粉煤挥发份对高炉还原剂消耗量影响和混合

1、粉煤挥发份对高炉还原剂消耗量影响和混合日本首次在新日铁大分制铁所的1号高炉进行高炉喷煤操作。自此，高炉喷煤 操作成为一种能稳定高炉操作、降低生产成本和提高生产率的有效技术，而且还是 一种能扩大煤选择灵活性的手段。为解决焦炉老化和环保等问题，高炉喷煤作为一种有效手段已 被广泛应用于各高炉。从2002年底的统计可知，日本国内31座高炉全部都采用喷煤操作，平均喷煤量约为130kg/t ,有的高炉年平均喷煤量超过 200 kg/t 。然而，伴随着 高炉喷煤操作，也带来如下问题，如焦粉在炉缸中心的死料柱堆积，影响高炉的透 气性和透液性，导致风压变化和炉壁热负荷升高等，为此各钢铁公司一直致力于这方面的研究

2、。为达到稳定喷煤的目的，关键问题是要探明如何保证喷吹的煤粉在高炉风口回旋区的有限空间内能稳定燃烧。由于煤粉在该空间停留的时间短，而且氧过剩率大大低于1.0 ,因此这种燃烧条件对煤粉的燃烧是极为不利的。基于此因，进行了各种燃烧实验来 研究各种因素对燃烧的影响。另外，作为高炉喷吹用的粉煤特性，通常使用挥发份较高的煤。这是由于粉煤的燃烧性被认为应是最先考虑到因素，所以应优先选用在风口前端燃烧性好 的煤。考虑粉煤的输送性，认为挥发份在一定值以下的煤的输送性比高挥发份煤的输送性差。最近已开始从各种煤中根据其燃烧性、输送性、价格和置换比进行综合考虑来选择煤。同 时还进行将挥发份低调半无烟煤或无烟煤等作高炉

3、喷吹用煤的研究。该研究的目的是，通过提高煤的燃烧技术和加深对未燃碎焦及炉下部焦粉的燃烧行为的认识，使高炉能使用各种煤资源。另外，在粉煤喷吹量一定的情况下，使用由半无烟煤和无烟煤和挥发份高的煤混合而成的平均挥发份较低的煤时，粉煤和焦炭的置换比会升高。这样可以减少高炉还原剂的消耗量，并在实际高炉操作中已证实该变化趋势。因此，低挥发份煤不仅具有减少高炉还原剂消耗量的作用，而且还能减少能源消耗，减少 CO2的排放量。但这些效果的相关机理，还有因 燃烧性不同而产生的燃烧界限及特性不同的煤的混合效果等仍存在许多待研究的问题。与以往的粉煤用煤相比，虽然半无烟煤的挥发份相对较低，可减少还原剂消耗量。然而由于其

4、开采的区域和储藏量较其它煤有限，这将在资源方面受到制约。若要大 幅度增加半无烟煤的使用量，并扩大对其的依赖性，仍需解决货源的稳定供给和价格问题。因此，将挥发分、构成元素比例、灰分比例和灰分组成等特性不同的煤混合使用的措施将显 得更为重要它既可降低喷吹粉煤的平均挥发份和减少还原剂消耗量，又可维持和提高粉煤的燃烧性和输送性。但是，此时还需考虑混合了燃烧性差的煤将降低总的燃烧效率的问题。因此，要弄清粉煤的挥发份对高炉还原剂消耗量的影响机理，同时还要弄清单一特性的粉煤和特性不同的粉煤混合后产生的燃烧性差别。基于此背景，首先研究了不同挥发份的粉煤对高炉还原剂消耗量的影响，同时从宏观角度出发对减少还原剂消

5、耗量的机理加以研究。其次，为弄清将挥发分较低的半无烟煤或高挥发份煤和低挥发份煤混合而成的混合煤的燃烧行为的差异，采用竖式圆筒燃烧炉进行空间燃烧实验和燃烧模拟解析，并在此基础上进行研究。1.对君津厂4号高炉（内容积5151m3粉煤喷吹量基本保持在108118kg/t条件下，考察了粉煤平均挥发份对还原剂消耗量的影响规律。高炉还原剂消耗量采用对原燃料条件和送风条件进行校正后的校正还原剂消耗量。结果显示，在粉煤喷吹量一定的情况下，由于粉煤挥发份的下降，还原剂消耗量会减少。然而当粉煤的挥发份低时，焦炭的置换比呈增大的趋势。其原因之一是当使用高挥发份煤时，其高热值有下 降的趋势，其下降程度的差异约为20%

6、为说明低挥发份煤具有减少高炉中还原剂消耗量的效果，应注意到在碳素溶解反应活跃的高炉下部高温区域中，粉煤挥发份的差别会产生更大的影响。也就是说，作为挥发份中主要成分的碳化氢分解后产生的氢在有局温焦炭存在的炉下部燃烧后会变成水蒸汽，但与焦炭反应后会分解成氨和CQ而它们对放热反应无影响，同时反应所产生煤气升温则需要一定的热量。因此，在使用挥发份高的煤的情况下，为确保炉下部有必要的热量，认为使用高挥发份煤的还原剂消耗量比低挥发份煤的高。根据以上观点，日本定义了炉下部热值，即炉下部热值是指在铁水温度高的滴下带区域，即1400?以上区域中含碳材料的有效热值。如式(1)所示，炉下部热值可以看作是从含碳材料的

7、部分燃烧热变成的CCffi带入的显热减去由含碳材料产生的 CO H2和灰分升温所需的热量而得出的热量。QL=Q1-Q2-Q3-Q4-Q5-Q6-Q7 (1)式中，Q1:炉下部的含碳材料热值(J/kg ) ； Q1：含碳材料的低热值(J/kg ) ； Q2CO(g) +1/2O2 (g) =CO2 (g)的热值(J/kg) ; Q3 H2 ( (g) +1/2O2 (g)=H2O(g)的热值（J/kg ） ； Q4：从标准温度至1400?的C册温所需白热量（J/kg ）；Q5:从标准温度至1400?的H2升温所需的热量（J/kg ） ; Q6从标准温度至1400?的灰 分升温所需的热量（J/kg

8、 ） ； Q7：含碳材料带入的显热（J/kg ）。根据高热值的粉煤和炉下部热值的关系可知，当煤的热值高时，炉下部的热值 也呈增大的趋势，有时即使煤的热值相同，但炉下部的热值也会不同。一般说来， 如果煤的热值一样高，含氢量少的煤在炉下部的热值会升高。这是由于在高温焦炭存 在的条件下，如在高炉下部、风口前燃烧的煤被立刻还原，不仅不助于放热，而且由 含碳材料所产生的煤气升温还需吸热所致。另外，由于煤种的不同，所产生的高热值 差异在20流右。相比之下，炉下部热值高白煤和热值低的煤之间会产生1倍以上的差异，因此炉下部的热平衡成为反应速率的控制因素。在这种操作条件下，在炉下 部热值高的低挥发份煤有利于减少

9、还原剂消耗量。在实际操作中，对于粉煤挥发份减少还原剂消耗量的效果进行了考察。根据名 古屋厂1号和3号高炉中使用各种粉煤时，粉煤在炉下部的热值和实际焦炭置换比 的关系可知，在炉下部热值低的粉煤，焦炭的置换比也低。在以减少还原剂消耗量为 目的的操作中，最好不要使用在炉下部热值低的粉煤。但是，为调查该现象是否是普遍规律，还增加了北海厂2号高炉数据，对于使用在炉下部热值不同的粉煤时的热平衡和物质平衡，采用了李斯特线图加以研究。根据炉下部的热值和碳、氢、氧的平衡， 预测了推定还原剂消耗量和实际还原剂消耗量变化的关系。结果可知，实际还原剂消 耗量的变化幅度比根据炉下部热值变化推定的还原剂消耗量少。在还原剂

10、消耗量降低 幅度小的情况下，推定值和实际值比较一致；但在降低幅度大的情况下，实际值和推 定值有一定偏差。也就是说，从炉下部热平衡来看，即使在计算还原剂消耗量下降的情况下，炉腹煤气单耗的降低幅度也会增大，当炉身效率没有超过100%寸，还原就成为了无法补偿的平衡。在实际操作结果中，在达到炉身下部热平衡之前，还原剂消耗 量没有下降。因此，在炉身效率还有富余的情况下，使用在炉下部热值高的粉煤可以减 少还原剂消耗量。即在炉身效率低的情况下，如低热流比操作时，使用在炉下部热值 大的粉煤，既可以保持炉下部的热平衡，又可以减少炉身部的还原气体量，提高炉身 效率如果实现这种操作，就有可能减少还原剂消耗量。另外，

11、从计算上来看，即使 在实际操作中，可以认为这是由于煤气保存带温度、煤气平衡组成、煤气的径向分布 和数据波动。2从热平衡的角度对低挥发份煤具有减少高炉还原剂消耗量的作用进行了研究，但使用低挥发份煤时必须考虑燃烧性。另外，即使喷吹的含碳材料的平均挥发份和 炉下部热值相同，但在仅使用挥发份相对低的半无烟煤时，必须掌握挥发份高的和挥 发份低的无烟煤混合燃烧时产生的差异。为此通过以下实验研究。2.1粉煤在空间燃烧实验所用的装置为竖式圆筒燃烧炉，其内径100mm粉煤燃烧的有效炉长800mm粉煤从斜上方与采用等离子弧加热器加热的热风一起吹入炉内。为连续测定吹入炉内粉煤的热分解和燃烧行为，从喷吹位置到50mm

12、i和从100mm到800mnit的实验装置上每隔100mnSft设一个测定孔。实验方法是用升温至1600?的氮气将炉体加热3h后，在所规定的实验条件下吹 入预热空气和富氧空气，同时用喷枪喷入粉煤。测定方法是从各测定孔把W-Re热电偶插入炉中心轴上，测定气体温度，同时采用放射温度仪测定颗粒温度。在燃 烧稳定的状态下进行粉尘（燃烧碎焦）取样。2.2关于粉煤在空间的燃烧实验，采用了表 1所示的各种粉煤（在干燥粉碎后将粉 煤粒度调整到-100仙m。为调查特性不同煤的混合燃烧行为，根据质量比，将 ai 煤（高挥发份煤）和B1煤（低挥发份煤）的混合比例设定在 1: 3、1: 1和3: 1 这3个标准，再加

13、上高挥发份煤和低挥发份煤单独使用时的标准，共计5个标准进行比较。通过此次实验，设定了以下所式的条件。送风温度：1280?、气体总流量：105.6Nm3/h、粉煤喷吹速度：19kg/h、粉煤 浓度：175g/Nm3氧气比：0.82、喷枪：单管8A喷枪、输送粉煤的氮气： 5.0Nm3/ho另外，为使各种标准条件下的氧气比保持一定（0.82）,因此，根据粉煤的平 均组成对富氧率进行了调整。关于各种测定和取样，要在气体条件和粉煤种类变更后保持10min以上，且在温度和喷吹速度稳定之后再进行。关于温度的测定，在距离喷枪顶端50mmt和距离喷枪顶端100mm800mm,以100mm勺间距进行测定。其中，6

14、00mnmt是普通测 定，而200mnmt、400mmt和800mnit则根据实验标准，采用放射温度仪测定固体 温度，在其它位置上，根据标准，用热电偶测定炉内气体温度。关于粉尘的取样，在100700mmt之间的距离中以200mmi勺间距进行取样，得出粉煤的燃烧效率燃烧效率，可以在简单假设喷吹前后的灰分量定的情况下，根据作为质量变燃烧效率，可以在简单假设喷吹前后的灰分量定的情况下，根据作为质量变化部分的可燃部分燃烧后求出。表1用于实验和计算的粉煤的各种特性参数A1煤B1煤VM mass% 36.30 8.05灰分，mass% 4.33 10.20C, mass% 77.1 83.0H, mass

15、% 4.68 3.28O, mass% 12.70 1.99Q, MJ/kg 30.54 32.4633.1根据在挥发份高的粉煤中混合挥发份低的粉煤后，在空间燃烧实验装置中进行 燃烧时用热电偶测定的温度分布可知，在 A1煤的情况下，距离喷枪前50mmi的温 度与B1煤的温度大致相同或略低，但其后的温度上升速度快，在距离喷枪顶端 500mnmt,温度会达到1700?以上。然而，在B1煤的情况 下，煤气温度上升缓慢，即使 最终温度在1600?左右。混合比例为1: 1时的温度分布值比中间值更接近 A1煤单独 使用时的值。取从喷枪顶端到 400800mmt的平均温度进行比较，结果可知这种趋 势会变得明

16、显一些。在A1煤的比例在50%Z上的情况下（1: 1和3: 1）,与A1煤单独 燃烧数据的加权平均值相比，燃烧温度趋于高温侧。可以认为这是由于 A1煤所形 成的高温燃烧区域促进了 B1煤燃烧的结果所致。根据在距离喷枪600mm勺位置上用放射温度仪测定白颗粒温度的比较可知, A1 煤在大多数情况下的混合比例为1: 1或更高，其最高温度值在1700?左右。以1: 3这种条件为例，当B1煤的比例变为决定因素时，温度会急剧下降。根据A1煤和B1煤混合燃烧时的平均挥发份和在距离喷枪顶端 100mmM 700mm 处取样的碎焦平均燃烧效率的关系可知，当平均挥发份在16犯下时，与在距离喷枪顶端部700mmi

17、的燃烧效率相比，在距离喷枪端部 100mmi的燃烧效率变得特别 低，可以认为此处的燃烧迟缓影响了温度分布。当平均挥发份在22%；上时，700mmt的燃烧效率在60姒上，100mmt的燃烧迟缓就不那么明显了。可以认为，在使用 低挥发份煤的情况下，最好混合使用高挥发份煤，由此可形成高温燃烧区域，以确保一定的燃烧效率。3.2关于粉煤的燃烧模型已进行了许多研究工作。例如，赫先生等人采用反应工程 学理论对送风、风口内和风口前燃烧带的各工艺参数进行了解析，在此解析模型的基础上和全焦操作时的情况进行了对比。田村先生等人根据风口回旋区燃烧炉实验结果和风口前燃烧带的数学模型解析，研究了有关粉煤喷吹量上限的问题。

18、肖先生等人提出了考虑 粉煤和粉矿复合喷吹时风口回旋区气流和传热特性的数学模型。关于这些研究所采用的数 学模型，从其研究目的来看，都是以粉煤特性的平均值为代表，可以认为这些模型不适合 于研究诸如挥发份有很大差别的粉煤在混合燃烧时的燃烧行为。根据研究结果可以认为， 由于挥发份对燃烧的影响不是线性，因此采用平均值无法准确评价几种煤同时喷吹时的燃 烧行为。所以，为能推定几种煤的混合燃烧行为，根据田村先生等人的粉煤燃烧模型，对 燃烧推定模型进行了修正。具体修改了以下几点：(1)田村先生等人的模型是根据微小时间 dt的基础公式计算出各时间点上 的粉煤颗粒位置，并对该位置上颗粒温度、反应状况和煤气温度和组成

19、等进行了评 价。对此，假设给出微小距离 dx的基础公式，对不同特性的各种颗粒进行热 分解速度、碎焦的粒度变化、移动速度和燃烧率等进行单独求解，同时假设 保护气氛在微小区间内能马上混合，就可以对几种颗粒的燃烧行为进行评价。(2)田村先生等人的模型是采用挥发量的一次函数来评价粉煤的热分解反应速 度，同时采用以实验值为基础的回归式求出由实际挥发量的工业分析值计算 出的增加部分，然后乘以工业分析值进行评价。对此，决定采用高温时的热 分解反应和低温时的热分解反应这两种偶合反应模型进行评价。由于田村先 生等人的模型是根据Badzioch等人提出的针对等温气化过程的单阶段工艺的 速度式进行评价的，因此无法对

20、炉内气氛，尤其是无法对温度对燃烧特性的 影响进行评价。另外，评价以 Q因数为主的煤种影响所用的参数也存在着缺乏通用性的缺点。因此，决定采用由 Kobayashi等人提出的低温反应和高温反应的两种耦合反应模型，该模型考虑了炉内气氛温度变化对燃烧特性的影响。对在与空间燃烧实验装置相同的空穴燃烧条件下（送风温度：1280?、粉煤比：175g/Nm3氧气比：0.82）,高挥发份煤（表1的A1煤）单独喷吹时和低挥 发份煤（表1的B1煤）单独喷吹时，及将两者等质量分数混合喷吹时粉煤的燃烧特性进行 了评价。结果可知，作为煤气温度极大值的燃烧焦点，若是高挥发份煤，则在距离喷吹 位置约150mm勺地方；若是无烟

21、煤，则是在距离喷吹位置余约 220mm勺地方。混合燃 烧后，升温曲线比两者的中间值更靠前，这一点已得到确认。这是采用两者的平均 组成进行计算的结果所无法得到的现象，即使采用数学模型也能确认混合煤的燃烧效果。根据在混合比例变化的情况下煤气温度达 1700?的位置变化可知，即使在高挥发份 煤的混合比例较小的情况下，煤气温度到达 1700?的位置也向前移动了。另外，实验值和计算值之间的温度范围和喷吹位置等存在着差异，这是因为在计算时没有考虑放散热的影响，并假设所有的颗粒和气体是理想化的完全混合； 在实验时虽然在炉的中心轴上进行了测温，但这并不是整个断面的代表性温度所致。在本文解析中，由于是以相对变化

22、的评价为目的，因此，并没有通过设定修正参数来 调整绝对值。3.3由于假设粉煤空间燃烧独立，因此与实际高炉风口前的燃烧状况不同。为此，根据田村先生等人的模型，做了以下修正，并建立了风口前燃烧带的模型。在田 村先生等人的模型中，设定了燃烧带的断面积是不变的，而在此次的模型中则是假设 在风口中心轴上燃烧空间会以30?广角扩散，并在喷吹位置为、喷吹长度为 的微小 圆筒上，对伴随粉煤的传热和反应的热量及物质质量的变化，从风口前端或粉煤喷 枪顶端开始进行微分平衡。但是，伴随着粉煤从风口和风口回旋区内的通过和粉煤及焦炭 移动的加速，煤气的压力会产生变化，这种变化可忽略，并假设煤气流的线速度与断 面积的变化成

23、正比。另外，在田村先生等人的模型中，虽然假设了粉煤的分解、挥发 份的燃烧和碎焦的燃烧反应是一种连续反应，但为弄清混合煤的影响，将分解前的粉 煤和分解后的碎焦混合在一起。于是，假设了不同煤种的分解和燃烧是独立进行的， 它们之间没有相互作用。但是，伴随着分解和燃烧，结果煤气组成和温度变化会间接地对此时的各种含碳材料的反应产生影响。与田村先生等人的模型一样，作为各种粉 煤的反应，可以考虑以下反应。煤？碎焦+VM(挥发份)(2)VM+O27CO2+H 2 3)碎焦+O2?CO族分 (4)碎焦+CO2?2CO+分(5)碎焦+H2O?CO+H+ (6)焦炭+O2?CO族分 (7)焦炭+CO2?2CO+分 (8)焦炭+H2O?CO+H厮 (9)(2)式的反应速度常数采用Kobayashi等人的值。另外，假设(3)式的反应是瞬间完成，(4)(6)式是反应和扩散的耦合，(7)(9)式是反应速率控制因素，速度常数等则采用田村先生等人的模型所采用的值。对表1中的B1煤单独使用时及A1煤和B1煤等量混合时的煤气组成分布和煤气温度分布进行了计算。计算条件为，送风温度：1150