钢 铁
IRON AND STEEL
Vol.35,No.5
M ay2000宝钢高炉大量喷煤时煤粉
在炉内的利用状况
徐万仁 李荣壬 钱 晖
(上海宝钢集团公司)
摘 要 通过炉尘取样,分析了宝钢高炉喷煤比增大到200kg t时炉尘灰量、炉尘碳含量及其中未燃煤粉含量的变化;分析了影响炉尘及未燃煤粉吹出量的因素。利用碳平衡模型对煤粉在炉内不同途径的消耗量进行了解析,计算和实测结果表明煤粉在炉内基本全部被消耗利用。根据数据回归证明高风温是实现高煤比和强化燃烧的基础,而富氧率的高低只是充分条件。
关键词 高喷煤比 炉尘 未燃煤粉 煤粉燃烧与利用α
STUDY ON UT I L IZAT I ON OF INJECT ING PUL VER IZED COAL
(IPC)AT H IGH IPC RAT I O ON BF AT BAOSTEEL
XU W an ren L I Rongren Q I AN H u i
(Shanghai B ao steel Group Co rp1)
ABSTRACT B y m ean s of analyzing sam p les,the change of b last fu rnace(B F)du st vo lum e, carbon and unbu rned p u lverized coal(U PC)con ten t in du st at in jected p u lverized coal rati o (IPCR)of200kg t on B F and the facto rs w h ich m ay influence the vo lum e of B F du st and char flow ed2off is studied1B y app lying the carbon balance m odel the con sum p ti on of PC in differen t w ays in B F is in terp reted1Bo th the calcu lated and m easu red resu lts indicate that the PC are sub stan tially con sum ed in B F1A cco rding to the statistical data,the h igh b last tem p eratu re is the basic conditi on of h igh IPCR and in ten sified com bu sti on,w h ile the O2 en richm en t is on ly a necessary facto r1
KEY WORD S h igh IPCR,B F du st,U PC,com bu sti on and u tilizati on of PC
1 前言
1998年6月以来,宝钢高炉喷煤比连创新高。截止到1999年10月,宝钢3号高炉喷煤比已连续17个月保持在200kg t以上;1号高炉1999年1～3月稳定喷煤量为230kg t,4月份和9月份还分别创造了25214kg t和26016kg t新纪录。这些指标是在较高利用系数、较低富氧率下实现的,表明宝钢高炉喷煤技术达到了世界先进水平。在高煤比操作条件下,风口前煤粉燃烧状况、炉尘未燃煤粉(残炭)逸出状况如何,是高炉操作者十分关心的问题。本文通过对炉尘大量取样检测,分析了宝钢高炉增大喷煤比过程中残炭吹出量的变化。采用生产数据回归和炉内碳平衡分析方法对高喷煤比、残炭逸出与煤粉燃烧利用的关系进行了深入研究。
2 炉尘灰及未燃煤粉吹出量的变化
211 炉尘灰比及其碳含量的变化
1、3号高炉炉尘灰比随喷煤量增加的变化趋势如图1。由图1可见,3号高炉煤比由80kg t增加到150kg t时,一、二次灰比(一次灰指重力除尘灰,二次灰指文氏清洗沉淀泥)下降;150～180kg t 煤比范围,一、二次灰比变化不大。但煤比超过180 kg t后,一、二次灰量明显上升,200kg t以上时灰量上升更加显著。喷煤150kg t以下时,一、二次灰比随喷煤比提高、入炉焦比降低而下降,未燃煤粉没
α()
有吹出或吹出很少,使总炉尘量减少。1号高炉喷煤系统投产后,其喷煤比提高迅速,炉尘灰量亦显著增加。同3号高炉相比,1号高炉煤比超过220kg t 时,其二次灰量反而高于一次灰量,且随喷煤量提高,灰比大幅度上升。根据这些规律可以认为,在宝钢高炉喷煤条件下,180kg t 是喷煤第一层次,200
kg t 为第二层次,220kg t 为第三层次,250kg t
则为更高的层次(台阶)。传统认识和许多厂家把富
氧喷煤150kg t 视为增大喷煤比的第一台阶,宝钢的实践使之推后30kg t ,表明宝钢高炉具有良好的接受大喷煤量的能力。
高炉一、
二次灰碳含量随喷煤比增大的变化规
图1 高炉灰比随喷煤量增加的变化
F ig 11 Changing of BF du st amoun t vs PCR
(a )1号高炉;(b )3号高炉
●—一次灰比;○—二次灰比
律如图2。3号高炉一次灰碳含量变化趋势与一次灰
比相近,即小于180kg t 煤比时随喷煤量增大一次灰碳含量下降,超过180kg t 和200kg t 则碳含量呈阶梯性上升。1号高炉一次灰碳含量变化与3号高炉规律相似,当煤比超过220kg t 时碳含量上升
幅度增大。这些规律与增大煤比的层次性一致。由
图2看到,1、3号高炉二次灰碳含量均高于一次灰,而且1号高炉喷煤量增大到220kg t 以上时二次灰碳含量显著升高。212
炉尘未燃煤粉的逸出量
图2 炉尘碳含量随喷煤比增加的变化
F ig 12 Changing of carbon con ten t in BF du sts vs PCR
(a )1号高炉;(b )3号高炉
○—一次灰;●—二次灰
2号高炉一次灰和3号高炉二次灰中未燃煤粉及粉焦的含量随喷煤比增加的变化如图3所示。显微镜下观察(在镜下根据颗粒形态、显微结构、光学特征等可明显分辨出焦末和未燃煤粉)测定表明,喷煤170kg t 以下时,一、二次灰中无未燃煤粉;170～220kg t 煤比时,一次灰中粉焦较二次灰中多;随喷煤量增大,二次灰中未燃煤粉量增加而粉焦量减少;当煤比超过200kg t ,尤其在220kg t 时,二次
灰中未燃煤粉及粉焦量均明显上升,且粉焦量增幅
较大。180kg t 煤比以下时,随喷煤量增大,炉尘灰量、碳含量及其中粉焦量的下降主要是入炉焦比降低的结果。煤比超过200kg t 时,入炉煤粉不能在炉内全部消耗,而且焦炭因负荷加重和炉内停留时间延长所导致的粉化加剧,因而炉尘灰量、碳含量上升,炉尘中未燃煤粉和粉焦比例增加。但即使煤比达到200kg t 以上,炉尘中未燃煤粉量仍较少,一次
・6・钢 铁 第35卷
灰中2%～4%,二次灰中5%～10%。镜下测定表明,一次灰中矿粉比焦末多,而二次灰中焦粉比矿粉多,且二次灰的颗粒尺寸比一次灰约小一半。二次灰碳含量和其中未燃煤粉、粉焦量比一次灰高,这是因
为较细的焦末及未燃煤粉轻、粒度小,从炉顶逸出后
需氏管洗涤才能捕获下来,主要进入二次灰中,故含量较高。
213
煤粉在炉内的利用率
图3 炉尘未燃煤粉及粉焦量随喷煤比增大的变化
F ig 13 Changing of U PC and fine coke con ten t in du sts vs PCR
(a )2号高炉一次灰;(b )3号高炉二次灰
○—粉焦量;●—未燃煤粉量
根据入炉煤粉量、焦炭量和炉尘逸出的未燃煤粉及粉焦量,可按下式计算未燃煤粉的吹出率和煤粉在炉内的利用率:
未燃煤粉吹出率(%)=(一次灰比(kg t )×一次灰中未燃煤粉量(%)+二次灰比(kg t )×二次灰中未燃煤粉量(%)) (煤比(kg t ))
煤粉在炉内利用率(%)=1-未燃煤粉吹出率(%)
总炭吹出率%=(一次灰比(kg t )×一次灰中总炭量(%)+二次灰比(kg t )×二次灰中总炭量(%)) (燃料比(kg t ))
总炭利用率(%)=1-总炭吹出率(%)上式中总炭为炉尘中未燃煤粉与粉焦的总和。
2、3号高炉不同喷煤比操作时未燃煤粉吹出率
和煤粉利用率计算结果见表1。由表1可见,当喷煤比由160～170kg t 增大到200～210kg t 时,未燃煤粉吹出率由015%～017%增加到113%～116%,煤粉利用率则由9913%下降到9815%。从
总炭吹出率和总炭利用率看,随喷煤比增大二者变化不大,说明燃料比基本未有增加。高炉操作实绩也证实了这一点。喷煤200kg t 水平时未燃煤粉吹出量相对于入炉煤粉量仍很少,可以认为煤粉在炉内基本被消耗利用了。3 分析与讨论
311 炉尘及未燃煤粉吹出量的影响因素
表1 实际未燃煤粉吹出率和煤粉利用率
T ab le 1 U PC flow 2off and u tilizati on rati o of PC
高炉
煤比
kg ・t -1
未燃煤粉吹出率 %
总炭吹
出率
%煤粉利用率
%总炭利用率
%2号16010015621339914097167166100169215099130971503号
190120144118499150981162011811482130981529717021011113321181709718221415
1158
2129
98140
97171
高炉炉尘及其含碳成分的吹出量主要取决于原燃料质量、喷煤量大小、煤粉燃烧和未燃煤粉利用程度、高炉压差、炉况稳定性等。由图4可见,炉顶压力增加40kPa ,一、二次灰比下降315～6kg t 。这说明在增大喷煤比的操作中,适当提高顶压,降低炉顶煤气流速,对降低炉尘吹出量,减少矿粉和含碳燃料的损失,降低燃料比和生产成本是十分有利的。图4表明,提高富氧率对减少炉尘灰量影响不显著。312 煤粉在炉内燃烧利用状况的解析
煤粉在高炉内的行为和消耗利用途径,按其消耗比例,可大致划成如图5所示的几大部分。喷入高炉的煤粉大部分在风口前燃烧,未燃尽的残炭部分积存在炉缸(死料柱表面)内,参加铁水渗碳和非铁元素还原等;其余随煤气流上升,部分粘附在软熔带的熔融渣铁层上,进行FeO 的直接还原和碳气化反
・
7・第5期 徐万仁等:宝钢高炉大量喷煤时煤粉在炉内的利用状况
图4 顶压和富氧率对炉尘量的影响
F ig14 Effect of top p ressu re and O2en richm en t on du st amoun t
●—一次灰比;○—二次灰比
应。未燃煤粉在块状带主要通过气化反应消耗。未
在炉内消耗利用的煤粉将随炉顶煤气逸出炉外。可
见,提高风口前煤粉燃烧率,改善未燃煤粉的消耗利
用率,都会有效地降低未燃煤粉的逸出量。
碳输入炉内变化碳输出
煤粉焦炭风口前燃烧(O2)、气化(H2O)
铁水渗碳
Si、M n、P、T i等非铁元素还原
高炉下部FeO直接还原
高炉上部碳气化反应(C+CO2=
2CO)
炉顶煤气
(CO、CO2)
生铁、炉渣中
炉尘灰中
图5 高炉碳平衡示意图
F ig15 Carbon balance diagram in BF
根据高炉内煤粉和焦炭燃烧、各种还原反应、气化反应、渗碳反应等消耗过程,及总输入碳和总输出(消耗)碳的平衡,用简单的模型对高炉不同喷煤比操作时碳在炉内以不同途径消耗利用的数量进行计算,结果见图6。从图6中看出,风口燃烧碳量约250 kg t,直接还原为80～100kg t,铁水渗碳约50kg t。随喷煤量增加,风口燃烧碳量减少,直接还原消耗碳量增加,一、二次灰中碳量上升。计算各途径消耗碳量占总输出(消耗)碳量的比例,可得到总碳燃烧率、总碳吹出率和总碳利用率,如表2所示。由表2可知,风口前碳燃烧率为60%～65%。喷煤200～210kg t时模型计算的总碳吹出率为117%～211%,比实测结果略低。宝钢高炉长期稳定喷煤200kg t,且保持510kg t左右的较低燃料比,缘于采用了合理煤气流分布控制技术和高煤气利用率操作方法。煤粉在高炉内能够被充分消耗利用,故未燃煤粉吹出量很少。宝钢高炉高煤比操作中,采用1250℃高风温、14g m3低湿分鼓风。通过调整风口面积和布料方式,确保较强的中心气流,并使CO 利用率提高到51%～52%。扩大了煤粉燃烧、软熔带未燃煤粉直接还原和块状带碳气化比例,提高了未燃煤粉炉内利用率,使炉顶吹出的未燃煤粉较少。
图6 3号高炉入炉碳消耗量分析
F ig16 A nalyzed resu lt of carbon con sump ti on
amoun t in BF
○—风口燃烧碳;×—水耗碳;;●—直接还原碳;
—Si、M n还原碳;■—铁水渗碳;△—
一、二次灰中碳
313 实现高煤比操作与风口燃烧条件的关系提高风口前煤粉燃烧率是实现高煤比操作和减少炉顶未燃煤粉吹出量的重要条件。过去国内外认为喷煤200kg t需要富氧4%～6%,宝钢高炉能在喷吹较粗的煤粉(混煤挥发分20%～22%,煤粉粒度小于01074mm比例为20%～30%)、使用115%～210%的较低富氧率下实现喷煤200kg t,且长期稳定,使用高风温起了关键作用。宝钢高炉煤比与鼓风条件的回归关系如图7。由图7明显看
・
8
・钢 铁 第35卷
表2 高炉总碳燃烧率、吹出率和利用率模型计算结果
T ab le 2 Calcu lated resu lts by carbon balance model
2号高炉
3号高炉
煤比 kg ・t -1
燃烧率 %
吹出率 %
利用率 %
煤比 kg ・t -1
燃烧率 %
吹出率 %
利用率 %
73195715111998181921560171157981438611591511849811692166312116298130196019110819211316621501859911511213581611559814511517621111059819516010631411799812120919621621119711661061151188112210196214117098129170106018119810221415591711929810817116
5915
1173
98127
21712
6017
1173
981
27
图7 喷煤比与鼓风条件的关系
F ig 17 PCR vs b last conditi on s
出,喷煤量与风温、湿分直接相关,而与富氧率相关
性小,说明高风温热补偿是实现高喷煤比的重要基础,而富氧率的高低不是必要条件。2号高炉1998年9月成功实现连续半个月无富氧喷煤160～170kg t 充分证明了这一结论。
2号高炉1998年9月16～28日因制氧系统限氧实施无富氧喷煤操作,富氧率由原115%降为零。此时高炉采取提高风温(由1220℃提高到1250
℃)、降低湿分(由18g m 3降到14g m 3
)措施,使风口前理论燃烧温度维持2000℃,炉缸仍很活跃,高炉顺行良好。从炉尘灰量及其碳含量看(图8),与富氧1146%、喷煤180～190kg t 时相比,仅一次灰量有所增加,一次灰和二次灰碳含量以及一次灰中未燃煤粉量基本相同。说明风口前煤粉没有因无富氧而明显降低燃烧率,未燃煤粉量没有增加。可见高风温带入的物理热对保持一定的煤粉燃烧率起了重要作用。上述操作实践也说明喷吹较粗的煤粉、使用较低的富氧率同样可实现高煤比操作,而传统煤粉粒度小于01074mm 占80%是不合算的。煤粉燃烧的第一个阶段是热分解,此时热补偿或强化煤粉与热风混合极为重要,而氧气只对残炭燃烧阶段起主要作用,但到此阶段鼓风中的氧已被煤气流稀释了,其强化燃烧的作用不能充分发挥出来
。
图8 不同富氧率时2号高炉炉尘灰量及
其碳含量(未燃煤粉)的变化
F ig 18 Changing of N o 12BF du st amoun t and its carbon (char )con ten t in differen t oxygen en richm en t
●—碳含量;○—未燃煤粉碳含量
(下转第29页)
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9・第5期 徐万仁等:宝钢高炉大量喷煤时煤粉在炉内的利用状况
T ab le7 A nalysis of m echan ical p roperty on refin ing w heel steel
性能指标抗拉强度
N・mm-2
伸长率
%
断面收缩率
%
冲击功 J
常温-60℃
硬度(HB)
平均值1029100014103414703119007117021750标准误差3106101152014790170131711461中值103010001510003510003110008100021000模式10401000151000351000251000810002871000标准偏差30160811524417877163601709141612样本方差936186921321221918581313117602131523峰值-013150178301967-01518-01691221150偏斜度01150011020125501253-11054-31013区域150100091000281000331000315001311000最小值96010001010002310001610005100011000最大值11101000191000511000491000815003201000求和1029001000141000344710003190100076515002751000计数100100100100100100置信区间6107301302019501151501756219
得到进一步优化、改善,完全符合新铁标的技术条件。
(3)A类、C类、D类夹杂控制级别满足标准要求;B类夹杂控制级别全部小于等于1级,仍需进一步研究脱氧工艺和夹杂的变形处理。
参 考 文 献
1 蒋国昌1纯净钢及二次精炼1上海:上海科学技术出版社,19951
2 知 水,王 平,侯树庭1特殊钢炉外精炼1北京:原子能出版社,19961 3 盛 骤1概率论及数理统计1北京:高等教育出版社,191
(上接第9页)
4 结论
(1)炉尘取样分析表明,宝钢高炉喷煤180kg t以上时,随喷煤量增大炉尘灰量及其中碳含量上升,炉尘中未燃煤粉和粉焦量增加。喷煤200 kg t时,一次灰中未燃煤粉占2%～4%,二次灰中占5%～10%。未燃煤粉吹出率113%～116%,煤粉在炉内利用率达到9815%以上。认为煤粉在炉内基本都被燃烧、利用了。
(2)提高炉顶压力可有效降低炉尘及未燃煤粉的吹出量。炉顶压力提高40kPa,一、二次灰比可下降315～6kg t。
(3)碳平衡计算得知,煤粉在高炉内主要通过风口前燃烧、FeO直接还原、碳气化反应和铁水渗碳途径消耗利用。风口前碳燃烧率为60%～65%。强化燃烧、增加直接还原和碳气化反应耗碳能力,都能提高煤粉利用率,减少其逸出量,从而降低燃料比。
(4)回归分析表明,高风温是实现高煤比和促进煤粉燃烧的基础与必要条件,而富氧率的大小只是充分条件。宝钢高炉操作实践证明,喷吹较粗粒度的煤粉和使用较低的鼓风富氧率同样可实现高煤比操作。
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第5期 高海潮等:快速车轮钢的质量控制下载本文
