤配入比例较高时燃烧率较低，在风口内燃烧不充分，将在高炉内形成未 燃煤粉，超过一定数量后则会长期堆积于炉内，直接影响高炉的操作，造成气流分 布不均、压差增大、炉墙热损增大、煤粉利用率下降等现象( 3 1 1 。因此单煤种及混合 煤种燃烧性能的研究是极其重要的。 国外喷煤实践表明，喷吹任何单一煤种都不理想，西欧将烟煤与无烟煤混喷， 结果煤粉燃烧率明显提高，置换比上升。两类煤粉按一定比例配合混合喷吹能达到 1 0 1 文献综述 最佳效果。国外高炉喷吹用烟煤，挥发分一般在3 0 左右甚至更高，扶分 1 0 t 3 2 1 。 法国亚深州的r w t h 研究机构将1 0 的褐煤掺入无烟煤中，相应的喷煤量从 1 5 5 k g t 提高到1 9 6 k g t 。掘国外经济配煤的挥发分控制在2 0 2 5 之间比较合适 1 3 3 。我国包钢将东胜烟煤以1 5 2 0 的比例均匀混入宁夏无烟煤中。消除了烟煤的 爆炸性能，煤气中h 2 含量提高0 6 左右，c o 利用率改善，煤焦置换比提高0 0 9 左右，取得了比较好冶炼效果【3 4 】。宝钢、鞍钢【3 5 】等企业在高炉上开展了烟煤与无烟 煤混合喷吹试验研究，取得良好效果，入炉焦比降低，煤焦置换比提高0 1 o 1 5 。 国内的研究认为，烟煤加入无烟煤的混合效应将视煤种以及混合比的不同而变化， 一般烟煤适宜的配比应控制在3 0 4 5 。 1 5 马钢高炉喷煤的现状 马鞍山钢铁股份有限公司现有三个炼铁厂，其中一铁厂3 0 0 m 3 级中型高炉五 座，二铁厂3 0 0 m 3 级中型高炉四座，四铁厂2 5 0 0 m a 大型高炉一座，年产生铁4 5 0 万 吨。 马鞍山钢铁股份有限公司2 5 0 0 m 3 高炉喷煤系统的制粉设备系统于8 0 年代后期 设计，1 9 9 4 年1 2 月投产，在中国冶金业率先选用北京电力设备厂引进德国技术制 造的z g m 9 5 型中速磨煤机等一系列先进设备。在试产的几个月期间，通过一系列 技术改造，中速磨的制粉能力达到了4 0 洳以上，超过了设计能力。到1 9 9 6 年9 月，高炉喷煤量达到了9 0 k g t 的设计能力【3 6 】。 近几年马钢高炉喷吹煤比有一定幅度的提高，2 0 0 0 年喷煤比为1 2 3 3 k ：g t ，与先 进企业2 0 0 k g t 的水平相比存在很大的差距【3 7 l 。2 0 0 1 年1 1 月高炉进行了混合煤喷吹 的短期试验，采用的是贫瘦煤与无烟煤混合。贫瘦煤的挥发分为1 5 左右，混合煤 中贫瘦煤比例为2 0 2 5 。混合煤的挥发分9 1 0 ，煤比得到了一定程度的提 高p ”。同时针对混合煤粘性大、流动性差、风口易结渣的特点，提高喷吹压力，保 证喷吹能力，并应用可调喷枪消除风口附着物，确保均匀稳定喷吹。 马钢2 5 0 0 m 3 高炉1 9 9 8 年6 月以来生产水平有了较大提高，利用系数稳定在 2 0 t m 3 d 以上，2 0 0 2 年1 2 月赢炉进行了大修。煤比水平稳定在1 3 0 k g t ，实现了高 产低耗的目标。 马钢2 5 0 0 m 3 高炉自投产以来高炉喷吹的煤种基本上是无烟煤。即使有混合煤的 试验，也是不同种类的无烟煤或无烟煤与贫瘦煤进行混合喷吹。2 0 0 1 年的操作实践 表明，在当时的煤粉燃烧率下，喷煤的上限值为1 3 0 k g ! 左右，对应的氧碳比为 河北理丁大学硕士学位论文 2 5 2 6 ，称为l 临界氧碳比。低于临界值，高炉内煤粉不完全燃烧。为了增大喷煤 量，必须寻求把临界氧碳比降低的方法。烟煤与无烟煤混合是降低临界氧碳比的方 法，也是增大高炉喷煤量的有效途径。 综上所述，高炉喷吹煤粉合理配煤的研究对合理利用煤的资源提高煤的利用 率和喷吹量，改善高炉操作具有重要的意义。通过马钢2 5 0 0 m 3 高炉烟煤无烟煤混合 喷吹的研究。为马钢高炉选择合理的喷吹配煤方案，探索将马钢高炉喷吹煤比提高 到2 0 0 k g t 以上的可能性。 1 2 2 试验装置及试验方法 2 试验装置及试验方法 2 1 煤粉燃烧试验 煤粉燃烧率是煤粉燃烧好坏的标志。煤粉燃烧率的大小，表明煤粉在高炉风口 气化的完全程度。如果煤粉在高炉风1 3 燃烧率低，煤粉燃烧不完全，不仅会降低煤 粉在高炉内的利用率，还会影响炉料的透气性和炉渣粘度，从而影响高炉生产a 因 此，对高炉喷煤来况，煤粉燃烧率是衡量煤粉性能优劣和评价高炉风1 3 燃烧状况好 坏的一个重要指标，强化煤粉在风口前的燃烧是高炉进行大喷煤的一个基本的前 提。 2 1 1 煤粉燃烧试验装置 试验所用的设备有：l b h 7 5 2 5 0 型空气压缩机台；真空泵一台；1 0 升 抽滤瓶一个；电热鼓风干燥箱一台；1 2 0 0 型煤粉燃烧炉一台，控制用计算机 一台。 煤粉燃烧试验装置见图1 所示。该试验装置模拟高炉风口的燃烧条件， 以两段卧式电炉模拟热风炉加热空气，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，进行煤粉燃烧率的测定。 4 s 9 1 集灰槽2 硅碳棒3 观察孔4 喷煤孔5 硅钼棒 6 电阻丝 7 冷风入口8 喷煤装置 9 炉架 图1 煤粉燃烧炉 f i g 1s t o v ef o rp u l v e r i z e dc o a lc o m b u s t i o n 1 3 ， 河北理工大学硕十学位论文 2 1 2 煤粉燃烧率的测定方法 煤粉燃烧试验的条件根据马钢2 5 0 0 m 3 高炉生产的实际状态确定，热风温 度控制为1 1 5 0 ，燃烧炉温度控制在1 4 0 0 。c ，热风流量为1 2nm 3 h ，富氧率 控制为2 ，冷风压力为0 2 m p a 。输送煤粉的气体为冷空气，利用空气压缩机 给燃烧炉提供冷风，冷风经过热风炉加热到试验所要求的温度后送给燃烧 炉。另外，从空压机所给的冷风中分出一部分送进喷煤装置，利用这一部分 冷风把准备好的煤粉喷进燃烧炉中，所以冷空气的流量根据试验要求确定输 送煤粉的气体压力与冷风压力相同，为o 2 m p a 。煤粉的粒度全部小于1 0 0 网 目，一2 0 0 目的比例根据试验方案确定。试验所用煤粉先利用干燥箱烘干，然后 按设计的试验方案配制一定的粒度及水分含量，混匀后的含水煤样在密封状态下润 湿2 个小时后再进行煤粉燃烧试验。 煤粉燃烧率试验所用煤粉质量是每个试验样品为1 0 0 克。当热风炉中温段温 度达到4 0 0 。c 左右时，接通空气压缩机的电源开始向热风炉送冷风。按照单位 体积风量输送的煤粉量相同的原则，调整实验的喷煤进度，使之与实际高炉喷吹煤 比为2 0 0 k g t 相当。将喷煤装置的推进速度调整好，然后把1 0 0 克配好的煤粉 样品装入，当热风炉温度