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东北大学颂j i 学位| 它文摘要 高炉喷吹高炉除尘灰的初步研究 摘要 考虑除尘灰的细粉特性及其含有大量的铁和碳，将其作为含铁原料和含碳燃 料从风口喷入高炉无疑是处理除尘灰的最佳途径。由于除尘灰中含有f e 和c 元素， 所以喷入除尘灰后将使得冶炼每吨铁所需的矿石和焦炭量减少，同时除尘灰灰分 的碱度较低( 酸性脉石) ，高炉喷吹除尘灰后将影响炉内炉渣的碱度，进而影响到 高炉铁水的s 含量等指标。除尘灰喷入高炉炉缸后物料的被加热、碳的燃烧、铁 的还原及次分的成渣和熔化也将使理论燃烧温度发生变化，考虑到喷吹除尘灰后 对高炉的这些影响，本文通过建立热平衡和物料平衡模型计算喷吹除尘灰后焦比、 碱度、理论燃烧温度的变化，并进行了工业试验。得到如下结果。 ( 1 ) 理论分析和工业试验均表明喷吹高炉除尘灰是可行的。除尘灰的喷吹不仅 充分利用了其中的铁和碳，而且还消除了排放造成的环境污染。 ( 2 ) 通过理论分析得出喷吹除尘灰后炉渣碱度会下降，理论燃烧温度变化不 大，焦比降低。炉渣碱度的下降可通过调整炉料，即烧结矿和球团的比例来解决。 ( 3 ) 通过试验得出喷吹除尘灰焦比会下降，+ 方面由于除尘灰中的碳代替了焦 中的碳，另一方面由于除尘灰中台有铁替代了一部份矿石使冶炼一吨铁的矿石量 减少导致焦比下降。 ( 4 ) 通过试验得出喷吹除尘灰后高炉透气性将会变差，随着除尘灰和煤粉的配 比增大，喷吹的输送压力也将变大。 关键词高炉除尘灰喷吹焦比理论燃烧温度渣碱度 查i ! ! 茎里主兰堡垒兰一 些! ! 坠里 a p r e l i m i n a r ys t u d yo rb fd u s ti n j e c t i o ni n t ob f a b s t r a c t c o n s i d e r i n gt h ep o w d e rc h a r a c t e r i s t i co ft h eb fd u s ta n di t sh i g hc o n t e n to fi r o n a n dc a r b o n ，i tm a yb eag o o di d e at oi n j e e _ t h ed u s ti n t ob fa sb o t hi r o ns o u r c ea n dd u e l t h i sm a yr e d u c et h ec o n s u m p t i o no fi r o no r ea n dc o k ef o rh o tm e t a lp r o d u c t i o n b e c a u s et h ed u s tc o n t a i n sa l s os o m ea c i dc o m p o n e m t s ，i tw i l lc h a n g et h e b a s i c i t yo f t h e s l a gi nt h ef u r n a c e , a n dt h e r e b yl e a d i n gs o m ei n f l u e n c eo nt h eq u a l i t yo f h o tm e t a l ，s t l c h a ss u l f u rc o n t e n t i nt h em e n ut i m e ，t h et h e o r e t i e a lc o m b u s t i o nt e m p e m t o r ei nt h er a c e w a ym a ya l s ob ei n f l u e n c e dd u et ot h eh e a t i n g - u po fd u s t ，c o m b u s t i o no fc a r b o ni n d u s t , r e d u c t i o no fi r o no x i d ei nd u s t ，a n dt h es l a g g i n ga n dm e l t i n go ft h ed u s ta s h c o n s i d e r i n ga i lt h e s ei n f l u e n c e so fd u s ti n j e c t i o n am a s sa n dh e a tb a l a n c em o d e lw a s d e v e l o p e dt 0p r e d i c tt h ev a r i a t i o n sc o k er a t i o s l a gb a c i s i t ya n dt h e o r e t i c a lc o m b u s t i o n t e m p e r a t u r ew i t hd u s ti n j e e t i o n i n d u s t r i a lt e s tw a sa l s oc a r r i e do u tt ov e r i 西t h ei n o d c l p r e d i c t i o n ，a r r i v i n ga tt h rf o l l o w i n gr e s u l t s 1 ，b fd u s ti n t ob fi sf e a s i b l ea n dp m c f i c a b l e ，t h i sc a nn o to n l ym a k ef u l lu s ee f t h ei r o na n dc a r b o ni nt h ed u s t ，b u ta l s or e d u c et h e | e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n 2 w i t hd u s ti n j e c f i o n ，t h e b a s i c i t yo fs l a g w i l ld e c r e a s e ，a n dt h et h e o r e t i c a l c o m b u s t i o nt e m p e r a t u r ew i l ln o tc h a n g es i g n i f i c a n t l y t h ed e c r e a s eo fs l a gb a c i s i t yc a n b ec o m p e n s a t e db ya d j u s t i n gt h eb u r d e nc o m p o s i t i o n ，i e ，t h er a t i oo f s i n t e rt op e l l e t 3 c e k er a t i ow i l lb el o w e r e da f t e rd u s ti n j e c t i o n t h i si sd u et ot h ee x c e s s i v e c a r b o nc o n t e n ti nd u s t 4 i n d u s t r i a lt e s ts h o w st h a t ，w i t hd u s ti n j e c t i o n ，t h eb fp e r m e a b i l i t yi ss o m e w h a t d e t e r i o r a t e d t h en e c e s s a r yp r e s s u r ef o rp c ia n dd u s ti n j e c t i o ni sa l s oi n c r e o s e d k e yw o r d sb l a s tf u r n a c e ，d u s ti n j e c t i o n ，c o k er a t i o ，s l a gb a s i c i t y , t h e o r e t i c a l c o m b u s t i o nt e m p e m t u r e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导f 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，不包括其他人已经发表或 撰写的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与 我- 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示感谢。 本人签名；老芬应 日期：年月 日 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，允许论文被查阅和借阅。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a ( 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。) 学位论文作者签名： 签字日期： 本人签名 日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 高炉炼铁概述 1 1 1 炼铁发展简史 第一章绪论 我国是世界上用铁最早的国家之。据历史资料记载，殷代就出现了铁器， 至春秋时代，中国已有了较大规模的冶炼鼓风炉，发明了生铁的冶炼技术，铁器 在军事上农业上有了广泛的应用，使社会逐步由铜器社会过渡至铁器社会。 我国炼铁技术的发明比欧洲早1 7 个世纪。至公元1 3 1 4 世纪时，炼铁技术 才传入欧洲。炼铁技术发展是由1 8 世纪欧洲爆发工业革命开始的，1 8 2 0 世纪这 2 0 0 年中，炼铁技术经历了以下几个突破性的发展阶段； ( 1 ) 1 7 0 9 年，英国首先开始用焦炭代替木炭，这样不仅缓解了当时同益严 重的木材危机，而且为以后高炉向大型化发展打下了基础。 ( 2 ) 1 9 世纪初，英俄采用蒸汽鼓风机，鼓风能力大大提高，为扩大炉缸直 径创造了条件。 ( 3 ) 1 8 2 9 年，英国人发明了用高炉煤气加热鼓风、用热风代替冷风的技术， 使燃料消耗大幅度下降。 ( 4 ) 2 0 世纪6 0 年代开始采用综合鼓风，从风口喷入燃料直接代替一部分焦 炭，大大缓解了焦炭的供应闯题，扩大了高炉燃料的来源。 1 1 2 高炉内的主要过程 高炉冶炼的特点是，在炉料与煤气逆流运动的过程中完成了多种错综复杂地 交织在一起的化学反应和物理变化，且由于高炉是密封的容器，除去投入( 装料) 及产出( 铁、渣、及煤气) 外，操作人员无法直接观察到反应过程的状况，只能 凭借仪器间接观察。中决定性的是在炉料自上而下、煤气目下而上的相互紧密接 触过程中完成的。低温的矿石在下降的过程中被煤气由外向内逐渐夺去氧而还原， - l - 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 同时又自高温煤气得到热量。矿石升到一定的温度界限时先软化，后熔融滴落。 已熔化的渣铁之间及与固态焦炭接触过程中，发生诸多反应，最后调整铁水的成 份和温度达到终点。故保证炉料均匀稳定的下降，控制煤气流均匀合理的分布是 高质量完成冶炼过程的关键。 总之，高炉冶炼的全过程可以概括为，在尽量低能量消耗的条件下，通过受 控的炉料及煤气流的逆向运动，高效率地完成还原、造渣、传热及渣铁反应等过 程，得到化学成份与温度较为理想的液态产品。 生产过程中应严密控制的各关键性环节： ( 1 ) 送风条件。在保证顺行的条件下，鼓入的风量越大则生产率越高；风 口循环区在炉缸半径方向上大小适当，在圆周方向上分布均匀，以保证煤气分布 合理；根据鼓风成份( 是否富氧及含水量) 以及是否喷射辅助燃料，调节鼓风温 度以适应炉内热状态的需要。 ( 2 ) 软熔区的位置、形状及尺寸。软熔区起着煤气分配器的作用。其位置、 形状及大小对顺行、产量、燃料消耗量及铁水成份影响很大。操作中应监测软融 区形态的变化，并及时调整，已保证高炉整体运行于晟佳状态。 ( 3 ) 固体炉料区的工作状态。这是决定单位铁的燃料消耗量的关键。严格 要求入炉的原料达到质量标准；用炉顶装料制度、根据炉况变化随时调节焦炭及 矿石在炉内的分布，使由软熔区上升的煤气完成合理的再分布。最终尽可能充分 利用煤气的化学能和热能。 装料铕度的具体内容随着装料设备豹不同有很大的区别。传统的高炉装料系 统是料车双钟式结构。除去因结构原因造成的某些影响炉料分布的相对固定的因 素，如大钟与炉喉的间隙，大钟的倾角等之外，对这种类型的装料系统，可以进 行装料调整的手段有： ( 1 ) 料批大小；即每批料的重量，主要是指每批料中矿石的蚕量。 ( 2 ) 装料的次序：般每批料由一定数量的矿石车及焦炭车组成。 按其装入炉内的顺序可分为： 正装：即矿石在先，焦炭在后。 倒装：即焦炭在先，矿石在后。 2 送风制度，指在一定条件下，保持适宜的鼓风数量，质量和风口进风状态， 东北走学硕士学位论文第一章绪论 以达到顺行的目的。 送风制度包括鼓风量、风中含氧及含湿量、风温、风压、风口直径、风【：_ _ | 中 心线与水平的倾角等。由此又确定了两个重要的鼓风参数，即风速和鼓风动能。 调节上述诸参数以及随鼓风喷射入炉内的辅助燃料( 油、煤粉或天然气等) 的种类及数量可统称为“下部调节”。 送风制度是影响煤气在炉下部分布状态的决定性因素。上下部调节相配合， 是组织最佳的煤气流动状态的关键。 3 造渣制度，指选择适合于特定条件下的炉渣成分和碱度，使其性能满足高 炉顺行、脱硫能力较强和稳定炉温的要求。八炉原料的成份及冶金性能发生变化 时，应随之调整配料方案及采取其他措施以维持造渣制度的稳定。 只有在改换冶炼产品品种，金属产品有害杂质含量较高或己出现废品，冶炼 特殊矿石需要回收贵重的元素，炉衬严重侵蚀或结厚以及炉况失常等特殊条件下 才调整造渣制度。一经调整则应尽量维持造渣制度的稳定。造渣制度应相对稳定。 4 热制度指通过调节焦炭负荷、风温和喷吹量，控制炉温，以保证高炉热 量充足、稳定，生产出合格生铁。 热制度是炉内的热状态。实质上是多种操作制度的综合结果，主要由产品及 炉渣的温度和成份体现。热状态的稳定是高炉行程正常的条件和标志。几乎高炉 所有操作的变化都要对热制度产生影响。暂时的轻度的热制度波动一般以下部调 节校正，而大幅度的长期的失常则必须辅以上部调节。 1 1 4 高炉产品 料。 高炉的主要产品是铁水( 包括少量的高碳合金) 。其次是炉渣、煤气。 ( 1 ) 铁水 按用途生铁可分为铸造生铁炼钢生铁和合金生铁。 ( 2 ) 炉渣 炉渣是水泥的主要原料，渣棉可以作绝热材料，炉渣经过处理可以作建筑材 ( 3 ) 高炉煤气 可作为燃料供给其他厂或用于煤气发电。 可作为燃料供给其他厂或用于煤气发电。 - 3 东北大学硕士学位论文第一章绪论 ( 4 ) 炉尘 炉尘中古有5 1 5 的碳，3 0 5 0 的铁，因而含有有害成分少的炉尘可返回烧 结厂再次利用。 1 1 5 关于我国炼铁生产技术的发展趋势 有关专家做了展望。专家认为，我国炼铁生产技术进步发展趋势主要表现在 以下十个方面l lj 。 一是高炉大型化会得到进一步发展。二是高炉装各水平在提高，自动化程度 将取得新进展。曰前，新建高炉均采用了无料钟炉顶设备、高炉专家操作系统、 先进的泥炮等。三是高炉精料水平将得到进一步发展，炉料结构更趋合理。在这 方面，随着小球烧结、低温烧结、低硅烧结等技术的普及和提高，烧结矿的质量 会进一步提高。同时，提高球团矿配比是个发展方向，使用优质的进口矿可提高 人炉品位，并改善炉料的冶金性能。四是焦炭质量对高炉炼铁有很大影响，应在 高炉冶炼中争取多使用高质量的焦炭。五是高炉喷煤水平将继续提高。高炉喷煤 是炼铁系统结构优化的中心环节，是世界炼铁技术的主流，是高炉炼铁节焦、降 成本的重要措施，也是改善钢铁工业能源结构、缓解我国主焦煤资源短缺矛盾的 重要手段。六是进一步提高风温。高风温是廉价的能源。采用对空气、煤气双预 热技术，即便使用低热值的高炉煤气也可获得太于1 2 0 0 。c 以上的风温。高风温具 有显著的经济效益。七是炼铁系统的环境保护工作将进一步加强。国家己制订出 有关水、尘、渣的环保治理标准，有关炼铁企业应积极执行。对于新建的高炉、 焦炉和烧结等设麓要做到环保”三同时”。八是高炉长寿技术会取得新进展。目前， 我国新建大高炉均按寿命l o 至1 5 年设计，中小高炉寿命也按6 至8 年以上考虑。 九是炼铁能耗会进一步降低。通过采用提高喷煤比和风温，上干熄焦，炉顶煤气 压差发电和铁、焦、烧工序一系列节能新技术等。十是高炉炼铁流程将在一段时 间内仍占主导地位。 4 东北走晕硕士学桂论吏 第一章培诗 1 2 高炉喷吹 1 2 1 喷欢的早期发展 在岛炉上使用焦炭已有许多年了。人们发现焦炭在高炉中有以下几个作用： ( 1 ) 在风口前燃烧，提供热量： ( 2 ) 固体c 圾其氧化物产物c o ，是氧化物的还原剂； ( 3 ) 在高温区，矿石软化熔融后，焦炭是炉内唯一以固体存在的物料，是支撑 高达数十米料柱的骨架，同时又是风口前产生的煤气得以自上而下畅通流动的高 透气性通路。 以上这些用途中前两项是可以不使用焦炭的。从理论上看，油、煤、天然气 都可以代替焦炭。因此用其他燃料代管一部份焦炭是可行的。 早在1 8 3 1 年，在美国就有申请喷吹固体燃料的专利。1 8 7 7 年，在德国也有一 个周祥的专利。1 9 5 8 年，在比利时的鸟格雷妁一座欧洲共同体的国际性实验高炉 上第一次进行直接用热风从风口喷吹燃料油的实验，随后，1 9 5 9 年又在法国的 蓬佩的一个大高炉上进行实验。1 9 5 7 年。苏联彼得洛夫斯基工厂从高炉风口喷吹 天然气，效果很好。到1 9 6 1 年乌克兰许多高炉已玎始喷吹天然气，也有喷吹焦炉 煤气的。 至于喷吹煤粉，1 9 4 8 年苏联捷尔任斯基工厂早就实验过。以后在1 9 6 0 年英国 的斯坦顿、法国的夏斯和德南以及美国汉纳筑炉公司都进行过喷吹实验。现代第 一次大规模的工业高炉喷煤实验是由国际钢铁联合会于1 9 6 1 年在北美汉纳公司的 2 号高炉上进行的a 该高炉炉缸直径是5 m ，现已停炉，采用欧洲和日本改进的石 油碳化物喷吹系统。实验用煤的挥发分为1 7 4 0 ，灰分为4 8 ，记录的喷煤 量为1 2 k g t 铁，相当于高炉所需碳量的1 5 。接着，在威尔顿钢铁公司的4 号和 3 号高炉也进行了喷煤实验，据记载，最大喷煤量达到4 3 k g t 铁，由于嫫糟颗粒 对风口造成严重的磨损，该喷吹工艺没能继续进行。美国铜铁公司于1 9 6 8 - - 1 9 6 9 年在芝加哥厂1 2 号高炉选用矿石油碳化物系统进行煤粉喷吹的试验，记载的最大 喷吹量为11 2 k g t 铁，平均喷吹量为9 c k g t 铁。 我国于1 9 6 4 年5 月首次在鞍锕6 号高炉喷吹烟煤，因爆炸事故，一度中断。 同年开始在首钢1 号高炉( 5 7 6 m 3 ) 进行喷吹无烟煤试验。1 9 6 5 年l o 月，在没有 5 查些查里堡主垩堡垒墨茎二兰鲨垒 富氧的情况下，喷煤率达到3 0 以上。虽然高炉操作出现了一些困难，即由于炉缸 温度不足等原因引起炉缸工作状态失常，但这仍是国内外工业试验的最好成绩。 经过高炉调整操作，苜钢于1 9 6 5 年又进行了较大喷吹量的试验。当时全厂在年平 均入炉矿品位5 2 1 5 、渣量5 2 1 k g t 铁、风温为1 0 9 2 c 的情况下，喷煤量达到 1 5 9 k g t 铁。其中1 号炉在入炉矿品位为5 1 8 、渣量5 6 9 k g z 铁、风温为1 1 0 5 的情况下，喷煤量达到2 2 5 k g t 铁，焦比降至3 3 6 k g t 铁，这些技术在当时处 于世界领先地位。 1 2 2 大规模发展阶段 上世纪7 0 年代，煤粉喷吹技术持续发展遇到了困难。由于石油成本降低，而 且喷煤设备投资比喷油的高，使得世界各国火都转向喷油，喷煤的发展因此停滞 了十多年。直到1 9 7 3 年1 9 7 9 年，由于石油价格上涨，高炉喷油已不经济。促使 国际上对喷吹的燃料种类有了新的认识。 1 国外喷煤现状 日本于1 9 8 1 年开始采用高炉喷煤技术，到1 9 9 2 年末喷煤高炉已发展到2 7 座， 占全部3 3 座高炉的8 1 8 ，据报道，到1 9 9 5 年全部高炉都已喷吹煤粉。在喷煤量 方而，1 9 8 4 年日本高炉喷煤量仅9 k g t 铁，1 9 9 1 年，新曰铁、川i 崎制铁、日本铜 管、以及神户制钢等血大公司高炉平均喷煤达到了7 0 k g t 铁。在以上公司的2 l 座喷煤高炉中，喷煤量超过l o o k g t 铁的有9 座，其中喷煤量最大的神户3 号高 炉( 1 8 4 5 m 3 ) 平均喷煤量达到1 7 5 k g z 铣。目前，i ：| 本高炉喷煤量有继续增加的趋 势，今后经改造或新建的喷煤设各，喷煤量都要达到1 0 0 k g l 铁以上。 德围蒂森钢铁公司汉伯恩厂4 号高炉于1 9 8 5 年首次采用喷煤技术，该公司1 9 9 1 年未有1 1 座高炉喷煤。 国外喷煤工艺流程种类很多，从喷吹方式来分，可以分为多管路方式和单管 路加分配器方式两大类。从制粉和喷吹设施的配制上分，有制粉和喷吹台在一起 直接向高炉喷吹的直接喷吹形式，以及制粉和喷吹设施分开，通过罐车或气力输 送管道，将煤粉从制粉车间送到靠近高炉的喷吹站，再向高炉喷吹煤粉的间接喷 吹两大类。 2 我国高炉唢吹煤粉的现状 6 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 我国几乎所有大中型高炉都在喷煤粉，但发展却不平衡。而由于我国计量、 监测、自动控制水平与国外尚有差距，喷煤技术近年来才有较大发展。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 1 k 眺铁，风温9 7 0 。c 。 几个大钢厂中，鞍钢曾以低富氧( 2 8 5 9 ) 把喷煤量提高到1 7 0 0 2 k g t 铁。包钢 与北京科技大学联合开发氧煤枪喷吹技术，曾以低富氧量达到煤比1 5 3 k g t 铁的 水平，并于1 9 9 0 年下半年在l 号高炉( 1 5 1 3 m 3 ) 上进行了j 个阶段的高富氧大喷 煤t 业试验。 目前，我国重点企业有2 0 ，地方骨干企业有5 3 的高炉尚未喷煤，喷煤高炉 的喷煤量尚不尽人意。1 9 9 2 年重点企业高炉平均喷煤量仅有5 0 k g t 铁，喷煤量最 多的厂也只有8 7 k g t 铁，仅占燃料比的1 5 ，和国外比尚有很大差距。因此，我 国应积极发展喷煤技术。 我国喷煤制粉工艺，过去均移植发电行业制粉工艺，喷吹工艺多数为间接喷 吹工艺，只有新建的宝钢、酒钢和部分中小企业采用直接喷吹工艺。在喷吹形式 上，大多数采用重叠式串联罐多管路喷吹。自1 9 9 0 年鞍钢开始采用串罐单管路加 分配器的喷吹方式后，宝钢3 号高炉、酒钢、包钢等企业高炉也开始采用了单管 路加分配器喷吹方式。 在喷吹煤种上，9 0 年代前几乎都是喷吹无烟煤。1 9 8 1 年鞍钢，苏钢曾试验喷 吹烟煤，但没有广泛推广。1 9 8 9 年鞍钢开始进行了大量的基础研究，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， 从此结束了我国喷吹单一无烟煤的历史。1 9 9 1 年宝钢引进日本部分技术，喷吹烟 煤后，喷吹烟煤的企业逐渐增加。 高炉喷煤已成为炼铁系统工艺结构优化，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、运输等多方面限制的压力，奠定了继续发展喷煤的基础，我国喷煤总量超 过1 0 0 0 万t ，重点企业年平均喷煤比达到1 5 0 2 0 0 k g t 铁。 1 2 3 煤粉喷吹的前景 我国的煤碳资源丰富，但是焦煤资源不足、无烟煤和非炼焦煤占太部分，约 为三分之二。从全国钢铁工业总体情况来看，冶金焦数量远远不能满足全国焦炭 东北大学硕士学位论支 第一章缭釜 的需求，不可避免地生产大量土焦作为补充。综合平衡的结果是焦炭的消耗量大 与生产量。而在2 0 0 0 年前，我国生产铁的主要工艺仍将是高炉炼铁，因此今后制 约铡铁生产的主要因素仍将是焦煤短缺。炼铁生产中降低焦炭消耗的途径很多， 如改善原料质量、提高风温、改善操作、降低生铁含硅量、加强管理等。但从数 量上看，扩大高炉喷煤，以煤代焦仍是降低焦炭消耗的最有效措施。而且喷煤除 了可以大量代替稀缺、昂贵的焦炭外，对改善高炉生产也有很莺要的意义。它可 以一定程度扩大并活跃风口回旋区缩小还原呆滞区；可以增加煤气中的氢台量， 改善还原过程：可以增加矿石在炉内的停留时间，提高c o 的利用率：还有利于提 高风温，发挥高风温的作用；并有利于富氧鼓风，从而显著提高铁的产量，降低 铁的成本。因此发展高炉喷煤技术是当务之急也是钢铁企业发展的重要战略决 策。 1 3 高炉喷吹除尘灰的可行性分析 高炉除尘灰是炼铁高炉在炼铁过程中随高炉煤气( 亦称瓦斯) 一起排出的原燃 料的粉尘以及高温区激烈反应而产生的微粒，包括低沸点的有色金属蒸汽等，是 一种质量轻、颗粒微小且含有多种有害有毒的物质。是钢铁企业主要回体排放物 之一。高炉瓦斯尘随高炉煤气在炉顶引出，经下降管，在重力除尘嚣依靠高速气 流及灰尘自身的重量产生的离心力除去较粗的颗粒后，由布袋除尘器对高炉煤气 进行进一步的净化处理，布袋除尘器收集的粉尘称为除尘灰。 由于高炉炼铁过程中使用的铁矿石、焦炭、石灰石、白云石及萤石等原料经 过高炉内部炉膛中不同温度区域十分复杂的氧化还原等物理化学变化，排放的烟 尘中含有多种元素的自由态和结合态以及复合物，其中以氧化铁、氧化锌、氧化 铝、氧化硅、氧化钙、氧化铅和氧化镁成分居多，另外还有以上述元素为主形成 的硫化物，以硫酸盐、碳酸盐等形式存在的物质以及一部分未曾燃烧的固定碳及 云母片等，成分比较复杂但也比较稳定，其中有些成分会随原料的不同产地而使 百分比含量有很大的变化。但主要成分保持不变。 随着钢铁生产的发展，除尘技术的进步，各钢铁厂每年都要回收大量含铁粉 尘。据统计，年产6 0 0 万吨的钢铁联合企业，每年可回收舍铁粉尘约5 0 万吨。根 据冶金部对备重点企业的调查。我国每吨钢可产生各种含铁除坐灰达1 9 0 公斤以 东北大学硕士学位论文第一章绪论 上。按年产钢5 0 0 0 万吨计，年产除尘扶约6 0 0 9 5 0 万吨。 1 3 1 高炉喷吹除尘灰的可行性 高炉喷吹矿粉技术最早是由日本新日铁于上世纪八十年代初开发，起初主要 用于降低硅，喷吹量不大。随着认识的深化，现在已作为在高风温、高富氧和氧 煤喷吹条件下确保顺行、强化生产的一项重要调节手段。日本五大钢铁公司和法 国制铁研究院、德国亚琛科技大学钢铁学院都在半工业性试验装置或运行的高炉 上不惜重金开发这一项目或积极开展这一领域的技术研究，并已取得显著成果。 ( 1 ) 新日铁根据数模解析结果认为，在风温1 3 0 0 下喷吹矿粉2 2 1 k g t 铁、 预还原率3 3 的矿粉2 5 6 k g t 铁及预还原率6 0 的的矿粉是可能的。在富氧率为3 5 的条件下如设定全焦冶炼时利用系数为2 5 ，则喷吹普通矿粉及预还原率为6 0 9 6 的 矿粉时，利用系数可分别提高到3 2 及3 5 。 ( 2 ) 住友金属工业开发了从风口同时喷吹煤粉、矿粉和熔剂的所谓“超复合 送风”技术，在日本1 2 t 、有3 个风口的试验炉上实现了喷煤3 0 0 k g t 铁、矿粉 l o o k g t 及煤粉、矿粉各2 0 0 k g t 的稳定操作。在此试验基础上，该公司又实施了 复合喷吹。 ( 3 ) 德国亚琛科技大学钢铁学院首次喷粉技术的试验结果表明，有可能在 1 5 0 7 5 0 k g t 铁范围内往高炉里喷吹煤粉及粉矿的混合物。试验结果与高炉模拟 试验结果十分吻合”1 。 ( 4 ) 中国首钢总公司先后于1 9 9 1 年、1 9 9 2 年在1 9 m 3 小高炉和5 7 6 m 3 中型高炉 上开展了高炉喷吹精矿粉的高炉工业性试验，最高矿粉比) 3 0 k g t ，试验期间炉况 顺行，证明该工艺在技术上是可行的。 从调节炉缸温度和炉渣碱度、回收铁金属和获取氧的角度看，高炉喷吹用铁 矿粉可以是脱水的糟矿粉也可以是生矿破损产生的副矿粉已经破碎的烧结返矿 乃至冶金厂内含铁粉尘，因此对资源综合利用和消除环境污染有重大意义。 ( 5 ) 据英刊钢时代报道，将精细粉尘直接吹入电炉、转炉钢水中，或经 风口吹入高炉的工艺正处在试验阶段。粉尘和油污氧化皮混合后与石灰、碳混匀， 金属氧化物的含氧达到7 0 ，粒度应保持在0 8 m l 之间，适用范围包括电弧炉、 高炉、化铁炉和回转窑。现在。在电炉上进行喷吹的试验仍在进行中，在高炉上 圭兰查芏堕圭堂堡笙圭 的试验结果为1 6 0 k g t “1 铁。 第一章绪论 1 3 2 高炉喷吹除尘灰的优点 工业副产品用作高炉原料的基本原则是：须含有对炼铁有益的成分并达一定 数量，其处理费用较低，对生产无害，能使高炉在经济上受益；该物质虽不能使 高炉在经济上受益，但在其对产品质量无害而又无更好办法消化时可采用高炉处 理。 高炉喷吹除尘灰符合上述原则，和喷煤比较，它具有如f 优点： ( 1 ) 除尘灰粒度细，不需破碎即可以直接喷吹( 新日铁高炉喷吹烧结矿的平 均粒度为2 玎u 】1 ，住友公司喷吹铁矿粉的最大粒度为o 。5 m m ，其中0 。l o 3 r a m 的占 8 0 ，若无能耗限制，则矿粉越细越好) ，节约了制粉能耗。新日铁高炉除尘灰 o 2 m m 的比例) 9 0 ，除尘灰能在风口区完全燃烧，有利于增加喷吹量和减少管道磨损。 ( 2 ) 除尘灰中的碳反应性和燃烧性好，所以其燃烧发热量可基本满足除尘灰 的升温和所含铁、锰在炉缸直接还原的耗热量。 ( 3 ) 喷吹除尘灰比喷煤安全，没有爆炸危险。试验证明煤粉中添加惰性物 质( 如熔女4 粉、铁矿粉等) 具有防爆效果。1 。 ( 4 ) 除尘灰温度高于煤粉，不含水分，不需脱水烘干。不易结块堵塞输送管 道。 ( 5 ) 除尘灰中有益成分得到较好的利用，被高炉自我消化，形成良性循环， 节约了堆放场地，减少了运输量，减轻了危害程度。 ( 6 ) 喷欧除尘灰的工艺、设备与喷煤基本相同，在目前的技术条件下不难解 决。 总之，高炉喷吹除尘灰是一项新兴的、多功能的冶炼技术，在技术上是可行 的，值得开发利用。若高炉具有高风温、富氧、喷煤条件，则喷吹除尘灰将更经 济、更合理。 1 0 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 本课题研究的目的、意义及内容 1 4 1 除尘灰回收利用的意义和必要性 由于高炉除尘灰存在粒度细、比重小等特点，作为废料排放将造成严重的环 境污染。除尘灰可用于球团生产配料，也可以用于烧结矿生产的配料，但用于烧 结矿配料需要先造粒，而造粒本身不仅需增加成本，而且造粒技术难度也较大。 这样，对没有球团生产的钢铁厂来说，除尘灰的处理就成了一大难题。我国多数 企业已将烧结厂粉尘、高炉尘、轧钢铁鳞等粉尘直接加入烧结配料利用。但由于 多数含铁粉尘粒度较细，或含有较高铅、锌等有害元索的除尘灰，因烧结无法直 接使用而未被利用，若直接返回烧结使用，不但恶化烧结过程、降低烧结机产量 和烧结矿质量，且含铁粉尘中的锌、铅、碱金属等有害杂质在烧结过程中去除率 有限，会影响高炉正常操作。因此，除少量粒度较粗的高炉除尘灰和轧钢铁鳞被 作为烧结原料加以利用外，尚有大量含铁粉尘被摈弃。不仅占用大量土地，直接 造成环境的污染，而且浪费了大量的铁、碳资源。因而，随着工业发展，环境保 护要求的提高。钢铁厂除尘灰的合理利用问题是钢铁企业迫切需要解决的课题之 一，也是环境保护工作的重要内容之一。 1 9 7 6 年美国环保机构( g p h ) 制定了法律将含铅锌的钢铁粉尘划为有毒固体废 物( k 0 6 1 类) 物质，要求钢铁厂对其中铅、锌等有毒物质进行回收或钝化处理，否 则需在指定地点封存。继美国之后，西方各国以及闩本、韩国等都制定丁类似的 法律。1 9 9 4 年我国制定和颁布的中国2 l 世纪议程中阐述了资源的合理利用和 环境保护两项重要国策。1 9 9 5 年4 月国家环保机构制定了类似处理有毒废弃物的法 规。中国钢铁工业节能环保现状及对策中明确指出：“十五”钢铁工业节能 和环保总体目标：2 0 0 5 年主要污染物排放总量实现在1 9 9 5 年基础上削减5 ，钢铁 渣( 除特殊渣外) 、含铁除尘灰全部回收利用，对含铁除尘灰的综合利用要求推广 高炉、转炉煤气干法除尘和除尘灰压块技术等。 我国是钢铁生产和消费大国，2 0 0 4 年钢铁产量达到1 8 1 亿吨，生铁产量1 7 亿 吨，因而势必产生大量的高炉除尘灰。传统的堆放方法存在如下弊端：不仅造成 环境污染，同时也造成除尘灰巾的铁、碳资源闲置、浪费；另一方面国内铁矿资 源缺乏，需要大量进口。因此，有效处理并阿收利用除尘灰有利于实现可持续发 1 1 东北大学硕士学位论文第一章绪论 展。 1 4 2 研究目的及意义 考虑除尘灰的细粉特性，将其作为含铁原料和含碳燃烧料从风口喷入高炉无 疑是除坐灰处理的最佳途径。开发出高炉喷吹除尘狄( 除尘灰) 技术。根据目前 的发展现状，该技术将以不增加喷吹设备而利用现有喷煤系统为前提，考虑到喷 吹除尘灰后风口前及炉内状况变化，通过喷吹配料、炉顶加料和高炉操作的调整 来保证高炉顺行。采用这一技术，不仅可以解决粉尘排放造成的环境污染问题， 而且还回收利用了粉尘中的铁和碳。这不仅使炼铁厂在生产上获得直接经济效益， 更重要的是在钢铁厂废弃物的资源化、能源化和无害化处理方面具有更大的意义。 1 4 3 研究内容 i + 热平衡数学模型开发 从风口喷吹固体燃料时，燃烧在高炉下部进行，生成还原气体。目于从热风 炉向风1 2 1 鼓入热风的冲击力，在风口处形成一个约1 5 m 长的回旋区。回旋区的前 半部分( 靠近风口处) ，燃烧剧烈并有c 0 2 及h 2 0 瞬间生成，与此同时燃烧温度约 达2 0 0 0 。c 以上：回旋区的后半部分( 远离风口部分) ，0 2 消失，生成的c 0 2 和h 2 0 与 焦炭反应变换成还原气体c d 和飓。圆体燃料在回旋区内的滞留时间极其短暂( 约 1 0 2 0 m s ) ，要提高固体燃料在高炉内的利用率，必须使固体燃料在尽可能短的时 间内燃烧或气化。 考虑除尘灰喷入高炉炉缸后物料的被加热、碳的燃烧、铁的还原及灰份的成 渣和熔化，建立炉缸局部的热平衡数学模型，用来预测风口前理论燃烧温度，从 而为在高炉操作上采取对策提供依据。 2 物料平衡数学模型开发 考虑除尘灰喷入高炉炉缸后对炉渣成分所带来的变化，建立炉缸局部的物料 平衡和热平衡数学模型，用来预测炉渣碱度和焦比指标的变化，以及补偿这些变 化所需要的造渣制度，从而为在高炉操作上采取对簟提供依据。 首先，采用现场生产的日平均数据( 如煤比、铁水中s i 、s 、利用系数、原 1 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 燃料成分等) ，通过c 、n 、0 、h 、f e 等元素的入炉量和产出保持平衡，计算高炉 的物料平衡模型，得到高炉生产各项冶炼指标。然后再计算喷吹除尘灰后的物料 平衡，即以铁水中s i 、s 等含量保持不变为前提，喷吹除尘狄后，计算因其所含 铁、碳成分从而可相应替换出的原料( 烧结、球团、焦炭等) 的量，计算出喷吹 除尘灰后的焦比，和在此焦比条件下的碱度调整。 3 现场试验 通过现场试验验证喷入除尘灰后对高炉操作带来的影响，并验证焦比、炉渣 碱度的变化。并与模型计算的焦比、炉渣碱度等进行对比分析。 1 3 东北大学硕士学位论支 第= 幸文献综述 第二章文献综述 2 1 喷吹燃料的种类及发展趋势 近几年，国外的许多厂家，尤其是德国和口本的一些钢铁企业采用了向高炉 内喷吹不同的物料。出于对高炉冶炼的不同需要，这些物料可分为喷吹燃料、喷 吹熔剂、喷吹助燃剂、喷吹铁矿粉、喷吹护炉剂等。按其存在形态可分为气态喷 吹物、固态喷吹物、液态喷吹物及气一液和气一周两相喷吹物。 高炉喷吹物料的种类较多，大体上可以分为五种，即燃料、熔剂、铁矿粉、 助燃剂和护炉剂。随着高炉喷吹技术的不断发展，喷吹物料的种类也发生了较大 的变化。 1 高炉喷吹物料种类及作用 i ) 喷吹燃料 目前高炉喷吹物料仍以燃料为主，按其形态可分为气态、液态和固态及液固 两相等。气体燃料为最早的高炉喷畋燃料，如天然气、焦炉煤气、发生炉煤气等。 液体燃料如重油、柴油、煤焦油等。以上这两类燃料，特别是重油，大多数国家 由于价格及成本等因素早己停止喷吹，只有少数几个国家( 如俄罗斯等) 因资源比较 丰富，目前仍在喷吹天然气。固体燃料以喷吹煤粉特别是无烟煤煤粉为主，同时 还有粒煤、焦炭粉等。近几年又出现了喷吹废塑料、生态水煤。 ( 1 ) 高炉喷吹燃料的种类 高炉喷吹燃料的作用众所周知，它可部分地代替价格较高的冶金焦炭，从而 降低生铁成本。因喷吹的燃料多是价格低廉、量大易得及利用二次资源的燃料， 其价格成本均低于焦炭。 单从置换比上看，各种燃料的替代作用相差较大。其中天然气、重油及废塑 料是较好的焦炭替代品，而煤粉和粒煤次之，生态水煤相对较差。目前国内外喷 吹燃料仍以喷吹煤粉为主，但喷吹粒煤技术也有加快发展的趋势。高炉喷吹粒煤 技术埕早由英国钢铁公司发明。目前在法国的洛尔丰特厂、英国的克利夫兰厂、 德国的勒克纳厂、瑞典的律勒欧厂、美国的伯利恒厂等高炉上也在进行粒煤喷吹， 1 4 东北大学硕士学位论文第二章丈献综述 在技术上是成功的。国内仅见鞍钢在1 3 m 3 高炉上做过喷吹粒煤试验 。 ( 2 ) 喷吹粒煤技术的主要优点如下： 粒煤的制各费用较低，生产效率高。据法国高炉统计数据，与煤粉相比， 粒煤制各系统投资及生产维修费用可节约3 0 左右。在同样条件下，生产粒煤的产 量至少是生产煤粉的两倍，其动力消耗仅为煤粉的5 0 ；工艺流程简单，易于输 送。与喷吹煤粉流程相比，喷吹粒煤的工艺流程简单得多，特别是粒煤制备如粒 煤破碎设各为锤式破碎机，比煤粉破碎设备一中速磨要简单得多，而且其系统的 除尘、防爆等设施均较为简便。采用煤粉时，为了不粘结在管道内，便于输送， 其水分含量须控制在1 以下，而采用粒煤时，可保留其中的大部分水分。因为粒 煤相对较粗，不易粘结，既减少了烘干所需要的能量，又利于气力输送；安全 性好。煤粉在输送和贮存过程中，存在较大的爆炸性( 特别是烟煤) 。而粒煤由于细 小粒度的含量较少，所以发生爆炸的危险性较小，相对安全性较高。迄今为止， 未见有粒煤发生爆炸的报道，而喷吹煤粉已发生了多起爆炸事故；燃烧率较高。 据报道p 。，煤粉在风口区仍有燃不尽成分，而粒煤较粗，反而燃尽率较高，置换 比也较高。从喷吹粒煤的高炉煤气洗涤水中观察，证明喷入风口的粒煤已完全燃 烧和利用。此外，粒煤技术适用的煤种也较广泛，大部分无烟煤和烟煤均可制成 粒煤来喷入高炉。 2 ) 喷吹( 助) 熔剂 从高炉风1 2 1 喷吹的熔剂主要是指富舍c a o 、m g o 的碱性熔剂，按含量不同， 有c a o 系和m g o 系。c a o 系主要指石灰石和生石灰，m g o 系主要指菱镁石和白云石。 向高炉炉缸内喷入烙剂，可起到两个作用。一是可以脱硫、降硅，二是防爆( 指与 煤粉混喷时) 。直接向炉缸内喷入熔荆，可维持较高的炉渣碱度，利于生铁脱硫， 其脱硫效果要比从炉顶加入等量的熔剂好得多；从风口直接喷入高活性的c a o 、 m g o ，可使其迅速而有效地与自由状态的尉啦化合，生成难还原的复合化合物， 从而使s i 0 2 挥发及炉渣中s i 0 2 还原受到抑制，故可降低铁水中的【s i 】；向煤粉中添 加1 0 2 0 的石灰石粉，可使烟煤由强爆炸性变为弱爆炸性，利于安全喷吹【9 】。 3 ) 喷吹铁矿粉 高炉喷吹铁矿粉技术二十世纪8 0 年代始于日本，其最初目的是使生铁降硅， 后来则作为在高风温、商富氧条件下确保高炉顺行、强化生产的一项重要而灵活 的调剂手段。实际生产中所喷吹的铁矿粉是广义的，既有精矿粉、富矿粉，又有 1 5 垒坐垄堂堡主堂垒堕查苎三主圭苎堡! ! _ 一 烧结矿、球团矿的粉末，还有高炉、转炉炉尘及炉前、料仓的除尘灰等。因此， 该项技术在强化生产、综合利用资源、消除污染及调剂炉况等方面有重要意义。 我国首钢先后于1 9 9 1 年； u 1 9 9 2 年，分别在1 9 m 3 和5 7 6 m 3 高炉上进行了喷吹铁矿粉工 业试验，并获得成功“。 当富氧率为2 1 6 7 、煤比为8 0 k g t 及高风温( 1 0 6 6 1 0 7 1 ) 时，在5 7 6 m j 高炉 的两个风口上进行了喷吹铁矿粉试验。结果表明：炉况一直顺行，( f e o ) 增高，平 均 s i 】有所降低。喷吹精矿粉使【s 降低的原因有二：铁矿粉喷入炉缸后必然造 成( f e o ) 含量增加、氧势增强，由反应 s i + 2 ( f e o 产( s i 0 2 ) + 2 f e 而使 s i l t l 洚由 于常温铁矿粉由常温空气喷入炉缸，升温、降温、分解和直接还原均需要吸热， 吸收的都是炉缸热量。如无热补偿措施，必然导致风口前理论燃烧温度和渣铁温 度下降，即使【s 目下降。在热补偿措施中，提高风温时其热能利用率为1 0 0 ，喷吹 煤粉时为6 0 ，而增加焦炭的热能利用率仅为4 0 德国也在高炉上进行了喷吹含铁工业细粉尘的试验。在喷煤最为6 0 0 k 嘻：, h 、细 矿粉喷吹量为6 0 0 k h 时，取得了高炉操作保持稳定顺行的结果。高炉喷吹铁矿粉 是一项新兴的、具有多方面功能的新技术，它可作为高炉热制度的一种机动而灵 活的调剂手段。如当炉温偏高、转热或热难行时，可以此手段来调剂，它比降风 温、停喷煤或增加焦炭负荷更经济、更及时和更有效。喷吹含钛精矿粉试验于1 9 9 1 年分三次共进行了1 8 天，断断续续的平均喷吹量为2 2 0 3 0 0 k g ，i l 。喷吹设备为在炉 前增设了一个专用喷吹罐，利用现有喷煤压缩空气和喷煤喷枪，实现了顺利喷吹 【1 0 】 4 】助燃剂 指煤粉的助燃荆。助燃剂先与煤粉混合( 有干混、湿混、浸渍等) 后，一同喷入 炉缸。其作用是对煤粉的热解、燃烧起催化作用，从而提高煤粉的燃烧率。如添 j 9 n m n 0 2 粉时，随着添加量的增加，煤粉的燃烧率显著增加。添加5 的m n 0 2 可使 无烟煤粉