高炉喷吹煤粉如何更经济
中国煤炭新闻网
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　　摘要喷吹煤粉不仅可以减少的使用、降低炼铁生产成本，而且能灵活调剂高炉炉况、节约能源、减少污染等。
　　袁万龙
　　高炉生产的主要燃料是焦炭，但焦炭存在着资源日益短缺、价格昂贵、炼焦过程污染大等一系列问题。以喷吹相对廉价的煤粉替代部分冶金焦是目前高炉炼铁行业的主流做法。喷吹煤粉不仅可以减少焦炭的使用、降低炼铁生产成本，而且能灵活调剂高炉炉况、节约能源、减少污染等。按煤粉与焦炭的差价和煤焦置换比计算，喷吹煤粉可实现比较大的经济效益；而喷吹用烟煤与喷吹用无烟煤之间有着200元/吨～300元/吨的差价，实现烟煤混喷则可以在此基础上进一步降低铁水生产成本。
　　沙钢5800m3高炉是目前国内有效炉容最大的高炉，该高炉设计燃料比为490kg/t，其中焦比为290kg/t，煤比为200kg/t，最高风温为1310℃。现阶段该高炉最高日产量达到1.4428万吨左右，喷煤量在110t/h左右，煤比在180kg/t左右，烟煤配比最高时达到54%，混合煤粉挥发分为22.9%。现阶段烟煤配比为44%，煤粉挥发分在18%左右，固定碳含量在72%左右。沙钢通过提煤降焦、烟煤混喷，实现了比较大的经济效益。
　　烟煤混喷更有意义
　　现在国内外高炉基本上都已实现喷煤，按煤的种类大致可分为喷吹全无烟煤、喷吹全烟煤、喷吹烟煤与无烟煤的混合煤粉3类。目前国内大部分规模以上钢铁企业是喷吹烟煤与无烟煤的混合煤粉，少数企业是喷吹全无烟煤，个别企业喷吹全烟煤。针对3类煤种的特性，进行以下几个方面的对比：
　　从安全角度比较分析：目前行业普遍认为无灰基（可燃基）挥发分小于10%为基本无爆炸性煤，大于10%为有爆炸性煤，大于25%为强爆炸性煤。从安全的角度来讲，大部分无烟煤挥发分较低，着火点较高，不易自燃；大部分烟煤挥发分较高，着火点较低，极易引起自燃和爆炸；而混合煤粉则是烟煤与无烟煤按一定比例混合磨制而成的，各项性能都比较适中。由此可知，喷吹无烟煤安全系数最高、最，喷吹混合煤粉次之，喷吹烟煤最低。
　　从硬件投资角度对比分析：由于喷吹无烟煤安全系数较高，对硬件设备的要求就不是很高。而喷吹混合煤粉、烟煤，即干燥无灰基挥发分含量高于10%的煤粉，GB 1《高炉喷吹烟煤系统防爆安全规程》中对相关制粉、喷吹设备、煤粉输送介质等都提出了比较高的要求，从而导致初期投资较高。例如，磨制干燥无灰基挥发分含量高于10%的混合煤的制粉系统，应设氧含量、一氧化碳在线检测装置；输粉、喷吹系统的加压、流化介质应采用氮气或其他惰化气体等。
　　从工艺控制的角度对比分析： GB 1《高炉喷吹烟煤系统防爆安全规程》明确规定，制粉系统应采用惰化气体作为干燥介质，负压系统磨煤机入口氧含量小于或等于8%，末端出口氧含量小于或等于12%，煤粉仓内氧含量小于或等于12%。磨煤机出口温度不应超过80℃，应急情况不得超过85℃。因此，磨制烟煤或干燥无灰基挥发分含量高于10%的煤粉时，对制粉和喷吹的温度、氧含量等数据的过程控制要求相对更高。
　　从原煤采购价格来对比分析：根据沙钢5800m3高炉的原煤采购价格对比发现，无烟煤采购价格明显高于烟煤采购价格。同样的喷煤量，喷吹无烟煤的成本价格最高。由于混合煤粉是由无烟煤与烟煤按比例混合磨制而成，喷吹混合煤的价格较无烟煤相对便宜，而直接喷吹烟煤是最廉价的。
　　综合对比分析：通过以上几点对比，不难看出，喷吹烟煤是最廉价的；喷吹无烟煤是最安全的；喷吹烟煤、混合煤的设备投资费用是相对比较高的，工艺过程控制比较严格。既然如此，为什么大部分的企业选择烟煤混喷这一模式？这不得不说一下原煤的特性，固定碳、挥发分是喷吹煤的两项主要指标，通常无烟煤固定碳含量较高，但挥发分普遍较低，着火点较高；而烟煤固定碳含量略低，挥发分较高，着火点较低。
　　以往研究发现，挥发分是有利于燃烧的，煤粉中挥发分所占的比例直接影响到煤粉的燃烧性能。尤其在高炉喷煤中，由于煤粉在风口前燃烧的空间为1.5米～2.0米（燃烧带），煤粉在燃烧带停留的时间只有0.01秒～0.04秒。煤粉要在这样短的时间内完全燃烧，就要求煤粉具备良好的燃烧性能。毫无疑问，挥发分略高的煤粉更容易在这么短的时间内充分燃烧。一般认为，煤粉的燃烧率为80%～85%，即未燃煤粉占15%～20%。未燃烧煤粉的行为，一是进入炉渣，增加炉渣黏度；二是进入高炉中心和上方，附在炉料表面和空隙，降低炉料透气性，对高炉炉况顺行造成不利影响。但如果挥发分过高，煤粉在风口前燃烧反而会吸收更多的热，需要更多的热补偿，降低煤粉发热值，影响煤焦置换比。
　　原煤中的固定碳含量决定了煤粉的发热值，发热值直接影响到煤焦置换比；而挥发分决定了煤粉的燃烧性能，煤粉的燃烧性能也会直接影响到煤焦置换比，如果煤粉的燃烧效率过低，还会影响高炉炉况。通常无烟煤固定碳含量高，挥发分低，单纯喷吹无烟煤，煤焦置换比是比较高的。但受燃烧性能影响，大煤量喷吹后，煤粉燃烧率降低，高炉燃料比可能出现停滞不降，甚至炉况会产生波动。通常烟煤挥发分高、固定碳含量低，单纯喷吹烟煤，能够保证煤粉的燃烧性能。但烟煤本身固定碳含量低，发热值较低，煤焦置换比也会比较低，因而即使大煤量喷吹、大煤比之下，综合燃料比可能仍较高。而使用一定比例的烟煤搭配无烟煤，既能够保证煤粉足够的燃烧性能，又能够保证煤粉足够的发热值，确保了煤焦置换比，打破了喷吹单一煤种的制约“瓶颈”。
　　如何体现喷煤的经济性
　　高炉炼铁是一个系统工程，我们不能单纯地只看到某一个指标或者部分数据，不能仅凭煤比或者烟煤比例来诠释喷煤的经济性。喷煤可以降低高炉一定的焦比，但煤比并不足以衡量高炉冶炼效益的标准。如果煤比很高，燃料比却降不下来，则根本谈不上经济炼铁。烟煤混喷确实可以产生比较大的经济效益，但由于煤种不同，原煤成分不同，单纯的一个烟煤比例并不能体现喷煤的经济性。提煤是为了降焦，降低综合燃料比。在保证高炉燃料比或降低燃料比的前提下，进一步提高煤比，才能说明这煤粉喷进去是有效的，做的是有用功，产生了效益。
　　根据高炉对煤粉的接受程度，探索合理的喷煤比。煤种的不同、高炉具体操作方针的不同、炉况的波动，都会影响高炉对煤粉的接受程度。从高炉冶炼的角度来讲，向高炉适量喷吹煤粉可以改善高炉顺行状况。而大量喷吹煤粉的目的，主要是目前较大的煤焦差价，通过提煤降焦可以明显降低铁水成本。国内钢铁企业中，煤比接近或达到200kg/t的高炉也有不少。通过提高送风温度可以补偿煤粉中挥发分在高炉风口前的热吸收，加大风口富氧可以保证煤粉足够的燃烧性能，故现在提倡的“大喷煤、高风温、大富氧”是保证高炉进一步降低燃料比的“三大法宝”。
　　烟煤混喷的效益。烟煤配比的前提是保证足够的煤焦置换比，而不是由于烟煤价格比较便宜，烟煤配得越多越好。当然，纯粹从配煤的角度来讲，烟煤配得越多肯定越便宜。但从高炉生产的角度来说，在保证高炉燃料比或燃料比下降的前提下，尽可能地提高烟煤比例，才能体现经济喷煤的价值。
　　固定碳与燃料比的关系。沙钢5800m3高炉自2009年投产之初就实现了烟煤混喷，烟煤比例从开始时的20%不断上调至2012年的44%，当时混合煤粉的挥发分为18%左右，固定碳含量为73%左右。从2013年3月开始，沙钢尝试着上调烟煤比例，最高时烟煤比例达到54%，混合煤粉挥发分为20%左右，固定碳为70%左右。由于这期间混合煤粉的固定碳含量较低，高炉燃料比明显上升，且高炉产量也出现一定程度下滑。沙钢进一步分析了高炉燃料比上升的原因，发现燃料比的上升基本是煤比上升造成的。
　　煤粉的磨制、喷吹环节，只能使煤粉的粒度、水分等物理性能得到控制。而煤粉的固定碳、挥发分、硫分、可磨性等性能只能在原煤采购过程中得到控制。固定碳、挥发分直接影响煤粉燃烧性能和煤焦置换比。可磨性关系到制粉系统的台时产量，影响到制粉效率。硫分直接影响到钢铁性能，铁水中硫分过高会对炼钢造成影响。
　　目前行业内，喷吹用原煤的质量标准主要依据为QN YFCL 05～015—2006《高炉喷吹用无烟煤企业内控标准》。该标准制定的时候，可能国内大部分钢铁企业仍是以喷吹单一无烟煤为主，不能满足当前烟煤相关技术要求。沙钢在2009年开始烟煤混喷后，以QN YFCL 05～015—2006《高炉喷吹用无烟煤企业内控标准》为基准，结合沙钢喷吹用煤实际情况，完善修订了QN YFCL 05～015—2010《高炉喷吹用煤企业内控标准》，在QN YFCL 05～015—2006《高炉喷吹用无烟煤企业内控标准》基础上，新增了高炉喷吹用烟煤的技术要求和试验方法，为烟煤混喷提供了烟煤质量控制依据。
来源：钢之家
&&&&&编 辑：一帆
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所需积分：0分热氧高炉喷射系统的制作方法
专利名称热氧高炉喷射系统的制作方法
一般来说，本发明涉及高炉作业，而尤其是涉及其中往鼓风气流中加氧的高炉作业。
高炉是高纯度炼钢用铁的主要来源。生产有害元素含量必须最少的，质量最高的钢需要高纯度的铁，所述有害元素，如Cu，是难以用化学方法将它们从钢中去除的。高炉还用于生产其它的金属，如锰铁和铅。
传统上，冶金焦一直是高炉法中的主要燃料及消耗于高炉法中的还原性气体的来源。焦炭。熔剂及矿石，如铁矿石分层地加在炉顶，同时将热风鼓入炉底。热风与焦炭反应，结果生产该工艺所用的热，及产生使焦炭，熔剂和矿石预热并将铁矿石转化为铁的还原性气体，所述的预热和转化是当该气体通过炉子上升时发生的。该气体从炉顶处排出，而后其一部分用作预热鼓风的燃料。
冶金焦是通过在缺少空气时加热煤，去除煤中的较易挥发的组分而形成的。这些挥发分中的多数对环境和健康有害，因而近年来炼焦变得不断地受到法规的限制。与这些法规限制相关的费用正在增长，因而炼焦作业更为费钱，并且增加了新炼焦设备所需的投资。结果，焦炭的供应缩减，因而价格上涨。这些因素已导致高炉工作者减少其焦炭用量，而代之以将大量矿物燃料喷入供往高炉的热风中。最普通的被喷入的矿物燃料是经粉碎的煤，粒状的煤及天然气。出于经济原因，粉碎的煤和粒煤是较佳的。
当还原性气体在炉中向上流动时，它将焦炭预热。而相反替代的矿物煤在室温下被喷射。因而，将这种燃料加入所供的热风中使炉子增加了热负荷，这在只用焦炭作燃料时是不会发生的。高炉工作者就这问题所提出的建议是往鼓风中加氧，而这已产生了某些益处。但，即使通过加氧，在较高的矿物燃料喷射水平下的高炉作业不是可实现的，这是因为被喷射的矿物燃料燃烧很差或燃烧不完全有关的高炉运行问题所致。
因此，本发明的目的在于提供一种方法，该法用于提供陆续通入高炉的，带有燃料和氧的鼓风，这将能改善高炉运行的。
上述的和其它的，通过阅读该说明书而能被本领域中普通技术人员理解的目的，通过本发明得以实现，本发明是一种将鼓风气流供入高炉的方法，它包括(A)建立一种具有鼓风速度和鼓风温度的鼓风气流；(B)将燃料通入此鼓风气流中；(C)将氧的气流喷入该具有速度和温度的鼓风气流中，所述的氧气流的速度大于鼓风的速度，所述氧气流的温度大于鼓风的温度；(D)使燃料与氧在鼓风气流中燃烧，从而产生热的鼓风气流；(E)使该热鼓风气流通入高炉。
本文中所用的术语“氧”，指的是氧浓度至少为50％(摩尔)的一种流体。
本文中所用的术语“高炉”指的是一种高的竖炉，它带有堆积在圆柱形炉膛上的竖直的料堆，该炉是用来将氧化物还原成熔融金属的。
图1是一简化的示意图，它表示一种于其中实施本发明方法的系统。
图2是较详细的剖面图，它代表一种将燃料和氧供入高炉上游处的鼓风气流中的优选系统。
图3-5是曲线图，它代表通过实施本发明所得的结果，及为了对比的，通过实施常规方法所得的结果。
本发明通过在鼓风气流中形成高温和高氧浓度区而提供了增强的引燃和燃烧条件。参照附图将详述本发明。
现参见图1，通过使大气1经过加热炉2而被加热，然后它作为速度一般在125-275m/秒范围内，温度一般在870-1320℃范围内的鼓风气流3从加热炉2中离去。此鼓风气流在与高炉侧壁中的风嘴相通的直吹管中运动。
在直吹管中或在风嘴中将燃料4加于鼓风气流中。该燃料可以是将与氧燃烧的任何的有效燃料。在这类燃料中，可举出煤，如粉碎的、粒状或粉末状煤，天然气和焦炉煤气。优选的燃料是粉碎的、粒状的或粉末状的煤。
在直吹管中或在风嘴中将氧气流喷入鼓风气流中。该氧气流的氧浓度至少为50％(摩尔)，而也可以为85％(摩尔)或更高的氧浓度。该氧气流的速度大于鼓风气流的速度，而且最好是鼓风气流速度的1.5倍。氧气流的速度一般为350-850m/秒。氧气流的速度最好是音速的一半。比如，1370℃时的音速为780m/秒，1650℃时的音速为约850℃。氧气流的温度大于鼓风气流3的温度，一般为℃。任何适于建立本发明限定的热氧气流的装置都可用。产生本发明定义的热氧气流的特别好的方法是授予Anderson的US.5,266,024中所公开的方法。
图2极详细地图示了将燃料和氧供入鼓风气流中的实施方案。现参见图2，鼓风气流3正在与高炉侧壁中的风嘴7相通的直吹管6中流动。在实践中，会有多个围绕在高炉周围的风嘴，而在这种情况下，一个或多个这类风嘴可使由于实施本发明而产生的鼓风气流通入高炉中。通过燃料枪8将燃料，如粉碎的、粉末状的或粒状的煤供入直吹管6中的鼓风气流3中，以及通过氧枪9将热氧供入直管6中的鼓风气流3中。
热氧气流的高速度，因而也是高冲量产生了使燃料混入或进入该气流的强烈的混合作用。此外，当燃料含有挥发分时，氧气流的高温使此燃料迅速脱去挥发分。由于氧气流的高温，基本上不需要与燃料的辅助混合来启动燃料的燃烧。相反，若在室温或接近室温时将喷射氧气流，与鼓风的混合则需要提供足够的热，以便引燃此燃料。这种与鼓风的混合会降低氧气流中的氧浓度，这对引燃和燃烧是不利的。因此，本发明有效地采用了喷射的氧，以便通过形成这样一种条件来加强燃烧在该条件下，引燃可在较高的局部氧条件下发生。本发明的方法缓解了与喷入的燃料燃烧不佳或不完全相关的操作问题，这种燃烧不良或不完全一直导致对常规高炉作业中的矿物燃料喷射率的限制。
热氧枪最好以等于或类似于燃料枪角度的一个角度穿过直吹管的壁，而且热氧枪的末端应这样定位使氧气流和喷入的燃料流在尽可能靠近燃料枪的末端处交汇。两枪末端间的距离可在5-50倍的氧喷出口直径间变化，这个直径确定着氧气流的起始直径。较为靠近的距离为混合提供了较高的冲量转移，但这也会引起燃料枪过热。较大的距离会导致过分的稀释，因而热氧气流被鼓入的空气冷却。但，在该距离范围内，热氧枪末端的位置可与直吹管壁齐平，从而提供了抗御鼓风的保护，及潜在地延长了枪的寿命。由于热氧气流的高温和高冲量，它将能穿过鼓风气流，然后与喷入的燃料混合。
燃料与热氧气流在鼓风气流中的结合，形成了热鼓风流10。现再参见图1，这种热鼓风气流被通入高炉11，然后在其中被用来产生热和还原性气体。废气作为废气流12从高炉11中排放。
下面的实施例用于进一步说明本发明，或提供一种对比，以证明本发明的优点。无意将它们视为限制。
图3和4以图解的形式说明在实验规模的直吹管中进行研究的4种情况下的全部燃尽，挥发分释放(VM)和固定碳燃尽(FC)的结果(1)基准，其中未向鼓风气流供氧，(2)富集，其中于室温下，在鼓风炉上游处供氧，(3)冷喷射，以类似于图2所示的方式，但于室温下将氧供于鼓风气流中，(4)热喷射，其中，以类似于图2中所示的方式使用本发明的方法。在每种情况下，鼓风气流的鼓风速度为160m/秒，而鼓风温度为900℃。燃料是一般工业高炉作业中所用的那种经高速粉碎的煤，其分析值示于表1。以两种流量将燃料供于鼓风气流中7.5kg/h，其结果示于图3；9.5kg/h，其结果示于图4。
表1-煤的分析
在喷煤点下游0.75m处，通过用水急冷收集炭。按下式T=(A1-A0)A1(1-A0)]]&用对原煤中灰分含量的化学分析值A0及对收集到的炭的灰分含量的化学分析值A1确定煤中被燃尽部分的总份额T。挥发份R的释放，及固定碳C的燃烧，用该煤炭中的灰分、挥发分(V0)及固定炭(F0)的化学分析值及该炭中的灰分，挥发分(V1)及固定碳(F1)用下式R=1-V1A0V0A1]]&C=1-F1A0F0A1]]&确定。
当用氧时，用氧替换3.7m3/hr的空气流。为进行富氧试验，将空气和氧在室温下混合，然后将此混合物加热到900℃，以便使总气体流量、速度及温度与基准情况相同。为进行室温喷射试验，将93.7Nm3/hr的空气用于900℃的鼓风，而且经氧枪喷射3.7Nm3/hr的氧气。总的气体流量与基准情况中的相同，而由于所加的氧未经加热，所以温度下降。该室温氧的出口速度为60m/秒，或0.375倍于鼓风速度。用于进行室温喷射试验的氧的纯度为约99.99％。为进行热喷射试验，各项条件，除氧是用US.5,266,024(Anderson)中所公开的方法产生的，以及使其从热氧枪通入鼓风气流中。结果提供了1565℃、具有约375m/秒的速度或2.34倍于鼓风速度的速度的热氧外，是相同的。在此情况下，该氧的氧浓度为约80％(摩尔)。
图3和图4对比了喷煤速为7.5kg/hr和9.5kg/hr的每种情况下的总的燃尽、挥发分释放和固定碳燃尽。从图3和4中所列的结果可知，用氧在每种情况下都显示出较高的效能。实际上，热氧将以9.5kg/hr的速度喷入的煤全部燃尽，这比将以7.5kg/hr的速度喷入的煤全部燃尽的任何其它情况都要高，这表明用氧能成功地达到更高的喷煤率。
任何在直吹管/风嘴中未燃尽的炭都进入高炉，并与焦炭竞相燃烧。若此炭不具有充分的反应性，则它在炉中向上逸去，结果堵塞矿石/焦炭床。对收集到的炭进行辅助的试验，以便在高炉条件下对其反应性定量。使该炭的试样在热解重量分析仪中，在1700℃时，在含2％的氧和5％的氧，其余为含10％的CO2的氮的气氛中反应。用该炭的重量损失率来测量该反应性。图5展示了对于从每种情况下收集到的炭及从对高炉风嘴焦炭试样进行试验的结果。全部炭的试样的反应性均高于风嘴处焦炭的反应性，这表明它们将先于焦炭被煤掉，从而不会逸出及引起堵塞。由于用氧而烧成的炭最具反应性，从而使得本发明因用了热氧而有优于在高炉作业中的常规用氧方法的优点。
虽然本发明是参照某些较佳实施方案被陈述的，但本领域中的普通技术人员将知道在权利要求的精神和范围内还有本发明的其它实施方案。
1．将鼓风气流供入高炉的方法，它包括(A)形成具有鼓风速度和鼓风温度的鼓风气流，(B)将燃料通入该鼓风气流中；(C)将速度大于鼓风速度而温度大于鼓风温度的氧气流喷入鼓风气流中；(D)用氧使燃料在该鼓风气流中燃烧，从而形成热鼓风气流；(E)将此热鼓风气流通入高炉。
2．权利要求1的方法，其中该燃料包括煤。
3．权利要求1的方法，其中被喷入鼓风气流中的氧的温度为℃。
4．权利要求1的方法，其中被喷入鼓风气流中的氧的速度为至少是音速的一半。
5．权利要求3的方法，其中被喷入鼓风气流中的氧的速度至少为鼓风速度的1.5倍。
6．权利要求1的方法，其中氧气流在喷入鼓风气流中时有一起始直径，而且该氧气流以距燃料被通入该鼓风气流之处5-50倍于所述起始直径的距离被喷入该鼓风气流中。
一种用于将鼓风气流供入高炉的方法,其中,燃料和热氧被供入鼓风空气中,该热氧的温度和速度均大于鼓风空气的温度和速度,而且其中该燃料和氧在进入高炉之前在鼓风气流中开始燃烧。
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