内容提示:第48 卷第6 期2 0 1 3 年 6 月钢铁I ron and S t e e lVo l.48, No.6Jun e2013高富氧喷煤对高炉冶炼影响的分析闫彩菊1,程相利2,高建军2,周渝生2(1. 中钢集团工程设计研究院有限公司, 北京100080;2. 钢铁研究总院先进钢铁流程及材料国家重点实验室, 北京100081)摘要: 通过分析高富氧喷煤后焦炭在高炉中的作用 及炉内 冶炼参数的变化, 在富氧、 喷煤、 风温、 装料制度、 上下部调剂等方面合理配合条件下, 可提高煤粉燃烧率, 维持较高的 风口 理论燃烧温度, 减少炉腹煤气量, 提高生产效率。 高富氧喷煤达到焦比和煤比各占一半时, 焦炭量能够满足直接还原和渗碳需求。 为了 满足焦 炭骨架作用 , 需要...

  第48 卷第6 期2 0 1 3 年 6 月钢铁I ron and S t e e lVo l.48, No.6Jun e2013高富氧喷煤对高炉冶炼影响的分析闫彩菊1,程相利2,高建军2,周渝生2(1. 中钢集团工程设计研究院有限公司, 北京100080;2. 钢铁研究总院先进钢铁流程及材料国家重点实验室, 北京100081)摘要: 通过分析高富氧喷煤后焦炭在高炉中的作用 及炉内 冶炼参数的变化, 在富氧、 喷煤、 风温、 装料制度、 上下部调剂等方面合理配合条件下, 可提高煤粉燃烧率, 维持较高的 风口 理论燃烧温度, 减少炉腹煤气量, 提高生产效率。 高富氧喷煤达到焦比和煤比各占一半时, 焦炭量能够满足直接还原和渗碳需求。 为了 满足焦 炭骨架作用 , 需要使用 反应性差和耐磨性好的焦炭。关键词: 高炉; 富氧; 喷煤; 焦比; 煤比文献标志码: A文章编号:0449-749X(2013)06-0025- 04E f f e c t o f H igh Oxy g en En r i chm en t PC Ion BF I r on-Mak ingYAN C a i- ju1,CHENG X iang- l i (1. S in o s t e e l E n g in e e r in g D e s i g n a n d R e s e a r ch I n s t i tu t e C o.,L t d.,B e i j in g 100080,Ch in a;2. S t a t e K e y L a b o r a t o r yo f A d v a n c e d S t e e l P r o c e s s e s a n d P r od u c t s,C e n t r a l I r on a n d S t e e l R e s e a r ch In s t i tu t e,B e i j in g 100081,C h in a)2,GAO J i an- jun2,ZHOU Yu- sh en g2Ab s t r a c t:B y an a ly z in g th e ro l e o f cok e and th e v a r i e ty o f p r o ce s s p a r am e t e r s wh en h igh ox yg en en r i chm en t PC I w a sad op t ed,und e r th e p r op e r cond i t ion o f ox yg en en r i chm en t,PC I,b l a s t t emp e r a tu r e,ch a r g in g sy s t em,th e m a t ch in gr e l a t ion sh ip b e tw e en ch a r g in g sy s t em and b l a s t sy s t em,th e f o l low in g r e su l t s can b e a ch i ev ed,su ch a s imp r ov in g th ecombu s t ion r a t e o f pu lv e r i z ed coa l, m a in t a in in g h igh tuy e r e t emp e r a tu r e,r edu c in g bo sh g a s an d enh an c in g p rodu c-t iv i ty. Wh en cok e r a t e and coa l r a t e i s h a l f to h a l f in h igh ox y g en en r i chm en t PC I,qu an t i ty o f cok e can m e e t d i r e c tr edu c t ion and c a rbu r i z a t ion r e qu i r em en t. L ow r e a c t iv i t y an d h igh ab r a s ion r e s i s t an c e cok e i s n e c e s sa r y in o rd e r top l a y a sk e l e t a l ro l e.K ey w o r d s:b l a s t fu rn a c e;ox yg en en r i chm en t;pu lv e r i z ed coa l in je c t ion(PC I) ;cok e r a t io;coa l r a t io作者简介: 闫彩菊(1963) , 女, 大学本科, 教授级高级工程师;E-m a i l:y c j1393310@q q.com;收稿日 期:2012- 08- 1020 世纪的石油 危机促进了 高炉喷煤技术迅速发展[1]。 高炉喷煤是一种下部调节的有效手段, 同时降低焦比, 大幅度降低炼铁成本。 近几年, 煤、 焦价格差距拉大, 制氧成本降低, 高富氧喷煤效益越来越显著。 1999 年4 月 份和9 月 份, 宝钢1 号高炉分别创 造 了 吨 铁 喷 煤 量252. 4 和260. 6kg 的 新 纪录[2]。 达涅利Co ru s 7 号高炉长期稳定的生产实践表明, 高炉富氧率提高18% ~20%, 焦 炭和煤粉各占一半是可行的, 能够显著提高生产效率, 提高产量。 中 国 煤炭资源丰富, 焦 煤资源紧缺, 在此背景下, 中国 “十二五” 科技支撑项目 (2011BAC 01B 01)进行了高炉高富氧喷煤的工艺技术研究。 通过分析高富氧喷煤后焦炭及炉内 冶炼参数的变化, 高炉富氧率提高到20%左右, 喷煤量达到250kg/t 左右,焦比降低到250~260kg/t 是可行的, 具有明显的经济效益。1高富氧喷煤对焦炭的影响1.1高炉内直接还原和渗碳需要的焦炭焦炭在高炉中的作用之一是矿石的直接还原和铁水渗碳[3]。 矿石加入高炉后, 在炉身进行间 接还原, 热量消耗少, 希望间接还原度高。 因炉内煤气还原势和还原动力学条件限制, 炉料不可能完全间接还原, 在高炉下部发生焦炭与炉料的直接还原反应。铁水渗碳大部分在下部死焦层进行, 铁水中的碳主要由焦炭提供。 通过模型计算, 图1 说明 了 在满足铁水渗碳和直接还原条件下, 直接还原度与理论最低焦比的关系。由图1 可知, 随着直接还原度的提高, 焦炭需要量逐渐增加。 直接还原度增加0.1 时, 焦炭需要量增加约25kg。 在直接还原度为0 的极限条件下, 铁水渗碳也需要一定量的焦炭。 普通高炉的直接还原 钢铁第48 卷图1直接还原度与理论最低焦比关系F ig.1R e l a t i on sh ip b e tw e en d i r e c t r ed u c t i on andth e o r e t i c a l m in imum c ok e r a t i o度一 般 在 0. 5 左 右, 对 应 的 理 论 最 低 焦 比 约 为190kg/t。 如果能够降低直接还原度, 就可以 进一步降低理论最低焦比。 实际生产的普通高炉焦比远远高于理论最低焦比, 主要是为了 满足炉料透气性和顺行的要求。 煤粉的 有效热值一般都低于焦炭,喷吹煤粉会降低炉缸热量, 提高热风温度和脱湿鼓风等措施可以弥补炉缸热量的不足。1.2骨架作用对焦炭质量的要求焦炭 在 高 炉 内 的 另 一 个 主 要 作 用 是 骨 架 作用[3]。 当有气流上升时, 可以用 修正的 杨森压力 公式描述[4]:Ph =D -P(4f)H1 -ex p -4f[()]hD式中:Ph表示在一个直径为D, 高度为H, 装满散料的圆形竖 炉 中, 在 任 何 深 度h 处, 散 料 的 静 压 力,10-5MP a;为炉料的平均容积质量,kg/m3;f为炉料与炉墙的动摩擦因 数,0<f <1;为炉料的 侧 压力系数, 对于液体,=1, 对于刚体,=0, 对于散料,0 <<1;P/H 为 散 料 柱 中 气 流 的 压 降 梯 度,P a/m。由于焦炭比重低于矿石, 随着焦比降低, 炉料的平均容积质量增大。 由 杨森公式计算得到, 随炉料平均容积质量增大, 炉料的静压力 增大。 假定其他参数不变, 焦比与炉内 焦炭承受的 最大压力 关系如图2 所示。由图2 可知, 随着焦比降低, 炉内焦炭承受的负荷增大, 压 力 逐 渐 增 大, 但 增 大 幅 度 不 大。 焦 比400kg/t 时, 炉内焦炭承受的最大压力为71kP a; 当焦比降到160kg/t, 炉内 焦炭承受的最大负荷为100kP a。 现代 冶 金 焦 的 冷 抗 压 强 度 一 般 为5 000 ~图2焦炭承受最大压力与焦比的关系F ig.2R e la t i on sh ip b e tw e en th e m a x im um p r e s s u r ef o r c ok e and c ok e r a t i o6 000kP a, 远远高于计算的 焦 炭负 荷。 随着高炉 焦比降低, 尽管炉内焦炭承受的最大压力增加, 但焦炭的抗压强度完全能够满足需要。尽管冶金焦炭的抗压强度满足高炉炼铁要求,但高富氧喷煤要求焦 炭具有高的 反应后耐磨强度。主要原因是, 随着喷煤量增加, 风口前回旋区的粉尘增多, 风口前高速气流使焦炭剧烈运动。 如 果焦炭反应性好及热耐磨强度低, 焦炭磨损会产生粉焦, 粉焦堵塞煤气流通道, 导致炉况不顺, 冶炼不稳定。 所以, 高富氧喷煤需要焦炭反应性低及耐磨强度高。1.3富氧喷煤对焦比的影响高富氧喷煤的一个显著特点是降低焦炭消耗,但煤粉与焦炭之间存在一定的置换关系。 煤粉与焦炭的置换关系与煤粉和焦 炭中的 固定碳含量有关。图3 给出在煤粉固定碳质量分数为75%、 焦炭固定碳质量分数为85%的 条件 下, 随 着 鼓风 富 氧率 提高, 模型计算得到的煤粉和焦炭需要量。由图3 可知, 随着鼓风氧含量增加, 煤粉喷吹量图3不同鼓风氧含量时煤粉和焦炭需要量F ig.3R equ i r em en t o f c o a l f in e s and c ok e un d e r th ec ond i t i on s o f d i f f e r en t o xy g en c on t en t62 第6 期闫彩菊等: 高富氧喷煤对高炉冶炼影响的分析逐渐增大, 焦炭消耗逐渐降低, 但变化幅度趋缓。 在鼓风 不 富 氧 条 件 下, 焦 比 约 为 420kg/t, 煤 比 约70kg/t。 随着鼓风富 氧率提高, 喷 煤 量逐渐增 大,焦比逐渐降低。 当鼓风富氧率约为12%时, 焦比和煤比基本相 同, 分别 为279kg/t 和277kg/t。 焦 炭与煤粉的置换比与焦炭质量和煤粉燃烧情况有关。在上述假设条件下, 煤粉和焦炭之间的 置换比约为0. 67。 要想得到较高的置换比, 需要选用 固 定碳含量高、燃烧性能好的煤。试验研究表明, 选用不同种类的煤粉混合喷吹,在保证较高的风温水平和较好的高炉操作水平前提下, 能够有效提高煤粉燃烧率[5], 提高煤粉与焦炭之间的置换比。2高富氧喷煤对冶炼工艺的影响2.1煤粉燃烧率对高炉操作的影响高炉富氧喷煤后, 煤粉置换焦炭的量与煤粉的燃烧率有关。 煤粉燃烧率高, 未燃煤粉颗粒少, 化学能利用充分, 有利 于降低焦比和炉况稳定顺行。 如果煤粉燃烧率低, 煤粉化学能得不到充分利用 , 煤粉与焦炭的置换比低。 此外, 大量未燃煤粉吸附在焦炭和矿石孔隙中, 阻塞煤气流通道, 导致炉况不顺。煤粉燃烧率与煤粉性能、 粒度、 鼓风氧含量、 氧煤枪装置及喷吹制度等因素有关。 高炉喷吹煤粉燃烧机制的研究已经非常深入[6], 燃烧性能好的烟煤大规模用于高炉喷吹, 取得良好效果。 高炉富氧喷煤时,在保证高风温水平前提下, 随着鼓风中氧含量增加,可以大幅度提高喷煤量, 煤粉燃烧率降低很少。近几年, 国外有人研究用木炭代替煤粉, 由于木炭灰分少, 燃烧效果好, 可以大幅度提高木炭与焦炭的置换比。 中国木炭资源量少, 以木炭代替煤粉喷吹的潜力较小。2.2高富氧喷煤对理论燃烧温度的影响高炉喷吹煤粉时, 冷煤粉在风口燃烧, 挥发组分分解吸热, 降低风口 前的 理论燃烧温度。 如 果理论燃烧温度低, 一方面降低煤粉燃烧率, 另一方面影响炉缸热状态, 导致炉缸热量不足。 高炉富氧鼓风可以提高风口理论燃烧温度, 有效缓解煤粉热分解吸热。 计算得知, 如果风温保持不变, 每吨铁的煤粉喷吹量增加10kg, 风口 的 理论燃烧温度约降低21 ~35 ℃; 如果鼓风富氧率提高1%, 风口 的理论燃烧温度提高约40 ℃。可见, 为了 得到较高的风口 理论燃烧温度和维持良好的炉缸热状态, 高炉喷煤与鼓风富氧需要合理匹配, 以利于提高煤粉燃烧率, 维持高炉缸稳定顺行。 在鼓风富氧率12%、 焦 比和煤比基本相 同 时,常规操作相比, 风口 的 理论燃烧温度有一定程度的增加, 能够维持良好的炉缸热状态。2.3高富氧喷煤对炉内 煤气量的影响高炉富氧后鼓风量降低, 炉顶煤气量也会降低。模型计算得到的鼓风氧含量(体积分数) 与炉顶煤气量之间的关系如图4 所示。图4炉顶煤气量与鼓风氧含量的关系F ig.4R e la t i on sh ip b e tw e en ga s v o lum e and b l a s to xy g en c on t en t in f u rn a c e t op由图4 可知, 随着鼓风氧含量增加, 炉顶煤气量降低非常明显。 鼓风氧含量从21%提高到39%时,炉顶煤气量从1 588m3/t 降低到1 323m3/t, 减少了265m3/t。 富氧率每提高2%, 炉顶煤气量平均减少约30m3/t。 高炉富氧鼓风后, 热风量减少, 热风带入炉内的物理热减少。 尽管热风带入炉内的物理热减少及煤气量减少, 但大量喷吹煤粉能够缓解炉料压损增加和透气性变坏的 趋势。 此外, 煤气水当 量减小后, 炉顶煤气温度会降低, 炉顶煤气带走的物理热减少。 尽管富氧鼓风的 煤气量减少, 但煤气中还原性气体浓度高, 氮气浓度低, 煤气还原性增强, 从而促进还原反应进行。2.4高富氧喷煤的经济效益在风温及高炉操作良好匹配的前提下, 高富氧喷煤不仅可以降低焦 炭消耗, 而且可以降低炼铁成本。 尤其是随着制氧成本大幅度下降, 富氧喷煤炼铁的成本优势更加明 显。 假设焦炭1 800 元/t, 煤粉900 元/t, 氧气0.4 元/m3, 每吨铁的 这3 项成本与鼓风含氧量的关系如图5 所示。 这3 项燃耗成本=焦炭耗量×焦炭价格+煤粉耗量×煤粉价格+氧气耗量×氧气价格。在高炉正常操作的前提下, 随着鼓风含氧量增加, 相应的煤粉喷吹量也增大。 尽管氧气需要量增72 钢铁第48 卷图5吨铁燃耗成本与鼓风氧含量的关系F ig.5R e l a t i on sh ip b e tw e en b u rn-up c o s t s and b la s to xy g en c on t en t o f t on s o f i r on大使燃耗成本增加, 但提高煤粉喷吹量后, 降低的焦炭成本完全可以 弥 补 富 氧增 加的 成本。 由 图5 可知, 鼓风富氧后, 燃耗成本逐渐降低, 富氧率从0%增加到18%, 吨铁燃耗成本降低了18 元, 平均富氧率每增加1%, 吨铁燃耗成本降低1 元。实际生产中, 受煤粉燃烧率和炉况稳定顺行的限制, 富氧率不可能无限提高。 在富氧率12%时,焦比和煤比基本相同, 吨铁燃耗成本可降低12 元。此外, 高炉富氧喷煤可以增加产量10%以上, 进一步降低炼铁成本。由 于钢铁企业燃料价格差别较大, 即使燃耗量相等, 燃耗成本也不同。 钢铁企业应根据自 身燃料条件, 确定合适的喷煤量和富氧率。 此外, 高富氧喷煤能大幅度减少稀缺的焦 煤资源消耗, 对钢铁企业可持续发展具有重要意义。3结论1) 尽管焦炭抗压强度满足高炉高富氧喷煤的要求, 由于喷吹煤粉对焦炭的冲刷作用 , 高富氧喷煤要求反应性低、耐磨强度高的焦炭。2) 高炉提高喷煤量后, 风口的理论燃烧温度降低, 鼓风富氧可以提高风口 理论燃烧温度。 模型计算可知, 喷煤量增加10kg/t 可使风口理论燃烧温度降低21~35 ℃, 富氧率提高1%可使风口 理论燃烧温度升高约40 ℃。3) 高富氧喷煤使炉内煤气量减少, 富氧率提高2%可使炉 顶 煤气量减少 约30m3/t。 煤 气量 减 少时, 大量喷煤可以缓解炉料压损增加和透气性变坏的趋势。 此外, 煤气的水当量减少, 炉顶煤气温度降低。4) 高炉富氧鼓风增加煤粉喷吹量和氧气用 量,降低焦 炭 消 耗。 按 焦 炭 价 格1 800 元/t, 煤 粉 价 格900 元/t, 氧气价格0.4 元/m3计算, 在高炉正常操作前提下, 富氧率每提高1%, 吨铁燃耗成本约降低1 元。参考文献:[1]杨天钧, 苍大强, 丁玉龙. 高炉富氧煤粉喷吹[M]. 北京: 冶金工业出 版社,1996.[2]徐万仁, 李荣壬, 钱晖. 宝钢高炉大量喷煤时煤粉在炉内 的利用 状况[J]. 钢铁,2000,35(5) :5.[3]王筱留. 钢铁冶金学: 炼铁部分[M]. 北京: 冶金工业出 版社,2006.[4]杨永宜. 杨永宜论文集[M]. 北京: 冶金工业出 版社,1997.[5]杨天 钧, 刘 应 书, 杨 珉. 高 炉 富 氧 喷 煤 氧 煤 混 合 与 燃 烧[M]. 北京: 科学出 版社,1998.[6]Nog am i H i ro sh i, Y ag i Jun - i ch i ro, S amp a io Ron a ldo S an to s.Ex e r gy An a ly s i s o f Ch a r coa l Ch a r g ing Op e r a t ion o f B l a s t Fu r-n a c e[J]. IS I J In t e rn a t ion a l,2004,44(10) :1646.82