淺談未燃煤粉在高爐中的行為

1、淺談未燃煤粉在高爐中的行為摘要：高爐內未燃煤粉量與噴煤量、煤粉粒度及風口前燃燒率密切相關。煤粉噴入高爐后,風口前未完全燃盡的煤粉以未燃煤粉的形式進人爐缸,傳統(tǒng)的思維方式認為未燃煤粉將給高爐操作帶來困難，應當盡量減少進人爐缸的未燃煤粉量。但近幾年的研究表明,未燃煤粉在高爐內具有有利和不利雙重作用。本文從煤粉在爐內行徑，爐內分布，對渣粘度，焦炭反應性能的影響來分析未燃煤粉在高爐中的行為。關鍵詞：未燃煤粉：爐渣粘度：焦炭反應性能中圖分類號：TF086 文獻標識碼：A 文章編號：The Analysis of Performance of Unburned Coal Powders in Blast

2、FurnaceYu Yang, Dong Chunlei, Zhao Xinliang, Dong Yanchun, Du Guangkuo(Guofeng Iron and Steel co., LTD., hebei tangshan 063000)Abstract: In the blast furnace, unburned coal powders are bound up with coal injection quantity, coal powders size and combustion ratio before tuyere. After the coal powders

3、 are gushed into blast furnace, in front of tuyere the unburned coal powders enter into the hearth. In the traditional way of thinking, unburned coal powders can cause problems for blast furnace operation, so the quantity of unburned powders which runs into the hearth should be decreased. In recent

4、years, research shows that unburned powders in the hearth can play double roles in blast furnace. This paper analyzes the performance of unburned powders in blast furnace at the aspect of influence on conduct in furnace, furnace distribution, slag viscosity, coke reactivity. Key words: unburned powd

5、ers, slag viscosity, coke reactivity 1. 煤粉在高爐內的利用煤粉在高爐內利用途徑如圖1所示，從圖1中可以看出，煤粉進入高爐風口后煤粉的消耗主要有以下7條途徑。風口前燃燒C+CO2=2CO參加碳的氣化反應 C+FeO=Fe+CO 有效利用煤粉 非鐵元素還原形成未燃煤粉 鐵水滲碳在爐渣中沉積 隨煤氣逸出爐外 重力灰 未被利用 布袋灰圖1煤粉在高爐內的消耗途徑 (1)風口前燃燒，代替焦炭起發(fā)熱劑和還原劑的作用,燃燒后以CO的形態(tài)進入高爐煤氣中。(2)以未燃煤粉的形態(tài)參加碳的氣化反應，氣化反應生成的CO氣體進入高爐煤氣中。(3)以未燃煤粉的形態(tài)參加鐵的直接還原反應

6、，直接還原反應生成的CO氣體進入高爐煤氣中。(4)以未燃煤粉的形態(tài)參加硅、釩、鈦、錳、磷等非鐵元素的直接還原反應，非鐵元素直接還原反應生成的CO氣體進入高爐煤氣中。(5)以未燃煤粉的形態(tài)參加生鐵滲碳反應，而后碳元素進入到生鐵中。(6)以未燃煤粉的形態(tài)在爐渣中沉積。由于在爐渣中沉積的碳是以固體狀態(tài)存在，在爐渣中會形成非均勻相，提高了爐渣的粘度和熔化性溫度。(7)以未燃煤粉的形態(tài)隨煤氣逸出高爐外，最后沉積在重力灰或布袋灰中，增加了重力除塵器和布袋除塵器的運轉負荷，這同樣會給高爐冶煉帶來一些不利的影響。2 未燃煤粉在爐內的分布由于高爐噴煤中煤粉在燃燒帶停留時間極短（10-30s），實驗室和實際高爐取

7、樣表明，煤粉的燃燒率在75%左右，且隨著煤比的提高燃燒率下降,采用富氧、高風溫、氧煤槍等技術使燃燒率提高到85%-95%，但進入爐內的未燃煤粉絕對量仍很大。未燃煤粉在爐內的分布主要與爐料的透氣性和氣流速度有關1。在低溫時，礦石和焦炭中的未燃煤粉量并無多大差別, 對焦炭而言, 冷態(tài)與熱態(tài)條件下殘留的未燃煤粉量差別甚微, 而當溫度升高到礦石軟化收縮和滴落時其捕集的未燃煤粉量急劇增高，并在約 1400 時殘留量達到最大。在高爐內煤氣流速較低的區(qū)域,如倒“v ” 型軟融帶其根部靠近爐墻處有較多的未燃煤粉聚積, 聚積的結果 使氣流有向中心發(fā)展的趨勢，“ ” 型軟融帶則相反。杜鶴桂等用二維冷模型研究了高爐

8、內未燃煤粉的行為, 指出未燃煤粉主要聚積在風口區(qū)周圍, 分布于爐缸爐腹的少。風口區(qū)煤粉聚集最多的地方是回旋區(qū)前端其次是下方, 軟融帶相應有一定的未然煤粉聚積，而進入塊礦帶的未燃煤粉很少。未燃煤粉的存在對高爐縱向壓差影響不大, 尤其是邊緣, 邊緣的透氣性不變。加大風量后原有的壓力趨勢不變, 粉料的分布也不發(fā)生變化隨著噴煤比的提高, 死焦堆中碎焦炭數量增加, 但未然煤粉在其中的堆積量很小。2.2 爐內分布情況圖2 是在不同時刻直接觀察到的粉體在爐內各部位的分布狀況2：圖2 粉料在模型內的變化和分布示意圖從圖2a 到圖2b 是每噴吹4 min 觀察到的粉料分布狀況，最初時刻粉料隨氣流散亂分布, 在軟

9、熔帶以下到處可以看到星星點點的白色粉料，回旋區(qū)前方略微密集( 圖2a) 4 min 后, 粉料在回旋區(qū)前方越積越多, 導致氣流難以攜帶粉料向上發(fā)展, 部分滯留在焦炭中的粉料描繪出明顯的流線軌跡( 圖2b) 8 min 后, 繼續(xù)噴吹粉料將回旋區(qū)前方完全堵塞并在回旋區(qū)前上方開始堆積，且隨氣流而上的粉體在軟熔帶下方又開始聚積, 聚集位置是在軟熔帶的內側( 圖2c) ，最后的幾分鐘, 由粉料描繪的流線變粗, 氣流壓差有所增加, 流速加大粉料穿過焦炭窗流向塊狀帶, 在塊狀帶下部的礦石層中可以看到滯留的粉料( 圖2d) 2.3各點壓差變化2.3.1 模擬研究圖3 各測試點位置示意圖圖4 不同時刻各縱向測

10、試點的靜壓力圖5 不同時刻縱向壓差的變化粉料進入爐內后對氣流的分布各部位靜壓力都會產生影響，爐內縱向壓差的變化直接影響高爐順行也是人們對大噴煤主要顧慮之一。圖4、圖5是模擬縱向壓差的變化，它們的位置如圖3 所示。從圖4 可以看到, 噴吹煤粉前后各部位縱向壓差變化不大其原因是粉料主要聚積在回旋區(qū)前端和氣流平穩(wěn)緩慢的區(qū)域( 軟熔帶根部和軟熔塊內側)，對氣流的主通道沒有太大的影響但由于總流通面積減小, 氣流速度增大, 壓差略有增加。圖6 不同時刻各橫向測試點的靜壓力圖7 不同時刻縱向壓差的變化圖6、圖7 是風口前橫向壓差的變化。粉料在爐內的聚積很不均勻, 這種不均勻性對爐料的縱向壓差影響較小, 但對

11、局部的橫向壓差和透氣性影響很大, 特別是回旋區(qū)前方噴吹煤粉后壓差迅速增加, 到了后期幾乎全部堵塞。高爐風口前橫向壓差的變化主要影響初始煤氣流的分布, 軟熔帶的形狀, 從而影響煤氣的能量利用、高爐的焦比及噴煤置換比. 另外爐缸的活躍性也會受到影響。2.3.2 理論分析未燃煤粉并非在高爐各處普遍滯留和聚積，氣流總是企圖尋找通路, 部分煤粉的聚積使通道面積減小, 煤氣流速加大, 形成煤粉更難滯留的主通道, 如果這條通道不變得特別狹窄, 通道內的焦炭強度好, 就可以保持高爐順行這與焦炭質量不好高溫粉化帶來的結果是不一樣的，焦炭大量粉化使各點的透氣性惡化對高爐順行的影響是難以消除的。 未燃煤粉在高爐內這

12、種選擇性聚積特性,對煤氣流的分布有很大影響，如果高爐各風口噴煤不均勻, 未燃煤粉在爐內分布的差別就很大,甚至造成局部堵塞, 煤氣流發(fā)生紊亂從而影響高爐順行，煤氣的能量利用模型實驗也證明了這一點，曾經試驗只在模型的一側風口噴煤, 結果氣流偏流非常大, 噴煤的一側堵塞嚴重。高爐軟熔帶的位置和形狀主要是由初始煤氣流分布決定的。由于煤粉多聚積在風口前端, 中心氣流受到抑制，如果以倒V 型軟熔帶為目標進行操作, 實際上可能會形成平底的倒V 型或倒W 型軟熔帶。曾經做過倒W 型軟熔帶的實驗, 結果軟熔帶形狀與流場更吻合，這種情況下采取中心加焦的措施會對高爐生產有利。3 未燃煤粉對爐內渣粘度的影響3.1 未

13、燃煤粉對礦石熔化性能的影響研究表明, 未燃煤粉的氣化反應速度是焦炭的4-7倍。由于其氣化反應強烈, 阻止了風口區(qū)焦炭的粉化損耗，它優(yōu)先于焦炭與FeO直接還原的結果, 使渣中FeO 量減少, 軟熔溫度升高, 降低了料層的壓力降, 同時可改善礦石的高溫性能4。圖8 所示為不同堿度燒結礦在有未燃煤粉存在和無未燃煤粉存在時,滴落溫度的變化，即未燃煤粉的存在使礦石的滴落溫度升高。圖8 熔化性能變化由于未燃煤粉中集中了燃燒的灰分, 其中殘?zhí)疾慌c終渣潤濕及FeO減少的結果會使渣的粘度有升高傾向。因此當未燃煤粉的含量超過一定值后, 可使終渣變粘, 可能因此造成金屬滲碳和滴落困難。楊永宜等對未燃煤粉對爐渣性能的

14、影響(噴煤200Kg/t鐵) 進行了研究, 發(fā)現當渣中未燃煤粉小于5% 時,其對渣的熔化性能幾乎沒有影響；但到10%時, 熔化溫度上升10-60 ，同時他發(fā)現較粗粒度的煙煤(40-100um)的使爐渣熔化性溫度下降20-30 。他的結論是：到目前為止, 煤灰和未燃煤粉混入高爐滴落區(qū)尚不是強化噴煤的限制因素。3.2 未燃煤粉對初渣粘度的影響33.2.1 未燃煤粉在初渣內部時對粘度的影響未燃煤粉以固體質點形式分散在液態(tài)初渣中將強烈地改變了初渣的粘度。如圖9所示， 隨著未燃煤粉量的增加, 初渣的粘度急劇上升。含未燃煤粉為5%的初渣1500時的粘度已經超過了20 泊, 根據現場操作人員介紹, 終渣的粘

15、度超過20 泊時很難流動,此時初渣能夠滴落。但在此種情況下的高爐操作, 滴落溫度至少要達到1 500 , 且不能有太大的溫度波動。當初渣的未燃煤粉含量為7% 時, 在1 500 條件下的粘度超過了30 泊, 此時的初渣是不可能滴落的,這就給高爐的順行帶來極大的困難。圖9 含不同未燃煤粉量初渣粘度曲線由圖10可以看出, 初渣的未燃煤粉含量從0%增加到3% 的過程中, 初渣粘度急劇上升, 其原因是未燃煤粉以固體質點形式分散在初渣中,劇烈地改變了初渣的粘度。從3%增加到5% 的過程中, 初渣粘度呈現趨緩的走勢, 其原因是隨著未燃煤粉含量的增加, 進入初渣的灰分也增加了,灰分中的酸性物質使初渣堿度降低

16、, 粘度減小。此時未燃煤粉使初渣粘度升高的作用與灰分使初渣粘度降低的作用相互制約, 使得初渣粘度增加的趨勢減緩。當未燃煤粉含量進一步提高時, 固體質點使初渣粘度升高的作用超過灰分使初渣粘度降低的作用, 所以爐渣的粘度又急劇上升。圖10 1475時未燃煤粉量對初渣粘度的影響由以上分析可知, 當高爐噴煤量達到180kg/ t鐵時, 高爐初渣的滴落就十分困難了。但在高爐的實際操作中并非如此。例如寶鋼的噴煤量已經超過了200kg/ t 鐵, 高爐生產也十分順利。通過對實驗過程、結果以及高爐實際生產過程的分析可以得出, 高爐的初渣在滴落和開始緩慢流動的下降過程中, 遇到被上升煤氣流帶來的未燃煤粉, 由于

17、未燃煤粉比表面積較大, 密度較小, 所以未燃煤粉不可能進入初渣液滴或初渣流內部, 只可能粘附于初渣的渣面上。3.2.2 未燃煤粉粘附于初渣表面時對初渣粘度的影響由圖11 可知, 未燃煤粉含量為3% ( 噴煤量為150kg/ t) 的初渣相對于不含未燃煤粉的初渣其粘度改變不大, 在1 500左右, 能很好地滴落。隨著未燃煤粉含量繼續(xù)增加至5% 時, 初渣粘度也隨之增加；當未燃煤粉含量達到7% ( 噴煤量為200kg/ t ) 時, 初渣在1 500 時的粘度已接近20泊, 這就為初渣的滴落造成較大的影響, 如果爐況不穩(wěn), 例如滴落帶溫度低于1 350 時, 初渣就難以滴落。這說明了要實現高爐噴煤

18、量達到200kg/ t鐵以上時, 就需要提高煤粉的燃燒率, 減少影響初渣粘度的未燃煤粉量。而且保持爐溫穩(wěn)定在較高溫度水平, 這些都是改善初渣粘度的重要環(huán)節(jié)。圖11 初渣粘度曲線4 未燃煤粉對爐內焦炭反應性能的影響未燃煤粉由于粒度極細小于相應煤粉的粒度, 且表面充滿了燃燒凹坑具有較大的比表面積, 因而具有良好的反應性。其在爐內主要發(fā)生兩種反應, 氣化反應(C02+C=2CO)和碳素溶解反應(FeO+C=Fe+CO)。研究表明, 未燃煤粉在鐵中的溶解速度大大慢于焦炭，隨噴吹量增加, 其滲碳速度加快, 但當金屬中碳濃在3% 以上時, 滲碳速度變慢。該滲碳速度可看做是未燃煤粉供給的限制速度。在煤比達2

19、00Kg/t后, 滲碳消耗和未燃煤粉非常少。4.1不同燃燒方式未燃煤粉對焦炭的影響圖12表示出了采用焦炭微轉鼓方法對寶鋼現場使用的焦炭在不同條件下的強度測定結果及其顯微組織。圖12不同燃燒方式時焦炭強度及其顯微組織 從圖可知,N2 氣氛條件下由于碳不參加任何反應,所以其強度(79. 7% )基本與現場原焦強度(80. 6% )相當。在CO2 氣氛條件下由于焦炭參加氣化反應,所以強度較原焦大幅度降低。而添加噴吹煤粉225 kg/ t所產生的未燃煤粉后焦炭強度得到了較好的改善,由未添加未燃煤粉的微轉鼓指標55. 9%提高到63. 2%?？梢娢慈济悍蹖固繖C械強度具有明顯的保護作用。碳的氣化反應是降

20、低高爐內焦炭強度的主要原因,由于未燃煤粉代替部分焦炭參加氣化反應, 減輕了氣化反應對焦炭組織的侵蝕,焦炭保持了原有強度,所以爐內存在少量的未燃煤粉將起到保護焦炭強度的作用。未燃煤粉對焦炭強度的保護作用從顯微組織的變化也很清晰表現出來,與無未燃煤粉的焦炭顯微組織相比,有未燃煤粉的焦炭顯微組織明顯致密。4. 2不同氣氛燃燒對焦炭強度的影響圖13是CO含量分別為0, 25% , 50% , 75%的氣氛下測定的焦炭強度,隨CO含量遞增、氣氛中氧濃度的遞減,氧對焦炭的消耗量下降,焦炭的RD I隨之明顯上升。顯微組織的變化也清晰表現, B的CO含量高,氣氛中氧濃度的遞減,氧對焦炭的消耗量下降,其相圖焦炭

21、顯微組織明顯致密;D的CO含量為0,氣氛中氧濃度高,氧對焦炭的消耗量上升,其相圖焦炭顯微組織明顯疏散,黑區(qū)域面積增多,空洞多。圖13初始氣氛組成對焦炭強度變化的影響4. 3反應溫度及不同未燃煤粉噴吹量對焦炭強度的影響圖14、15分別表示了反應溫度及未燃煤粉添加量對焦炭強度變化的影響。從試驗結果可知,與原焦相比雖然焦炭自身的強度有所降低,但試驗條件不同焦炭強度降低的程度也不同。圖14反應溫度對焦炭強度的影響隨初始氣體中CO濃度的升高,或隨反應溫度的降低,或隨未燃煤粉添加量的增加均可減緩高爐內焦炭消耗速度和強度降低的速度。焦炭顯微組織結構也顯示了同樣的趨勢:即顯微組織結構隨CO濃度的降低或反應溫度

22、的升高而趨于疏松。圖15未燃煤粉噴吹量為60, 95, 145 g,分別相當于高爐噴吹煤粉量125, 175, 225 kg/ t所產生的未燃煤粉量對焦炭強度的影響。圖15未燃煤粉噴吹量對焦炭強度的影響 可見,在高爐可以接受部分未燃煤粉的前提下,高爐內尤其在塊狀帶存在少量的未燃煤粉能降低焦炭的消耗。若有適量的未燃煤粉存在,對焦炭強度起到明顯的保護作用。但大噴吹使爐內的礦焦比上升,焦炭負荷增加。同時由于焦炭入爐量減少,延長了焦炭在爐內停留時間,所以對于大噴吹的大高爐,雖然存在未燃煤粉對焦炭的保護作用,但仍需足量的焦炭。5 大噴吹情況下維持高的煤利用率減少未燃煤粉不利影響的措施。由上述對未燃煤粉的研究可見, 未燃煤粉的存在有利有弊, 概括起來說, 當未燃煤粉量小時, 對高爐無不利影響, 相反它的存在可一定