（钢铁冶金专业论文）煤粉在高炉内的分配及宝钢高炉经济喷煤量的研究.pdf

河北理工学院硕士学位论文 接要 本文对未燃煤粉在高炉内趟耗行为进行了试验模拟研究，并结台宝钢高炉喷煤 的实际生产鼗攒黯煤粉在离妒蠹分配帮藤炉经济喷煤爨送行了系绕磷究。逶遂磷究 发现： 未燃煤粉鞠焦炭参加铁嶷接还原反廒、非铁元索纛接还原反应、碳气化反应、 叟铁渗碳反应秘碳奁炉渣中沉积等反瘦瓣定量差翔魄较大，未爨潆粉参葫铁壹搂_ i 丕 原反应、非铁元索直接还原反应、碳气化反应、生铁渗碳反应和在炉渣中沉积的能 力明显高于焦炭。在宝钢秘翁的生产技术条件下，在煤比为2 3 0 k g t 时，在高炉风口 藤燃烧的煤粉院铡为6 8 7 4 左右；参蕊铁壹搂还舔溺耗的渫粉魄镄力1 2 1 3 8 左 右；参加非铁元素直接还原消耗的煤粉比例为1 左右：参加碳气化反应消耗的煤 粉比例为3 3 8 左右；参加生铁渗碳反应消耗的煤粉比例为1 2 2 0 左右；在炉溅中 沉积滔耗静媒耪毙镶为0 2 2 左右；送入蓬力获两逸爨簿炉瀵耗的漾粉琵镶蠹0 7 7 左右；进入污泥而逸出商炉消耗的煤粉比例为1 3 9 左右。 采用宝钢擞铁成本的计冀体系和计算方法，充分考虑煤比、热风温瘦、渣比、 鼓风富氧率、唆吹煤固定酸含囊、鼓风激度、 生铁审【s i 】含量、焦淡获分、浇缭矿 中f e o 含量、熟料率、n c o 、炉尘碳损失等工艺参数对喷煤经济效益的影响，对 塞镪高炉喷煤的生产数据进行了统计计辣，得出了煤魄鞠生铁成本的数学关系，计 嚣出在霞蓊生产条 牛下宝锻蕊炉的经济喷煤量。在蠢静的藤燃糕耪搡作条幸牛下，当 风温为1 2 4 8 。c 左右、渣量为2 4 1 k g t 左右、鼓风富氧翠为3 左右时，宝钢高炉的经 济喷煤量为2 2 1 k g t 至2 3l k 龇。 关键词；高炉喷煤，未燃煤粉，煤焦置换比，煤粉分配，经济喷煤鬣 河北理工学院硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec o n s u m p t i o no fu n b u m tp u l v e r i z e dc o a ii nb l a s tf u r n a c e ，t h ed i s t r i 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 ea n d t h ee c o n o m i c p u l v e r i z e d c o a li n j e c t i o nc o m b i n e dw i t h p r o d u c t i o nd a t a a tb a o s h a ni & s c o r p ，h a sb e e ns t u d i e d i nt h i sp a p e r + i nt h ep a p e r ，t h eg r e a tq u a n t i t a t i v e 、d i f f e r e n c eb e t w e e nu n b u r n tp u l v e r i z e dc o a la n d c o k eh a sb e e nf o u n di nr e a c t i o no ff e r r o u sd i r e c t i v er e d u c t i o n ，n o n - f e r r o u sd i r e c t i v e r e d u c t i o n ，g a s i f i c a t i o no fc a r b o n ，p i gi r o nc e m e n t i t ea n dc a r b o ns e d i m e n ti ns l a g t h e r e a c t i v ea b i l i t yo fu n b u r n tp u l v e r i z e dc o a li nr e a c t i o no ff e r r o u sd i r e c t i v er e d u c t i o n ，n o n f e r r o u sd i r e c t i v er e d u c t i o n ，g a s i f i c a t i o no f c a r b o n ，p i gi r o ne e m e n t i t ea n d c a r b o ns e d i m e n t i ns l a gi so b v i o u s l yb e r e rt h a nt h a to fc o k e u n d e rt h ep r e s e n t l yp r o d u c t i o na n dt e c h n i c a l c o n d i t i o n s ，w h e nt h ec o a lr a t i oi s2 3 0 k g t ，a b o u t6 8 。7 4 o fp u l v e r i z e dc o a lb u r n e do nt h e r a c e w a y ，a b o u t1 2 3 8 o fp u l v e r i z e dc o a lc o n s u m e d i nf e r r o u sd i r e c t i v er e d u c t i o n ，a b o u t 1 i nn o n f e r r o u sd i r e c t i v er e d u c t i o n ，a b o u t3 3 8 i ng a s i f i c a t i o no fc a r b o n ，a b o u t 1 2 ，2 0 i np i gi r o nc e m e n t i t e ，a b o u to ，2 2 i nc a r b o ns e d i m e n ti ns l a g , a b o u t0 。7 7 i nt o p d u s ta n da b o u t1 3 9 i n t o pg a s m u d u t i l i z i n gc a l c u l a t i v em e t h o da n ds y s t e mo f b a o s h a ni & sc o r p ，t a k i n gi n t oa c c o u n t t h ei n f l u e n c eo f p r o c e s s i n gp a r a m e t e r ss u c h a sc o a lr a t i o ，h o tb l a s tt e m p e r a t u r e ，s l a gt oi r o n r a t i o ，t h eo x y g e ne n r i c h e dr a t i oi nt h eb l a s t ，t h ec a r b o nc o n t e n to fp u l v e r i z e dc o a l ，t h e h u m i d i t yo fb l a s t ，t h es i l i c o nc o n t e n ti np i gi r o n ，t h ea s hc o n t e n ti nc o k e ，t h ef e o c o n t e n t i ns i n t e r s ，t h ec l i n k e ra g g r e g a t er a t e ，t h eg a su t i l i z a t i o nr a t ea n dt h ec a r b o nl o s si nt h ed u s t o nt h ee c o n o m i c p r o f i to f p u l v e r i z e dc o a li n j e c t i o ni n t ob l a s tf u m a e e ，t h ep u l v e r i z e dc o a l i n j e c t i o np r o d u c t i o nd a t ai nb a o s h a ni & sc o r p h a sb e e na n a l y z e da n dc a l c u l a t e d ，a n dt h e m a t h e m a t i c a lr e l a t i o no fp i gi r o nc o s tt oc o a lr a t i oh a sb e e nf o u n d t h r o u g ht h e m a t h e m a t i c a lr e l a t i o n t h ee c o n o m i cp u l v e r i z e dc o a li n j e c t i o na tb a o s h a ni & sc o r p b l a s t f u r n a c eu n d e r p r e s e n t l yt e c h n i c a l c o n d i t i o n sc a nb ec a l c u l a t e d u n d e rp r e s e n t l yr a w m a t e r i a l sa n df u e l ，w i t h1 2 4 8 o f t h eh o tb l a s t ，2 1 4 k # to f t h es l a gt oi r o nr a t i oa n d3 o f t h eo x y g e ne n r i c h e dr a t i oi nt h eb l a s t ，t h ee c o n o m i cp u l v e r i z e dc o a li n j e c t i o ni sa b o u t 2 2 1 - 2 3 1 k g 鹿贰b a o s h a n i & s c o r p b l a s tf u r n a c e + k e yw o r d s , p u l v e r i z e dc o a li n e c t i o ni n t ob f ，u n b u r n tp u l v e r i z e dc o a l ，r e p l a c e m e n t r a t i ot oc o a la n dc o k e ，d i s t r i b u t i o no f p u l v e r i z e dc o a t ，e c o n o m i cp u l v e r i z e dc o a li n j e c t i o n 。i l - 独创性说明 本人郑壤声明：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液和致谢的地 方羚，论文中不雹含其想人已经发褒或撰写豹赣究藏巢，迄不氢含为 获得河北理工学院或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的 说明并表示了谢意。 签名：丛弱筮日期：巡年l 月煦日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工学院有关保留、使用学位论文的规定， 郅：学校有权保整送交论文的复印传，允诲论文被查阅帮借阕；学校 吲+ 以公布论文的全部或帮分内容，霹以采用影印、缩印藏英健复制手 段保存论文。 ( 倮蜜的论文在解糍焉应遵锤她趣定) 签名：兹熬心导师签名：盟窒竺! 囝期：盟年l 月丝日 河北理工学院硕士学位论文 罢|言 高炉大量喷吹煤粉技术是发展我国钢铁工业的战略性技术之一。以喷吹大激而 廉价的煤粉代耱紧缺两昂贵豹焦炭，达到降低成本，撼离产量的秘的，是发展炼铁 生产的重要途径，其有很好瓣经济效蕊。宝钢作为我图炼铁系统豹蘧点金监，在强 前的原燃料和操作技术条件下，高炉已经究全具备了喷吹煤粉2 5 0 k g t 及z s o k g t 以 一匕的能力，入炉焦比已经降到了2 5 0 k g t 左右，在国黪翱国内都属领先水平。然两， 唆煤量的进一多提高会导致赢炉内未燃煤粉数量酌大稍度增藤，对藤炉内各释貔理 化学反应、高炉内料柱的遗气性和透液做、炉顶煤气濑度和炉缸煤气的分布、商炉 搽 乍等产生较大的影响。研究未燃煤粉旋离炉内的捎髓行为和煤粉程商炉内的分配 对离炉的顺行、提高高炉产鬃具有重要静实际意义。麓外，喷媒纛翡迸一步疆离可 能会使煤焦鼹换比有所降低，对高炉使用的原、燃料的质量要求有所提高，同时也 会对钢铁公司艇体能源平德秘葛炉寿命以及环境保护产生一定的影响，这样就绘骥 煤的经济效益辩来了吃较氟杂的影响，霹魄，寻鼗一个在一定静蔽零经济条释下稚 不同生产技术条件下宝钢高炉的经济喷煤凝的计算方法是十分必要的。 河北理工学院硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 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，经历了比较长的时间。高炉 喷吹煤粉始于1 9 世纪6 0 年代，1 8 4 0 年s b a n k s 提出了高炉喷吹焦炭和无烟煤的设 想，于1 8 4 01 8 4 5 年在法国的h a u n tm a r n e 得以实现，并获得了专利 2 】。直到2 0 世 纪6 0 年代才开始大规模的应用于钢铁工业生产。随着石油危机、环境保护和炼焦煤 资源的日益短缺等问题的出现，高炉喷煤已经不只是调剂高炉炉况的一项重要手 段，同时也是弥补焦炭资源不足的主要措施。就世界范围而言，高炉喷煤已经成为 高炉技术发展的必然趋势。 高炉喷煤技术的发展趋势是喷煤量的大幅度提高和焦比的大幅度降低。欧洲和 闩本高炉的喷煤量已达到1 5 0 - - 2 0 0 k g t ，在有些高炉上则达到了2 5 0 k g t 口】。国外许 多高炉喷吹烟煤，或将烟煤和无烟煤甚至褐煤进行混煤喷吹。我国是世界上应用高 炉喷煤技术较早的国家，我国自1 9 6 4 年4 月3 0 日首钢1 号高炉开始喷煤【4 】，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，我国已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 e g t ，有个别高炉的喷煤量则达到2 5 0 k g t 的 世界先进水平【4 j 。 我国高炉喷煤的发展可分为三个阶段拍j ： 第一阶段是6 0 年代初至7 0 年代末，是高炉喷煤工业化推广应用期。由于在这 段时期里重油、天然气价格较低，喷吹设备简单，因此世界上大部分高炉都喷吹重 油和天然气。我国自1 9 6 4 年开始喷煤，普及程度和煤比迅速提高，重点企业的6 3 座高炉中有4 0 座喷吹煤粉。1 9 6 6 年首钢l 号高炉年均喷煤量达到2 2 5 k g t ，最高月 达到2 7 9 k g t 7 1 ，迄今仍是世界最高记录。 河北理工学院预士学位论文 第二个阶段是8 0 年代纫歪8 0 年代求，是高炉喷煤的大发展时期。1 9 7 9 年世界 第二次石滴危撬以磊，磊灌价格猛涨，罄本移西欧静高炉稻继箨斑喷涵，袭为全 焦操作，结果导致高炉生产不稳定，焦比上升、产量下降。为此。日本和西欧的高 炉积极开始喷睃煤粉，并得到迅速发展，到8 0 年 弋末，日本喷煤精炉达到8 0 ， 瑟漩也达爨6 0 激上。两在这个对蘩，我国的高炉逸蒸本上停丘了喷涵，积辍笈溪 喷煤，重点企业的喷煤高炉增加至5 l 座，占高炉总数的7 8 ，年均喷煤墩为 5 2 9 k 欢，其中商l o 座高炉年均喷煤量达到了1 0 0 k g t 以上。 第三个除段楚胰9 0 年代窃开始，大爨噗吹媒粉已残为赢竟蠡炼铁技术发震的熏安 内容之一，钢铁行业已把高炉喷煤作为降低焦比和生铁成本的主饕手段。在这个时 期，我国高炉骥煤取褥了曼箸进步。从1 9 9 0 年至1 9 9 5 年，全嗣离妒喷煤总援由 2 18 万吨增勰戮4 0 0 万噫，5 年增加了1 8 2 万吨强l ，1 9 9 8 年全国离妒喷煤惑量为7 5 0 万吨，2 0 0 1 年为1 3 6 0 万吨，2 0 0 2 年超过了1 4 0 0 万吨 9 ，高炉喷煤餐有了大幅殿提 麓；喷煤高炉增加了2 5 座，重点企业中除了重钢以外郡有了喷煤设备，重点企业装 t 备有喷煤设备静高炉占全部离炉的9 2 以上嘲；1 9 9 5 霉，全国重点企监高炉平均囔 煤量为5 8 5 k g t ，上世纪末平均煤比达到11 8 k g t ，2 0 0 2 年则达到1 2 5 k g t 。1 9 9 9 年 至今，宝钢3 艨高炉年均喷煤塞已经连续4 年在2 0 0 k g t 以上，1 号离炉年均喷煤量 为2 3 0 k g t ，最离胃达2 6 0 6 k g t 翻，屠毽莽领先东平。 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，逐出 蠛了下列特点： ( 1 ) 提高喷煤率。许多钢铁公司喷煤的茜标是争取离炉喷煤率遮翔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 行喷媒试验，歉穆了月平均骥煤率3 5 4 0 ，年乎均囔煤率3 0 3 5 ，短期喷 煤率5 0 的傀髯成绩l l o l 。 ( 2 ) 喷吹煤种一般为烟煤或无烟煤与烟煤的混煤。试验证明，煤的挥发分 藤，燃烧牲能往往较好。豳终蔗妒喷欧翔爆媒，一般挥发分都在3 0 左右甚鬻霆 商，灰分小予1 0 。我国也有不少厂家解决了喷吹娲煤的安全闷熬，成功实现了鬻 炉喷吹烟煤。 。3 滴北理一f 学院硕士学位论文 ( 3 ) 嚷煤系统形式多样。嚷欧系统的静类较多，大体上可分为并联罐系列和串 联罐系列，羹匏系统基本上爨在这两释系统静基萋窭上派生出来的。裁粉系统主鬟采 用中速磨煤机，输送系统多采用直接喷煤断流程，浓檑输送技术l 。喷煤工艺向简 謦化、紧凑化方向发展。 ( 4 ) 加强技术开发。主黉着缀予对煤粉燃烧瞧麓默及喷吹煤粉对嵩炉冶炼过程 的影响的研究。 l t 2 高炉喷欧煤粉技寒豹疆究现状 高炉喷吹牒粉技术作为种高炉强化冶炼的方式，逐渐引起越来越多的国内外 学者和炼铁工作者的重视，随着高炉喷吹煤粉技术的发展和普及，他们对高炉喷吹 煤粉技术进行了大量弱研究，瞧取褥了较大豹戏裁，掇感酌主要结论霄： ( 1 ) 就喷吹煤种来说，烟煤的燃烧性能往往眈无烟煤的燃烧髋熊好。著且，煤 的挥发分越高，它的燃烧性能往往比较好。 ( 2 ) 在一定祭传下，煤粉粒粒凄越缎”拍4 1 ，漂粉农嶷妒最i s t 翦瓣燃烧性能裁邋 好。实验证嚼：在- - 2 0 0 围的比例达到8 0 时，大部分煤粉在豳旋区内距风口 o 8 m 1 1 2 1 处就可以燃烧气化，不会对高炉冶炼产生负面影响。 ( 3 ) 适当延长煤羚在热撤气渡中兹僚鬟黠闻毒利予疆裹煤粉燃烧率，翟如暴唆 枪距风口过远，对提高煤粉燃烧率效果融不明显，而履会使燃烧最的获分沉积或稚 附在风口、风镣内壁上，容易造成风口结渣。 ( 4 ) 喷吹爨过窝或喷欧方式不当，搜大量豹媒耪袭最日匿旋联蠹不戆充分燃 烧、气化，形成未燃煤粉。降低风口图旋区的理论燃烧温度和恶化软融带的潦气 性，并对高炉炉渣的流动性带来一定影响。 ( 5 ) 毫炉躞煤辩，燃烧袋麓湛区凌风鞠靠运，堡中心气滚发最，蠢渥区上甥中 心温度升高，使得高炉软融带降低，块状带扩大，间接还原增加，改善了煤气利 用。因此，高炉喷煤后有利于高炉炉况稳定，使高炉产量增加。 ( 6 ) 出予囊氧戆有效熬缝蓦缄嗣基麓送豹理论燃烧滋凄郓减少攀位生铁豹煤气 墩，和高炉喷吹煤粉具有很好的互补性5 t ，因此，高炉富氧喷煤作为高炉强化冶炼 的主要手段已缀得到了广泛的应用。 ，4 河北理工学院硕士学位论文 当前，为了进一步降低生铁成本，增强企业的竞争力，世界上各个钢铁企业都 在致力于提高高炉喷煤比。但随着煤比的提高，高炉内产生的大量未燃煤粉会对高 炉冶炼产生复杂的影响，同时也会对高炉喷吹煤粉的经济效益带来负面影响。因 此，研究煤粉在高炉内的分配就显得非常重要，同时，研究某一座高炉最合适的喷 煤量具有重要的实际意义。 1 _ 3 煤粉在高炉风口前的燃烧 从风口喷入的煤粉大部分在风口前的回旋区内燃烧，由于风口前回旋区很小且 温度高达2 0 0 0 左右，再加上煤粉在热风中具有很大的速度，使得煤粉在回旋区的 燃烧具有自己独特的燃烧特点和燃烧方式。 1 3 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，根据有关 资料 1 6 1 煤粉在风口回旋区内的燃烧有以下几个特点： ( 1 ) 有限空间和时间的燃烧。 从燃烧学的角度出发，对于燃料的燃烧过程，燃烧空间和燃烧时间对燃烧过程 有非常重要的影响，扩大燃烧空间和延长燃烧时间都有助于燃料燃烧率的提高。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 m m 左右，因此，连同风口回旋区在内煤粉燃烧空 间很小【 1 。加上直吹管内正常的热风速度达1 0 0 2 0 0 n m s 1 钔，所以煤粉的停留时 问有限，一般认为只有1 0 m s 1 9 】左右。以平均粒径为o 0 7 4 m m ( 2 0 0 目) 的煤粉为例， 计算表明，o 0 7 4 m 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。 综上所述，喷入风口的煤粉在回旋区的燃烧是有限空间和时间的燃烧。 ( 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 01 2 5 0 热 风中的瞬间过程。在此过程中煤粉的加热速率可以达到1 0 3 1 0 6 k s t 2 0 1 ，而在此条件 下煤粉的燃烧温度可达到2 0 0 0 c 左右，接近爆炸火焰的温度。因此高炉内的煤粉燃 烧是一1 个在高加热速率和高温环境下的燃烧过程。 5 一 河北理工学院硕士学位论文 ( 3 ) 各种物理化学反应交织进行的燃烧过程。 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 2 l 】。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 ) 高炉喷煤是加压下煤粉的分解燃烧过程。 高炉喷煤的煤粉燃烧是在与发电厂、锅炉等燃烧状况不同的高压高温下进行 的。 1 3 2 煤粉在高炉风口前的燃烧过程 虽然煤粉在风口高炉风口前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，但按各种反应进行的顺序，煤粉的燃烧过成大致可以分为挥发分 的挥发、挥发分的燃烧和残碳( 半焦) 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 。c 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【22 1 ，这 与。般条件下煤粉的燃烧不同，当煤的加热速度较慢时，热解开始后相对较长的时 问才能发生气固化学反应，而在高炉风口条件下，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：加热速度为1 0 3 c 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 c 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 c 时开始的，但在很高的加热速率下，热解过程被推迟。 6 一 河北理1 。学院硕士学位论文 豪瓦德( h o w a r d ) 和埃森海( e s s e n h i 曲) 2 嘲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 。c 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已达到煤的着火温度，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。 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，费尔德2 5 1 ( f i n d ) 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 o 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0 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。气体中的氧等气体扩 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i = 1 前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 未燃煤粉在高炉内的行为 从高炉风口喷入的煤粉，在风口前的回旋区内燃烧。在回旋区狭小的空间和有 限的时间内煤粉不能完全燃烧，不能燃烬的煤粉则随煤气流进入高炉炉缸，形成了 7 河北理： 学院硕士学位论文 高炉内的未燃煤粉。近年来，国内外学者和炼铁工作者对未燃煤粉在高炉内的行为 进行了大量的研究工作，取得了一定的研究成果。随着高炉喷煤量的增加，煤粉的 燃烧率明显下降，不能完全燃烬的煤粉数量也大量增加，因此进入高炉的未燃煤粉 量必然就会增多。进入高炉内的未燃煤粉的分布及其行为如何，对高炉顺行有哪些 影响是高炉工作者十分关心的问题。 1 4 1 未燃煤粉在炉内的分布及对煤粉流分布的影响 刘新【26 】等人对未燃煤粉在高炉内的分布特性做了实验研究，结果表明：未燃煤 粉并非在高炉各处普遍滞留和聚积。由于煤气流总是企图寻找通路，煤粉很难在由 煤气流形成的主通道内滞留。因此，进入高炉的未燃煤粉主要聚积在气流流动缓慢 和气流发生转折的区域或部位，即回旋区的前方及软熔带的根部和软熔带内侧拐角 处。在块状带，未燃煤粉主要滞留在矿石层中；未燃煤粉在高炉内积聚的不均匀性 导致了煤气流的重新分布，特别是回旋区前方和前上方的透气性恶化，使中心气流 难以发展，促使软熔带向平底的倒v 形或倒w 型转变。 王文忠2 7 1 等人采用二维高炉模型对未燃煤粉进入高炉后的分布进行了模拟实 验，可以得出如下结论：进入高炉的未燃煤粉主要聚积在气流流动缓慢和气流发生 转折的区域或部分，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。 综上所述，高炉喷煤产生的未燃煤粉主要分布在回旋区周围，即气流流动缓慢 和气流发生转折的区域和部分，如回旋区的下部、前方及软熔带的根部。在块状带 则主要聚积在矿石层中。因此，会恶化软熔带和块状带的透气性，阻碍中心气流的 发展，使软熔带向倒v 形或倒w 型转变。 1 4 2 未燃煤粉在高炉内的消耗 煤粉从风口喷入高炉后，一部分煤粉在高炉风口前燃烧气化，一部分煤粉则来 不及燃烧，从而以未燃煤粉的形态进入高炉各个部分，参加炉内各种物理化学反应 和以炉尘的形式逸出炉外。国内外许多学者和炼铁工作者【2 8 4 3 】就未燃煤粉在高炉内 的消耗行为进行了大量的研究工作，得出了很多结论，即未燃煤粉在高炉内的消耗 途径可分为以下两类。第一类是未燃煤粉可以被高炉有效利用，不会对高炉冶炼带 来负面影响，它的消耗途径有： 8 河北理工事院硕士学位论文 ( 1 ) 遇到滴落的炉渣或进入炉缸渣层中的未燃煤粉可以作3 b ( f e o ) 和少量非铁元 素氧化物的还原剂； ( 2 ) 遇到滴落的铁珠或未熔的海绵铁的未燃煤粉则可以成为它们的渗碳剂3 4 1 ， 从而形成f e 3 c ； ( 3 ) 吸附在炉料表面或空隙中的未燃煤粉，则可以和煤气中的c 0 2 反应而生成 c o ，即c 的气化反应。这在某种意义上保护了焦炭，降低了焦炭中碳的溶解损失反 应，使焦炭强度不降低或减轻降低程度； ( 4 ) 吸附在焦炭表面或空隙中的未燃煤粉可以随焦炭进入燃烧带而重新与鼓风 中的氧发生氧化反应。 第二类是未燃煤粉不能被高炉有效的利用，对高炉冶炼过程带来麻烦，甚至影 响高炉的顺行，它的消耗途径有： ( 1 ) 进入炉渣的未燃煤粉会增加炉渣的粘度，严重时造成滴落带渣流不顺利和 炉缸堆积。 ( 2 ) 附着在炉料表面和空隙中的未燃煤粉，虽然一部分可以和c 0 2 发生c 的气 化反应，但是超过一定数量后，它就会降低料柱的空隙度，恶化煤气上升过程中的 流体力学条件，也就是煤气通过料柱时的阻力增加。 ( 3 ) 滞留在软熔带和滴落带的未燃煤粉，可以降低它们的透气性和透液性，容 ， 易造成液泛现象。 ( 4 ) 有一部分未燃煤粉跟随煤气，以炉尘的形式从炉顶逸出炉外3 5 1 。 1 5 高炉经济喷煤量 高炉喷煤技术能在全球高炉炼铁生产中盛行的首要原因在于它的经济价值3 6 ， 它能用资源丰富而廉价的煤粉部分地代替昂贵而短缺的焦炭，使生铁的成本降低。 在当前激烈的市场竞争中，各钢铁企业都在为降低生铁生产成本而推行该技术并且 加大投入以提高高炉喷煤量，以期获得更好的经济效益。关于高炉喷煤量的问题， 各国专家学者从不同角度出发，发表了很多观点。刘云彩【”l 从煤粉燃烧理论的角度 出发，得出了高炉的极限喷煤量应为高炉入炉料总重量的7 0 左右。刘琦从焦炭 在高炉内所起作用的角度分析了喷煤量的问题，认为焦炭在炉内提供热量、提供还 原剂这两个作用完全可以用煤粉代替，从而在理论上可以得出高炉的最大喷煤量。 9 河北理工学院硕士学佼谂文 戬上怒对璞爨给裔妒凌滚费采静影鹦方嚣分辑褥滋褥绪论。翘蠢萁氇诲多肇者 觚经济效藏方瑟磷究蠢炉合适的唆潆蕊擎铺。 傅世敏f 4 0 1 认为不同的高炉( 或厂) ，融于原料条件( 黠位，煤粉的品种) 的不阍， 嵩炉设备麓 孛擞瀣，餐氧攀) 吝舅，嚣馥遵骞番囊不戮懿台邋懿唆淼萋，黪逶邋袋 麓不同懿r i s t 搡作线及对不蠲矮渫灏时蕊妒下部德气链静交纯靛计算，襻蹬了在入 炉含铁品位为5 4 至5 6 ，风温1 1 0 0 ，宦氧率为2 至4 祭件下的高炉经济喷煤 黧巍1 5 0 k g t 左右。 “ 随着澡院黪提赢，煤粉程菇鬈虢静燃烧量下降，米燃煤耪的数鬣增多，导致煤 焦鼹换比降低。若煤沈j 建赢，煤焦鼹抉比过低，就不能获得最健的经济效靛，程原 燃饕痰耋拔麓瓣，还鸯荔弓l 筵妒掇颧孬嶷罄，警羧炉疆络霉帮炉懿壤黎；麓煤魄过 低，虽爨煞霰羧眈比较离，德喷煤辩经济效益氇不是簸佳静。栖志浆拜1 l 等人试为离 炉经济喷煤比成包括两方砥内容：喷入离炉内的煤粉能够充分燃烧，高炉顺行。 麓够获褥羲德麓经漭效豢。蘑瓣满足遮鞲夺祭锋黪漾笼方蔑凝势经济媒魄。缓道 计簿杨志荣议为太钢4 跨赢妒酶经济喷煤爨为l o s k e c t 左右。 高炉喷啖煤粉主要是为了代替焦炭降低生铁燃料成本，成本的降低值按下式计 黧# 2 l ： j = g ( 最r 一只) l o o o 、( 1 一1 ) 式中，一生铁成本的降低馕，元熊； g 一漠魄，k g ；t r 煤焦麓穗比； 最一焦炭徐掇，元a ； 只一漾狳傍穗，元兜。 蠢式( 1 一1 ) 可善窭，喷煤的经济效蕊取决予爆跪、爨焦鬟羧魄、焦炭价格帮煤 粉挽搀嚣戮素。在一定的索缓条磬下，一乏逑4 秘籁素申焦炭徐疆帮漾羚徐糖是穗黠 稳定的，所以喷煤的经济效益主要取决于煤比和煤焦鬣换比。嫩铁燃料成本的降低 馕这到最大隧貔嚷煤鬃烫疑济嚷璨鬃。利用式( 1 一1 ) 瑟毒风f 4 2 l 答久遴过对天铁巍炉 生产数箍秘嚣羹褥毒天铁藤妒兹经济骥攥爨为l 瀚l = 龄象盍。 阻 河北理工学院硕士学位论文 分静亍认为，赢炉喷煤爨受理论燃烧淑发和气体力学条件的制约。一般理论燃烧 涤瘦应控割在2 0 5 0 2 3 0 0 4 c 之闻，多唆唆】o k g 煤粉，理论燃烧瀣度就可能1 f 降 2 0 3 0 。c 。气体力学条件则主要受炉料结构、炉料质嫩、炉型及商炉操作制度簿方 耐的影响。由于嵩炉喷煤聪产生大量的束燃煤粉恶化了料柱豹透气憔，使高炉内压 夔增热，高炉两的气体力学条件成为离炉j | 蘸幸亍的主簧隈制环节。嗣既，要迸一步糖 高喷煤量就必颁提高炉料质精、改善炉料分布，这就懑味着生铁成本的提高，从而 对高炉喷煤的经济教蔻带来焱萄影响。、 藏我国蚕杰钢铁企韭上海宝钢来说，入炉矿石的晶使稳定在5 9 左右，焦旋耱 喷吹煤粉的质嫩也比较稳定。宝钢高炉的原燃料条件明显要优于上述太钢、天铁、 武镧等国内其愁钢厂。另夕 ，宝钢高炉风滋较高，一般稳定在1 2 5 0 c 左右，离| 妒喷 矮静富氧率也院较低，一般控制在2 左右冀舅。由予宝钢高炉喷欢煤粉生产的特殊 性，利用目前存在的研究方法计算宝钢商炉的经济喷煤量是不合适的，因此有必要 缝合宝钢高炉喷煤生产的特点，综合考虑裳钢高炉豹实际生产数据，并结合数学诗 舞束寻找一条合遥的方法采计算宝钢高炉静经济喷煤鬃。 河北理工学院硕士学位论文 第二章未燃煤粉在高炉内的消耗 煤粉从风口喷入高炉后，一部分在风口区燃烧，有相当一部分以未燃煤粉形态 随煤气进入高炉各部分，参加各种物理、化学反应或逸出高炉。从高炉风口喷吹的 煤粉在回旋区狭小的空间内不可能全部燃烧，这部分煤粉在离开回旋区后就停止燃 烧，随煤气流进入炉内，形成高炉内的未燃煤粉。因此，未燃煤粉是高炉喷煤过程 中必然产生的一种物质，进入高炉内的未燃煤粉数量与喷煤量和煤粉在高炉风口区 的燃烧率有关。 进入高炉的未燃烧煤粉主要聚积在气流流动缓慢和气流发生转折的区域，即未 燃烧煤粉主要聚积在回旋区的下部和前方，软熔带的根部及内侧拐角处，在块状带 主要滞留在矿石层中，在煤气流的主通道内未燃煤粉难以聚积。积存在回旋区下部 和前方( 死料柱表面) 的未燃煤粉在高炉内将主要参加铁水的渗碳反应和非铁元素的 直接还原反应，其中的一部分未燃煤粉在炉渣中以固体状态沉积；积存在软熔带的 根部及内侧拐角处的未燃煤粉会粘附在熔融渣铁层上，进行铁的直接还原反应和碳 的气化反应：积存在块状带矿石层电的未燃煤粉则主要通过碳的气化反应进行消 耗，在高炉内没有消耗利用的未燃煤粉将随炉顶煤气逸出炉外进入重力灰或污泥 中。 采用模拟试验的方法，分别模拟未燃煤粉和焦炭在高炉内铁和非铁元素的直接 还原过程、生铁渗碳过程、气化反应过程和碳在炉渣中沉积的过程，找出未燃煤粉 和焦炭参加直接还原反应、生铁渗碳反应、气化反应和碳在炉渣中沉积反应的定量 差别，为计算煤粉在高炉内的分配提供理论依据。 2 1 试验用煤粉 试验用煤全部取白宝钢的生产现场，煤粉的工业分析由煤炭科学研究总院唐山 分院分析化验完成，结果见表2 1 所示。煤粉的显微组成由中国地质大学材料学院 分析完成，结果见表2 2 所示。 从表2 1 和表2 2 中我们可以看出：神府煤和红墙煤的挥发分都比较高，均在 2 0 以上，这两种煤属于烟煤，这两种煤的丝质组和镜质组含量均较高，在4 0 左 右，并含有少量的矿物。太西煤、宝桥煤和高平煤的挥发分较低，都在1 0 以下， 1 2 河北理工学院硕士学位论文 煤种 f c da dv ds t dm a d 表2 , 2试验用煤的显微组成( ) t a b l e 2 2m a c e r a lc o m p o n e n t s a n a l y s e s o f e x p e r i m e n t a l p u l v e r i z e dc o a l ( ) 2 2 未燃煤粉和焦炭的制取 试验用未燃煤粉是通过煤粉燃烧试验获得的，煤粉燃烧试验装置如图2 1 所 示。煤粉燃烧试验的风温控制为1 2 0 0 。c 左右，燃烧室的温度控制为1 4 0 0 左右。试 验选定的煤种和配比分别是5 0 0 o 神府+ 5 0 宝桥、5 0 红墙+ 5 0 太西。煤粉的粒度 组成控制为- - 2 0 0 目占4 0 ，一1 0 0 至+ 2 0 0 目占6 0 。煤粉的水分控制为1 左右。 煤粉燃烧试验由空压机提供冷风，没有进行富氧，流量为1 2 m 3 h ，压力为0 2 m p a 。 输送煤粉的气体为冷空气，流量根据试验要求确定；输送煤粉的气体压力与冷风压 力相同，控制为o 2 m p a 。煤粉燃烧后的残余物用集灰器进行收集和抽滤，干燥后称 重并化验成分，便得到所用的未燃煤粉。 1 3 河北理工学院硕士学位论文 1 、集灰槽2 、硅碳棒3 、观察孔4 、喷煤孔5 、硅钼棒 6 、电阻丝7 、冷风入口8 、喷煤装置9 、炉架 图2 1 煤粉燃烧炉示意图 f i 9 2 1d i a g r a mo f p u l v e r i z e dc o a lc o m b u s t i o nf u r n a c e 试验用焦炭取自宝钢生产现场。由于粒状焦炭( 3 6 m m ) 和焦粉在高炉内同时存 在，同时参加高炉内的各种物理化学反应，因此，把粒状焦炭和焦粉分别进行了模 拟试验。 2 _ 3 未燃煤粉和焦炭参加铁的直接还原反应的试验研究 2 , 31 试验方法 铁矿石的直接还原试验分为预还原和直接还原两部分。预还原试验的目的是将 烧结矿中的铁氧化物全部还原成富氏体但不能出现金属铁，预还原试验利用铁矿石 的还原性测定试验装置( g b t 1 3 2 4 1 - - 9 1 ) 进行，反应管是内径为7 5 m m 的不锈钢管， 试样为6 - 1 0 m m 宝钢烧结矿5 0 0 9 ，预还原试验的温度固定为9 0 0 。c ，还原气体的流 量为1 5l m i n 。根据热力学计算【4 4 】： 9 0 0 。c 时：f e o + c o = f e + c 0 2 的平衡气体成分为c o c 0 2 = 6 7 5 7 3 2 4 3 9 0 0 。c 时：f e 3 0 4 + c o = f e o + c 0 2 的平衡气体成分为c 0 c 0 2 = 2 2 6 8 7 7 3 2 为达到预还原的目的，将还原气体的成分控制为c 0 c 0 2 = 6 0 4 0 。根据预备试验 的结果，将预还原试验的还原时间定为4 小时。 1 4 河北理1 二学院硕士学位论文 铁直接还原试验的目的是利用未燃煤粉或焦粉( 焦粒) 将富氏体还原成会属铁。 铁直接还原试验采用硅钼棒电炉，反应管是内径为7 5 m m 的刚玉管，为保证在铁的 直接还原试验过程中不发生间接还原，采用q b 6 4 m m 的刚玉坩埚，并在整个铁直接 还原过程中都通氮气保护。试样为预还原后的宝钢烧结矿8 0 9 ，还原用的焦粉( 焦粒) 或未燃煤粉都控制为3 0 9 ，可以保证在铁的直接还原试验过程中具有足够过量的还 原剂，坩埚中焦粉( 焦粒) 或未燃煤粉与预还原后的烧结矿充分混匀。为模拟铁矿石 在高炉内的还原过程，试验采用升温还原的过程。常温至1 1 0 0 ，升温速度控制为 1 0 m i n ；11 0 0 以上，升温速度控制为4 。c m i n 。当铁直接还原温度达到设定温度 后，取出刚玉坩埚，结束直接还原试验，冷却后将经过还原的烧结矿进行化验分 析。 反应温度是铁直接还原试验中最重要的参数之一，若铁的煮接还原试验结束温 度控制比较低，铁的直接还原反应就不能顺利进行；若铁的直接还原试验结束温度 控制比较高，还原出来的铁就会很快进行渗碳( 试验中具备渗碳的条件) 而形成细小 的铁粒。为保证在铁的直接还原试验过程中只进行铁的直接还原反应，基本上不发 生生铁的渗碳反应，根据预备试验的结果将铁的直接还原试验结束的温度控制在 1 3 0 0 至1 3 5 0 之间。 2 3 2 试验结果及讨论 未燃煤粉或焦粉作为还原剂参加的铁的直接还原试验结果见表2 3 所示。从表 2 3 中可以看出：焦粉还原f e o 的能力要高于焦粒。两种未燃煤粉还原f e o 的能力 都要明显高于焦粉和焦粒，但两种未燃煤粉之间的还原能力差距比较小。 表2 3 铁直接还原试验结果 t a b l e 2 3r e s u l to f d i r e c t i v er e d u c t i o ne x p e r i m e n t 1 5 河北理王学院硕士学镪论文 毫炉囊後裘竣还琢爱应主要在软熔蘩鞠滚薅话囊焦炭黧来燃漾耪还豢滚融漆孛 瓣f e o 来实璇，铁誊羧还原黼淆耗的酸只麓来源予燕淡帮未燃煤狯，丽在试验条件 綦本相同的前提下，粥铁崴接还原时的念属化率平均憾的比傻作为未燃煤粉和焦炭 参麓锾鬣滚还凝魏力麴蓬寝。簸表2 。3 尊| 瑶竣诗簿感：謇熬爨羧参黧锾壹菝添寡辩筑 龛爝化攀怒燕淡静1 2 6 5