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提高煤粉温度的高炉喷吹技术探讨

时间:2019-08-12 10:03来源:首钢技术研究院 作者:马泽军 王 伟 陈 点击:
  • 摘  要  高炉喷煤工艺是高炉炼铁系统的关键工艺技术和降本增效的重要手段。本文在大量文献调研和实地考察基础上,阐述了煤粉温度提高后,煤粉对热风的冷却效应减弱,煤粉利用率得到改善;并探讨了首钢某大型高炉高煤比浓相输送条件下,提高煤粉温度的可行性,其应用前景可期。

    关键词  高炉喷煤  煤粉温度  煤粉燃烧率


    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

    作为现代高炉炼铁系统的关键工艺技术和降本增效的重要手段,高炉喷煤工艺可以实现降低入炉焦比、合理利用煤炭资源、减少环境污染和降低铁水成本等作用[1]。然而随着高炉煤比的增加,煤粉由于加热和裂解而消耗的热量也随之增加,致使冶炼过程中应补偿更高的风温,进而加大了热风系统的风温压力,以至于增加了铁水成本,严重时还可能对热风系统稳定性产生不利影响。

    高炉煤粉喷枪位于吹管前端,离高炉风口回旋区很近,风口回旋区内煤粉燃烧空间很小。此外,吹管内正常的热风速度达150~200m/s,所以煤粉的停留时间有限,一般认为只有10ms左右。因此,在有限空间内和有限时间内提高煤粉的燃烧率,是高炉煤粉喷吹的研究重点[2]。

    实践也证明,喷入高炉内有效空间的煤粉,从燃烧学出发,对于煤粉的燃烧过程,燃烧空间和燃烧时间都是非常重要的条件。燃烧空间不够或燃烧时间不足都将导致煤粉不完全燃烧,以致浪费能源并引起环境污染、高炉操作条件恶化等一系列问题[3-5]。因此,提高煤粉在风口回旋区的燃烧率,解决煤粉在高炉内的燃烧利用问题是大喷煤操作中必须面对的重要问题。

    本文在大量文献调研和实地考察基础上,总结了提高煤粉温度的工艺方法,及其对高炉喷煤系统带来的有益效果;并探讨了大型高炉高煤比浓相输送条件下,提高煤粉温度的可行性,其应用前景可期。

    2  提高煤粉温度的研究进展

    提高煤粉温度是目前高炉喷煤技术领域的前沿课题,受到高校、企业以及科研单位的广泛关注和重视。文献调研发现,有关提高煤粉温度的技术,实验研究、技术探索和可行性报告数量很多。本节重点介绍几个典型的研发案例。

    2.1  煤粉预热对其燃烧性的影响规律

    近年来,国内外对喷吹煤粉进行预热以提高其燃尽率进行了实验研究,如德国蒂森公司、英国Scunthorpe厂(斯肯索普)、巴西Minas-UFOP公司等。我国的山西潞安矿业集团采用分离式热管换热器对煤粉进行加热,也取得了较好的实验效果。

    刘仁生通过对潞安煤制成的喷吹煤粉样在不同预热温度下燃烧率测定,研究煤粉预热对其燃烧性的影响规律。

    研究发现,预热可以提高煤粉的燃烧率,并且随着预热温度的提高燃烧率不断升高。钢厂采用热风炉废烟气的余热,对高炉喷吹煤粉进行预热到150~200℃后喷吹,吨铁可以提高喷煤量10kg,明显降低焦比和燃料比,有显著的经济效益和社会效益[2]。

    2.2  提高煤粉温度的新型预热工艺

    提高煤粉温度的新型预热工艺,是在原有煤粉制备与喷吹系统的基础上,通过增设烟气炉,并将热烟气作为煤粉仓预热和煤粉输送预热的热源(如图1所示),以达到提高煤粉温度的目的[6]。

    image.png

    提高煤粉温度的新型预热工艺主要包括煤粉仓预热和煤粉输送预热两部分。

    煤粉仓预热要求设置在煤粉仓上的盘管与烟气炉的排气管连通,并引温度为240~350℃的烟气炉烟气作为伴热介质对煤粉仓进行伴热,保持煤粉仓中煤粉的温度在80~100℃左右。煤粉输送预热工艺,首先通过管道将换热器与烟气炉的排气管连通,引自烟气炉出口的高温废气作为换热器的热介质,用于煤粉输送的输送气体作为换热器的冷介质,通过热交换加热后的输送气体温度最高达到200℃左右。然后加热后的输送气体作为冲压和流化气体,进入喷吹罐对煤粉进行预热,之后加热后的输送气体在输送过程中持续对煤粉进行预热,使煤粉在进入风口前时的最高温度可以达到150℃。在上述方案中,所述的输送气体为氮气或者压缩空气。

    该方法能够显著提高煤粉温度,大幅缩短煤粉在风口前加热至着火点的时间,增加煤粉在风口和回旋区的燃烧时间,从而提高煤粉的燃烧率。

    2.3  高炉喷吹煤粉喷前预热工艺

    国内某单位自2005年开始潜心研究煤粉预热工艺及设备,在煤粉预热的工艺、预热设备的研发与应用等方面积累了丰富的经验,对煤粉预热的可行性、安全性及煤粉预热后对高炉喷煤节能环保的影响进行了系统研究。其发明的新型高炉喷吹煤粉喷前预热工艺原理图如图2所示。

    image.png

    由图2的工艺原理图可以看出,高炉喷吹煤粉预热工艺,在煤粉喷入高炉之前利用经过升温的热风炉高温废气将煤粉直接加热到250℃-350℃。该发明的工作过程为:高炉热风炉中产生的废气通过废气风机1进入升温炉3中进行二次升温,升温炉3由高炉煤气管道4提供燃料,可以通过调节闸阀的开启来调节升温范围。经过升温炉3加热的废气进入多级分段预热器5,高温废气通过介质输送管道7依次经十个预热单元6逐级将高速逆向流动煤粉加热到250-350℃。预热后的煤粉由煤粉输送管62送至炉前分配器后喷入高炉。预热使用后的废气进入磨煤机9烘干煤粉,实现能源再次利用。

    煤粉预热系统中所有管道均采用保温设施,以提高热能利用率。且介质输送管和加热室上均设置有膨胀节,用以解决受热膨胀补偿问题。煤粉输送管道材质为耐磨耐高温合金,使用寿命长。煤粉输送管内设置有测温传感器,可以对煤粉输送管道内的系统温度参数进行实时监控。

    3  国内高炉喷煤系统提高煤粉温度的应用实例

    前期调研并实地考察发现,舞钢中加钢铁北京快3综合走势3#高炉为提高煤粉温度,将煤粉预热器应用于实践,煤粉预热温度达到280℃。

    为定性定量研究煤粉预热后对高炉煤比与综合燃料比的影响。舞钢中加钢铁公司于2017年1月10日到27日在3#高炉生产保持稳定顺行,原燃料条件基本不变的情况下,进行了煤粉预热对高炉煤比、综合燃料比影响的试验研究。

    研究结果表明,在高炉生产保持稳定顺行,原燃料条件基本不变的条件下,煤比在150kg/吨铁以上,煤粉预热到300℃以上时,可以降低焦比12~19kg/吨铁,煤比提升6~20 kg/吨铁,实际综合燃料比降低8~14kg/吨铁[7]。

    4  提高煤粉温度在首钢大型高炉喷煤系统的应用前景

    4.1  首钢某大型高炉喷煤系统现状

    首钢某高炉设计两套配置基本相同的喷煤系统,分别对应两座高炉喷煤。在热风炉废气供给和煤粉分配上可互相补充及调剂。喷煤系统采用大型中速磨煤机制粉、封闭式混风炉干燥、高效布袋一级收粉、三罐并列喷吹、长距离浓相输送和喷煤总管流量检测及调节。

    煤粉制备用干燥剂由高炉热风炉废气与混风炉产生高温烟气混合而成。采用卧式混风炉,混风炉以高炉煤气作为主要燃料,焦炉煤气用于保温、稳燃、点火和伴烧。

    采用热风炉废气作为煤粉干燥的主要介质。干燥剂系统要求:以控制干燥气量和温度为目标,保证满足中速磨煤机对干燥气量和温度的要求。

    4。2  首钢某大型高炉提高煤粉温度的应用分析

    实地调研发现,舞钢中加钢铁北京快3综合走势高炉喷煤系统采用稀相输送,3#高炉煤粉预热段为40m,预热段位置为喷煤总管中后段,预热后的管道采取全程保温,减少输送过程中热量损耗。预热结束的废烟气用于磨煤机干燥系统。

    通过咨询,投资回收期方面,提高煤粉温度的投资按炉容计,约0.7万元/m3。按煤粉温度提高到300℃,降低燃料比8kg/t计算,投入运营后8~10月收回投资。

    首钢某大型高炉喷煤系统采用长距离浓相输送,固气比为46,输送距离约200m,氧煤枪为套筒式,外腔通氧气,内腔走煤粉。

    理论分析,煤粉温度提高后,煤粉水分减少,流动性变好;浓相输送较稀相输送的传热效果更好;长距离输送较短距离输送,煤粉预热更充分;能够明显降低高炉焦比和燃料比。

    但提高煤粉温度后,现有的喷煤设备可能存在一定问题:①输送煤粉的管道材质要求提高,需采用耐热无缝钢管(例如1Cr18Ni9Ti);②煤粉分配器材质要求提高;③氧煤枪与吹管连接处的橡胶圈等配件不适用。

    因此,要结合高炉喷煤系统现有实际,合理提高煤粉温度。

    5  结语

    通过大量文献调研,并在实地考察基础上,阐述了高炉喷煤系统提高煤粉温度的可行性,其应用前景可期。初步得到了以下结论:

    (1)文献调研发现,提高煤粉温度的工艺方法较多,其共同点多以增设燃烧炉、预热器或伴热管道等形式加热煤粉。

    (2)实地考察发现,高炉喷煤前预热煤粉,能够提高煤粉温度,有效提高煤粉利用率,显著降低燃料消耗。

    (3)应用前景分析,高煤比浓相输送条件下,煤粉传热效果更好,预热更充分;但喷煤设备可能存在一定问题,需结合现有实际,合理提高煤粉温度。

    6  参考文献

    [1]杨永昌。 高炉喷吹煤粉预热工艺及预热对煤粉理化性质的影响[D]。 北京科技大学, 2009。

    [2]刘仁生. 高炉喷吹煤粉预热对其燃烧性能的影响[J]. 全国大高炉炼铁学术年会, 2008.

    [3]王宏强. 煤粉喷前预热技术研究与工业应用[J]. 全国中小高炉炼铁学术年会, 2014.

    [4]赵俊东, 王恒, 杨永昌, 等. 煤粉预热对高炉喷吹中煤粉燃烧行为的影响[J]. 过程工程学

    报, 2011年第4期:606-612.

    [5]纪鹏, 李菊香, 王宏强. 热管式固相粉末换热系统在高炉喷煤中的应用[J]. 冶金能源, 

    2008年第6期:42-45。

    [6]司敬芝, 汤楚雄, 周强, 等. 一种高炉喷煤系统煤粉预热工艺方法[P]. CN201410070774.1,

    2014.

    [7]公文亮, 王磊. 舞钢中加钢铁3#高炉煤粉预热对高炉燃料比影响的试验研究[J]. 2017.

    (责任编辑:zgltw)
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