高炉喷煤浓相输送技术的探讨.doc

高炉喷煤浓相输送技术的探讨叶才彦摘要粉状物料的浓相输送是一种底密悬浮流。实现浓相输送,必须注意输送管径、补气量等参数。Fr准数是浓相输送的重要参数,浓相输送与粉料的溢流性、脱气性、哈斯勒比值有密切关系,粘性强、粒度太细的粉料不适于浓相输送。浓相输送系统中,单管路分配器系统优于多管路系统,可调煤粉给料器的调节性能优于流化罐供料系统。关键词高炉喷煤浓相输送粉料性质单管路系统STUDY ON CONCENTRATED PHASE TRANSFERTECHNIQUE FOR COAL INJECTION IN BFYe CaiyianCentral Iron & Steel Research InstituteSynopsisConcentrated phase transfer of the powdery material constitutes a bottom intensified suspended flow. To successfully implement the concentrated phase transfer much attention shall be paid to such a few parameters as the diameter of the transfer pipe and the amount of the supply gas. Coefficiency Fr is assumed to be an important parameter for the concentrated phase transfer. Since concentrated phase transfer heavily depends upon the overflowability, degassing property and Hasler ratio of the powdery material it is considered that powdery material with high adhesiveness and fine grain size is not suitable for the purpose. In the concentrated phase transfer system the single pipe route distributor system is superior over the multi-pipe route system and the adjustability of the adjustable coal powder feeder is better than that of the fluidized tank type material supply system.Keywordscoal injection in BFconcentrated phase transferproperty of powdery materialsingle pipe route system1前言众所周知,高炉喷煤必须采用气力输送。在气力输送中,按单位气体载运粉料的多少,可分为稀相输送和浓相输送。浓相输送因其耗气量小、输送速度低、对管道及设备磨损少、能源消耗低等优点,在喷煤系统中逐步得到推广应用。浓相输送与稀相输送相比,是一个较为复杂的过程。为了在高炉喷煤系统中更好地采用浓相输送,必须对如何实现浓相输送、浓相输送中各种参数的控制、浓相输送与粉料性能的关系、各种浓相输送系统的比较等问题,进行较深入的探讨。2浓相输送试验为了研究浓相输送过程各参数间的关系,建立了小型试验装置,见图1。喷吹罐直径500mm,高920mm,容积0.12m3,可装粉料50kg。喷吹罐下部设有D=200mm的流化室,流化床采用粉末冶金多孔材料,流化室设有流化气进气管,喷吹粉料出口在流化床上面160mm处,喷吹出口前设有补气器以调节喷煤量。喷吹罐上设有压力指示表、充压、放散管。充压、流化、补气分别设有流量计。图1粉粒状物料浓相输送喷吹实验装置1.压力表2.截止阀3.流量计4.球伐5.压力表6.截止阀7.电子秤传感器8.截止阀9.变径头10.流化室11.补气器12.截止阀13.进气管14.出料管收粉罐内径500mm,高1120mm,内设布袋收粉装置,收粉罐有装有电子秤,以称量喷粉量。喷吹罐出口至收粉罐用d=7mm的耐压力塑料管连接,总长度为32m。试验用粉料,采用物理性能与煤粉相似的粉状塑料,堆比重为527kg/m3(煤粉为500600kg/m3),平均粒度约0.2mm,大于90目(0.16mm)的占85.9%。其粒度组成见表1。表1试验用粉料粒度组成粒度/mm0.250.160.20.10.160.080.10.08%67.2518.658.601.304.20试验中控制流化气量在0.5m3/h左右,通过流化床的流化速度为0.44cm/s,与文献(1)介绍的基本相符。在达到浓相输送时,通过透明的塑料管道,可以清楚地看到粉料输送呈底密流状态,即大部分粉料沿管道下部呈沙丘状向前运动,管道上部只有少量细粉随气流运动。上部气流流速较快,下部粉料流动较慢,粉料流速大体为气流速度的1/2左右,与文献(2)基本一致。具体实验结果见表2。 表2浓相输送试验结果序号罐压MP压缩空气量/m3.h-1喷吹量kg/min流速m/s混合比kg/kg充压流化补气合计10.160.300.480.571.350.9316.0916.0620.160.260.540.471.270.9005.7315.2330.170.170.580.381.130.8335.0521.1640.170.070.480.471.020.8574.4723.7250.180.080.570.441.090.8004.8912.6260.180.090.570.441.100.8334.8527.4870.190.220.470.501.190.8335.1919.9080.200.400.500.481.381.0425.8221.0990.210.350.490.491.331.1605.5623.793浓相输送的各种输送参数维持通过流化床气体一定的流速,使流化床附近的煤粉流化,只是使该系统初步具备了浓相输送的一个基本条件,如不注意使各有关参数保持一个适宜值,仍然不能达到浓相输送。有的高炉虽然采用了浓相输送的流化装置,在实际运行中,仍做不到浓相输送的事实就是证明。比如,输送管径就是一个重要参数,实验中采用内径7mm的输送管,输送浓度为2025kg/kg,基本上达到浓相输送。如果将管径扩大到10mm,在同样输粉量的条件下,管子断面增加一倍,相应输送气量亦增加一倍,输送浓度只有1012kg/kg,就成为稀相输送了。另外,有关操作参数也要适当。实验中未严格控制充压和补气量,在罐压为0.16MP时,输送浓度只有1416kg/kg(表3之1、2);而另一组在罐压仍为0.16MP时,控制充压和补气量(表3之3、4),输送浓度就达到2527kg/kg。表3控制充压和补气量前后的实验结果比较序号罐压MP压缩空气量/m3.h-1喷吹量kg/min流速m/s混合比kg/kg充压流化补气合计10.160.300.480.571.350.9316.0916.0620.160.260.540.471.270.9005.7315.3230.160.0750.480.551.110.9315.0425.4540.160.1050.480.491.080.9004.8125.45如上所述,管径细些,单位粉料载气量少些,输送速度低些,有利于实现浓相输送。但是,管径太细、载气量太少、输送速度太低,又会造成粉料堵塞管道。从理论分析和实验都证实,既要达到较高的输送浓度,又不会造成管道堵塞,就必须维持适当的Fr值。从Fr的定义可知,Fr是指粉料输送过程中,气流对粉料的拖曳力与粉料重力之比值。一定的粉料,具有一定的重力,必须有一定的拖曳力才不会造成粉料沉积,堵塞管道。Fr又与管道直径直接相关,即不同的管道内径,要求一定的输送速度。在本实验中,最低的输送临界流速为3.5m/s,即低于3.5m/s就会造成管道堵塞。其相应的Fr值为13.5,即只要维持Fr13.5,就不会造成管道堵塞。管道内径与最低输送速度的关系见图2。从该图可看出,按Fr13.5,对12mm的管道,输送速度为4.5m/s;对25mm的管道为7.0m/s;对50mm的管道为9.5m/s;对65mm的管道则为10.5m/s。本实验是粒度为0.2mm的粉料,如粒度细些,Fr值还会低些。从表2也可以看出,在相同的输送条件下,要增加输送混合比,就会使粉料与管道的摩擦系数增大,必须相应提高喷吹罐压。 图2输送管径与最低输送速度4浓相输送与粉料性能在稀相输送时,因单位体积内粉料量少,粉料在气流中大体上是均匀分布,输送过程受粉料性能的(除粒度外)影响较少。然而,在浓相输送时,由于单位体积内粉料负荷量大,输送时呈明显的两相分离状态,并以沙丘状向前运动,因而输送过程受粉料性能影响比稀相时大得多,因此,必须对粉料性能深入加以考察。这方面,国外开展的研究较多,主要测定以下几种参数3。溢流性:用一个75mm的有机玻璃管,内装500g煤粉,两端用橡胶塞堵住,反复颠倒50次,使粉料与空气完全混合后,静置一定时间,取去下部胶塞,测量煤粉的溢流堆角,堆角越小,溢流性越好。脱气性:试验方法大致和测溢流性相似,只是在粉料颠倒若干次后静置,测定容器内粉料高度随静置时间的变化,粉料高度变化越大,脱气性越好;粉料高度变化较小,脱气性较差,则粉料的粘性较强。哈斯勒比值:将干煤粉轻倒入一测定筒内,测定其体积密度,然后置于一自动振动机上,震动一定次数后,测定震实密度,二者之比值即称为哈斯勒比值,比值越高,煤粉的粘性越强。粉料流化性能的分类:由著名的研究粉料性能的专家Geldart提出的分类图见图3,由图可看出,其纵座标为粉料和流化介质的密度差,横座标为粉料的平均粒度Geldart将粉料的流化性能分为A、B、C、D 4组。图3用空气流化时粉料分类图其中,A组的粒度大约为0.030.16mm,粒度较细,在较低的流化速度下,床层逐渐膨胀;B组粒度稍粗,约0.180.5mm,在较低的流化速度下开始起泡,其透气性高于A组;C组粉粒粒度0.03mm,因粒度很细,在表面活性和静电荷等作用下,粘性强、易结块、难于流化;D组粉粒粒度0.5mm,具有砂粒的性质,透气性极好,流化时,易产生喷涌。对于大部分A、B组粉料可采用一般的流化浓相输送,而对部分B组和D组则宜采用栓流输送,但是对C组粉料,只能采用完全悬浮的稀相输送。如宝钢2号高炉从日本川崎引进的多管路输送系统,采用阳泉煤200目80%时易发生管道堵塞,输送困难,后改用神府煤和宝桥煤,煤粉粒度为50100目占20%,100200目占35%,加粗粒度后输送情况大为改善。目前,国内对煤粉性能还缺乏深入研究,要使高炉喷煤系统更好地采用浓相输送技术,并达到较好的技术指标,针对各种性能不同、粒度不同的煤粉进行较深入的研究是很必要的。5各种浓相输送系统的比较目前,国内外采用浓相输送的喷煤系统,大体上可分为单管路一分配器系统和多管路(不用分配器)系统。其中,单管路系统按供料方式又有流化罐和可调给料器两种;多管路系统又可分为在喷吹罐设一个大流化罐,上设若干支管直接将煤粉输送到各风口(如日本的川崎系统,德国的KOSTE工艺),或者在喷吹罐下再分设若干小流化罐,流化罐数与风口相同,每个小流化罐分别向各风口喷煤。如果把多管路系统与单管路分配器系统相比较,多管路系统存在许多明显的缺点。(1)多管路系统设备多、投资大、维修量大。众所周知,在多管路喷煤系统中,每根支管都要有相应的切断阀、给煤器、安全阀以及煤量调节装置等,高炉越大,风口越多,上述设备越多;而单管路系统一般只需一套上述设备,2000m3的高炉有两套也足够了,因而设备数量比多管路系统少得多,设备少,投资就节省。据鞍钢统计,对1000m3级高炉,多管路系统投资比单管路系统高34倍。设备多,故障率就高,维修量也相应增加。(2)多管路系统输煤阻损大不适于远距离输送,也不能用于并列罐系统。据测定,在相同的输煤条件下,多管路系统因输煤管道细,因而输煤阻损比单管路系统(包括分配器的阻损)约升高10%15%,即同样条件下要求更高的输煤罐压。多管路系统更不适于远距离输送,一般输送距离不宜超过150m,而单管路系统输煤距离可达500600m。目前,许多企业从简化工艺,节省投资考虑,正积极研究从制粉间直接向高炉喷吹煤粉,取消炉前喷吹站。一般输煤距离达300400m甚至更多,只能采用单管路喷吹工艺。多管路系统因管路细,易发生堵塞,影响正常喷吹;而单管路系统几乎不存在管路堵塞问题。单管路系统对煤种变化的适应性也比多管路系统大得多。另外,多管路喷吹只能用于串罐系统;单管路系统既可用于串罐,又可用于并罐系统。(3)关于调节喷煤量。在这个问题上,有一种比较流行的看法,认为多管路系统便于按各风口调节喷煤量。这里首先要明确,要准确的调节各风口的喷煤量,其前题条件是必须在各支管装设计量准确的单支管煤粉流量计。对于这种流量计,国内外都花了很大力气去开发,但至今还很少有正常用于实际生产的报导,即使有个别产品,因价格太高难于为用户接受。另外,只有单支管煤粉流量计还不够,要按风口调节喷煤量,还应装设风口风量流量计,这又是一种技术难度大、价格高、连国外也很少使用的设备。即使花费巨大投资,装上单支管煤粉流量计和风口风量流量计来调节风口喷煤量,也不能准确控制各风口喷煤量。实际上,只要调节一个风口喷煤量,就会影响其余风口的喷煤量,而高炉操作中最重要的却是喷煤总量。要实现对给定总喷煤量情况下单个风口喷煤量的调控,这个调节系统也是很复杂的,其功能难于达到要求。因此,虽然理论上可以调节各风口喷煤量,但在目前条件下,不仅国内钢厂,就是欧美、日本等工业发达国家也很少采用。对于单管路喷煤系统,要调节就是调节总喷煤量,调节起来既方便,又简单。至于高炉圆周各风