高炉喷煤概论

1 高炉喷煤概论长期以来，开发摆脱或降低对焦炭依赖的炼铁技术一直在走着两条并行的路线。一条是开发新的炼铁工艺，从根本上改变能源结构，完全不用焦炭，如熔融还原、直接还原工艺等。另一条就是在不根本改变高炉工艺的前提下，采用某种技术措施用其它燃料替代部分焦炭，如喷煤、喷油、喷吹天然气等。8高炉应少用焦炭，因此，高炉喷煤工艺因需而生。所谓高炉喷煤，就是指从高炉风口向炉内喷吹磨细了的煤粉（无烟煤、烟煤或无烟煤、烟煤混合物以及褐煤），以代替焦炭向高炉提供热量和还原剂。1.1 高炉喷吹煤粉技术发展的必要性（1）高炉喷吹煤粉技术的发展背景1）冶金煤炭资源的经济合理地利用，客观上对高炉喷煤技术的开发与应用提出了最为迫切的要求。2）冶金焦炭供需紧张。3）资源、价格因素：煤与重油价格变化的对比来看，煤的价格相对低且平稳，这是高炉喷煤技术得以发展的一个重要原因。4）高炉操作调剂及其相关技术的发展，也促进了喷煤技术的发展。5）追求经济利益、降低生铁成本，是高炉喷煤技术发展的另一个重要原因。6）在考察高炉喷煤技术发展背景时，还必须注意到环境保护方面的因素。（2）高炉喷煤的意义1）以低价的煤代替了日趋贫乏且价格昂贵的冶金焦，降低了焦比，使高炉炼铁的成本大幅下降。2）高炉喷煤可以作为一种调剂炉况的手段。3）高炉喷煤可以改善炉缸工作状态，使高炉稳定顺行。4）为高炉提高风温和富氧鼓风创造条件。因为喷吹煤粉会使风口前理论燃烧温度降低，导致理论燃烧温度降低的原因主要有：n 高炉喷吹煤粉后煤气量增加，加热煤气需要消耗热量；n 高炉煤粉带入的热量少，而焦炭进入到风口区时已加热到14501500，而喷吹煤粉的温度不超过100；n 煤粉中碳氢化合物分解吸热。5）喷吹煤粉中的氢含量比焦炭带入的多，氢气提高了煤气的还原能力和穿透扩散能力，有利于矿石的还原和高炉操作指标的改善。6）喷吹煤粉代替了部分焦炭，不仅缓解了焦煤的供需紧张状况，也减少了对炼焦设施的投资和建设，降低了炼焦生产对环境的污染。1.2 高炉喷吹煤粉技术发展历程（1）高炉喷吹煤粉技术发展与评价指标衡量高炉喷煤技术发展水平，除了要看喷煤设施及检测、控制等硬件的水平外，通常还主要采用下述两个指标进行评价，即：1）煤比(或称喷煤量)Gm，是指生产单位生铁所喷吹的煤粉量，单位为kg/t ；2）喷煤率qm，是指煤粉在生产单位生铁所消耗的燃料(煤粉加焦炭)中所占的比例。为考察不同国家相地区高炉喷煤技术的发展状况，一般还采用普及率m这一参数，它是指喷煤高炉占全部运行高炉的百分数。 （2）高炉喷吹煤粉技术的新进展1）富氧喷煤技术得到普遍应用2）氧煤喷吹技术日趋成熟3）喷煤工艺简化，便于监控4）粒煤喷吹和配煤混合喷吹技术事实上，随着喷煤技术的不断发展，许多相关的或与喷煤并用的技术都取得了重大进展。这些技术涉及到了诸如煤粉的浓相输送技术、煤粉在高炉内气化燃烧及炉况调节等的基础研究、喷煤高炉数学模型及计算机控制等。 1.3 高炉喷煤工艺流程原煤贮运系统干燥气体制备系统供气系统（空气、氮气、压缩空气）煤粉制备系统煤粉输送系统高炉煤粉喷吹系统高炉喷吹煤粉工艺系统主要有：原煤贮运、煤粉制备、煤粉输送、煤粉喷吹、干燥气体制备和动力系统。图4 高炉喷煤系统工艺流程2 高炉喷吹用煤2.1 煤的分类及化学成分（1）煤的分类煤在形成过程中经历了植物残骸转变为泥炭的泥炭化阶段和泥炭转变为褐煤、烟煤、无烟煤的煤化阶段。根据成煤物质和成煤条件不同，将煤分成三大类：腐植煤、残质煤和腐泥煤。腐植煤在自然界分布最广，蕴藏量最大，是人类使用最多的煤。腐植煤按煤化程度又可分为泥煤、褐煤、烟煤和无烟煤四大类。（2）煤的组成煤的化学成分包括碳(C)、氢(H)、氧(O)、氮(N)、硫(S)以及灰分(A)和水分(W)，其中，氧、氮、硫与碳和氢一起构成了可燃性化合物，它们称为煤的可燃质；而灰分和水分则称为煤的惰性质。1）可燃成分碳：65%95%，以碳氢化合物和碳氧化合物形态存在，是煤中主要的可燃成分，含碳量愈高，煤的发热量愈高。氢：2%7%，大多以碳氢化合物状态存在，也是煤中主要的可燃元素，发热量为碳的三倍。氢存在于挥发分中，炭化程度愈高的煤，氢含量愈少。氧：3%5%，大多数以氧化物的形态存在，与碳、氢结合成氧化物后，煤中的可燃碳和可燃氢含量减少，降低煤的发热量。部分游离氧可以助燃。一般来说，随着煤的炭化程度的提高，煤中含氧量减少。氮：1%2%，煤中的惰性元素，在燃烧的高温烟气中与氧化合成NOx，造成大气污染，是有害元素。硫：1.0%，以有机硫、黄铁矿硫（硫化物硫）和硫酸盐三种形态存在，前两种硫燃烧时放出热量，以及硫酸盐分解，产生SO2、SO3，污染环境，有害元素。2）灰分灰分是指煤中所含的矿物杂质在燃烧过程中，经过高温分解和氧化作用后所生成的一些固体残留物，主要包括SiO240%60%，A12O315%35%；Fe2O3 5%25%，CaO1% 15%，MgO0.5%8%，Na2O十K2O1%4%。灰分是煤中的主要杂质成分，煤的灰分越高，煤的发热量就越低，其燃烧性能亦越差。灰分增加，将增加渣量，熔剂消耗，并使燃料比升高。3）水分煤中的水分按其结合状态可分为游离水和结合水。游离水是以物理吸附或吸着方式存在于煤的毛细管中与煤结合的水分；化合水是以化合方式同煤中的矿物质结合的结晶水，是矿物晶格的一部分。煤的工业分析中只测定游离水，游离水份降低煤的发热值，并增加煤粉磨制过程中干燥剂的消耗，降低磨煤机的台时产量。化合水在较高温度（200以上，甚至500以上）下才会析出，相当于部分加湿鼓风。煤中水分含量（W）：15%为高水分煤，5%为低水分煤，5%15%为中水分煤。（3）煤的分析及换算为了实际应用和理论研究的不同需要通常把煤分为应用基、分析基、干燥基和可燃基四种状态进行成分分析。1）应用基：以实际使用的煤为基础分析出来的成分，y元素分析：Cy%Hy%Oy%Ny%Sy%Ay%My%=100%工业分析：My%Ay%Vy%FCy% = 100%2）分析基：分析基成分是以在试验室里分析时用的煤为基础分析出的成分。这种煤一般为气干状态，与应用基比较它已失去了表面水分。f元素分析：C f %H f %O f %N f %S f %A f %M f %=100%工业分析：M f %A f %V f %FC f % = 100%3）干燥基：是指失去了全水分的煤成分，g元素分析：C g %H g %O g %N g %S g %A g %=100%工业分析： A g %V g %FC g % = 100%4）可燃基：是指除去水分和灰分后的煤成分，r元素分析：C r %H r %O r %N r %S r %=100%工业分析： V r %FC r % = 100%2.2 煤的物理性质（1）孔隙率孔隙率反映了煤的反应性和强度性质。孔隙率大的煤其表面积大，反应性好，但强度较小。煤的视（相对）密度：指20煤（包括煤的空隙）的质量与同体积水的质量之比，表示符号ARD。表示煤的物理特性的一项指标，在贮煤仓的设计，煤的运输、磨碎和燃烧等计算过程中需要该项指标。煤的真（相对）密度：指20煤（不包括煤的空隙）的质量与同体积水的质量之比，表示符号TRD。是表征煤的性质和计算煤层平均质量的一项重要指标，它的大小与煤的变质程度、煤的岩相组成、煤的成因、煤中矿物质有关。（2）煤的可磨性煤的可磨性是指煤研磨成粉的难易程度，与煤的变质程度有关。一般来说，焦煤、肥煤易磨，无烟煤、褐煤难磨。此外，煤的可磨性还随煤中的水分和灰分的增加而降低。工业上常根据煤的可磨性来设计磨煤机，估算磨煤机的产率和能耗，或根据煤的可磨性来选择适合某种特定型号磨煤机的煤中和煤源。煤的可磨性指数国标采用哈氏可磨性指数，KH。（3）煤的比表面积煤的比表面积是指单位重量的煤粒的表面积的总和，称为这种煤在该粒度范围内的比表面积，单位为mm2/g。煤的比表面积是煤的重要性质，对研究煤的破碎、着火、燃烧反应等性能均有重要意义。煤粉比表面积的测定是用透气式比表面积测定仪测定的，测定原理是根据气流通过一定厚度的煤粉层受到阻力而产生压力降来测定的。（4）煤的黏结性（5）煤的结焦性煤的黏结性、煤的结焦性是评价炼焦用煤的主要指标。2.3 煤的工艺性能（1）煤的着火温度煤的着火温度是指在氧化剂（空气、氧气）和煤共存的条件下，把煤加热到开始燃烧的温度，也叫煤的燃点。换句话说，煤释放出足够的挥发分与大气形成可燃混合物的最低着火温度，又叫煤的着火点。自燃是指煤中的碳、氧等元素在常温下与氧反应，生成可燃物CO、CH4及其他物质。煤被空气中的氧气氧化是煤自燃的根本原因。煤的着火点愈低，就愈易自燃，煤的自燃是造成煤粉制备、输送、喷吹过程中爆炸等事故的主要原因。（2）煤灰熔融性煤灰熔融性是指在规定条件下，随加热温度的变化，煤的灰分的变形、软化和流动特征的物理状态。煤的灰分没有固定的熔点，加热时是逐渐熔化过程，煤灰试样发生变形、软化和流动，以这三种状态相应的温度来表征煤的熔融性。煤灰熔融性是动力用煤和气化用煤的重要质量指标。（3）煤粉的流动性煤粉具有较好的流动性，是因为新磨碎的煤粉能够吸附气体（如空气），使气体在煤粒表面形成气膜，使煤粉颗粒之间的摩擦阻力变小；另外煤粒均为带电体，且都带有电荷，同性电荷具有相斥作用，所以煤粉具有流动性。在一定速度的载体中，煤粉能够随载体一起流动，这就是煤粉能被气力输送的原理。但随煤粉存放时间的延长，流动性变差，所以要求煤粉的贮存时间应小于8h。（4）煤粉的细度（粒度）煤粉的细度（粒度）是煤粉颗粒群粗细程度的反映，它对磨煤制粉的能耗和喷吹煤粉的燃烧速度以及不完全燃烧的热损失都具有决定性的意义。（5）煤粉的爆炸性煤粉的爆炸性决定着喷煤系统安全措施的采用。可燃粉尘爆炸的必要条件有：1）可燃粉尘浓度处于爆炸上下限的爆炸空间；2）有足够的氧化剂支持；3）有足够能量的点火源点燃粉尘；4）分散悬浮的粉尘处于定容的空间。随挥发分含量增加爆炸性增大。一般认为：可燃基挥发分小于10%为基本无爆炸性煤；大于10%为有爆炸性煤；大于25%为强爆炸性煤。而且，煤粉愈细，愈易于爆炸。控制系统内部适宜的含氧浓度是防止煤粉着火爆炸的关键，若系统含氧量低于一定浓度（14%）就可以避免着火爆炸。（6）煤对CO2的反应性煤对CO2的反应性是指在一定温度下，煤中的碳与CO2进行还原反应的反应能力。反应式为：C + CO2 = CO。或者说，煤将CO2还原成CO的能力。以被还原成CO的CO2量占参加反应的CO2总量的百分数来表示。在一定温度下，该反应速度越大，表明煤粉的可燃性越好。高炉喷吹反应性强的煤，不仅可以提高煤粉的燃烧率，扩大喷煤量，而且，风口区未燃烧的煤粉在高炉其它部位参加了与CO2的气化反应，减少了焦炭的气化反应，这就在某种程度上对焦炭的强度起到了保护作用，有利于提高炉料的透气性。煤的反应性与煤的挥发分含量有关，挥发分含量高的煤反应性强。2.4 高炉喷吹对煤的性能要求（1）对原煤性能的要求1）灰分要少，一般要求小于15%；2）硫含量要低，要求小于1.0%；3）胶质层要薄，以减少或避免结焦堵塞喷枪和风口；4）可磨性要好；5）燃烧性要好；6）发热值要高。（2）对磨制的煤粉的质量要求1）粒度：适宜煤粉应考虑到制粉能耗、输送性能、燃烧率等多方面因素。一般认为，喷吹无烟煤时粒度应小些，200网目的应达到70%80%；喷吹烟煤时，粒度可以大些，200网目的达到60%65%即可。2）温度：应控制在7080，以避免煤粉载体烟气中饱和水蒸气结露，影响输送。3）水分：一般煤粉中水分控制在2.0%以下，以便于输送。3 煤粉的制备与输送3.1 原煤的贮运（1）原煤的贮存原煤场一般不设在高炉周围。因煤场占地面积较大，而且还要考虑便于原煤的贮存、装卸及转运，故各炼铁厂应根据自己的具体情况确定煤场的位置。煤场一般应设置在制粉车间的主厂房附近。原煤的贮存量应根据煤源距厂区的远近、运输条件、气候及环境条件等来定。若煤源分散、运输条件较差，雨雪天气多，则煤场贮煤应适当多些，反之则可少些。原煤场又分露天煤场、煤棚及综合煤场等。（2）原煤的运输原煤经汽车、火车等运到煤场。在煤场由抓斗或装载机送入漏斗。原煤经由给料机、皮带秤、除铁器、筛分破碎装置及皮带运输机被送到主厂房的原煤仓中。3.2 煤粉制备工艺与设备一般喷吹用的煤粉要求粒度较细，以便于煤粉在风口前能迅速而完全燃烧。煤粉制备的任务是把原煤安全地加工成粒度为200网目占70%以上，水分含量低于2%的符合喷吹要求的粉煤，并将制备好的粉煤输送到煤粉仓。制粉系统包括原煤装卸、贮运、磨煤、干燥和煤粉收集等设施。（1）煤粉制备工艺1）球磨机制粉工艺2）中速磨制粉工艺（2）煤粉制备主要设备1）干燥气系统干燥气系统是为磨煤机提供干燥剂和输送介质的加热装置，作用是向磨煤设施提供300左右的热烟气。制粉干燥气分为燃烧炉干燥气、热风炉烟气和混合干燥气三种。要求是：给制粉系统提供足够的热量用于降低煤粉中的水分；具备一定的运动速度以携带煤粉进行转运和分离；能降低煤粉制备系统的含氧浓度。燃烧炉干燥气：使用燃料（一般为高炉煤气）引入燃烧炉内燃烧，在兑入一定量的冷空气，经磨煤机入口的负压，抽入磨煤机中干燥煤粉。特点是温度和流量易于控制，但含氧量高，适合于无烟煤制粉系统。热风炉烟气干燥气：高炉热风炉烧炉时的烟气，可利用余热并惰化制粉系统的气氛，实现烟煤制粉系统安全；缺点是温度偏低，波动大，较少单独使用。混合干燥气：将热风炉烟气由引风机抽到燃烧炉中，与燃烧炉高温烟气混合。是制粉系统常用的干燥气，适合于磨制各种煤，特别是烟煤。2）磨煤设备按其结构和工作原理可分为低速磨、中速磨和高速磨，目前主要采用低速筒式钢球球磨机（球磨机）和中速磨煤机。3）煤粉收集设备分为分离设备和收集设备。将输送载气带出的粒度大于规定的煤粉分离出来，并送回磨煤机继续磨制；将合格煤粉被载体带离磨煤机进行分离。先进入粗粉分离器后进入旋风或布袋分离设备进行与粉的分离。（3）煤粉的贮存煤粉被磨制好后，必须贮存起来。煤粉经旋风分离器和布袋精收集器后，由锁气器进入煤粉仓贮存。对煤粉仓在设计与建造时应考虑如下因素：煤粉仓要求完全密封，否则干燥的煤粉容易因吸收大气中的水分而受潮，同时细煤粉容易外溢到大气中，造成环境污染。密封的煤粉仓体积以能保证高炉正常喷吹24h为宜。很细的煤粉存放时间过长，易使煤粉的流动性变差，这会给输煤与喷煤增加困难。从防爆角度考虑，煤粉仓的形状通常选为长方体形。煤粉出口漏斗的倾角定为70。煤粉仓应避免煤粉温度迅速降低，以免煤粉析出水分，使其流动性降低。故煤粉仓的外表应包裹一层保温材料，同时还应设置吸湿管。 从安全角度考虑，应设置氮气或水蒸气导入口。氮或水蒸气导入方向的确定应以尽量减少仓内煤粉搅动为原则。3.3 煤粉的输送（1）煤粉的输送方式如何合理地输送煤粉，将直接影响高炉喷吹煤粉的经济性、安全可靠性及环境保护。生产实际中，煤粉的输送通常可采用煤粉罐车输送和气力输送两种方式。罐车输送的特点是输煤设备简单，运输距离不受限制，但输粉能力小，作业不连续，不经济，易造成环境污染。气力输送虽然工艺设备复杂，但具有输粉能力大，能耗低，作业连续性好，运行安全可靠，便于进行煤粉的连续检测与控制等优点。由于气力输送具有许多独特的优点，因而已成为高炉喷煤中应用最广泛的煤粉输送方式。借助管道将煤粉送入气流中，并使其成悬浮状态而输送的方法称为煤粉的气力输送。若往输煤管道内送入高压空气，即使输煤管道内压力高于大气压力，则此时的气力输送称为压送式气力输送；而当输送管内的压力低于大气压力时，气力输送称为(真空)吸入式气力输送。压送式气力输送要求输煤系统密封性可靠，否则易造成管道冒粉，从而污染环境。这种方式的优点在于输煤的安全性好，特别是在系统密封效果欠佳时用于输送烟煤，可以避免空气的吸入造成系统氧浓度超限而引起安全事故发生。吸入式气力输送可以保证煤粉不向外泄漏，但其漏风系数大，输送的安全性相对差些。（2）高炉喷吹对煤粉的输送要求高炉喷吹对煤粉输送的要求主要是：1）系统中运输量、管道风速和运输风压三个参数大小要合适，以便将规定粒度和数量的煤粉输送到要求的距离；2）合适的初始风速，应保证煤粉在输送过程中不沉积下来；3）管道运输应少用阀门和减少弯道，弯道应平缓，以便减少阻力损失和磨损；4）输送烟煤时，要控制输送系统的含氧量、温度和火源，要有相应的安全措施。 （3）工艺流程工艺流程：煤粉仓的煤粉装入仓式泵后，用压缩空气或氮气流化（喷吹高挥发分烟煤）后进入混合器，再用压缩空气输送，经输煤阀送煤粉管网到喷吹系统的收粉罐。当收粉罐充满后，停止送煤并用压缩空气将管道内集存煤粉吹扫干净等待下一次输送煤粉。输送风在输送管道内应具有一定速度：煤粉输送应使煤粉颗粒在管道内处于悬浮状态。因为煤粉颗粒受重力作用而沉降，当输送介质在输送管道内流动时，产生推力而使其前进，而且输送介质速度越高，煤粉颗粒越易悬浮，反之则易沉降。当输送介质速度达到一定值时，煤粒就不会沉降而处于悬浮状态，此时的流速称为悬浮速度或叫沉降速度。煤粉悬浮速度与煤粉直径、真密度和输送介质有关，一般输送介质的流速应控制在5m/s以上。（4）煤粉的输送特性煤粉气力输送的本质是气体与固体煤粉混合的两相流动。煤粉气力输送技术常涉及到煤粉固有的某些输运特性参数，如煤粉输运的物理特性、几何特性和流动特性。 1）煤粉的密度：煤粉在密实状态下单位体积所具有的质量。2）颗粒大小： 粒径是表示颗粒大小的物理量，它不仅直接代表颗粒的粗细程度，而且还与气固两相流动状态有密切关系。常采用等价直径的概念来描述，即：把颗粒看成理想的正方体、圆柱体、球体等，用它们的一个边长或直径作为颗粒的直径。如：按球体的等体积考虑，煤粉颗粒的等体积粒径为： dp=(6V/)1/33） 颗粒形状：煤粉颗粒的形状千差万别，因而在输运过程中所具有的特性也各不相同。为了了解颗粒的真实形状及其差异程度，通常以形状最为规整的球体作标准，采用形状系数的概念。如： 表面积形状系数=（球体表面积/颗粒表面积）体积相等4）平均粒径：如算术平均值、几何平均值等。5）粒度分布：常采用标准筛筛分分析