浅谈未燃煤粉在高炉中的行为.doc

浅谈未燃煤粉在高炉中的行为摘要：高炉内未燃煤粉量与喷煤量、煤粉粒度及风口前燃烧率密切相关。煤粉喷入高炉后,风口前未完全燃尽的煤粉以未燃煤粉的形式进人炉缸,传统的思维方式认为未燃煤粉将给高炉操作带来困难，应当尽量减少进人炉缸的未燃煤粉量。但近几年的研究表明,未燃煤粉在高炉内具有有利和不利双重作用。本文从煤粉在炉内行径，炉内分布，对渣粘度，焦炭反应性能的影响来分析未燃煤粉在高炉中的行为。关键词：未燃煤粉：炉渣粘度：焦炭反应性能中图分类号：TF086 文献标识码：A 文章编号：The Analysis of Performance of Unburned Coal Powders in Blast FurnaceYu Yang, Dong Chunlei, Zhao Xinliang, Dong Yanchun, Du Guangkuo(Guofeng Iron and Steel co., LTD., hebei tangshan 063000)Abstract: In the blast furnace, unburned coal powders are bound up with coal injection quantity, coal powders size and combustion ratio before tuyere. After the coal powders are gushed into blast furnace, in front of tuyere the unburned coal powders enter into the hearth. In the traditional way of thinking, unburned coal powders can cause problems for blast furnace operation, so the quantity of unburned powders which runs into the hearth should be decreased. In recent years, research shows that unburned powders in the hearth can play double roles in blast furnace. This paper analyzes the performance of unburned powders in blast furnace at the aspect of influence on conduct in furnace, furnace distribution, slag viscosity, coke reactivity. Key words: unburned powders, slag viscosity, coke reactivity 1. 煤粉在高炉内的利用煤粉在高炉内利用途径如图1所示，从图1中可以看出，煤粉进入高炉风口后煤粉的消耗主要有以下7条途径。风口前燃烧C+CO2=2CO参加碳的气化反应 C+FeO=Fe+CO 有效利用煤粉 非铁元素还原形成未燃煤粉 铁水渗碳在炉渣中沉积 随煤气逸出炉外 重力灰 未被利用 布袋灰图1煤粉在高炉内的消耗途径 (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CO的形态进入高炉煤气中。(2)以未燃煤粉的形态参加碳的气化反应，气化反应生成的CO气体进入高炉煤气中。(3)以未燃煤粉的形态参加铁的直接还原反应，直接还原反应生成的CO气体进入高炉煤气中。(4)以未燃煤粉的形态参加硅、钒、钛、锰、磷等非铁元素的直接还原反应，非铁元素直接还原反应生成的CO气体进入高炉煤气中。(5)以未燃煤粉的形态参加生铁渗碳反应，而后碳元素进入到生铁中。(6)以未燃煤粉的形态在炉渣中沉积。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，提高了炉渣的粘度和熔化性温度。(7)以未燃煤粉的形态随煤气逸出高炉外，最后沉积在重力灰或布袋灰中，增加了重力除尘器和布袋除尘器的运转负荷，这同样会给高炉冶炼带来一些不利的影响。2 未燃煤粉在炉内的分布由于高炉喷煤中煤粉在燃烧带停留时间极短（10-30s），实验室和实际高炉取样表明，煤粉的燃烧率在75%左右，且随着煤比的提高燃烧率下降,采用富氧、高风温、氧煤枪等技术使燃烧率提高到85%-95%，但进入炉内的未燃煤粉绝对量仍很大。未燃煤粉在炉内的分布主要与炉料的透气性和气流速度有关1。在低温时，矿石和焦炭中的未燃煤粉量并无多大差别, 对焦炭而言, 冷态与热态条件下残留的未燃煤粉量差别甚微, 而当温度升高到矿石软化收缩和滴落时其捕集的未燃煤粉量急剧增高，并在约 1400 时残留量达到最大。在高炉内煤气流速较低的区域,如倒“v ” 型软融带其根部靠近炉墙处有较多的未燃煤粉聚积, 聚积的结果 使气流有向中心发展的趋势，“ ” 型软融带则相反。杜鹤桂等用二维冷模型研究了高炉内未燃煤粉的行为, 指出未燃煤粉主要聚积在风口区周围, 分布于炉缸炉腹的少。风口区煤粉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然煤粉聚积，而进入块矿带的未燃煤粉很少。未燃煤粉的存在对高炉纵向压差影响不大, 尤其是边缘, 边缘的透气性不变。加大风量后原有的压力趋势不变, 粉料的分布也不发生变化随着喷煤比的提高, 死焦堆中碎焦炭数量增加, 但未然煤粉在其中的堆积量很小。2.2 炉内分布情况图2 是在不同时刻直接观察到的粉体在炉内各部位的分布状况2：图2 粉料在模型内的变化和分布示意图从图2a 到图2b 是每喷吹4 min 观察到的粉料分布状况，最初时刻粉料随气流散乱分布, 在软熔带以下到处可以看到星星点点的白色粉料，回旋区前方略微密集( 图2a) 4 min 后, 粉料在回旋区前方越积越多, 导致气流难以携带粉料向上发展, 部分滞留在焦炭中的粉料描绘出明显的流线轨迹( 图2b) 8 min 后, 继续喷吹粉料将回旋区前方完全堵塞并在回旋区前上方开始堆积，且随气流而上的粉体在软熔带下方又开始聚积, 聚集位置是在软熔带的内侧( 图2c) ，最后的几分钟, 由粉料描绘的流线变粗, 气流压差有所增加, 流速加大粉料穿过焦炭窗流向块状带, 在块状带下部的矿石层中可以看到滞留的粉料( 图2d) 2.3各点压差变化2.3.1 模拟研究图3 各测试点位置示意图图4 不同时刻各纵向测试点的静压力图5 不同时刻纵向压差的变化粉料进入炉内后对气流的分布各部位静压力都会产生影响，炉内纵向压差的变化直接影响高炉顺行也是人们对大喷煤主要顾虑之一。图4、图5是模拟纵向压差的变化，它们的位置如图3 所示。从图4 可以看到, 喷吹煤粉前后各部位纵向压差变化不大其原因是粉料主要聚积在回旋区前端和气流平稳缓慢的区域( 软熔带根部和软熔块内侧)，对气流的主通道没有太大的影响但由于总流通面积减小, 气流速度增大, 压差略有增加。图6 不同时刻各横向测试点的静压力图7 不同时刻纵向压差的变化图6、图7 是风口前横向压差的变化。粉料在炉内的聚积很不均匀, 这种不均匀性对炉料的纵向压差影响较小, 但对局部的横向压差和透气性影响很大, 特别是回旋区前方喷吹煤粉后压差迅速增加, 到了后期几乎全部堵塞。高炉风口前横向压差的变化主要影响初始煤气流的分布, 软熔带的形状, 从而影响煤气的能量利用、高炉的焦比及喷煤置换比. 另外炉缸的活跃性也会受到影响。2.3.2 理论分析未燃煤粉并非在高炉各处普遍滞留和聚积，气流总是企图寻找通路, 部分煤粉的聚积使通道面积减小, 煤气流速加大, 形成煤粉更难滞留的主通道, 如果这条通道不变得特别狭窄, 通道内的焦炭强度好, 就可以保持高炉顺行这与焦炭质量不好高温粉化带来的结果是不一样的，焦炭大量粉化使各点的透气性恶化对高炉顺行的影响是难以消除的。 未燃煤粉在高炉内这种选择性聚积特性,对煤气流的分布有很大影响，如果高炉各风口喷煤不均匀, 未燃煤粉在炉内分布的差别就很大,甚至造成局部堵塞, 煤气流发生紊乱从而影响高炉顺行，煤气的能量利用模型实验也证明了这一点，曾经试验只在模型的一侧风口喷煤, 结果气流偏流非常大, 喷煤的一侧堵塞严重。高炉软熔带的位置和形状主要是由初始煤气流分布决定的。由于煤粉多聚积在风口前端, 中心气流受到抑制，如果以倒V 型软熔带为目标进行操作, 实际上可能会形成平底的倒V 型或倒W 型软熔带。曾经做过倒W 型软熔带的实验, 结果软熔带形状与流场更吻合，这种情况下采取中心加焦的措施会对高炉生产有利。3 未燃煤粉对炉内渣粘度的影响3.1 未燃煤粉对矿石熔化性能的影响研究表明, 未燃煤粉的气化反应速度是焦炭的4-7倍。由于其气化反应强烈, 阻止了风口区焦炭的粉化损耗，它优先于焦炭与FeO直接还原的结果, 使渣中FeO 量减少, 软熔温度升高, 降低了料层的压力降, 同时可改善矿石的高温性能4。图8 所示为不同碱度烧结矿在有未燃煤粉存在和无未燃煤粉存在时,滴落温度的变化，即未燃煤粉的存在使矿石的滴落温度升高。图8 熔化性能变化由于未燃煤粉中集中了燃烧的灰分, 其中残碳不与终渣润湿及FeO减少的结果会使渣的粘度有升高倾向。因此当未燃煤粉的含量超过一定值后, 可使终渣变粘, 可能因此造成金属渗碳和滴落困难。杨永宜等对未燃煤粉对炉渣性能的影响(喷煤200Kg/t铁) 进行了研究, 发现当渣中未燃煤粉小于5% 时,其对渣的熔化性能几乎没有影响；但到10%时, 熔化温度上升10-60 ，同时他发现较粗粒度的烟煤(40-100um)的使炉渣熔化性温度下降20-30 。他的结论是：到目前为止, 煤灰和未燃煤粉混入高炉滴落区尚不是强化喷煤的限制因素。3.2 未燃煤粉对初渣粘度的影响33.2.1 未燃煤粉在初渣内部时对粘度的影响未燃煤粉以固体质点形式分散在液态初渣中将强烈地改变了初渣的粘度。如图9所示， 随着未燃煤粉量的增加, 初渣的粘度急剧上升。含未燃煤粉为5%的初渣1500时的粘度已经超过了20 泊, 根据现场操作人员介绍, 终渣的粘度超过20 泊时很难流动,此时初渣能够滴落。但在此种情况下的高炉操作, 滴落温度至少要达到1 500 , 且不能有太大的温度波动。当初渣的未燃煤粉含量为7% 时, 在1 500 条件下的粘度超过了30 泊, 此时的初渣是不可能滴落的,这就给高炉的顺行带来极大的困难。图9 含不同未燃煤粉量初渣粘度曲线由图10可以看出, 初渣的未燃煤粉含量从0%增加到3% 的过程中, 初渣粘度急剧上升, 其原因是未燃煤粉以固体质点形式分散在初渣中,剧烈地改变了初渣的粘度。从3%增加到5% 的过程中, 初渣粘度呈现趋缓的走势, 其原因是随着未燃煤粉含量的增加, 进入初渣的灰分也增加了,灰分中的酸性物质使初渣碱度降低, 粘度减小。此时未燃煤粉使初渣粘度升高的作用与灰分使初渣粘度降低的作用相互制约, 使得初渣粘度增加的趋势减缓。当未燃煤粉含量进一步提高时, 固体质点使初渣粘度升高的作用超过灰分使初渣粘度降低的作用, 所以炉渣的粘度又急剧上升。图10 1475时未燃煤粉量对初渣粘度的影响由以上分析可知, 当高炉喷煤量达到180kg/ t铁时, 高炉初渣的滴落就十分困难了。但在高炉的实际操作中并非如此。例如宝钢的喷煤量已经超过了200kg/ t 铁, 高炉生产也十分顺利。通过对实验过程、结果以及高炉实际生产过程的分析可以得出, 高炉的初渣在滴落和开始缓慢流动的下降过程中, 遇到被上升煤气流带来的未燃煤粉, 由于未燃煤粉比表面积较大, 密度较小, 所以未燃煤粉不可能进入初渣液滴或初渣流内部, 只可能粘附于初渣的渣面上。3.2.2 未燃煤粉粘附于初渣表面时对初渣粘度的影响由图11 可知, 未燃煤粉含量为3% ( 喷煤量为150kg/ t) 的初渣相对于不含未燃煤粉的初渣其粘度改变不大, 在1 500左右, 能很好地滴落。随着未燃煤粉含量继续增加至5% 时, 初渣粘度也随之增加；当未燃煤粉含量达到7% ( 喷煤量为200kg/ t ) 时, 初渣在1 500 时的粘度已接近20泊, 这就为初渣的滴落造成较大的影响, 如果炉况不稳, 例如滴落带温度低于1 350 时, 初渣就难以滴落。这说明了要实现高炉喷煤量达到200kg/ t铁以上时, 就需要提高煤粉的燃烧率, 减少影响初渣粘度的未燃煤粉量。而且保持炉温稳定在较高温度水平, 这些都是改善初渣粘度的重要环节。图11 初渣粘度曲线4 未燃煤粉对炉内焦炭反应性能的影响未燃煤粉由于粒度极细小于相应煤粉的粒度, 且表面充满了燃烧凹坑具有较大的比表面积, 因而具有良好的反应性。其在炉内主要发生两种反应, 气化反应(C02+C=2CO)和碳素溶解反应(FeO+C=Fe+CO)。研究表明, 未燃煤粉在铁中的溶解速度大大慢于焦炭，随喷吹量增加, 其渗碳速度加快, 但当金属中碳浓在3% 以上时, 渗碳速度变慢。该渗碳速度可看做是未燃煤粉供给的限制速度。在煤比达200Kg/t后, 渗碳消耗和未燃煤粉非常少。4.1不同燃烧方式未燃煤粉对焦炭的影响图12表示出了采用焦炭微转鼓方法对宝钢现场使用的焦炭在不同条件下的强度测定结果及其显微组织。图12不同燃烧方式时焦炭强度及其显微组织 从图可知,N2 气氛条件下由于碳不参加任何反应,所以其强度(79. 7% )基本与现场原焦强度(80. 6% )相当。在CO2 气氛条件下由于焦炭参加气化反应,所以强度较原焦大幅度降低。而添加喷吹煤粉225 kg/ t所产生的未燃煤粉后焦炭强度得到了较好的改善,由未添加未燃煤粉的微转鼓指标55. 9%提高到63. 2%。可见未燃煤粉对焦炭机械强度具有明显的保护作用。碳的气化反应是降低高炉内焦炭强度的主要原因,由于未燃煤粉代替部分焦炭参加气化反应, 减轻了气化反应对焦炭组织的侵蚀,焦炭保持了原有强度,所以炉内存在少量的未燃煤粉将起到保护焦炭强度的作用。未燃煤粉对焦炭强度的保护作用从显微组织的变化也很清晰表现出来,与无未燃煤粉的焦炭显微组织相比,有未燃煤粉的焦炭显微组织明显致密。4. 2不同气氛燃烧对焦炭强度的影响图13是CO含量分别为0, 25% , 50% , 75%的气氛下测定的焦炭强度,随CO含量递增、气氛中氧浓度的递减,氧对焦炭的消耗量下降,焦炭的RD I随之明显上升。显微组织的变化也清晰表现, B的CO含量高,气氛中氧浓度的递减,氧对焦炭的消耗量下降,其相图焦炭显微组织明显致密;D的CO含量为0,气氛中氧浓度高,氧对焦炭的消耗量上升,其相图焦炭显微组织明显疏散,黑区域面积增多,空洞多。图13初始气氛组成对焦炭强度变化的影响4. 3反应温度及不同未燃煤粉喷吹量对焦炭强度的影响图14、15分别表示了反应温度及未燃煤粉添加量对焦炭强度变化的影响。从试验结果可知,与原焦相比虽然焦炭自身的强度有所降低,但试验条件不同焦炭强度降低的程度也不同。图14反应温度对焦炭强度的影响随初始气体中CO浓度的升高,或随反应温度的降低,或随未燃煤粉添加量的增加均可减缓高炉内焦炭消耗速度和强度降低的速度。焦炭显微组织结构也显示了同样的趋势:即显微组织结构随CO浓度的降低或反应温度的升高而趋于疏松。图15未燃煤粉喷吹量为60, 95, 145 g,分别相当于高炉喷吹煤粉量125, 175, 225 kg/ t所产生的未燃煤粉量对焦炭强度的影响。图15未燃煤粉喷吹量对焦炭强度的影响 可见,在高炉可以接受部分未燃煤粉的前提下,高炉内尤其在块状带存在少量的未燃煤粉能降低焦炭的消耗。若有适量的未燃煤粉存在,对焦炭强度起到明显的保护作用。但大喷吹使炉内的矿焦比上升,焦炭负荷增加。同时由于焦炭入炉量减少,延长了焦炭在炉内停留时间,所以对于大喷吹的大高炉,虽然存在未燃煤粉对焦炭的保护作用,但仍需足量的焦炭。5 大喷吹情况下维持高的煤利用率减少未燃煤粉不利影响的措施。由上述对未燃煤粉的研究可见, 未燃煤粉的存在有利有弊, 概括起来说, 当未燃煤粉量小时, 对高炉无不利影响, 相反它的存在可一定