（钢铁冶金专业论文）提高攀钢高炉风口煤粉燃烧率的研究.pdf

摘要 摘要 提高高炉风口前煤粉的燃烧率，对攀钢高炉实际生产有着重要的意义。在模拟 攀钢实际生产的工艺条件下，借助于煤粉的燃烧试验、x r a v 分析和扫描电子显微镜 分析等检测手段，研究了适合攀钢高炉喷吹煤粉燃烧催化剂的种类、适宜用量、催 化剂对未燃煤粉微观结构的影响以及催化剂对攀钢高炉炉渣中t i 0 2 还原的影响，得 到了以下主要结论。 l a 2 0 3 、c e 0 2 、i ( 1 n 0 4 、f c 2 0 3 、c a 0 和m n 0 2 能够明显改善煤粉在高炉风口前 的燃烧过程，提高了煤粉燃烧率。考虑到经济效益和满足煤粉在攀钢高炉喷吹条件 下燃烧率提高1 0 左右的技术要求，l a 2 0 3 和c c 0 2 在煤粉中的添加比例控制在 2 ，k m n 0 4 的添加比例控制在3 ，c a o 、m n 0 2 和f e 2 0 3 的添加比例控制在4 。 随着催化剂的加入，促进了煤粉中较大分子和芳环上支链的断裂分解，造成未 燃煤粉的芳香环缩合程度增大，芳香环微晶尺寸的增加：与没有添加催化剂产生的 未燃煤粉相比较，添加催化剂后的未燃煤粉颗粒的粒径缩小，表面的烧蚀严重，外 观形貌变得不规则化。 在炉渣中未燃煤粉比例保持不变的前提条件下，添加煤粉燃烧催化剂后的未燃 煤粉可以促进攀钢高炉渣中t i 0 2 的还原，炉渣中的t j c 和t i n 含量略有升高，导致 炉渣粘度增大，但高炉煤比却普遍可以提高4 0 埏左右，使攀钢高炉煤比接近 2 0 0 k t 以上。随着煤粉中各种燃烧催化剂添加比例的增加，炉渣中的t i c 和t i n 含 量赂有降低，导致炉渣粘度减小，这对改善高炉操作是十分有利的。 图3 0 表1 3 参6 2 关键词：高炉；喷煤；催化剂；燃烧率 分类号：1 下5 3 8 6 河北理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i m p r o v 船l e 啦o fp h i v d z e dc o a lc o m h s j o nr a 据a b ft n y e r e 舡aj ss 远n i 丘c a n tf o r b fp r o d u c t i o na tp a l l z h i l l u ai sc 0 r p o nm ec o n d i t i o ns t i i i l u l a t i n gt h er e a lp r o d u c t i o n c o n d i t i o na tp a i l z h i h u ai sc o 巾，u s i n gp u l v e r j z e dc o a lc o m b u s t i o ne x p e r 主m e n t 、x r d 柚ds e md e t e c t j m e t h o d s 纽ds oo n c a t a i y s t sv a r i e t y ，p m p e rc a t a l y s tc o n t e n ti n p u l v e r i z e dc o a l ，e f f e c to f 咖a l y s t so nm i c r 0 - s t r u c t u r eo fu n b u m e dc o a la n dr e d u c t j o no f t i 0 2i nb fs l a go fp a n z h i h u ai sc o f ph a v eb e e ns y s t e m a t i c a l l ys t i l d i e d ，f o l l o w i n gm a i n c o n c l u s i o n sh a v eb c e t b u n d c o 珂b u s t i o np f o c e s so fp u l v e r i z e dc o a la tb ft u y e r ca r c ac a i lb em a r k e d i yi m p r o v e d b ya d d i n gl a 2 0 3 、c c 0 2 、k m n 0 4 、f e 2 0 3 、c a oa n dm n 0 2 ，c o m b u s t i o nr a t ei si n c r e a s e d c o n s i d e r i n ge c o n o m yb c n e f i t 柚dt ec ：l l l l o l o g yf c q u i r co fi i l c r e 雏eo f m b u s t i o nr a t eb yt e n p e r c c n t ，a d d i n gp r o p o n i 加o f 魄0 3 a n dc e 0 2a r c 。o n t m l l e da t2 ，a d d j n gp r o p o n i o no f k m n 0 4i sc o n ”o l l e da t3 ，a d d 妯gp m p o n i 0 咀o fc a o 、m n 0 2 粕df c 2 0 3 盯e n t r o l l e da t 4 a d d j l i o no fc a t a l y s t sp r o m p sb r a n c hn l p t u r ea n db 瑚m c hd e c o m ! ) o s i l i o nj nb i g g i s h m o l e c u l a ra n da r o m a t i cr 主n g s ，c a u s e sd e g r e eo fr i n g sc o n d e n s a t i o ni n c r e a s e di nu n b 啪e d c o a l ；c o m p a f i n gu n b u m e dc o a l 胁mp u l v e r i z c dc o a la d d e dw i t hc a t a l y s t sw i t ht l l a tw i t h o u t ， t h ef o n n e r s 伊a j ns i z ed c c r c a s c d ，s u r f a c ea b l a t e ds c r i o u s l y ，m o p h o l o g yc h 锄g e di r r e g u - l a l l y o np r c c o n d i t i o nt l i a t 吼b u m c dc o a lc o n t e n ti ns l a gi sc o n s t 孤t ，u n b u m e dc o a l 舶m p u l v e r i z e dc o a la d d o dw i t hc o m b u s t i c a t a l y s tc a np r o m o t c st i 0 2r e d u c t i o ni ns l a go f p a n z h i h u ai sc o r p ，n t e mo ft i c 、t i ni l l s l a gi c r e a s e ss l i g h t l y ，粕dv i s c o s i t y i n c r e a s e s ，b u tp u l v c r i z c dc o a l i n j e c t i o nr a t ei n c r e 船e sb ya b o u t4 0 k ga tl a r g c ，m a l 【i n g p u l v e r i z e dc o a lj i l j e c t i o nr a t ea p p r o a c ht oo v e r2 0 0 k 鲈a tp a n z h i h u ai sc o i p c o n t e n to f t j c 、t i na i i dv i s 0 0 s i t yi ns l a gd c c r e a s e ss l i 曲t l yw i t ht i l ei c n a s eo fc a t a l y s ta d d j n g p r o p o n i o ni np u l v e r i z c dc 砌，i ti sh e l p f i l lt oi l i l p m v eb fo p e f a t i o n 摘要 f 培u r c3 0 ；t a b l e1 3 ；r e f e r e n c e6 2 k e y w o r d s ： b l a s tf i l m a c c ； p u l v e r i z e d c o a l i n j e c t i o n ；p m m o t i n gb 啪i n ga g e n t ； c o m b u s t i 叽r a t e c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t f 5 3 8 6 1 u 一 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：、盥竖 日期：皇年皇月丝日 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。 签名： 盘点金导师签名：塑壅丝：日期：鱼丛年上月坐日 引言 引言 喷吹煤粉技术是现代高炉炼铁生产广泛采用的一项新技术，是降低炼铁焦比、 减少生铁成本的最直接和最有效的方法，同时也可以减少因炼焦生产对环境造成的 污染。攀钢高炉冶炼用烧结矿中的t i 0 2 含量比较高，含铁品位只有4 8 左右，高炉 渣量高达6 5 0 k 眇左右，为此，喷吹煤粉对攀钢钒钛磁铁矿的高炉冶炼有着特殊的意 义。 攀钢钒钛磁铁矿的高炉冶炼的过程的特殊性主要体现在以下几方面。首先，高 炉渣中( t i 0 2 ) 在高炉内还原气氛下，会还原产生高熔点的t i c 、t j n 及其固熔体 t i ( c ，n ) 等低价钛化合物，使得炉渣变稠，渣铁分离困难；其次，炉渣对t i c 、t i n 及其固熔体砸( c ，n ) 有很强的润湿作用，新生成的t i c 、1 悄、t i ( c ，啪与焦炭又有 良好的接触条件，从而使炉渣粘附在焦炭表面，增加了软熔带以下的气体阻力；另 外，高炉渣量大，这就给高炉生产带来了困难。攀钢高炉大喷煤不仅会较大幅度降 低入炉焦炭的量，而且会减少滴落带、软熔带部位的渣焦接触面积，从而抑制炉渣 中( t i 0 2 ) 的过还原，减少t i c 、1 t n 、t i ( c ，的生成。因此，从这个意义上说， 高炉喷煤既有利于钒钛磁铁矿高炉冶炼的强化，也可以提高钒钛磁铁矿高炉生产的 经济效益。 攀钢目前的喷煤量已经达到1 5 吲t 左右，在国内处于一个相对比较高的水平。 为了降低生铁成本，进一步提高煤比的同时，高炉内的未燃煤粉增多，大量未燃煤 粉与炉渣具有更好的接触条件，这将会促进渣中( t i 0 2 ) 的过还原，使t j c 、t i n 、 t i ( c ，n ) 的生成量急剧增加，不仅会降低煤粉在高炉内的利用率，还会影响料柱的 透气性和炉渣的粘度，给高炉冶炼过程产生不利的影响。因此，强化煤粉在高炉风 口回旋区燃烧过程，提高煤粉的燃烧率是提高攀钢高炉喷煤量的前提条件。 冶金科研工作者进行了大量关于提高高炉风口前煤粉燃烧率的研究，其中包括 煤粉的混合喷吹技术、提高鼓风富氧率和热风温度、添加煤粉助燃催化剂等手段， 为有效提高煤粉在高炉风口回旋区燃烧率创造了有利的条件，并取得了较好的效 果。关于煤粉燃烧催化剂，在化工和能源领域中，添加催化剂或促进剂以强化反应 的措施早已广泛应用，在高炉喷煤领域，国内外都有使用催化剂强化煤粉燃烧的研 究。就攀钢高炉冶炼用煤粉燃烧催化剂的种类选择、适宜用量等一系列问题进行研 究有着重要的意义。 河北理：r 火学硕十学位论文 1 文献综述 1 1 国内外高炉喷吹煤粉技术的发展 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二者 的混合煤粉，以代替焦炭起提供热量和还原剂的作用，从而降低焦比和生铁成本， 它是现代高炉冶炼的一项重大技术革命【l j 。 高炉喷吹煤粉技术从它的出现、发展到广泛应用，经历了一百多年时间。高炉 喷吹煤粉始于1 8 4 0 年班克( s b a l i k s ) 喷吹焦炭和无烟煤的设想。世界上最早的工 业应用是根据这一设想在1 8 4 0 1 8 4 5 年间于法国博洛涅附近的上马恩省炼铁厂实现 的。该项技术在1 8 8 1 年取得专利【2 j o 高炉喷煤的大量试验和系统研究是从2 0 世纪 6 0 年代初开始的，进行过实验室试验和工业性试验的主要有法国、英国、前苏联、 德国和中国等国家【引。正当国内外高炉喷煤试验取得初步成功之时，由于高炉喷油 工艺比较简单、投资比较省以及当时油价比较低，喷油技术具有很强的吸引力，因 此许多钢铁企业转向喷油，只有中国等少数国家的一些钢铁企业还在坚持喷煤。2 0 世纪7 0 年代的石油危机爆发以后，高炉喷煤技术重新受到重视，进入了新的发展时 期1 4 】。 进入2 0 世纪8 0 年代，世界各国都积极发展高炉喷煤技术，建立了大量的喷煤 设施，并且还在进一步发展f 5 一。自1 9 8 2 年起，高炉喷煤技术在日本、西欧等地已 迅速发展。目前日本已发展有8 2 的高炉喷煤，1 9 9 2 年日本八大钢厂高炉喷煤量达 到了6 3 5 万吨，相应少用了5 加万吨焦炭川。西欧国家已有6 0 的高炉安装了喷煤 设备，其平均喷煤量己达到1 4 0 1 8 0 k 鲈水平【8 j 。如英国斯肯索普和雷文斯格公司 喷煤量达到1 7 5 k 鲈。近年，欧洲一些高炉已成功地在喷煤量超过1 9 0 k 卧下运行， 个别高炉的喷煤量已超过2 5 0 k 鲈。这一喷煤水平已使现有高炉炼铁生产的焦比降至 3 0 0 k t 左右f 9 】。预计今后1 0 3 0 年内，全世界采用喷煤炼铁新技术的高炉将进一步 增加，随着多功能喷煤装置的提高，一大批高炉的喷煤量都将达到2 0 0 k 卧以上，部 分高炉将达到3 0 0 k 酣左右，但目前平均喷煤量还没有超过2 5 0 k 眇左右。 我国自1 9 6 4 年4 月3 0 日首钢1 号高炉开始喷煤1 1 0 1 l 】，1 9 6 5 年高炉喷煤在鞍钢 相继投产，高炉炼铁揭开了新的一页，走向了喷煤强化冶炼的道路，到7 0 年代，我 国己成为世界瞩目的喷煤大国。经“九五”期间的技术进步，全国大中型高炉的喷 煤量平均在1 0 0 1 1 0 k t ，有个别高炉的喷煤量则达到2 5 0 k 酣的世界先进水平【1 0 j 。 2 1 文献综述 8 0 年代由于受喷煤设备、自动化计量手段落后以及煤炭质量较差等问题影响，我国 高炉平均喷煤比徘徊在5 0 一6 0 k g a 。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 5k 卧，到上个世 纪末已达到1 1 8k 鲈，翻了一翻，2 0 0 2 年达到了1 2 5k 鲈。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t ，2 0 0 1 年喷煤量为1 3 6 0 万t ，2 0 0 2 年达到了 1 4 0 0 万t 口2 l 。 在我国钢铁企业中，目前首钢平均煤比为1 3 0k 卧；武钢平均煤比为1 2 0k g ： 鞍钢平均煤比为1 3 5k 砂，其中3 号高炉煤比最高月度记录为2 0 3k 鲈；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 酣以上的水平，其中1 号高炉喷煤比平均2 3 0 k 酣，最高月度达2 6 0 6k t ，居世界领先水平1 1 2 j 。 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【1 3 j 。除 了宝钢等大型企业外，大部分钢铁企业的高炉喷煤水平与国际先进水平还存在一定 的差距，高炉喷煤技术的优越性在我国还没有充分发挥出来。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。 目前，世界上高炉喷煤除了喷煤高炉数量不断增加、喷煤比不断加大外，还出 现了下列特点： 1 - 提高喷煤率。许多钢铁公司喷煤的目标是争取高炉喷煤率达到5 0 。英国钢 铁公司、荷兰霍戈尔钢铁公司、意大利伊耳瓦钢铁公司联合在英国克利夫兰厂进行 喷煤试验，取得了月平均喷煤率3 5 4 0 ，年平均喷煤率3 0 3 5 ，短期喷煤 率5 0 的优异成绩i “j 。 2 喷吹煤种一般为烟煤或无烟煤与烟煤的混合煤。试验证明，煤的挥发分高， 燃烧性能往往较好。国外高炉喷吹用烟煤，一般挥发分都在3 0 左右甚至更高，灰 分小于1 0 。我国也有不少厂家解决了喷吹烟煤的安全问题，成功实现了高炉喷吹 烟煤。 3 喷煤系统形式多样。喷吹系统的种类较多，大体上可分为并联罐系列和串联 罐系列，其他系统基本上是在这两种系统的基础上派生出来的。制粉系统主要采用 一3 河北理工大学硕士学位论文 中速磨煤机，输送系统多采用直接喷煤断流程，浓相输送技术【1 5 】。喷煤工艺向简单 化、紧凑化方向发展。 1 2 高炉喷吹煤粉技术的研究现状 高炉喷煤的长期生产实践表明，高炉喷吹煤粉技术是整个炼铁系统结构优化的 核心技术。喷吹煤粉是降低炼铁焦比、减少生铁成本的最直接和最有效的方法，同 时世界范围内炼焦用煤的资源和产量有限，炼焦造成的污染比较严重，所以高炉喷 煤对于节约能源和环境保护的效果也得到了普遍认同。正因为高炉喷吹煤粉技术出 现后显示的上述优越性，引起了国内外科研工作者的重视，他们对喷吹煤粉技术进 行了大量的研究，并得到了如下主要结论： 1 就喷吹煤种来说，烟煤的燃烧性能往往比无烟煤的燃烧性能好，并且，煤的 挥发分越高，它的燃烧性能越好。 2 在一定条件下，煤粉的粒度越细【1 6 4 ”，煤粉在高炉风口前的燃烧性能就越 好。实验证明：在一2 0 0 目的比例达到8 0 时，大部分煤粉在回旋区内距风口 0 8m 【1 1 l 处就可以燃烧气化，不会对高炉冶炼产生负面影响。 3 适当延长煤粉在热风气流中的停留时间有利于提高煤粉燃烧率，但如果喷枪 距风口过远，对提高煤粉燃烧率效果已不明显，而且会使燃烧后的灰分沉积或粘附 在风口、风管内壁上，容易造成风口结渣。 4 喷吹量过高或喷吹方式不当，使大量的煤粉在风口回旋区内不能充分燃烧、 气化，形成未燃煤粉。降低风口回旋区的理论燃烧温度和恶化软融带的透气性，并 对高炉炉渣的流动性带来一定的不利影响。 5 高炉喷煤以后，燃烧带高温区向风口靠近，中心气流发展，高温区上部中心 温度升高，高炉软融带降低，块状带扩大，间接还原增加，煤气利用率得到改善。 6 与全焦操作相比，高炉喷吹煤粉有利于炉况稳定和生铁产量的增加。 7 富氧鼓风能有效的提高风口回旋区的理论燃烧温度和减少单位生铁的煤气 量，与高炉喷吹煤粉具有很好的互补性【1 9 l ，因此，高炉富氧喷煤作为高炉强化冶炼 的主要手段已经得到了广泛的应用。 高炉喷吹煤粉是降低生铁成本和优化操作工艺的主要技术手段，因此，大幅度 提高高炉喷煤量是许多钢铁企业共同追求的目标。但随着煤比的提高，高炉内会产 生大量未燃煤粉，未燃煤粉会对高炉冶炼带来许多不利的影响，同时也会给高炉喷 一4 一 1 文献综述 吹煤粉的经济效益带来负面影响。因此，提高高炉风口煤粉燃烧率的研究具有十分 重要的意义。 1 3 攀钢高炉喷吹煤粉的发展及现状 1 3 1 攀钢高炉喷吹煤粉的发展 攀钢高炉喷煤技术的发展经历了一个较为漫长的过程，1 9 6 7 年在首钢2 号高炉 ( 5 1 6 m 3 ) 进行两次攀枝花钒钛磁铁矿喷煤冶炼试验，均因出现严重的炉渣粘稠现象而 被迫停止，当时也因此将高钛渣冶炼喷煤划为禁区。2 0 世纪8 0 年代攀钢的炼铁工 作者为了探索增铁节焦和强化高炉冶炼的途径，在认真分析首钢矾钛磁铁矿高炉冶 炼喷煤失败的原因的基础上，于1 9 8 5 年至1 9 8 6 年在攀钢1 号高炉( 1 0 0 0 m 3 ) 先后 进行了3 0 k g f c 一、4 0k g f e 、5 0k g f c 、6 0k g f e d 四个阶段的无烟煤喷吹工 业试验，喷吹煤粉后，炉渣中高熔点的t i c 、t i n 含量下降，炉渣性质得到了改 善，炉况顺行稳定，高炉技术指标得到了改善，钒钛磁铁矿高炉冶炼喷煤获得了成 功【2 0 】。 1 9 9 2 年1 9 9 5 年，在进行喷吹系统完善改造的同时，1 号高炉( 已进行了改造 性大修，有效容积1 2 0 0 m 3 ) 分阶段进行了氧煤混合喷吹工业试验，煤比从5 l k g f e 4 提高到了8 8 5 姆f c ，氧煤枪由8 支增加至1 3 支，采用套管式氧煤枪， 氧气走外管，煤粉走内管的方式，使喷枪前局部区域氧浓度达到7 0 左右，为煤粉 的尽可能完全燃烧创造了有利条件，试验中高炉渣中的t i c 、t i n 含量并未增加， 炉渣流动性还得到了改善，炉况稳定顺行，高炉技术指标得到改善，试验获得了成 功。1 9 9 6 年攀钢实现了全厂高炉喷煤，全厂喷煤比由2 7 6k g f e 1 提高到了8 0 蚝f e ，高炉利用系数也达到了2 o t ( m 3 d ) - 1 以上，为了继续提高喷煤比，决定 配加部分可磨性和燃烧性均较优异的瘦煤。1 9 9 8 年8 月在实验室试验的基础上，进 行了烟煤、瘦煤混喷工业实验，实验期间混合煤的比例为7 5 的无烟煤和2 5 的瘦 煤，高炉喷煤比达到了1 0 0k g f 芎1 以上，实现了系统安全运行，试验获得了成功 【2 1 j 。2 0 0 1 年攀钢炼铁厂瘦煤比例已经达到了4 0 ，煤比达到了1 4 0 埏f e 一1 ，现 在高炉喷煤比已经突破1 5 0 k g f e 一。 5 河北理工大学硕士学位论文 1 3 2 攀钢钒钛磁铁矿高炉冶炼的特殊性 攀西地区是我国钒钛磁铁矿的主要成矿带，也是世界上同类矿床的重要产区之 一。该铁矿属于以铁、钛、钒、铬等氧化物为主，多种矿物共生的复合矿，铁在原 矿中以磁铁矿、钛铁晶石( 2 f e o t i 0 2 ) 和钛铁矿( f e o t i 0 2 ) 三种形态存在。 采用钒钛磁铁精矿生产的烧结矿中的t i 0 2 含量为1 4 左右【翊，高炉渣中的t i 0 2 含 量为2 2 一2 5 i 埘，而普通铁矿石的冶炼产生的高炉渣中，t i 0 2 含量比较少。石钢 普通铁矿石冶炼的高炉渣化学成分与攀钢高炉冶炼炉渣化学成分的对比见表1 所 示，从表1 中可以看出攀钢高炉炉渣中的t i 0 2 含量石钢普通高炉炉渣中t i 0 2 含量 高得多。 表1 石钢和攀钢高炉炉渣化学成的对比 t a b l e1s l a gc o m p o n e n ic o m p a r i s i o nb e t w e e ns h 蘑i a z h u 柚gl sc o r p 删p a n z h i l l u al sc o r p 由于攀钢高炉炉渣中的t i 0 2 含量比较高，在高炉内强还原气氛条件下，t i 0 2 会 还原生成了高熔点的t i c 、t i n 及固熔体t i ( c ，n ) 等低价钛化合物，使得炉渣变 稠，炉渣粘度升高，渣铁分离困难；另外，炉渣对t i c 、1 悄及其固熔体t i ( c ，n ) 有强力的润湿作用，新生成的t i c 、t i n 和t i ( c ，n ) 与焦炭又有良好的接触条 件，从而使炉渣粘附在焦炭表面，增加了软熔带以下的气体阻力，给高炉生产带来 困难【。攀钢4 1 0 厂o 8 立方米高炉解剖实验表明：t i c 、1 试和t j ( c ，n ) 的主 要生成位置在软熔带至风口平面间，而以滴落带尤为激烈，在风口平面其含量达到 最高，风口平面以下因其被再氧化而逐渐减少瞵l 。因此抑制渣中t i 0 2 的过还原，控 制t i c 、1 悄及t i ( c ，n ) 固熔体的生成，构成了钒钛磁铁矿高炉冶炼的操作特 点。石钢普通铁矿石冶炼的高炉炉渣粘废和熔化性温度与攀钢高炉冶炼炉渣粘度和 熔化性温度的对比见表2 ，从表2 中可以看出：攀钢高炉炉渣的粘度和熔化性温度 都比石钢普通高炉炉渣的粘度和熔化性温度高，这对改善高炉冶炼过程是十分不利 的。 6 1 文献综述 表2 石钢和攀钢高炉炉渣粘度的对比 1 a b k2v i s c o s 时如dm d 妇g t c m p c r a i u r cc 0 呷a r i s i o no fs l a gb e t w e e n s 峋i a z h u 柚gl sc o i p 知dp 蛆z h i h u ai sc o i p 1 3 3 喷煤对攀钢钒钛磁铁矿高炉冶炼产生的影响 在钒钛磁铁矿高炉冶炼条件下，软熔带至风口平面间的t i c 、t i n 和t i ( c ，n ) 主要由渣中t i 0 2 在渣焦界面被还原而生成，其限制性环节为渣焦接触面积。该阶段 焦炭为固态，炉渣为液态，在其它条件不变的情况下，渣焦接触面积取决于入炉焦 炭的数量。因此，减少入炉焦炭量，对抑制风口平面以上的t i 0 2 过还原，减少高炉 炉渣中t i c 、t i n 和t i ( c ，n ) 的生成极为有利，从而有利于改善钒钛磁铁矿的高炉 冶炼过程【2 1 】【2 6 】【矧。高炉喷煤冶炼技术是将煤粉从风口喷入高炉内后，煤粉在极为有 限的空间和时间内急剧燃烧、气化、放出相应的热量，并与矿石进行间接还原反 应，代替相应入炉焦炭量。当高炉喷煤和高风温、富氧鼓风配合使用，保证煤粉燃 烧率的前提下，一方面高炉大喷煤必然会较大幅度降低入炉焦炭量，减少滴落带、 软熔带部位的渣焦接触面积，从而抑制炉渣中t i 0 2 的过还原，减少t i c 、t i n 和t i ( c ，n ) 的生成1 2 ：另一方面，当未燃煤粉的量小于极限未燃煤粉的量时，未燃煤 粉有利于含钛炉渣滴落和高炉顺行【鸽0 9 】；因此，单纯从这个角度考虑，喷煤更有利 于钒钛磁铁矿高炉冶炼过程的强化。相反，如果煤粉燃烧率比较低，则会降低煤粉 在高炉内的利用率。同时还会影响高炉料柱的透气性和炉渣粘度，给高钛渣型钒钛 磁铁矿高炉冶炼带来十分不利的影响。大量的未燃煤粉与炉渣具有更良好的接触条 件，这将会促进渣中t i 0 2 的过还原，使高炉炉渣中t i c 、t i n 和t i ( c ，n ) 的生成量 急剧增加，进而恶化高炉冶炼过程。因此，改善煤粉在风口回旋区的燃烧过程是提 高高炉喷煤量的前提条件。高风温与富氧鼓风是提高煤粉燃烧率的有效措施，因 此，大喷煤量必然要与高风温、富氧鼓风配合使用，高风温使鼓风带入高炉的物理 热增加，促进煤粉的快速分解；富氧鼓风有利于提高理论燃烧温度，改善煤粉的燃 烧过程，从而达到减少入炉焦炭量的目的，抑制t i 0 2 的还原和t i c 、t i n 和t j ( c ， n ) 的生成l ”；”。 7 河北理工大学硕士学位论文 1 4 煤粉在高炉内的行为 1 4 1 煤粉在高炉风口前燃烧的特点 煤粉从风口喷入高炉后，煤粉的燃烧主要在风口前的回旋区内进行，风口回旋 区空间小，而且温度高达2 0 0 0 ，煤粉在风口前的停留时间十分短，所以煤粉的燃 烧具有独特的燃烧特点，根据有关资料【3 0 l 煤粉在风口回旋区内的燃烧有以下几个特 点： 1 有限空间和时间内的燃烧。 喷入风口的煤粉在回旋区的燃烧是在有限空问和时间内的燃烧。对高炉喷吹煤 粉来说，煤粉喷枪位于直吹管的前端，离高炉风口前的回旋区很近，一般大型高炉 直吹管的内径只有2 0 0 l i l l m 左右，因此，连同风口回旋区在内的煤粉燃烧空间也很小 【3 1 l 。加上直吹管内正常的热风速度达1 0 0 2 0 0 n m ，s p m ，所以煤粉的停留时间有 限，一般认为只有1 0 m s 【3 3 】左右。以平均粒径为o 0 r 7 4 m m ( 2 0 0 目) 的煤粉为伊j ，计算 表明，0 ，0 7 4 r n m ( 2 0 0 目) 的煤粉在高炉风口条件下，其燃烬时间一般都在几十毫秒， 而煤粉在回旋区的停留时间只有十几毫秒，因此在高炉风口条件下难以满足煤粉完 全燃烧的时间要求。 2 高加热速率及高温环境下的煤粉燃烧。 把煤粉从喷枪喷入直吹管的过程，是一个把冷态煤粉突然喷入9 0 0 1 2 5 0 热 风中的瞬问过程。在此过程中煤粉的加热速率可以达到1 0 3 1 0 6 k s f 3 4 】，丽在此条件 下煤粉的燃烧温度可达到2 0 0 0 左右，接近爆炸火焰的加热速度和温度。因此高炉 内的煤粉燃烧是一个在高加热速率和高温环境下的燃烧过程。 3 交织进行的燃烧物理化学反应过程。 由于煤粉处在很高的加热速率和温度环境下，煤粉的预热、干燥、脱气、挥 发、着火、挥发分燃烧以及残碳的燃烧等多个过程相互交叉进行【3 弱。具体而言，高 炉喷吹煤粉颗粒的预热、干燥、脱气及挥发分的挥发等多个过程几乎是同时进行 的，而挥发分的着火燃烧和残碳( 半焦) 的燃烧也几乎是同时进行的。因此，煤粉在 高炉风口回旋区内的燃烧过程是一个极其复杂的，各种物理化学反应交织进行的过 程。 4 加压燃烧过程。 - 8 一 1 文献综述 高炉内煤粉的燃烧和气化是在一定压力下进行的，与常压下碳的燃烧和气化有 所区别，主要表现为煤粉在燃烧和气化过程中，体积膨胀的反应受到抑制。 5 高炉喷吹煤粉的传质。 由于高炉喷吹煤粉的粒度小，高炉直吹管中热风的动量大，载气运动强烈，所 以煤粉颗粒与周围热风的相对速度减小，不利于氧分子向半焦表面的扩散，也不利 于反应产物由反应表面向外扩散，在一定程度上影响了煤粉的快速燃烧速度，尤其 是在有限的燃烧时间内，较大程度上影响高炉煤粉的燃烧率。 1 4 2 煤粉在高炉风口前的燃烧过程 煤粉在高炉风口回旋区的燃烧过程是一个复杂的，各种物理化学反应交织进行 的过程，但单个煤粉颗粒的燃烧过程大致可以分为挥发分的挥发，挥发分的燃烧和 残碳的燃烧三个过程。 1 挥发分的挥发 喷入高炉风口的煤粉颗粒一旦进入直吹管1 0 0 0 左右的热风中，开始暴露在由 热风形成的氧化性气氛中，在快速加热条件下热解反应和燃烧反应迅速进行【3 “，在 高炉风口条件下，由于煤粉很细，煤粒加热速度和热解速度非常快，一定条件下热 解产物可能降低煤粒表面的氧势，况且煤的热分解是一个非常复杂的过程，部分原 因是由于煤不是一种均匀的物质，即使同一个煤粒的不同部位在物理和化学性质上 也可能有很大差别，这都可能造成煤粉的燃烧和热解过程不按常规的顺序进行。 在热量充分的前提下，挥发分将在氧化气氛中很快逸出。随着挥发分逸出速度 和挥发分燃烧速度的不断减小，反应气体一氧气等扩散到半焦表面并开始上述一系 列反应。由试验可知1 3 7 1 ：加热速度为1 0 3 s 的煤粉，热解是在燃烧之前开始的；而 当煤粒进入加热速度约为1 0 4 s 的环境时，煤表面的氧化速度比热解速度快。一般 的热解过程是在3 0 0 4 0 0 时开始的，但在很高的加热速率下，热解过程被推迟。 h o w a r d 和e s s e n h i g l l 【3 8 l 测定了一种煤粉在火焰中的着火燃烧温度是1 0 0 0 ，而热解 则在1 2 0 0 时才开始发生。 由以上分析可以知道，煤粉热解过程的快慢和先后直接影响煤粉的燃烧过程。 有时尽管从热力学角度测得或计算得到煤粉颗粒表面温度己达到煤的着火温度，但 因煤粒表面完全被热解产物所包围，导致低氧势而难于着火，这时的关键已不是温 度而是煤粉表面的气氛了。因此，在极短的停留时间内，喷入的煤粉必然进行不完 全燃烧，这样就会在高炉内形成大量的未燃煤粉。 一9 河北理工大学硕士学位论文 2 挥发分的燃烧 关于挥发分的燃烧，其燃烧机理目前所知甚少，f i e l d 【3 9 】等在专门讨论挥发分的 燃烧问题时，认为挥发分中的有机物燃烧很快，因此其限制性环节是c 0 的燃烧。 他们认为高炉煤粉燃烧时，挥发分的燃烧可能与残碳( 半焦) 的燃烧交织在一起进 行。 一般说来，挥发分的燃烧速度取决于它的逸出速度。但是对于小颗粒的煤粉来 说，挥发分燃烧速度的限制性环节在于挥发分的燃烧速度，而不在于挥发分从多孔 基体中的逸出速度，而对大颗粒的煤粉，其挥发分燃烧速度的限制性环节则是挥发 分的逸出速度。在这里大颗粒煤粉与小颗粒煤粉的界限是o 1 m m ，对于高炉喷吹的 煤粉来说显然应属于小颗粒煤粉。 3 残碳的燃烧 固体燃料与气体之间的化学反应是在固体表面上进行的。气体中的氧气扩散到 固体的表面并与之化合，化合反应形成的反应产物( c 0 2 或其它气体) 再离开固体表面 逸出。高炉风口回旋区残碳的燃烧反应主要发生在风口前的燃烧带，在这个区域内 燃料中的碳和高温热风中的氧发生碳的氧化反应，即碳的燃烧反应。在燃烧带区域 内燃料中的碳是过量的，因此，碳燃烧反应的产物是c o 。由于碳在燃烧带内滞留 的时间很短，来不及完全燃烧，就随煤气流离开了燃烧带形成未燃煤粉后参与高炉 内的各种物理和化学反应过程。 1 4 3 煤粉在高炉内的消耗途径 煤粉由高炉风口喷入高炉后，部分煤粉在高炉风口前燃烧气化，部分煤粉以未 燃煤粉的形态进入高炉各个部分，参加各种物理化学反应和以炉尘的形式逸出炉 外，煤粉的具体消耗途径如图1 所示f 4 0 1 。 从图1 中可以看出：煤粉进入高炉风口回旋区后，煤粉的消耗主要有以下6 条 途径。 1 风口前燃烧，代替焦炭起发热剂和还原剂的作用，燃烧后以c 0 的形态进入 高炉煤气中。 2 吸附在炉料表面或空隙中的未燃煤粉，与煤气中的c 0 2 反应生成c 0 ，即c 的气化反应，气化反应生成的气体进入高炉煤气中。这在某种意义上保护了焦炭， 降低了焦炭的溶解损失反应，使焦炭强度不降低或减轻降低的程度。 一1 0 1 文献综述 b 广 c + c 0 2 = 2 c o i + 参加碳的气化反应十。吧+ f e o = f e + c o - l 非铁元素还原 ! 粉+ 铁水渗碳 - 在炉渣中沉积l ，c ? 图1 煤粉在高炉内的消耗途径【4 l 】 f i g 1o ) n s 邶叩虹m u t e0 f p u l v e r i z c dc o a li nb l 弱if i i m a c e f 4 1 】 3 未燃煤粉遇到滴落的炉渣或进入炉缸渣层中时，可以作为f e o 和少量非铁元 素( s j 、t j 、v 、m n 、p ) 等氧化物的还原剂，直接还原反应生成的c o 气体进入高炉 煤气中。 4 未燃煤粉遇到滴落的铁珠或未熔的海绵铁时，成为它们的渗碳剂1 4 ，从而形 成f e c 3 ，进入生铁中。 5 未燃煤粉沉积在炉渣中。由于在炉渣中沉积的碳是以固体状态存在，在炉渣 中会形成非均匀相，从而提高炉渣的粘度和熔化性温度。 6 有一部分未燃煤粉随煤气以炉尘的形式从炉项逸出炉外 4 2 1 ，最后沉积在重力 灰或污泥中，增加了重力除尘器和脱水器的运转负荷，这同样会给高炉冶炼带来一 些不利的影响。 从高炉风口喷入的煤粉，在风口回旋区内燃烧，未能燃烧烬的煤粉随热风进入 炉内，形成了高炉内的未燃煤粉，随喷煤量的增加，未燃煤粉的数量增加。另外， 随喷煤量的增加，煤粉在风口回旋区的燃烧率下降很快，进入高炉的未燃煤粉数量 就更多【4 3 l 。未燃煤粉主要聚集在i 帅l 气流流动缓慢和气流发生转折的区域部分，即回 旋区的下部、前方及软熔带的根部和内侧拐角处，在块状带未燃煤粉则主要滞留在 矿石层中。杜鹤桂【4 4 蹲用二维冷模型研究了高炉内未燃煤粉的行为后指出，风口区 粉料聚集最多的地方是回旋区前端，其次是下方，软融带相应有一定的未燃煤粉聚 集，进入块状带的未燃煤粉很少。未燃煤粉的存在对高炉纵向压差影响不大【4 4 j 鄂， 尤其是边缘，边缘的透气性基本不变。 河北理工大学硕士学位论文 适量的未燃煤粉在回旋区外围、滴落带和软融带内被气化，可以保证骨架焦炭 的热强度，有利于改善软熔带的透气性，提高滴落带温度，进而有利于高炉顺行。 当高炉内未燃煤粉的量超出高炉所能够承受的范围时，高炉炉尘中的碳含量升高。 煤焦置换比降低，恶化下部料柱透气性，使高炉难以正常运行。略为过量的未燃煤 焦也因对焦炭窗的阻塞作用使炉内径向煤气分布发生改变【4 6 1 ，局部的过量积粉将可 能导致压差波动。无需整个料柱积粉超过极限量，只要料柱中某段出现积粉量超 限，将会导致压差波动，诱发管道，这意味着高炉平时积粉量的多寡与未燃煤粉的 分布状态有关1 4 ”。另外，未燃煤粉作为熔体中的悬浮固体质点使炉渣粘度大大增加 【柏】 1 5 高炉风口煤粉燃烧率的提高 煤粉在高炉风口回旋区燃烧过程中，产生的未燃煤粉部分可以在高炉内被消耗 利用，但强化煤粉燃烧仍然是增大喷煤比的一个关键步骤。随着喷煤量的提高，必 须采取强化燃烧的技术措施，才能够保持风口前煤粉燃烧率基本不变或下降不多， 炉芯区未燃尽煤粉不至严重恶化高炉死料柱的透气性，使炉缸活跃、煤气流分布合 理( 具有较强的中心气流) 、高炉透气性良好、炉况稳定顺行。强化煤粉燃烧的手 段大致可以从以下几个方面入手。 1 混合喷吹技术 高炉喷煤对煤粉性能的要求是：灰分少、含硫低、燃烧性能好、发热值高。无 烟煤具有固定碳含量高、发热值高、挥发份低的优点，但也具有不易燃烧、煤质硬 不容易加工的缺点；烟煤较易着火燃烧、煤质软易粉碎，其缺点是固定碳含量低、 发热值低、喷吹时的爆炸危险大。喷吹任何单一煤种都很难满足高炉的要求，而烟 煤和无烟煤的混合喷吹既可以促进煤粉的燃烧速度，提高煤粉的燃烧率，又可以提 高煤粉喷吹的安全性。国外研究表明，无烟煤、烟煤混合喷吹，按挥发份 2 0 一2 2 ，最高不超过2 5 配料，燃烧率明显提高，置换比升高【4 9 1 。 2 富氧煤粉喷吹 当喷煤量达到一定数量时，未燃煤粉的数量逐渐增多，风口理论燃烧温度明显 降低，影响高炉炉况顺行。富氧鼓风具有以下优点： 1 ) 提高煤粉的燃烧速度，煤粉的燃烧率提高。 2 ) 提高风口区的理论燃烧温度。 一1 2 1 文献综述 3 ) 提高冶炼强度。由于鼓风含氧量提高，每吨生铁需要风量减少，若保持原 有风量不变，则冶炼强度可以提高。 4 ) 增加煤气中c o 的含量，改善间接还原，同时提高煤气发热值，有利于提高 热风温度，反过来改善煤粉的燃烧，形成良性循环。 3 高热风温度 由于温度是燃烧反应动力学的重要因素之一，风温的提高可以快速加热煤粉和 载气，提高热解的吸热速率，促使煤粉提前着火，同时还有利于煤粉化学能的充分 利用，所以高热风温度是提高煤粉燃烧率的有力措施之一。 4 选择合适的煤粉粒度 从燃烧学角度上考虑，煤粉燃烬时间与煤粉粒径的平方成正比，即煤粉的粒径 越细，燃烬时间越短。但考虑到磨煤成本，以及煤粉越细安全性越差等问题，煤粉 粒度应在一合适的范围。目前认为【1 】，喷吹无烟煤时，粒度应小些，一2 0 0 目的达到 7 0 一8 0 ：而喷吹烟煤粒度则可大些，一2 0 0 目的达到6 0 6 5 即可。 5 合理的煤枪结构及插枪位置 煤枪的位置、角度和插入深度都会对煤粉的燃烧产生影响。原则上要考虑增加 煤粉的燃烧时间和燃烧空间，同时还要考虑煤枪喷出的煤粉不会直吹管内壁和风口 内壁。 6 选择合适的喷煤系统 能够向高炉每个风口提供连续、稳定、均匀的煤粉是保证喷吹煤粉燃烧的前 提。 7 煤粉燃烧催化剂 在化工和能源领域中，添加催化剂或促进剂以强化化学反应的措旄早已广泛应 用。在高炉喷煤领域，国内外都有使用催化剂强化煤粉燃烧的研究1 5 2 1 。煤粉燃烧 常用的催化剂有以下几种： 1 1 金属的氯酸盐、硝酸盐、碳酸盐或某些有机酸盐类。 2 ) 碱金属和过渡金属的氧化物类，如：高锰酸钾，重铬酸钾等。 3 ) 稀土金属氧化物，如氧化铈、氧化镧 4 1 由容易燃烧的有机物质组成的无灰型煤粉燃烧催化剂，如草酸、丙三醇、正 戊醇等。 改善煤粉燃烧的催化剂种类较多，经过科技工作者研究得到的煤粉燃烧催化剂 的助燃机理可分为以下几类： 1 3 河北理工大学硕士学位论文 1 ) 降低着火温度 这类催化剂的作用在于降低煤粉的着火温度，添加催化帮后使煤粉能够在较低 的温度下开始着火燃烧。这类催化剂通常是有机物，与煤粉相比有较低的着火点。 煤粉中加入此类催化剂后，催化剂在较低温度下首先着火燃烧，由于催化剂的着火 燃烧，使煤粉颡粒某些局部温度升高，加速煤粉挥发分挥发燃烧，残炭达到开始燃 烧温度而着火燃烧。挥发分或残碳的燃烧放出大量的热，燃烧反应自动催化进行， 加速了煤粉颗粒的燃烧，从而提高煤粉在一定燃烧时间内的燃烧率。 2 ) 提高煤粉颗粒表面碳氧反应速率 碱金属、碱土金属和过渡金属及其化合物可以作为煤气化过程的催化剂，添加 这些物料能加速块煤或煤粉与c 0 2 的反应速率。当煤中加入催化剂后，这类金属离 子能在煤粒表面生成络台盐c o - m + 。由于金属离子的供电子效应可通过氧传递到碳 环或碳链上，使其不稳定而破裂，生成c o 或c 0 2 逸出，从而加速煤中固体碳向气 相转移的过程，提高反应速率。从这类催化剂的助燃机理可见，助燃物质与煤粉颗 粒需要有较好的接触条件，才能发挥作用。 3 1