高爐多樣化噴吹簡介

高爐噴吹燃料技術簡介摘要:概述了高爐噴吹現(xiàn)狀，介紹了高爐噴吹技術，高爐噴吹燃料的種類概況，并列舉出近年來新發(fā)展的新型噴吹燃料,分析了噴吹工藝的發(fā)展趨勢。關鍵字:高爐噴吹；多樣化噴吹；工藝技術；發(fā)展與應用AbstractSummarizesthepresentstatusofinjectionintheblastfurnace,introducedtheinjectionintheblastfurnacetechnology,injectionfuelofblastfurnaceprofiletypes,citingnewdevelopmentinrecentyearsanewtypeoffuelinjection,analysesthedevelopmenttrendofinjectiontechnology.KeywordsTheblastfurnaceblowing;diverseinjection;processtechnology;developmentandapplication；Y 、八、亠前言鋼鐵工業(yè)是中國經(jīng)濟和社會發(fā)展的基礎性產業(yè)，近年來隨著鋼鐵行業(yè)的高速發(fā)展，礦石資源和焦炭資源日趨緊張，節(jié)能降耗已經(jīng)成為鋼鐵行業(yè)刻不容緩的重要課題，而煉鐵系統(tǒng)又占鋼鐵行業(yè)能耗的70％左右，是名副其實的耗能大戶，高爐煉鐵的高能耗性，給高爐節(jié)能創(chuàng)造了廣闊的空間，對中國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略具有重要意義。降低高爐綜合焦比或燃燒比是高爐節(jié)能的重點。以2006年的消耗速度，估計中國的主焦煤和肥煤資源在70年內將消耗殆盡，全世界的主焦煤和肥煤資源也將在90年內消耗殆盡。煉焦煤資源的日漸枯竭，也促使各大鋼廠發(fā)展各種高爐噴吹技術，如噴吹煤粉、重油、天然氣或還原煤氣、廢塑料、石油焦和生物質等。噴吹燃料技術噴吹燃料將氣體、液體或固體燃料通過專門的設備從風口噴入高爐，以取代高爐爐料中部分焦炭的一種高爐強化冶煉的燃料。它可改善高爐操作，提高生鐵產量，降低生鐵成本。高爐煉鐵是以冶金焦作為燃料和還原劑的，噴吹燃料在風口區(qū)的高溫下轉化為CO和H2,可以代替風口燃燒的部分焦炭，一般可取代20%?30%,高的可達50%，噴吹燃料已成為當代高爐降低焦比的主要措施。噴吹燃料還可以促進高爐采用高風溫和富氧鼓風，這幾項技術相結合，已成為強化高爐冶煉的重要途徑。噴吹燃料的主要目的以其他形式的廉價燃料代替寶貴的冶金焦炭，降低焦比，減少煉焦的負擔，節(jié)省焦爐基建投資，節(jié)省過程能耗。噴吹燃料的來源非常廣泛，氣、液、固體燃料均可用。傳統(tǒng)的噴吹的燃料有煤粉、天然氣、重油，近年來新興的噴吹燃料技術包含噴吹廢塑料、噴吹生物質，噴吹石油焦等。[1]高爐噴吹煤粉高爐噴吹煤粉概述噴吹煤粉燃料是繼高爐使用熟料（人造富礦）之后煉鐵技術的又一重大發(fā)展。噴吹煤粉的主要目的是以其它形式的廉價燃料替代焦炭起提供熱量和還原劑的作用，降低焦比。于是便可減少煉焦生產的負擔，節(jié)省焦爐基建投資、節(jié)約過程能耗。噴煤工藝種類繁多，按噴吹方式可分為直接噴吹和間接噴吹，按噴罐布置可分為并罐布置和串罐布置，按噴吹管路可分為多管路噴吹和單管路加分配器噴吹，按制粉系統(tǒng)煙氣循環(huán)方式可分為引熱風爐廢氣和煙氣自循環(huán)方式。完整的高爐噴煤工藝流程應包括原煤儲運系統(tǒng)、制粉系統(tǒng)、煤粉輸送系統(tǒng)、噴吹系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)和煤粉計量系統(tǒng)，最新設計的高爐噴煤系統(tǒng)還包括整個噴煤系統(tǒng)的計算機控制中心。[2]工藝流程簡介高爐噴煤就是把原煤（無煙煤、煙煤）經(jīng)過烘干、磨細，用壓縮空氣輸送，通過噴煤槍從高爐風口直接噴入爐缸的生產工藝。高爐噴煤系統(tǒng)的工藝流程主要由原煤貯運、煤粉制備、煤粉噴吹、熱煙氣和供氣等幾個部分組成。如下圖1所示:圖1高爐噴吹煤粉系統(tǒng)工藝流程圖原煤儲運系統(tǒng)：為保證高爐噴煤作業(yè)的連續(xù)性和有效性，在噴煤工藝系統(tǒng)中，首先要考慮的是建立合適的原煤儲運系統(tǒng)，該系統(tǒng)應包括綜合煤場、煤棚、儲運方式。為控制原煤粒度和除去原煤中的雜物，在原煤儲運過程中還必須設置篩分破碎裝置和除鐵器。篩分破即可以控制磨煤機入口的原煤粒度，除鐵器則主要用于清除煤中的磁性金屬雜物。煤粉制備系統(tǒng):煤粉制備是指通過磨煤機將原煤加工成粒度和含水量均符合高爐噴吹需要的煤粉。制粉系統(tǒng)主要由給料、干燥與研磨、收粉與除塵幾部分組成。噴吹系統(tǒng)：噴吹系統(tǒng)由不同形式的噴吹罐組和相應的鐘閥、流化裝置等組成。煤粉噴吹通常是在噴吹罐組內充以壓縮空氣，在自混合器引入二次壓縮空氣將煤粉經(jīng)管道和噴槍噴入高爐風口。供氣系統(tǒng):供氣系統(tǒng)是高爐噴煤工藝系統(tǒng)中不可缺少的組成部分，主要涉及壓縮空氣、氮氣、氧氣和少量的蒸汽。壓縮空氣主要用于煤的輸送和噴吹，同時也為一些氣動設備提供動力。氮氣和蒸汽主要用于維持系統(tǒng)的安全正常運行。而氧氣則用于富氧鼓風或氧煤噴吹。熱煙氣系統(tǒng):將高爐煤氣在燃燒爐內燃燒生成的熱煙氣送入制粉系統(tǒng)，用來干燥煤粉。[3]高爐噴油工藝流程一般用油罐車將重油運到油站卸油，油站有2~4個罐位，可以同時卸油，采用低壓大流量齒輪泵，重油通過粗濾網(wǎng)送到儲油罐，其間再過濾1~2次，然后輸?shù)綗掕F設備高爐爐臺送油環(huán)管，再分送到各風口，噴人高爐爐缸。主要設備重油噴吹設備由進油設備、儲油設備、過濾器、噴油泵、計量裝置、加熱器、噴油管、回油管及噴槍等組成。重油噴吹系統(tǒng)的主要設備及其作用見表2。表2重油噴吹系統(tǒng)的主要設備及其作用序號設備名稱主要類型作用1儲油罐儲油并將油加熱到一定溫度（90?110冗〉）2過濾器保證噴油泵安全運轉，防止油槍霧化噴嘴堵塞噴油泵活塞泵、齒輪將油提咼到一定壓力送往咼爐回油管進噴槍泵、蜾桿泵無冷卻型、水使稂個供油系統(tǒng)在任何情況下都有油在管內流動將重油由風口噴人爐缸噴油泵活塞泵、齒輪將油提咼到一定壓力送往咼爐回油管進噴槍泵、蜾桿泵無冷卻型、水使稂個供油系統(tǒng)在任何情況下都有油在管內流動將重油由風口噴人爐缸冷型、風冷型噴嘴高壓噴嘴、機安裝在噴槍的前端，起霧化的作用噴嘴高壓噴嘴、機安裝在噴槍的前端，起霧化的作用械霧化噴嘴噴油槍插入高爐的方式從風口視孔蓋插人噴槍。將噴槍斜插人直吹管。在風口小套上開孔。在風口近旁的爐墻上開孔，安上水冷固定式噴槍。氧氣霧化嘴(即氧油噴槍)是用氧氣作為霧化劑。這種水冷套管式噴嘴燃燒性能良好。機械霧化噴嘴由套管、霧化片、旋流片、油管組成，它是借助于重油射流本身的脈動離心作用使重油霧化。廢氣分析和火焰觀察法，雖然在一定程度上也能保障熱風爐燃燒的合理性，但必定要增加工人的勞動強度，且有局限性，難以收到滿意的效果。自動燃燒就是利用機械、電氣或計算機等組合的自動控制系統(tǒng)，保證熱風爐在燃燒的過程中達到空氣、煤氣配合比最佳；爐頂溫度在短時間內達到最高值；廢氣中氧氣含量適中，一氧化碳量為零。使熱風爐燃燒更加合理，即在最大限度地節(jié)約燃料的前提下，充分發(fā)揮熱風爐的蓄熱能力，提供最高的風溫，使燃燒控制更科學、可靠、省力又不受條件限制是自動燃燒今后的發(fā)展方向。[4]噴吹天然氣高爐噴吹天然氣是綜合鼓風的重要內容之一。天然氣資源比較豐富的國家或地區(qū)，在消耗能量較多的黑色冶金企業(yè)中，在高爐上噴吹天然氣較在其他加熱裝置中能獲得較高的熱效率，而且可節(jié)約價格昂貴的冶金焦炭。因此，天然氣資源豐富的國家，近年在高爐上廣泛實施了噴吹天然氣技術，并獲得良好成效。國外在大量噴吹天然氣時，多與富氧和高風溫相結合。然而，從國外實驗數(shù)據(jù)分析，即使不富氧所獲得的效果也是比較理想的。噴吹天然氣裝置采用原設置的噴吹煤粉設施，并稍加改進，以便分別能噴吹天然氣和煤粉。這樣，就能在某種噴吹物中斷時，可隨時跟換噴吹物。該裝置示意圖3如下天然21.煤粉嗔吹裝置圖l-stft管匚2—氣包；3—調節(jié)閥；4一切斷閥；6 E—流盤孔F丁一壓力表；8—盲扳；g—混合器：圖3天然氣、煤粉噴吹裝置圖噴吹煤粉該噴天然氣時，關閉壓縮空氣閥5，打開氣包放散閥，關閉噴吹罐閥門及盲板8，再打開天然氣閥門，然后關閉放散閥門即可往高爐吹天然氣。[5]該系統(tǒng)只是稍有改進噴吹煤粉管路即可實現(xiàn)噴吹天然氣，造價低廉，操作簡便。噴吹廢塑料技術噴吹廢塑料技術的產生傳統(tǒng)的廢舊塑料處理方式主要是通過掩埋和焚燒處理，會造成嚴重的二次污染。同時也浪費了大量的可利用資源，而高爐噴吹技術則是將鋼鐵工業(yè)與塑料工業(yè)有機結合．綜合利用了廢舊塑料的高熱值和化學能，使進入高爐的廢塑料粒子在爐內高溫和還原氣氛下，被氣化成h2和co,隨熱風上升的過程中，它們作為還原劑，將鐵礦石還原成鐵。該技術從根本上解決了傳統(tǒng)廢舊塑料的處理方式所帶來的嚴重的二次污染問題。能夠真正實現(xiàn)變廢為寶的目標，合理利用社會資源。同時使廢舊塑料的分類簡化，只需要將含氯的成分剔取，有效地降低了塑料廢棄物分揀工作的勞動量，具有廣闊的市場前景和良好的社會經(jīng)濟效益。[6]塑料固體廢棄物處理的迫切性塑料以其質輕、耐用、美觀、價廉等特點，取代了一大批傳統(tǒng)的材料，但是出乎人類預料的是，恰恰是塑料的這些優(yōu)良性能制造了大量耐久不腐的塑料垃圾。用后丟棄的大量塑料廢棄物已成為危害環(huán)境的一大禍害，其主要原因就是這些塑料垃圾難以處理，無法使其分解并化為塵土。從全球來看，塑料垃圾已占全球垃圾的8%,占海洋漂浮物的60%以上.我國廢塑料占世界的10%,約為500?600萬t。其中，沿海城市的塑料在垃圾中的比例更高，約為8%?10%，已達到發(fā)達國家水平,并且每年大約以8%的速度在增長?！鞍咨廴尽币呀?jīng)成為繼“空氣污染”和“水污染”之后的第三污染，己引起全社會的關注，成為全球亟需解決的問題。廢塑料對環(huán)境污染主要有兩種危害：其一是視覺污染，這種污染是指散落在環(huán)境中的廢舊塑料制品對現(xiàn)代城市市容和旅游景點的影響，塑料垃圾滿天飛的景象到處可見；其二是潛在危害，即廢舊塑料制品進入自然環(huán)境后不易降解而帶來長期的深層次的二次污染，從而污染地表水和地下水，同時散落在環(huán)境中的農地膜及含氯廢舊塑料使農作物減產，也危及野生動物的生命安全。塑料固體廢棄物的處理方式國內塑料廢棄物的處理方式通常是通過混入城市垃圾中填埋、再生利用和焚燒處理和催化分解等方式。廢J日塑料再生利用過程中塑料品種和數(shù)量都受到限制，其工藝過程會對環(huán)境和水質產生污染；塑料焚燒會產生鹵化氫、氰和二惡英等有害氣體，造成對大氣環(huán)境的污染；催化分解成本過高，難以普及；而填埋無需預處理，其成本較低，因此，填埋是目前國內處理廢塑料最常用的方法，但填埋時，塑料留在土壤內長期不分解，使土壤處于不穩(wěn)定狀態(tài)，并有可能使塑料中的有害物質如增塑劑的添加劑溶出，造成二次污染，而且隨著固體廢物排出量的增加，可供填埋的土地不斷減少，沿海地區(qū)已經(jīng)開始圍壩填海，不僅嚴重污染了海洋環(huán)境，同時由于塑料垃圾體積大導致了垃圾填埋場封場速度加快，同時也給封場后的綠化和開發(fā)利用帶來困難。由此可見填埋是處理廢塑料的最下策的辦法。20世紀70年代初，工業(yè)發(fā)達國家如美國、意大利、德國、日本、法國等也采用填埋和焚燒并用的方法處理廢舊塑料等固體廢棄物.到了20世紀90年代，為了解決廢舊塑料因焚燒和填埋帶來的二次污染問題，同時也使廢舊塑料向無害化、資源化、減量化的目標發(fā)展，德國和日本相繼開發(fā)和研究出了廢舊塑料回收利用的新技術——高爐噴吹。高爐噴吹技術能使廢舊塑料變廢為寶，真正做到消除“白色污染”，從而開拓了廢舊塑料綜合利用的嶄新途徑。焦炭是高爐煉鐵的能源和還原劑，是煉鐵工業(yè)不可缺少的主要原料。在煉鐵工業(yè)的實踐中，人們?yōu)榱私档蜔掕F成本，采用噴吹煤粉代替部分焦炭的工藝，已是成熟的技術。目前，我國寶鋼已達到每噸鐵水噴吹200kg煤粉的水平?世界先進國家每噸鐵水噴吹煤量遠大于我國．而被稱為“白色污染”的廢塑料和煤的化學組成基本相同，主要成分都是碳氫化合物，具有很好的燃燒性能和燃燒熱值。完全可以代替煤粉進行噴吹煉鐵，廢舊塑料可作為高爐煉鐵良好的還原劑和發(fā)熱劑。將分類、清洗、干燥等處理后的廢塑料制造成粒徑為6mm左右的顆粒，單獨或與煤粉混合用于高爐煉鐵。⑺塑料的主要化學成分是高分子碳氫化合物。從理論上講，所有的塑料都可以作為高爐煉鐵的還原劑和發(fā)熱劑使用，但由于用途不同，塑料的成分和性能有很大差異，直接關系到高爐噴吹廢塑料能否可行。在實際應用中，對環(huán)境無害的無毒性廢塑料是研發(fā)重點，聚乙烯和聚丙烯等就屬于不含氯的無毒塑料，燃燒后只產生CO2和H2O,對大氣無污染。有毒塑料主要是指如聚氯乙稀（PVC）等，因其主要成分除含有碳氫化合物外，還含有氯、溴等鹵族元素，燃燒時會產生氯化氫氣體，對設備和環(huán)境產生侵蝕和污染，這一類塑料主要包括塑料薄膜、人造革、電纜料、塑料管材、塑料門窗等。根據(jù)我國經(jīng)濟技術現(xiàn)狀，處理這類有毒廢塑料還有一定的困難，所以還是應當從無毒塑料著手開展高爐噴吹廢塑料技術的研究。噴吹廢塑料的社會經(jīng)濟效益由于廢塑料的價格比煤、油等燃料價格低很多，因此高爐噴吹廢塑料煉鐵可以更大幅度地降低生鐵成本。另外，從能源利用的角度看，由于塑料噴入高爐后，其中的碳氧化合物在高爐下部轉變成溫度達2000r的高溫煤氣，煤氣在上升過程中將鐵礦石加熱、還原，從高爐出來的富化煤氣還可以來預熱空氣或用于發(fā)電，因而塑料所含的能量可得到較為充分的利用，使塑料的能量轉化率超過50%，能源利用率明顯優(yōu)于其他廢塑料的回收利用技術。目前我國每年產生的廢塑料量在600萬噸左右，其中聚乙烯比例最大，其次是聚氯乙稀和聚丙烯，據(jù)統(tǒng)計，目前可用于高爐噴吹的無毒廢塑料占廢塑料年總量的71%，約420萬噸以上，如能完全用于高爐噴吹，其經(jīng)濟效益是十分可觀的。高爐噴吹廢塑料技術的推廣應用在我國還處于起步階段，但應用前景十分廣闊，可以減少廢塑料對環(huán)境所造成的白色污染，為廢塑料的回收利用開辟了一條新途徑。與其他幾種回收利用廢塑料技術相比，高爐噴吹塑料技術具有投資省、收效好、容易被社會所接受的優(yōu)點。因此，政府部門、有關企業(yè)、消費者和廢塑料回收機構應大力支持發(fā)展高爐噴吹塑料技術的推廣應用。[8]噴吹生物質2.5.1生物質生物質只要是指來自農林作物收獲和加工過程中所產生的秸稈、糠皮、山茅草、灌木枝、木屑、刨花以及食品行業(yè)排放的殘渣等在農業(yè)林業(yè)生產過程中產生的廢棄物。農作物和竹木等農林產品是依靠吸收大氣中的二氧化碳和利用太陽的光能生長發(fā)育。因此，生物質不僅是一種可再生能源，而且在燃燒時不會額外增加大氣中的二氧化碳，即是一種二氧化碳中性物質。我國擁有極其豐富的生物質能資源，生物質年產出食物量為20.29億t其中可用于生物質生產的實物量為13.24億t（折算為3.82億t標準煤）。很明顯，將生物質應用到高爐煉鐵將有效減少化石燃料的消耗，對我國乃至世界節(jié)能減排事業(yè)做出重要貢獻。生物質除可用于高爐噴吹，還可以用于煉焦和鐵礦石造塊。小麥、玉米等秸稈中的含碳量約占40%，谷殼中的碳、氫總含量達到48%以上，與煤粉一樣具有燃料價值。農作物廢棄物中的灰分和硫、磷等雜質含量一般都很低，與煤粉混合噴吹有利于降低高爐渣量和提高生鐵質量。其含有的7%以上的氫元素還將發(fā)揮促進還原和降低焦比的作用，含有的43%以上的氧元素可起到增加風量和擴大產量的作用。近年來，農村不再需要農作物秸稈作為炊事的主要燃料，剩余的農作物秸稈被廢棄于田間地頭、場院房頭，不僅占壓了大量的土地，影響了農村環(huán)境衛(wèi)生，還成為農村火災的一大隱患。尤其是“三夏”、“三秋”季節(jié)，一部分農民為了搶收搶種則把這些剩余秸稈絕大部分在田間直接焚燒處理掉。大量剩余秸稈的露天焚燒不但造成極大的資源浪費，破壞土壤地力，而且?guī)韲乐氐拇髿馕廴荆踔劣绊戯w機的正常起降和汽車行駛，并頻繁引發(fā)火災和交通事故。PM2.5是指大氣中直徑小于或等于2.5“m的顆粒物，也稱為可入肺顆粒物。與較粗的大氣顆粒物相比，對人體健康和大氣環(huán)境質量的影響更大。2011年12月5日制定的《環(huán)境空氣質量標準》新標準擬于2016年全面實施，京津冀、長三角、珠三角三大地區(qū)及九個城市群可能會被強制要求先行監(jiān)測并公布PM2.5的數(shù)據(jù)。鄭有飛等基于2007年夏季秸稈焚燒衛(wèi)星遙感檢測資料，發(fā)現(xiàn)秸稈焚燒與鄭州市PM2.5日均濃度有較好的相關性。高爐混合噴吹農作物廢棄物有助于解決直接焚燒大量農作物秸稈的難題。實現(xiàn)農作物廢棄物在高爐中的有效利用，需解決一系列理論與技術問題。高爐噴吹生物質應用的前景芬蘭專家曾經(jīng)分析了高爐噴吹生物質對于煉鋼成本的影響，關鍵因素是部分熱解生物質與其他還原劑（煤粉和焦炭）的價格對比，但在不同轉爐產量水平下，起決定作用的價格因素可能會發(fā)生變化。煤炭的供應地集中，而農林剩余產物的產地分散，能量密度低，存在明顯的區(qū)域性和季節(jié)變化，所以收集、運輸及貯存的環(huán)節(jié)較繁，其產生的費用是生物質成本的主要部分。煤炭的運輸多半采用鐵路或水路，運價較低；而農林剩余物的堆密度很小，體積龐大，運輸只能采用以汽油、柴油為燃料的汽車，運價較高。煤粉可以直接磨細，磨機的效率高，而生物質在細磨之前一般要經(jīng)過干餾和炭化處理，磨機的產率較低，電耗