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提高煤粉溫度的高爐噴吹技術(shù)探討

時(shí)間:2019-08-12 10:03來源:首鋼技術(shù)研究院 作者:馬澤軍 王 偉 陳 點(diǎn)擊:
摘 要 高爐噴煤工藝是高爐煉鐵系統(tǒng)的關(guān)鍵工藝技術(shù)和降本增效的重要手段。本文在大量文獻(xiàn)調(diào)研和實(shí)地考察基礎(chǔ)上,闡述了煤粉溫度提高后,煤粉對(duì)熱風(fēng)的冷卻效應(yīng)減弱,煤粉利用率
  • 摘  要  高爐噴煤工藝是高爐煉鐵系統(tǒng)的關(guān)鍵工藝技術(shù)和降本增效的重要手段。本文在大量文獻(xiàn)調(diào)研和實(shí)地考察基礎(chǔ)上,闡述了煤粉溫度提高后,煤粉對(duì)熱風(fēng)的冷卻效應(yīng)減弱,煤粉利用率得到改善;并探討了首鋼某大型高爐高煤比濃相輸送條件下,提高煤粉溫度的可行性,其應(yīng)用前景可期。

    關(guān)鍵詞  高爐噴煤  煤粉溫度  煤粉燃燒率


    Discussion on improvement of Pulverized Coal Temperature in Blast Furnace PCI technology


    MA Ze-jun1,WANG Wei1,CHEN Hui1, ZHU Wei-chun1,SUN Jian1,WU Jian-long1,LIANG Hai-long1,YAN Tie-feng2 

    Shougang Research Institute of Technology, Beijing 100043, China;

    Shougang Jingtang Iron & Steel Co., Ltd. , Caofeidian, 063200, China


    Abstract  The blast furnace pulverized coal injection technology is the key technology of the blast furnace ironmaking system and the important means to reduce cost and increase efficiency. Based on literature research and field investigation, this paper elaborates that the cooling effect of pulverized coal on the hot air weakens, the utilization rate of pulverized coal is improved with the pulverized coal temperature increasing; and discusses the feasibility of improving the coal temperature on condition of high coal ratio concentrated phase transportation about a large blast furnace of Shougang, its application prospect can be expected.

    Keywords  pulverized coal injection; pulverized coal temperature; combustion ratio of pulverized coal


    1  前言

    作為現(xiàn)代高爐煉鐵系統(tǒng)的關(guān)鍵工藝技術(shù)和降本增效的重要手段,高爐噴煤工藝可以實(shí)現(xiàn)降低入爐焦比、合理利用煤炭資源、減少環(huán)境污染和降低鐵水成本等作用[1]。然而隨著高爐煤比的增加,煤粉由于加熱和裂解而消耗的熱量也隨之增加,致使冶煉過程中應(yīng)補(bǔ)償更高的風(fēng)溫,進(jìn)而加大了熱風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)溫壓力,以至于增加了鐵水成本,嚴(yán)重時(shí)還可能對(duì)熱風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

    高爐煤粉噴槍位于吹管前端,離高爐風(fēng)口回旋區(qū)很近,風(fēng)口回旋區(qū)內(nèi)煤粉燃燒空間很小。此外,吹管內(nèi)正常的熱風(fēng)速度達(dá)150~200m/s,所以煤粉的停留時(shí)間有限,一般認(rèn)為只有10ms左右。因此,在有限空間內(nèi)和有限時(shí)間內(nèi)提高煤粉的燃燒率,是高爐煤粉噴吹的研究重點(diǎn)[2]。

    實(shí)踐也證明,噴入高爐內(nèi)有效空間的煤粉,從燃燒學(xué)出發(fā),對(duì)于煤粉的燃燒過程,燃燒空間和燃燒時(shí)間都是非常重要的條件。燃燒空間不夠或燃燒時(shí)間不足都將導(dǎo)致煤粉不完全燃燒,以致浪費(fèi)能源并引起環(huán)境污染、高爐操作條件惡化等一系列問題[3-5]。因此,提高煤粉在風(fēng)口回旋區(qū)的燃燒率,解決煤粉在高爐內(nèi)的燃燒利用問題是大噴煤操作中必須面對(duì)的重要問題。

    本文在大量文獻(xiàn)調(diào)研和實(shí)地考察基礎(chǔ)上,總結(jié)了提高煤粉溫度的工藝方法,及其對(duì)高爐噴煤系統(tǒng)帶來的有益效果;并探討了大型高爐高煤比濃相輸送條件下,提高煤粉溫度的可行性,其應(yīng)用前景可期。

    2  提高煤粉溫度的研究進(jìn)展

    提高煤粉溫度是目前高爐噴煤技術(shù)領(lǐng)域的前沿課題,受到高校、企業(yè)以及科研單位的廣泛關(guān)注和重視。文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn),有關(guān)提高煤粉溫度的技術(shù),實(shí)驗(yàn)研究、技術(shù)探索和可行性報(bào)告數(shù)量很多。本節(jié)重點(diǎn)介紹幾個(gè)典型的研發(fā)案例。

    2.1  煤粉預(yù)熱對(duì)其燃燒性的影響規(guī)律

    近年來,國(guó)內(nèi)外對(duì)噴吹煤粉進(jìn)行預(yù)熱以提高其燃盡率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,如德國(guó)蒂森公司、英國(guó)Scunthorpe廠(斯肯索普)、巴西Minas-UFOP公司等。我國(guó)的山西潞安礦業(yè)集團(tuán)采用分離式熱管換熱器對(duì)煤粉進(jìn)行加熱,也取得了較好的實(shí)驗(yàn)效果。

    劉仁生通過對(duì)潞安煤制成的噴吹煤粉樣在不同預(yù)熱溫度下燃燒率測(cè)定,研究煤粉預(yù)熱對(duì)其燃燒性的影響規(guī)律。

    研究發(fā)現(xiàn),預(yù)熱可以提高煤粉的燃燒率,并且隨著預(yù)熱溫度的提高燃燒率不斷升高。鋼廠采用熱風(fēng)爐廢煙氣的余熱,對(duì)高爐噴吹煤粉進(jìn)行預(yù)熱到150~200℃后噴吹,噸鐵可以提高噴煤量10kg,明顯降低焦比和燃料比,有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[2]。

    2.2  提高煤粉溫度的新型預(yù)熱工藝

    提高煤粉溫度的新型預(yù)熱工藝,是在原有煤粉制備與噴吹系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,通過增設(shè)煙氣爐,并將熱煙氣作為煤粉倉預(yù)熱和煤粉輸送預(yù)熱的熱源(如圖1所示),以達(dá)到提高煤粉溫度的目的[6]。

    image.png

    提高煤粉溫度的新型預(yù)熱工藝主要包括煤粉倉預(yù)熱和煤粉輸送預(yù)熱兩部分。

    煤粉倉預(yù)熱要求設(shè)置在煤粉倉上的盤管與煙氣爐的排氣管連通,并引溫度為240~350℃的煙氣爐煙氣作為伴熱介質(zhì)對(duì)煤粉倉進(jìn)行伴熱,保持煤粉倉中煤粉的溫度在80~100℃左右。煤粉輸送預(yù)熱工藝,首先通過管道將換熱器與煙氣爐的排氣管連通,引自煙氣爐出口的高溫廢氣作為換熱器的熱介質(zhì),用于煤粉輸送的輸送氣體作為換熱器的冷介質(zhì),通過熱交換加熱后的輸送氣體溫度最高達(dá)到200℃左右。然后加熱后的輸送氣體作為沖壓和流化氣體,進(jìn)入噴吹罐對(duì)煤粉進(jìn)行預(yù)熱,之后加熱后的輸送氣體在輸送過程中持續(xù)對(duì)煤粉進(jìn)行預(yù)熱,使煤粉在進(jìn)入風(fēng)口前時(shí)的最高溫度可以達(dá)到150℃。在上述方案中,所述的輸送氣體為氮?dú)饣蛘邏嚎s空氣。

    該方法能夠顯著提高煤粉溫度,大幅縮短煤粉在風(fēng)口前加熱至著火點(diǎn)的時(shí)間,增加煤粉在風(fēng)口和回旋區(qū)的燃燒時(shí)間,從而提高煤粉的燃燒率。

    2.3  高爐噴吹煤粉噴前預(yù)熱工藝

    國(guó)內(nèi)某單位自2005年開始潛心研究煤粉預(yù)熱工藝及設(shè)備,在煤粉預(yù)熱的工藝、預(yù)熱設(shè)備的研發(fā)與應(yīng)用等方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn),對(duì)煤粉預(yù)熱的可行性、安全性及煤粉預(yù)熱后對(duì)高爐噴煤節(jié)能環(huán)保的影響進(jìn)行了系統(tǒng)研究。其發(fā)明的新型高爐噴吹煤粉噴前預(yù)熱工藝原理圖如圖2所示。

    image.png

    由圖2的工藝原理圖可以看出,高爐噴吹煤粉預(yù)熱工藝,在煤粉噴入高爐之前利用經(jīng)過升溫的熱風(fēng)爐高溫廢氣將煤粉直接加熱到250℃-350℃。該發(fā)明的工作過程為:高爐熱風(fēng)爐中產(chǎn)生的廢氣通過廢氣風(fēng)機(jī)1進(jìn)入升溫爐3中進(jìn)行二次升溫,升溫爐3由高爐煤氣管道4提供燃料,可以通過調(diào)節(jié)閘閥的開啟來調(diào)節(jié)升溫范圍。經(jīng)過升溫爐3加熱的廢氣進(jìn)入多級(jí)分段預(yù)熱器5,高溫廢氣通過介質(zhì)輸送管道7依次經(jīng)十個(gè)預(yù)熱單元6逐級(jí)將高速逆向流動(dòng)煤粉加熱到250-350℃。預(yù)熱后的煤粉由煤粉輸送管62送至爐前分配器后噴入高爐。預(yù)熱使用后的廢氣進(jìn)入磨煤機(jī)9烘干煤粉,實(shí)現(xiàn)能源再次利用。

    煤粉預(yù)熱系統(tǒng)中所有管道均采用保溫設(shè)施,以提高熱能利用率。且介質(zhì)輸送管和加熱室上均設(shè)置有膨脹節(jié),用以解決受熱膨脹補(bǔ)償問題。煤粉輸送管道材質(zhì)為耐磨耐高溫合金,使用壽命長(zhǎng)。煤粉輸送管內(nèi)設(shè)置有測(cè)溫傳感器,可以對(duì)煤粉輸送管道內(nèi)的系統(tǒng)溫度參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

    3  國(guó)內(nèi)高爐噴煤系統(tǒng)提高煤粉溫度的應(yīng)用實(shí)例

    前期調(diào)研并實(shí)地考察發(fā)現(xiàn),舞鋼中加鋼鐵有限公司3#高爐為提高煤粉溫度,將煤粉預(yù)熱器應(yīng)用于實(shí)踐,煤粉預(yù)熱溫度達(dá)到280℃。

    為定性定量研究煤粉預(yù)熱后對(duì)高爐煤比與綜合燃料比的影響。舞鋼中加鋼鐵公司于2017年1月10日到27日在3#高爐生產(chǎn)保持穩(wěn)定順行,原燃料條件基本不變的情況下,進(jìn)行了煤粉預(yù)熱對(duì)高爐煤比、綜合燃料比影響的試驗(yàn)研究。

    研究結(jié)果表明,在高爐生產(chǎn)保持穩(wěn)定順行,原燃料條件基本不變的條件下,煤比在150kg/噸鐵以上,煤粉預(yù)熱到300℃以上時(shí),可以降低焦比12~19kg/噸鐵,煤比提升6~20 kg/噸鐵,實(shí)際綜合燃料比降低8~14kg/噸鐵[7]。

    4  提高煤粉溫度在首鋼大型高爐噴煤系統(tǒng)的應(yīng)用前景

    4.1  首鋼某大型高爐噴煤系統(tǒng)現(xiàn)狀

    首鋼某高爐設(shè)計(jì)兩套配置基本相同的噴煤系統(tǒng),分別對(duì)應(yīng)兩座高爐噴煤。在熱風(fēng)爐廢氣供給和煤粉分配上可互相補(bǔ)充及調(diào)劑。噴煤系統(tǒng)采用大型中速磨煤機(jī)制粉、封閉式混風(fēng)爐干燥、高效布袋一級(jí)收粉、三罐并列噴吹、長(zhǎng)距離濃相輸送和噴煤總管流量檢測(cè)及調(diào)節(jié)。

    煤粉制備用干燥劑由高爐熱風(fēng)爐廢氣與混風(fēng)爐產(chǎn)生高溫?zé)煔饣旌隙伞2捎门P式混風(fēng)爐,混風(fēng)爐以高爐煤氣作為主要燃料,焦?fàn)t煤氣用于保溫、穩(wěn)燃、點(diǎn)火和伴燒。

    采用熱風(fēng)爐廢氣作為煤粉干燥的主要介質(zhì)。干燥劑系統(tǒng)要求:以控制干燥氣量和溫度為目標(biāo),保證滿足中速磨煤機(jī)對(duì)干燥氣量和溫度的要求。

    4.2  首鋼某大型高爐提高煤粉溫度的應(yīng)用分析

    實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn),舞鋼中加鋼鐵有限公司高爐噴煤系統(tǒng)采用稀相輸送,3#高爐煤粉預(yù)熱段為40m,預(yù)熱段位置為噴煤總管中后段,預(yù)熱后的管道采取全程保溫,減少輸送過程中熱量損耗。預(yù)熱結(jié)束的廢煙氣用于磨煤機(jī)干燥系統(tǒng)。

    通過咨詢,投資回收期方面,提高煤粉溫度的投資按爐容計(jì),約0.7萬元/m3。按煤粉溫度提高到300℃,降低燃料比8kg/t計(jì)算,投入運(yùn)營(yíng)后8~10月收回投資。

    首鋼某大型高爐噴煤系統(tǒng)采用長(zhǎng)距離濃相輸送,固氣比為46,輸送距離約200m,氧煤槍為套筒式,外腔通氧氣,內(nèi)腔走煤粉。

    理論分析,煤粉溫度提高后,煤粉水分減少,流動(dòng)性變好;濃相輸送較稀相輸送的傳熱效果更好;長(zhǎng)距離輸送較短距離輸送,煤粉預(yù)熱更充分;能夠明顯降低高爐焦比和燃料比。

    但提高煤粉溫度后,現(xiàn)有的噴煤設(shè)備可能存在一定問題:①輸送煤粉的管道材質(zhì)要求提高,需采用耐熱無縫鋼管(例如1Cr18Ni9Ti);②煤粉分配器材質(zhì)要求提高;③氧煤槍與吹管連接處的橡膠圈等配件不適用。

    因此,要結(jié)合高爐噴煤系統(tǒng)現(xiàn)有實(shí)際,合理提高煤粉溫度。

    5  結(jié)語

    通過大量文獻(xiàn)調(diào)研,并在實(shí)地考察基礎(chǔ)上,闡述了高爐噴煤系統(tǒng)提高煤粉溫度的可行性,其應(yīng)用前景可期。初步得到了以下結(jié)論:

    (1)文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn),提高煤粉溫度的工藝方法較多,其共同點(diǎn)多以增設(shè)燃燒爐、預(yù)熱器或伴熱管道等形式加熱煤粉。

    (2)實(shí)地考察發(fā)現(xiàn),高爐噴煤前預(yù)熱煤粉,能夠提高煤粉溫度,有效提高煤粉利用率,顯著降低燃料消耗。

    (3)應(yīng)用前景分析,高煤比濃相輸送條件下,煤粉傳熱效果更好,預(yù)熱更充分;但噴煤設(shè)備可能存在一定問題,需結(jié)合現(xiàn)有實(shí)際,合理提高煤粉溫度。

    6  參考文獻(xiàn)

    [1]楊永昌. 高爐噴吹煤粉預(yù)熱工藝及預(yù)熱對(duì)煤粉理化性質(zhì)的影響[D]. 北京科技大學(xué), 2009.

    [2]劉仁生. 高爐噴吹煤粉預(yù)熱對(duì)其燃燒性能的影響[J]. 全國(guó)大高爐煉鐵學(xué)術(shù)年會(huì), 2008.

    [3]王宏強(qiáng). 煤粉噴前預(yù)熱技術(shù)研究與工業(yè)應(yīng)用[J]. 全國(guó)中小高爐煉鐵學(xué)術(shù)年會(huì), 2014.

    [4]趙俊東, 王恒, 楊永昌, 等. 煤粉預(yù)熱對(duì)高爐噴吹中煤粉燃燒行為的影響[J]. 過程工程學(xué)

    報(bào), 2011年第4期:606-612.

    [5]紀(jì)鵬, 李菊香, 王宏強(qiáng). 熱管式固相粉末換熱系統(tǒng)在高爐噴煤中的應(yīng)用[J]. 冶金能源, 

    2008年第6期:42-45.

    [6]司敬芝, 湯楚雄, 周強(qiáng), 等. 一種高爐噴煤系統(tǒng)煤粉預(yù)熱工藝方法[P]. CN201410070774.1,

    2014.

    [7]公文亮, 王磊. 舞鋼中加鋼鐵3#高爐煤粉預(yù)熱對(duì)高爐燃料比影響的試驗(yàn)研究[J]. 2017.

    (責(zé)任編輯:zgltw)
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