（钢铁冶金专业论文）提高酒钢高炉喷煤量的研究.pdf

摘要 摘要 本课题是由酒泉钢铁公司提供的，在酒钢高炉喷吹用煤为7 0 马克煤和3 0 烟 煤的混合煤粉前提条件下，模拟酒钢高炉现场喷吹条件，确定酒钢高炉喷吹煤粉合 理的粒度组成及水分含量等各种工艺参数，同时对酒钢现有条件下高炉喷吹煤粉的 利用状况进行了分析，并对酒钢提高高炉喷吹煤比提出了改进措施。 马克煤属于无烟煤，灰分和硫含量都比较低，固定碳含量比较高，置换比较 高，且价格便宜，具有较高的经济应用价值，比较适合用作高炉喷吹用煤。在酒钢 高炉喷吹用煤为7 0 马克煤和3 0 烟煤的混合煤粉前提条件下，当煤粉粒度比较粗 时，煤粉粒度对混合煤粉燃烧过程和输送过程的影响幅度比较大；当煤粉粒度比较 细，煤粉粒度对混合煤粉燃烧过程和输送过程的影响幅度比较小综合考虑煤粉在 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，酒钢高炉喷吹 用煤粉中小于0 0 7 4 r a m 的比例控制在6 0 左右比较适宜。 煤粉水分含量增加对煤粉的燃烧性能有不利影响，但煤粉中含有适量的水分却 可以使煤粉获得良好的输送性能。考虑到酒钢喷煤制粉系统的实际状况和煤粉的燃 烧性能以及提高煤粉输送性能的要求，酒钢高炉喷吹用煤粉的水分含量控制在1 左 右比较适宜。 通过对酒钢高炉不同煤比下的高炉重力除尘灰和污泥进行化学检测和煤岩显微 组分分析，并与焦粉和未燃煤粉的煤岩显微组分进行对比，发现酒钢现有高炉喷煤 煤粉利用状况不太理想。建议通过改善高炉原料质量、提高高炉风温并适当富氧、 确定合理的喷煤方案、控制高炉喷吹煤粉的水分等方面提高高炉喷吹煤比和煤粉的 利用状况。 图1 6 表1 4 参5 0 关键词：马克煤；燃烧性能；输送性能；煤粉利用 分类号：t f 5 3 8 6 河北理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i ss u b j e c tc a m ef r o mj i u g a n g , u n d e rt h ec o n d i t i o nt h a tt h em i x e dp u l v e r i z e dc o a l i n j e c t i o ni sc o m p o s e do f7 0 m a r kc o a la n d3 0 s o f tc o a l ，b yi m i t a t i n gt h ep r e s e n t c o n d i t i o no fj i u g a n gb fw i t hd e v i c e so fl a b o r a t o r y ，t h ep a r a m e t e r sl i k eg r a n u l a r i t yr a t i o a n dm o i s t u r ec o n t e n to ft h ep u l v e r i z e dc o a lw e r ea s c e r t a i n e d t h i sa r t i c l ea l s og a v es o m e a d v i c eo nh o wt or a i s et h ep u l v e r i z e dc o a li n j e c t i o nr a t i ob ya n a l y z i n gt h eu s i n gs t a t eo f p u l v e r i z e dc o a l m a r kc o a li sa n t h r a c i t ew h i c hi so fl o w e ra s ha n ds u l f u r , h i g h e rf i x e dc a r b o na n dc o k e r e p l a c e m e n tr a t i o w h a t sm o r e ，i th a sah i g h e ra p p l i c a t i o nv a l u eb u tal o w e rp r i c e a l lo f t h ea b o v ed e m o n s t r a t et h a tm a r kc o a li ss u i t a b l et ob eu s e di nb f u n d e rt h eh y p o t h e s i s t h a tt h em i x e dp u l v e r i z e dc o a li n j e c t i o ni sc o m p o s e do f7 0 m a r kc o a la n d3 0 s o f tc o a l ， t h ep u l v e r i z e dc o a li n j e c t i o ng r a n u l a r i t yi sl a r g e r , t h ee f f e c to fp u l v e r i z e dc o a lg r a n u l a r i t y o nc o a lc o m b u s t i b i l i t ya n dc o n v e y i n gp r o p e r t yw i l lb em o r ee v i d e n t ，w h i l et h ep u l v e r i z e d c o a li n i e c t i o ng r a n u l a r i t yi ss m a l l e r , t h ee f f e c to fp u l v e r i z e dc o a lg r a n u l a r i t yo nc o a l c o m b u s t i b i l i t ya n dc o n v e y i n gp r o p e r t yw i l lb el e s se v i d e u lt h e s u i t a b l er a t i oo f - 2 0 0s i e v e n u m b e ri nt h em i x e dp u l v e r i z e dc o a li n j e c t i o ns h o u l db ea r o u n d6 0 i fw ec o n s i d e rt h e c o m b u s t i b i l i t ya n dc o n v e y i n gp r o p e r t yo ft h ep u l v e r i z e dc o a l ，t h ep o w e rc o n s u m p t i o na n d t h es a f e t yt o t a l l yi nt h ec o a l - d e l i v e r i n gp r o c e s s t h e r ew i l lb eab a de f f e c to nc o m b u s t i b i l i t yw h e nt h em o i s t u r ec o n t e n ti sr a i s e di nt h e m i x e dp u l v e r i z e dc o a l ，b u ti ti sg o o dt ot h ec o n v e y i n gp r o p e r t yi ft h em o i s t u r ec o n t e n ti s s u i t a b l e c o n s i d e r i n gt h ep r e s e n tc o n d i t i o no fp u l v e r i z e dc o a l m i l l i n gs y s t e m ，ah i g h e r c o n v e y i n gp r o p e r t ya n dc o m b u s t i b i l i t yo f t h ep u l v e r i z e dc o a l ，t h es u i t a b l em o i s t u r ec o n t e n t s h o u l db ea r o u n d1 i nm i x e dp u l v e r i z e dc o a li nj i u g a n gb f b yc h e m i c a ld e t e c t i o no nt h eb fd u s ta n ds l u d g e ，a n a l y s e so fm i c r o l i t h o t y p ea n d c o m p a r i s o nt ob fm i c r o l i t h o t y p ew i t hc o k ea n du n b u r n e dp u l v e r i z e dc o a l ，w ef o u n dt h a t t h ep u l v e r i z e dc o a lf i l l e di nj i u g a n gb fh a dn o tb e e nu s e de f f i c i e n t l y i ti sa d v i s a b l et o r a i s et h ep u l v e r i z e dc o a li n j e c t i o nr a t i oa n di m p r o v et h eu t i l i z i n gs t a t eo fp u l v e r i z e dc o a l b yi m p r o v i n gt h eq u a l i t yo ft h er a ws t a f f , r a i s i n gt h ea i rt e m p e r a t u r ei nt h eb f a sw e l la s e n r i c h i n gb l a s ta n dc o n t r o l l i n gt h em o i s t u r ec o n t e n to ft h ep u l v e r i z e dc o a l i l 摘要 f i g u r e1 6 ，t a b l e1 4 ，r e f e r e n c e5 0 k e yw o r d s ：m a r kc o a l ，c o n v e y i n gp r o p e r t y ，c o m b u s t i b i l i t y , p u l v e r i z e dc o a lu t i l i z i n g c h i n e s el i b r a r yc a t a l o g ：t f 5 8 3 6 1 1 1 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：憋：i 显日期：造l 年立月型日 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， l i l j ；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：隐、：k 塾导师签名：翅宝竺日期：趁丑年至月址日 萼富 引富 嚣炉象产褰不嚣焦炭，蠡予焦炭短缺，热之餐捂蘑责，减少焦炭溥耪是镄竣王 鼗孛藤待籍涤豹矮遥。醭绶燃耪，茏箕爨骥浚漂瓣我骜部分蠡获，就壤了裹炉渗蘸 熬续患襻并与其绝蠊铁方式毙争豹重要技零。简炉喷煤越多，取彳弋韵焦炭越多，取 得的经济效益越高，就能维持长久的高炉生产。 灏镳凑炉噗媒系缝子1 9 9 4 年9 胄3 爨建般投产。隧麓嚣建黼炉酶扩客羧撩 1 5 1 3 m ：护銮至1 8 0 0 m * 、7 5 0 m 3 扩吝董1 0 0 0 m 3 ) ，楚鳃决焦袭佞巍稳矛嚣巍降诋 熏产簸零、提毫爨爨蕤戈，褥攥滋爱毫裂楚簸蹼潆璧1 5 0 2 0 0 k g ，滋蒙镶铁公霹予 2 0 0 1 年1 2 月对其喷煤系缆避杼了扩能改造，潋遣厢已具备煤比2 0 0 k g t 铁的能力， 并能满熙撩续喷吹、造续计嫩及浓相输送的需求。 翟燕媒是产予蒙寒入避共稻国夔一耱媒凝，爨添魄较丰骞，徐椿姹较覆宣，唆 欢警嶷漾蕊为灌镑撵蹇缝游效鼗鹃一释重要攀羧。鸯竞爨禳攥潆滚熬分类矮予嚣戆 漂，糍妒囔欢无滔爨黪技术髑设备豢毙较簿荦，安全鞋藐凌鞍黪，德舄亮潆凌敬霹 洒钢离炉冶炼的影响缺惹祭娩的研究。本文将通道现场实测和实验盛模拟试验等筝 段确定釉克煤适宜水分含：f i t 和适宜粒度组成+ 为洒钢高炉掇商喷煤凝创造有利裂 粹。 河北理工大学硕士学位论文 1 1 国内外高炉喷煤概述 1 1 1 国外高炉喷煤技术发展概述 1 文献综述 高炉喷煤是当前各国高炉冶炼为降低生铁成本、减轻环境污染和优化工艺结构 所采取的主要技术手段，提高高炉喷煤量是许多钢铁企业共同追求的目标。高炉喷 煤技术产生于1 9 世纪，然而由于高炉喷煤设备不配套以及对高炉冶炼过程缺乏足够 的认识，直到2 0 世纪6 0 年代，这一技术j 真正丌始大规模的应用于工业生产，先 后进行过高炉喷煤试验的有法国、英国、美国、前苏联、德国和中国等国家【1 j 。由 于能源价格等因素的限制，高炉喷煤技术在2 0 世纪6 0 年代并未得到很快的发展。 近年束，随着钢铁工业的迅猛发展，炼焦煤日益枯竭，第二次能源危机及炼焦过程 造成的环境污染等问题，促使了高炉喷煤技术的得到迅猛发展。 日本高炉喷煤起步较晚，但发展迅速。1 9 8 1 年新日铁大分厂建成日本第一套高 炉喷煤装置1 2 1 ，1 9 8 5 年喷煤高炉就发展到1 3 座，1 9 9 4 年喷煤高炉为2 6 座，占生产 中2 9 座高炉的8 9 7 。随着喷煤高炉比例的逐年上升，高炉喷煤比亦逐年增加，取 得了比较好的经济技术指标1 3 1 。1 9 9 6 年，日本国内高炉平均煤比达到了1 1 3 k g t ， 超过了l o o k g t 的目标；1 9 9 7 年，高炉平均焦比首次接近4 0 0 k g t ，1 9 9 8 年以后，日 本3 1 座高炉全部采取喷煤措施，2 0 0 0 年日本国内高炉平均焦比达到了3 8 5 k g t ，煤 比1 2 9 k g t 引。 近年来，欧洲一些高炉的喷煤量已稳定在1 9 0 k g t 左右，个别高炉的喷煤量已超 过2 5 0 k g t ，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 g t 左右。1 9 9 9 年 西欧3 6 座高炉平均喷煤比为1 4 5 5 k ：g t ，已经高于当年日本的水平1 5 j 。其中荷兰艾莫 伊登c o r u s 铁厂的2 座高炉，炉缸直径分别1 1 o m 和1 3 8 m ，高炉内容积为2 6 7 8 m 3 和4 4 5 0 m 3 。( 有效容积为2 3 2 8 m 3 和3 7 9 0 m 3 ) ，于1 9 9 9 年，在平均生产率为 2 9 1 t ( m d ) 的情况下，获得的煤比和焦比分别为3 1 6 k g t 和2 0 4k g t 。1 9 8 6 年德国 汉博恩4 号高炉实现了吨铁喷煤1 7 7k g t ，焦比降至2 9 5 kk g t 1 6 1 。1 9 8 9 年，德国1 1 座喷煤高炉中，喷煤量在l o o k g t 以上的就有6 座i ”。蒂森钢铁公司杜伊斯堡地区三 个炼铁厂，生产中的5 座高炉全部喷吹煤粉，日均最高达2 5 0 k g t ，月均达1 8 0 k g t ，同 2 ， 1 文献综述 时将焦比保持在3 5 0 k g t 赢右。2 0 0 0 年欧洲脊3 7 座高炉在平均煤1 3 8 k g t 的情况下 平均燃料比为4 8 9 k g t ，有1 6 座高炉在喷油6 3 k g t 下平均燃料比为4 7 3k g t 。 荚强、韩国等露家毽在逐速发震高炉唉缀技术1 8 1 。美国钢铁公司盖璃厂娜s ， s t e e lg a r yw o r k s ) 戆1 3 琴麓炉在喷媒1 9 0 k g t 、泊3 5 k g t 、天然气7 5 k 酸，各种喷吹 燃料的总和是2 3 2 k g t 的情况下，获得2 8 1 k g t 的月焦比，这是邋来北美最低的月焦 比记激 9 1 。韩国浦项的光阳4 号高炉在3 1 3 k g t 的低焦比下获得1 8 1k g t 的喷煤 比。 预谤今嚣l o 年冬肉，全藿赛采用续漾蒺铁瑟技术懿藏妒褥遴一多增热， 隧着多功能喷煤装置鹃撵离，一大孰赢妒静骥缀囊都将达到2 0 0 k g t 以上，部分高炉 可能遮3 0 0 k g t 左右，但目前平均喷煤量还没有超过2 5 0 k g t 的高炉i l o j 。总之，髓着 焦炭价格的增加，世界喷煤技术总的发展趋势是在普及、推广的撼础上向高喷煤 量，多功能化推广。高炉喷煤已成为全世界炼铁工业降低生铁成本的一条有效途径 之。 1 1 2 阐内高炉喷煤技术发展概述 我国是世界上较早浆用高炉喷煤技术的豳家之一，由于我国国内煤炭资源较为 丰富，融此近些年高炉喷煤技术在我国褥到较大酶发展。 获筠整纪年代营铜褒炉囔貘疲功拜戆，翔两年我，我鞠麓炉囔潆技零浚箕 资源广、喷吹量大、喷煤持续时问长、效益摄藩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【1 1 l 。从1 9 9 5 年起，我国高炉喷吹煤比 逐步掇高，1 9 9 5 年全国高炉平均喷煤比仅为5 8 5 k g t ，到上世纪米已达到l l s k g t ， 翻了一番，2 0 0 2 年重点企妲实瑷高炉喷煤魄1 2 5 k g t 硪，超过国际1 0 5 k g t 的平均承 乎，接近嚣本1 3 0 k g t 豹承警嘲。全国毫炉骥澡总量邀不薮增鸯霸，1 9 年全国毫炉 喷煤总摄达7 5 0 万t ，2 0 0 1 年高炉喷煤量为1 3 6 0 万t ，2 0 0 2 年高炉喷煤量达到了 1 4 0 0 万t 以上。 在我国主要钢铁企业中，目前首钢高炉平均煤比为1 3 0 k g t 左农。武钢高炉平均 嚷煤魄为1 0 0 k g t 左右l 埘，鞍镪裹炉平均喷煤魄为1 3 5 k g t 左右，焚巾鞍镪3 号高炉 唆漾魄最高秀瘦纪录为2 0 3 k g t 。宝钢高炉绩煤起步较晚，1 9 9 2 冬耆- 在2 号高炉实现 了煤粉喷吹i ”l ，但发展迅速，自1 9 9 8 年7 月勰，宝钢高炉喷煤也穗跻身世界先进行 列。1 母高炉喷煤比连续四年超过2 0 0 k g t ，近z - - 年更稳定在2 3 0k g t 2 3 5 k g t ， - 3 河北理工大学硕士学位论文 喷煤率大于4 5 ，真正代表了世界一流水平【1 6 1 。在我国大中型钢铁企业逐年矿大喷 煤量的同时，一些中小高炉，特别是3 0 0m 3 3 8 0 m 3 高炉的喷煤量也在迅速提高。 尽管经过多年的努力，我国高炉喷煤水平已取得了较大的进步。但是，从总体 水平来看，全国高炉平均喷煤比还比较低，与国际先进水平相差较大。高炉喷煤技 术的采用对我国资源、环境和交通压力的缓解作用还没充分发挥。目前，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 等技术措施，以增加喷煤量，预计到2 0 1 0 年，我国高炉喷煤总量将达到2 1 5 0 万t 2 2 5 0 万t 。 1 1 3 酒钢高炉喷煤现状 酒泉钢铁集团有限责任公司现有两座高炉，分别为1 号高炉( 1 8 0 0 m 3 ) 及2 号 高炉( 1 0 0 0 m 3 ) ，年产生铁2 3 0 万t 。酒钢高炉喷煤系统于1 9 9 4 年9 月建成投产， 设计年喷煤能力1 1 万t 1 1 5 万t ，高炉喷吹煤比为8 0k g t 1 0 0 k g t ，无烟煤和烟 煤混合比为7 ：3 。经过5 年多的高炉喷煤生产实践，高炉喷煤生产取得一定的进 步，高炉喷吹煤比逐年提高，从开始的7 9 4 k g t ，提高到1 9 9 9 年的5 5 4 5 k g t 。高炉 各项经济技术指标都得到了改善，高炉利用系数大幅度提高，入炉焦比、综合焦比 呈下降趋势。酒钢高炉在1 9 9 8 年8 月份以后实施了烟煤无烟煤混合喷吹，1 9 9 9 年 烟煤配比达到3 4 ，高炉各项技术指标进一步提高。 随着两座高炉的扩容改造( 1 5 1 3 m 3 扩容至1 8 0 0 m 3 、7 5 0 m 3 扩容至1 0 0 0 m 3 ) ， 酒钢目前已经具备年产2 1 0 万t 2 3 0 万t 生铁的能力。为解决焦炭供应的矛盾和降 低生产成本，有必要将煤比提高到1 5 0k g t 2 0 0 k g t 。原有喷煤系统的生产能力已不 能满足高炉喷煤量的提高，因此，2 0 0 1 年1 2 月公司对现有喷煤系统进行扩能改 造，将原有系统进行改造，新增制粉、喷吹系统，改扩建工程分步实施，改造后的 工程于2 0 0 2 年8 月1 1 月陆续投产【1 7 1 。投产后，系统运行状况良好，操作系统稳 定，高炉喷吹煤比已达到1 5 0 k g t 铁，但要实现2 0 0 k g t 铁的喷煤量，达到国际先进 水平，还需要进一步的努力。 4 1 文教综述 1 2 高炉喷吹用煤种的选择 1 2 。1 裹炉嚷吹用攥豹物璞耗学指标 褥炉喷吹煤粉要综合考虑其燃烧性能、灰分含量、可磨性熊、爆炸性能、反应 性能、煤粉的灰熔点以及煤粉的含炭量和发热值。 1 煤粉的燃烧性能 巍炉喷吹煤粉的挥发分离低直接影响煤粉的燃烧率，挥发分越凑，煤燃烧越完 全。缀秘瓣臻浇毪戆镶羡缀犬，一簸获为潮煤豹燃烧搴毫手无溪煤，熬燃浇性能好 的神府烟煤为6 2 1 5 ，而焦作无烟煤不足2 0 1 s l 。提高高炉喷煤爨时，最大的顾虑 是煤粉能否在燃烧带完全燃烧，气化成c o 和h 2 。煤粉燃烧是缀过脱气、结集、和 残焦燃烧三个阶段完成的，而煤粉从煤枪出口别离开燃烧带的时日j 很短暂i 州，在这 令短鬻瓣时间内要全部缣粉宠成这三个阶段浆穗是裾当困难的，必然会产生一定数 量鹣来燃媒籍，其中一部分寒燃烧静媒耪会滋入炉渣，由予未懋瀵耪集中了煤耪燃 烧的灰分，其中残碳不与终渣湿润及f e o 减少的结果会使渣的粘魔有升高倾向 蚓， 这将给高炉冶炼带来很多麻烦，限制了喷煤量的提高。 2 煤粉的灰分含量 缀耪灰分含量是裹炉喷欧煤静选择懿关键攥标，希望暖吹鬻煤魏灰努会量尽量 低些，一般认为，获分金爨每提高l ：痔会遮藏燃料院瓒热2 釉褪应的高炉生铁产 量降低f 2 。我国高炉冶炼的渣量普遍比较高，高灰分含量将明魏提高高炉的渣量， 给高炉透气性带来十分不利的影响。同时，过高的灰分含量将降低风口火焰温度， 降低煤的活性，影响煤粉的着火与燃烧。因此，高炉喷吹用煤的疑商灰分含量至少 应跑焦炭灰分含量羝2 今志袁匿势魄，帮焦炭灰分含量兔1 3 ，骥煤荻分应不褰予 l l 。 3 煤的可磨性指数 它魑反映煤耐磨特性的一项煤质指标，可磨性指数越大，越容易粉碎。煤的可 磨性指数最然对高炉冶炼过程没有直接影响，但它是决定磨煤机出力和电耗的重要 依豢，彩穗羞耱爨戆热王簸本帮毫炉生产效慈，霹予囊爨撬戆秀苓筵魏工厂，媒熬 这项掰标显得特剐重要。一般来说，高炉喷姨用煤的可磨性指数殿在6 0 9 0 ，低予 5 0 的煤很硬、难磨；高予9 0 的煤虽然易磨，但往往是粘结性强的煤，可能给磨煤 和煤粉输送造成困难i 翊。 - 5 - 河北理工大学硕士学位论文 4 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。煤粉爆炸通常要 具备下述3 个条件： i ) 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。 5 煤粉的灰熔点 煤粉的灰熔点是指煤粉灰分开始熔化的温度。混合煤粉没有固定的灰熔点，但 存在熔化的温度区间。一般煤粉的灰熔点在1 0 0 0 左右【矧。喷吹煤粉灰熔点如果很 低，易于熔渣，在风口、喷腔处易粘结，造成不正常的燃烧，对高炉冶炼会造成不 利影响。一般认为，烟煤的灰熔点低，无烟煤的灰熔点高。 6 煤粉的反应性 煤的反应性是反映煤气化和燃烧的一个重要特性指标。怎么对待煤的反应性， 起先并没有定论，经过数十年的喷煤实践，现已十分明确：要反应性高的喷吹用 煤，要反应性低的焦炭。这是因为煤粉不可能在l 2 m s 内燃烧完毕【州，总有一定 量的未燃煤粉进入炉缸，煤粉反应性低，不能被铁矿中的f c o 有效吸收，造成煤粉 在炉缸堆积，使高炉操作困难。未燃煤粉被吸收的过程可写成： f c o + c o c 0 2 + f c ( 1 ) c 0 2 + c 一2 c 0 ( ：! ) 由式( 1 ) 、( 2 ) 式可得： f e o + c - c o + f c ( 3 ) 煤的反应性又叫二氧化碳分解率或碳素溶解损失，既式( 2 ) 【矧。 另外，高炉大喷煤时，料柱中作为支撑部分的焦炭已大为减少。如上述的碳素 溶解反应还来气化焦炭，则会使焦炭更少。因此，如果喷煤形成的未然煤粉粒度 细、活性高，遇到渣中氧化亚铁时，首先被气化的自然是未燃煤粉，而不是焦炭， 于是焦炭就被保持，这样就可弥补焦炭强度普遍不佳的缺憾。 7 煤粉的着火点。 6 1 文献综述 煤的着火点是指将煤粉加热到开始燃烧时的温度，通常取决于煤质( 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。 8 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。一般来说，煤粉的含碳量 和发热值越高越好，含碳量越高，发热值越高，置换比也就越高。欧洲喷吹烟煤， 煤焦置换比( 校j 下值) 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。 除上述要求外，煤粉中的含硫、磷量也是一个重要指标。煤中的硫含量应限制 在0 5 以内，以1 2 0 k g t 煤比为例，这一数值相当于大约2 5 左右的高炉硫负荷。 煤中磷含量限制在0 0 9 以内，在相同的条件下，相当于1 5 的总磷负荷。 1 2 2 混合煤粉喷吹 煤是一种由有机物和无机矿物质组成的复杂混合物。煤的种类繁多，性质也差 别很大。根据煤变质程度不同，可以分为泥煤、褐煤、烟煤、无烟煤。高炉一般喷 吹烟煤、无烟煤或两者的混合物。无烟煤的特点是固定碳含量比较高、发热值比较 高、置换比高、着火点温度高，安全性好，但无烟煤的燃烧性能一般都比较差、燃 烧率比较低；烟煤的特点则正好相反，烟煤的挥发分含量比较高、氢含量高，着火 点温度低、燃烧性能比较好、燃烧率比较高，但烟煤的固定碳含量一般情况下要比 无烟煤低，置换率不高。 喷吹1 0 0 的无烟煤面临着煤源缺乏、可选择性差以及煤粉燃烧率低、炉内未燃 煤粉难消化的难题，尤其是在煤比较高时，过多的未燃煤粉不仅影响高炉顺行，还 会降低置换比。目前我国单独喷吹无烟煤煤比最高的是马鞍山钢铁公司，喷煤比为 1 6 0k g t 。喷吹1 0 0 的烟煤又会造成高炉回旋区不稳定，影响高炉顺行，同时由于 烟煤的挥发分含量一般都比较高，具有一定的爆炸性，会给安全生产带来隐患。风 温和富氧比较低的高炉大量喷吹烟煤，也容易导致理论燃烧温度大幅降低，高炉下 部热量不足而上部热量过剩，因此最好的办法是实现混合煤喷吹。一般认为，随着 烟煤配比的提高，混合煤的燃烧率逐渐提高；当烟煤配低于4 0 时，混合煤粉燃烧 率提高幅度比较大，当烟煤配比超过4 0 以后燃烧率提高幅度减小。考虑到煤粉 燃烧和生产安全，混合煤粉的挥发分含量应控制在1 8 2 5 l l 较适宜i 硐。 7 - 海j 瑾工大学硕士擎像论文 1 3 喷吹煤粉对高炉冶炼过程的影响 1 3 1 瓣瓣墨裁瑾论燃烧瀑袭瓣彩喧 所谓理论燃烧温度是指黼炉风口前焦炭和镄吹的静充燃辩燃烧所能达到豹最高 温度，即假定风1 2 1 前燃料燃烧放出的热量全部用来加热燃烧产物时所能达到的最高 温度。般认为。理论燃烧温度与铁水温度、炉缸煤气温度成正比，它直接影响软 熔带的形状、煤气流的分靠靼商炉蠹的还原爱农1 2 7 l 。高炉风口盼理论燃烧温度是根 据嚣壤热擎鬻箨赉豹理论燃烧滠发，零霹式( 4 ) 计算： 疃2 筹甚嚣袅 式中： ( 4 ) 一风目翦理论燃烧漱度，； q 囊鼗疑豢亲静物瑾煞，k g t 锾； q k 燃料带来的物理热，k g t 铁； q k 鼓风和喷吹物重的水分分解热，k g t ； 级喷吹物分解热，k g t ； 、气砌、n 2 、埯的热容，k j ( m 3 ) ； 、p 麓、妒敲爨气孛c o 、n 2 、氇翡鬃，艇魏铁e 高炉喷吹煤粉会使理论燃烧温度降低，原因如下； 1 高炉喷吹煤粉目的之一是降低高炉中焦炭的消耗量，高炉中的焦炭到达高炉 风口区时的温度已被上升煤气加热到大约1 5 0 0 c ，为燃烧带带来了部分物理热。而 鸯炉煤耪喷入睡戆瀑度一般凌8 0 左右l 捌，豢寒瓣物理热量减少，苁露使敲墨蓠瑾 论燃烧滠痿降低； 2 煤粉中的碳氢化台物在高温时发生裂解反应，消耗掉炉缸中的一部分热量， 使高炉风口前理论燃烧温度降低； 3 ，高炉喷吹煤粉后煤粉中的碳氢化合物燃烧，使炉缸中的煤气量增加，即 、 氛、瑗大，造成弧鞠l l 理论燃烧湿度爨憾。一般谈为每唆欧l o o k g h 铁煤 粉，炉敬煤气量较全焦冶炼辩增拥4 6 ( 若喷烟煤还应大一些) ，炉敏慧热量减少5 3 ，理论燃烧温度降低2 0 0 。 s - 1 文藏综述 1 3 2 来燃煤粉对高炉冶炼过程的影响 从商炉风口喷吹的煤粉，在风口区的氧化带( 回旋区) 内燃烧，其燃烧过程分 为羧、气态燃烧、帮羧焦燃褒三令狳段，嚣漂耪获漾艳密蜀爨离开燃浇豢瓣嚣瘸 很叛鬻，全部煤耪在这个短暂的时间内完成遮三个阶段的过程蹩缀困难的，必然会 产生一定数量的未燃煤粉，进入炉内的未燃煤粉量与喷煤量和不同煤种的燃烧率有 关。火喷煤后，粉煤燃烧不完全产生细粒的来燃煤焦是难以避免的。适量的未燃煤 粉在鞠旋区外围、滴下带秘软熔带内代替离炉内的焦炭被气化，扶丽保证高炉内臀 絮焦炭鹣稳强度，有铡予羧善较薅繁透气魏，褥态漉下蒂涅爱，瀵嚣有稳予褰炉颓 行。丽高炉中未燃煤耪的擞超过上述反应所需时，就会造成未燃煤粉在高炉中的大 量富繁【2 9 j 。富集在高炉中的一部分未燃煤粉会摁高炉尘中的含碳灏，降低煤焦置换 比，翼为严重的是它将阻塞焦炭窗空隙，恶化下部料柱透气性。使高炉难以正常运 符。农研究认隽，高炉喷吹煤吃魄较高时，农褒炉下部区域，粉寒状约焦炭和未燃 潆耪帮会疆之辔麓渊，遂爨豹寒爨媒焦毪嚣鼯焦炭塞麓疆塞露掰傻炉凑径彝煤气分 布发缴改变。不仅如此，街炉的未燃煤粉犬墩进入炉渣，给高炉炉渣的流动性等造 成一定的影响。u p c 在高炉的分配如图1 所豕： 煤 ： 广c + c 0 2 = 2 c o - - - _ l 卜参加羰的气诧爱藏。吣+ o = f , + c o - - t , k - 非铁元素还原卜 ；粉- 铁水渗碳 叫卜在炉渣中沉积 - r h 重力灰州 随漂气逸密妒，两 图1 煤粉在高炉内的分配p l l f i g 1d i s m “b u t i o no f p u l v e r i z e dc o a li nb l a s tf u r n a c e i “l 朱燃煤粉对高炉冶炼过程的影响主要体现以下几个方面： 1 对高炉炉渣的影响 蛰 河北理工大学硕士学位论文 离开高炉风口区的未燃煤粉在进入高炉后必然会有一部分进入高炉炉渣中，由 于未燃煤粉是固体，未燃煤粉进入炉渣后会造成炉渣中固体微粒数量的增加，提高 炉渣的粘度、降低炉渣的流动性。因此随着炉渣中未燃煤粉的比例升高，炉渣粘度 也随之提高。为维护高炉的j 下常操作，炉渣中未燃煤粉的比例不宜超过9 p “。 2 铁水渗碳的作用 未燃煤粉参加渗碳反应时生铁中的碳含量将会较大程度的超过只有焦炭参加渗 碳反应时生铁中的碳含量。研究认为，生铁渗碳反应所消耗的碳有5 8 3 来源于未 燃煤粉，有4 1 7 来源于焦炭【3 3 1 。这是由于未燃煤粉的粒度细，比表面积大，而且 未燃煤粉的挥发分含量高于焦粉，气孔率高于焦粉，再加上未燃煤粉中的破碎结 构、裂隙结构和骨架结构比较高，促使未燃煤粉活性要优于焦粉，其反应性也大于 焦炭，因此在高炉的渗碳反应中，未燃煤粉参与化学反应的活性要比焦炭高。 3 参加碳的气化反应，保护焦炭 未燃煤粉进入高炉后，在随煤气上升的过程中会部分黏附在焦炭表面上，由于 未燃煤粉的活性高于焦炭，它优先于先焦炭参加碳的气化反应和各种直接还原反应 【3 4 l 。对高炉内的焦炭起到了一定的保护作用，改善高炉的透气性。 1 3 3 料柱的阻力和热交换 高炉喷吹煤粉后，炉缸中上升的煤气主要由三部分组成：风口前焦炭中的碳燃 烧形成的煤气；高炉喷吹煤粉燃烧形成的煤气；直接还原形成的煤气。随着喷吹煤 粉量的增加，高炉喷吹煤粉燃烧形成的煤气量增大，而其它两项则有所降低。生产 实践和理论计算都表明：高炉喷吹煤粉燃烧造成的煤气量增加总是超过其它两项的 减少，从而使最终炉项煤气量是有所增加的。同时，单位生铁的焦炭消耗量减少和 炉料中矿焦比上升，造成料柱透气性变差。所以煤气上升时的阻力增加，其表现为 高炉压差增加，炉身温度和炉项温度略有升高。高炉喷吹无烟煤与喷吹烟煤相比， 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。 1 3 4 高炉内还原过程的影响 高炉喷吹煤粉以后，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，使高炉明显向有利于间接还原的发展和直接还原度的降低【3 5 】： 1 煤气中还原性成分( c o 和h 2 ) 浓度增加，n 2 含量降低，而c o 和h 2 的浓 度增加使问接还原更容易在高炉中发生； 1 0 1 文献综述 2 喷吹煤粉燃烧后，形成的h 2 较c o 在还原动力学和热力学方面均占优势。 h 2 相比c o 它的还原性更好，由于直接还原的发生，也能节省大量的能量1 3 6 1 。同 时，用h 2 和c o 的混合还原气要比单用c o 还原所能达到的还原速度高很多。 c o r d i e r 已证明，高炉用1 0 0 自熔性烧结矿冶炼时，风口煤气中h 2 含量增加1 ， 可提高间接还原度约3 。氢气特别适用于还原性较差的烧结矿，对于有大量微气孔 的烧结矿，增加h 2 含量可以提高还原速度； 3 高炉内温度场发生变化，焦炭与c 0 2 发生气化反应的下部区域温度降低，而 上部的间接还原区域温度升高，这样胁一反应速度降低，后一反应增快，有利达到 保护焦炭，增加高炉透气性以及提高间接还原度、降低直接还原度的目的： 4 高炉喷吹煤粉后，焦比降低减少了焦炭与c 0 2 反应的表面积也就是降低了直 接还原的反应速度； 5 喷煤后单位生铁的炉料容积减少，使炉料在炉内停留时间增长，同样有利于 间接还原的发展。 河北理工大学硕士学位论文 2 马克煤物理和化学性能的研究 2 1 马克煤的工业分析和元素分析 试验所用马克煤、烟煤全部取自于酒钢高炉生产现场。马克煤、烟煤的工业分 析和元素分析见表1 和表2 所示，从表1 和表2 中可以看出以下几点： 表1 马克煤、烟煤的工业分析( ) t a b l e lp r o x i m a t ea n a l y s i so fm a r kc o a la n db i t u m i n i t ec o a l ( ) 1 根据我国煤炭分类的国家标准，马克煤属于无烟煤三号( w y 3 ) ，从煤炭的 分类标准来说，无烟煤三号是物理和化学性能最接近烟煤的一类无烟煤，这类煤的 挥发分含量是无烟煤中最高的一种煤。酒钢高炉喷吹用烟煤属于挥发分含量比较低 的不粘煤( b n ) ，不粘煤( b n ) 是烟煤中粘结性指数( g ) 很低的一种煤。 2 马克煤的灰分含量( a d ) 和硫含量( s t d ) 都比较低，挥发分含量( v d ) 也 比较低，这对降低高炉冶炼的渣量和硫负荷都是十分有利的。马克煤的固定碳含量 ( f c d ) 比较高，与酒钢焦炭的固定碳含量( f c d ) 比较接近。酒钢高炉喷吹用烟煤 的灰分含量( a d ) 、挥发分含量( v d ) 和硫含量( s t d ) 都比马克煤高，固定碳含 量( f c d ) 则明显比马克煤低。 3 马克煤的碳元素含量( c d ) 明显比烟煤高，与酒钢焦炭比较接近。马克煤中 的氢元素含量( h d ) 和氧元素含量( o d ) 在无烟煤中是比较高的，这说明马克煤的 变质程度比较低，是一种低煤化度的无烟煤。马克煤的恒容低位发热量( q n e t v a ) 尽管比烟煤高，但对于无烟煤来说，恒容低位发热量仍然偏低，这可能是由于马克 煤的氧元素含量比较高和含有部分结晶水造成的。酒钢高炉喷吹用烟煤中的氢元素 1 2 2 马克煤的锈理鞘化学性能 含量 i - h ) 和氧元素含j t ( o d ) 都比马克煤高，提高混合煤中烟煤的比例有利于增 加高炉煤气中的h 2 含量，改善高炉内氢还原过程，但对提高混合煤粉的发热值是不 利豹。 2 2 舄克煤的煤岩显徽组成 玛克煤和烟煤的煤岩照徽组成检测结果见袭3 所示，从表3 中可以看出：马党 煤的煤糟显微组成主要由镜质组和半镜质缀缀成，镜质组和半镜质维之和达到了 9 l 焘褰，丝囊缓兵有5 皇袁，骂竟媒孛戆反渣主要垂麓土类犷纺缓或。滔钢毫炉 喷歃羽烟煤的煤岩显微缀威也主要由镜质组鞠拳镜质组组成，斑熊矮组和半丝质组 含量贝, j j t l 较高，两者之和达到了3 6 左右，同时还含有2 左右的壳质组。酒钢高 炉喷吹用烟煤中的灰渣主薅由粘土类矿物组成，但含有一定数鬣的碳酸盐。实际 上，煤中固定碳含量的掇离是由于煤中镜餍缀含量的提高箍造成鲍，镜质缎 孛嚣定狻夔含量普遍熬黉魄丝矮整孛固定凝夔含量要毫，灰分怒圭要寒自予漂 中躬矿物，挥发分含量岛丝质组含量密切棚关。 裘3 马克煤和烟煤的煤糟组成( ) t a b l e3l i t h o t y p eo fm a r kc o a la n db i t u m i n i t ec o a l ( ) 2 3 硒克煤中的结晶水 煤炭是多孔性固体，会有或多或少的水分，水分含量随煤化程度的增加而降 低，翔离煤证程度薅又爨蠢蠢秀。拳分戆存旋一方瑟会降低漾炭戆发燕蓬，舅一方 瑟可以爱映煤炭中孔隙缡 奄的交纯。根掘水分鹩结合获态，媒炭巾的水分可以分为 游离水和结晶水两大类，游离水( 包括外在水分和内在水分) 可以通过工业分析的 方法测定，但结晶水的检测则比较复杂。通过麓热和热重分析可以检测出煤炭在0 至9 0 0 温度区间内失壤量，这个失重量包括煤的挥发分挥发、游离承和结晶承 熬分熊秘蒸发，挥发分含爨秘游离痰含量霹苏遥遥工受分爨静方法溯定。嚣魏，煤 炭的绒晶水含量就等于煤炭的失重量减去煤的挥发分含量和游离水含量。 利用s t a 4 4 9 c 差热和热重分析仪分别对马克煤和酒钢高炉喷吹用烟煤进行差热 和热熬分析检测，检测是谯氮气保护条件下进行的，检测的温度变化范围为0 c 至 1 3w 河北理工大学硕士学位论文 9 0 0 ，差热分析的检测结果见图2 所示。从图2 中可以看出：马克煤和酒钢高炉喷 吹用烟煤的差热分析曲线分别在2 4 4 3 c 和2 4 4 2 有一个明显的吸热谷，这个吸热 谷就是结晶水分解吸热造成的，由此可以判断马克煤和酒钢高炉喷吹用烟煤中结晶 水的分解温度为2 4 4 左右。值得指出的是，马克煤中结晶水分解温度为2 4 4 是在 氮气保护中慢速升温条件下获得的，在高炉喷煤过程中，煤粉在于燥和燃烧过程都 是快速升温过程。因而，马克煤中结晶水在高炉喷煤工艺过程中的分解温度要明显 高于2 4 4 0 。 根据马克煤和酒钢高炉喷吹用烟煤的差热和热重分析结果，马克煤和酒钢高炉 喷吹用烟煤在o 至9 0 0 温度区间内的失重量分别为1 2 9 7 和3 0 4 5 ，分别扣除 马克煤和酒钢高炉喷吹用烟煤的挥发分含量( v a d ) 和游离水含量( m a d ) ，则马克 煤和酒钢高炉喷吹用烟煤的结晶水含量分别为1 8 0 和0 5 6 。 图2 马克煤和烟煤的差热分析曲线 f i g 2d i f f e r e n t i a lt h e r m a la n a l y s i sc n r v eo fm a r kc o a la n ds o f tc o a l 根据煤化学的理论，煤中的结晶水主要由高岭土【a 1 4 ( s i 4 0 8 ) ( o h 或 2 a 1 2 0 3 4 s 1 0 2 * 4 h 2 0 和石膏( c a s 0 4 2 h 2 0 ) 组成。从煤岩显微组成分析检测结果 ( 表6 ) 中可以看出，马克煤中的灰渣全部由粘土类矿物组成，基本上没要碳酸盐 和硫酸盐，烟煤中的灰渣主要由粘土类矿物组成，但含有一定数量的碳酸盐，基本 上没有硫酸盐。实际上，高岭土 a 1 4 ( s h 0 8 ) ( o h ) 8 或2 a 1 2 0 3 4 s i 0 2 4 h 2 0 1 是一种非 常典型的粘土类矿物，而石膏( c a s 0 4 2 h 2 0 ) 则是一种典型的硫酸盐矿物。由此可 1