寶鋼高爐噴吹配合煤優(yōu)化方案研究

供稿|吳平生 /

高爐噴煤對(duì)于鋼鐵企業(yè)節(jié)能減耗、降低成本、實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好有著重大的促進(jìn)作用[1]。高爐噴吹煤粉是直接向高爐風(fēng)口回旋區(qū)噴吹一定粒度的無煙煤、煙煤或兩者的配合煤，替代部分冶金焦提供熱量和還原劑，可降低高爐焦比和生鐵冶煉成本，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益[2]。

高爐噴煤通常采用單一煤種，即全為無煙煤或煙煤。無煙煤含碳量高，揮發(fā)分低，噴吹無煙煤安全問題易解決。但無煙煤灰分高，不易燃燒，影響煤粉燃盡率。另外，無煙煤煤粉硬度高，制粉能耗高。與無煙煤相比，煙煤具有較好的燃燒性和可磨性，且煙煤的著火點(diǎn)低于無煙煤，燃燒產(chǎn)生的還原性氣體多，有利于爐內(nèi)間接還原，但煙煤含碳量低，置換比易受到影響，煙煤揮發(fā)分高，增大煙煤噴入量會(huì)增加煤粉爆炸的危險(xiǎn)，需要有嚴(yán)格的安全措施[3，4]。因此，國(guó)內(nèi)外研究者便將目光轉(zhuǎn)向噴吹煙煤與無煙煤的配合煤，結(jié)果發(fā)現(xiàn)配合煤煤粉的燃燒率明顯提高，置換比上升。有研究表明，煙煤配比在20%～50%時(shí)，煙煤配比每提高10%，燃燒率提高11%左右，最高可提高到21%[5]。

本實(shí)驗(yàn)在保證噴吹系統(tǒng)安全的情況下，將寶鋼所用FSF煙煤和其他無煙煤進(jìn)行配合噴吹，研究煙煤配入量增加時(shí)配合煤的燃燒特性和產(chǎn)生煤氣量及成分對(duì)高爐內(nèi)氣流穩(wěn)定性的影響，對(duì)配合煤進(jìn)行綜合性研究，并與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，確定最佳煙煤配入量和最優(yōu)配合煤種及配比。

實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備及煤樣

實(shí)驗(yàn)中所用到的主要儀器設(shè)備如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)所用主要儀器設(shè)備

實(shí)驗(yàn)所用煤樣為寶鋼提供的11種煤，其中煙煤為神府煙煤FSF，涉及10種無煙煤代號(hào)分別是FJZ、FYC、FYX、FCC、FZZ、FAFL、FAYB、FCBR、FTX、FGP。實(shí)驗(yàn)過程中用到10種簡(jiǎn)單配合煤為35%FSF + 65%無煙煤(配合煤比例為質(zhì)量分?jǐn)?shù))。由三種以上煤種混合而成的復(fù)雜配合煤按熱值高低選擇55種配合方案列于表2。

煤的工業(yè)分析

煤的工業(yè)分析包括煤的水分、灰分、揮發(fā)分和固定碳4項(xiàng)測(cè)定。利用工業(yè)分析結(jié)果，可以基本掌握各種煤的質(zhì)量、工藝性質(zhì)及特點(diǎn)。對(duì)各單種煤樣進(jìn)行常規(guī)的工業(yè)分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3。

表2 復(fù)雜配合煤方案 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表3 單種煤工業(yè)分析

根據(jù)表3數(shù)據(jù)可看出，神府煙煤FSF與其他無煙煤相比具有低灰分、高揮發(fā)分、高水分、低固定碳和低熱值等特點(diǎn)。在無煙煤中熱值最高的為FCBR無煙煤，接下來依次為FTX、FAFL、FYX。表3中用下劃線標(biāo)出了4種高熱值的無煙煤，以熱值為衡量指標(biāo)來確定配合煤所配煤種。

沉降爐實(shí)驗(yàn)

熱重分析和沉降爐實(shí)驗(yàn)是研究燃煤燃燒性能的主要方法。本實(shí)驗(yàn)采用沉降爐模擬法來測(cè)試煤粉燃燒性。煤粉燃燒性可在一定程度上反映煤粉在高爐中的燃燒情況。沉降爐模擬中以燃盡率的高低來反映爐內(nèi)煤粉的燃燒性能，燃盡率越高，說明煤燃燒的效果越好[6]。

沉降爐實(shí)驗(yàn)條件：給粉量為0.3 g/min，氣氛為體積比25%富氧(25%氧氣，75%氮?dú)?，溫度為1250℃。采用馬弗爐二次高溫焙燒可以獲得原煤和灰樣中的灰分量，再根據(jù)灰分示蹤法計(jì)算不同燃燒溫度下煤的燃盡率。燃盡率計(jì)算公式(1)：

式中，A0為原煤灰分，Ai為灰樣的灰分(干燥基)[6]。

噴吹煤粉會(huì)在燃燒過程中產(chǎn)生煤氣，而煤氣量與成分又與煤粉性質(zhì)有關(guān)。根據(jù)煤粉在沉降爐中的燃燒程度，會(huì)產(chǎn)生CO和CO2，煤氣量及成分影響高爐內(nèi)氣流的穩(wěn)定性，從而影響配合煤粉的燃燒程度。用煙氣分析儀對(duì)沉降爐內(nèi)煤粉燃燒后煤氣量和成分進(jìn)行綜合分析，力求在改變煙煤配入量的同時(shí)，使噴煤燃燒產(chǎn)生的煤氣對(duì)高爐氣氛穩(wěn)定性的影響降至最低。

結(jié)果與分析

煤粉燃盡率分析

由沉降爐實(shí)驗(yàn)可得出各煤種的燃盡率，如表4。

由表4可知，單種煤中煙煤FSF的燃盡率最高可達(dá)95.53%，無煙煤FYX的燃盡率最低為60.67%。而且無煙煤燃盡率要遠(yuǎn)低于煙煤。單種煤燃盡率由大到小的順序?yàn)椋篎SF＞FCC＞FYC＞FAFL＞FAYB＞FJZ＞FCBR＞FGP＞FZZ＞FTX＞FYX。

兩種配合煤燃盡率測(cè)試結(jié)果，如表5。

由表5可知，在無煙煤中加入煙煤，其燃盡率都有所提高。簡(jiǎn)單配合煤中35%FSF +65%FCBR的燃盡率最高，35%FSF +65%FTX的燃盡率最低，其余簡(jiǎn)單配合煤燃盡率分布在70%～80%，相比單種煤燃盡率有所提高。

復(fù)雜配合煤的燃盡率R見表6，由于數(shù)據(jù)較多，因此將數(shù)據(jù)根據(jù)煤種配比表進(jìn)行分組。

根據(jù)表6，配合煤的燃盡率基本變化趨勢(shì)是：隨著煙煤FSF配比增加，燃盡率有增加趨勢(shì)，其中燃盡率變化趨勢(shì)較好的為第6、7組：第6組配合煤中無煙煤FCBR配比最高，F(xiàn)YX配比為0；第7組配合煤中無煙煤FAFL配比最高，F(xiàn)YX配比為0。由此可看出無煙煤中沒有FYX煤時(shí)，煤粉燃盡率變化規(guī)律性較好。第11組配合煤的特點(diǎn)是FTX煤配比為30%，是各配合煤中配比最高的一組，煤粉燃盡率變化范圍小，說明煙煤的配比提高時(shí)，對(duì)該組煤的燃盡率影響不大。第1、4組煤粉燃盡率變化較為劇烈，而第1、4組恰好是無煙煤配比中FYX配比最高的兩組。由分析可以得出：配合煤的燃盡率隨煙煤FSF的配比增加而上升；配合煤中，無煙煤FYX、FTX的配入都會(huì)使燃盡率波動(dòng)較大，可選擇盡量少配入或不配入；配合煤中，無煙煤FCBR、FAFL的配入可以穩(wěn)定煤粉的燃燒，燃盡率變化趨勢(shì)較明顯。

表4 單種煤燃盡率

表5 兩種煤配合的簡(jiǎn)單配合煤燃盡率

表6 復(fù)雜配合煤燃盡率

煤氣綜合分析

用煙氣分析儀對(duì)沉降爐煤粉燃燒后煙氣進(jìn)行分析，可得到CO2、CO、O2在燃燒過程中的變化曲線(曲線縱坐標(biāo)表示CO2、CO、O2煙氣體積含量)?？赡バ苑治龊蜔嶂胤治鰧?shí)驗(yàn)得出：煙煤配比為45%時(shí)，配合煤的可磨性和燃燒性相對(duì)較好，考慮到本實(shí)驗(yàn)中配煤方案較多且氣體曲線變化趨勢(shì)相似，因此在這里只對(duì)煙煤配比為45%的煤樣進(jìn)行氣體曲線分析。

由圖1曲線變化可知，CO2曲線在燃燒初始和燃燒結(jié)束時(shí)降到最低，在燃燒過程中CO2一直保持較高水平，且波動(dòng)不是很大，其波動(dòng)情況反映煤粉在沉降爐中的燃燒過程的穩(wěn)定情況；CO曲線在燃燒初始和燃燒結(jié)束時(shí)處于最高值，是因?yàn)閯傞_始煤粉進(jìn)入沉降爐還未來得及完全燃燒，在燃燒過程中CO值處于較低水平，因含量較低所以曲線波動(dòng)較大，且在燃燒過程中有CO含量為0的區(qū)間，這些區(qū)間內(nèi)煤粉燃燒較完全，CO沒有產(chǎn)生或產(chǎn)生較少；O2曲線變化和CO2曲線變化相反，燃燒初始和結(jié)束時(shí)較高，在煤粉燃燒過程中都處于較低的水平，曲線變化較平穩(wěn)波動(dòng)不大。

應(yīng)用曲線積分法得到煤粉在沉降爐中燃燒產(chǎn)生的總煤氣量。因煤氣出口到煙氣分析儀的距離是一定的，忽略煤氣溫度差異，因此此處計(jì)算所得的煤

氣量都是相對(duì)量。分別對(duì)煤氣量和揮發(fā)分做歸一化處理，進(jìn)行綜合分析，因煤氣量和揮發(fā)分分析主要是為了保證高爐氣流分布穩(wěn)定，因此權(quán)重因子分別取{煤氣量；揮發(fā)分}={0.7；0.3}，具體值見圖2。

圖1 氣體變化曲線(46#～56#)

圖2 煤氣量與揮發(fā)分綜合分析

圖2 中標(biāo)出了每個(gè)區(qū)間綜合因子的最大值與最小值。綜合因子根據(jù)煤氣量和揮發(fā)分綜合評(píng)價(jià)分析計(jì)算得出，其值越大表明該種煤粉的噴吹對(duì)高爐氣流穩(wěn)定越有利。由圖2可以看出，標(biāo)出的最小綜合因子的煤種分別為14#、27#、39#、46#、57#，其大小排序?yàn)椋?7#＜39#＜14#＜57#＜46#，這幾種復(fù)雜配合煤的特點(diǎn)為FYX煤種配比相對(duì)較高，F(xiàn)TX的配比均為15%；標(biāo)出最大因子的煤種分別為19#、31#、43#、53#、67#，其大小排序?yàn)椋?9#＜31#＜53#＜67#＜43#，這幾種復(fù)雜配合煤的特點(diǎn)為FYX的配入量為0。綜上分析可知：FYX的配入量較小時(shí)，可以更好保證高爐氣流分布穩(wěn)定。

在煙煤FSF配入量為30%和45%時(shí)綜合因子波動(dòng)較小，在配入量為40%時(shí)波動(dòng)較大。由圖2知當(dāng)煙煤配比為45%時(shí)，綜合因子整體較高，波動(dòng)也較小，即煙煤配比在45%時(shí)高爐噴煤對(duì)高爐氣流穩(wěn)定性的影響較小。以高爐氣流穩(wěn)定為目標(biāo)，煙煤配比為45%時(shí)，較好的配煤方案為：53#、52#、54#；煙煤配比為40%時(shí)，較好的配煤方案為：43#、41#、40#。

置換比綜合分析

置換比為高爐噴吹其他燃料時(shí)，單位質(zhì)量的燃料取代焦炭的質(zhì)量。置換比與該種燃料中C、H元素含量及該種燃料在風(fēng)口高溫區(qū)分解吸熱量有關(guān)。結(jié)合本實(shí)驗(yàn)，置換比主要與噴吹煤粉灰分含量、固定碳含量、熱值及燃盡率有關(guān)。噴吹煤粉在高爐所起的主要作用為替代部分焦炭提供熱量，因此煤粉熱值對(duì)置換比影響較大。

應(yīng)用綜合分析法以灰分、固定碳、燃盡率、熱值為因素對(duì)置換比進(jìn)行分析，分析時(shí)先對(duì)各因素進(jìn)行歸一化處理后再進(jìn)行綜合分析，權(quán)重因子分別設(shè)為：{灰分；固定碳；燃盡率；熱值}={0.1；0.1；0.2；0.6}，分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 復(fù)雜配合煤置換比變化

根據(jù)圖3可見置換比的變化規(guī)律：

(1) 在無煙煤配入煤種相同時(shí)，隨著煙煤配比增加置換比降低，這是因?yàn)闊熋簾嶂档陀跓o煙煤；

(2) 在煙煤相同的情況下，置換比變化基本呈拋物線形，拋物線最高點(diǎn)分別為21#、32#、43#、54#、59#，拋物線最低點(diǎn)分別為24#、35#、46#、57#，根據(jù)其配比可知，這幾組復(fù)雜配合煤中FCBR的配比最高，為35%；

(3) 并不是煙煤配比提高，其置換比就會(huì)下降，無煙煤配入煤種也影響置換比變化；

(4) 煙煤配比為45%時(shí)，置換比較高的配合煤為：50#、51#、53#、54#。煙煤配比為40%時(shí)，置換比較高的配合煤為：40#、42#、43#。

結(jié)束語

由沉降爐模擬燃燒實(shí)驗(yàn)可知，配合煤的燃盡率隨煙煤FSF的配比增加而上升；配合煤中，無煙煤FYX、FTX的配入都會(huì)使燃盡率波動(dòng)較大，可選擇盡量少配入或不配入；配合煤中，無煙煤FCBR、FAFL的配入可以穩(wěn)定煤粉的燃燒，燃盡率變化趨勢(shì)較明顯。

由沉降爐模擬燃燒實(shí)驗(yàn)的氣體分析可知，當(dāng)煙煤配比為45%時(shí)，綜合因子整體較高，波動(dòng)也較小，因而高爐噴煤對(duì)高爐氣流穩(wěn)定性的影響較小。以高爐氣流穩(wěn)定為目標(biāo)，煙煤配比為45%時(shí)，較好的配煤方案為：53#、52#、54#，煙煤配比在40%時(shí)，較好的配煤方案為：43#、41#、40#。

以置換比為目標(biāo)得出較優(yōu)的配煤方案為：煙煤配比為45%時(shí)，置換比較高的配合煤為：50#、51#、53#、54#；煙煤配比為40%時(shí)，置換比較高的配合煤為：40#、42#、43#。

因此，從置換比和高爐氣流穩(wěn)定性兩方面綜合考慮，在高爐氣流穩(wěn)定條件下，煙煤配比為45%時(shí)，置換比較高的配煤方案為53#、54#；煙煤配比為40%時(shí)，置換比較高的配煤方案為40#、43#。

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