中文摘要 摘要 熔融還原始于2 0 世紀2 0 年代。當今世界上熔融還原煉鐵的主要流程有 c o r e x 、d i o s 、a i s i 、h i s m e l t 、c c f 等，只有c o r e x 是目前唯一形成工業(yè)化的 非高爐煉鐵工藝，其余都處在工業(yè)性試驗階段，尚待進一步的研究和改進。c o r e x 所用的燃料及還原劑系塊煤，由于塊煤難于獲得，通常購買的塊煤中 6 m m 的粉煤 約占3 5 。 2 0 0 6 年我國上海寶鋼浦鋼公司從奧鋼聯(lián)引進了目前世界上最大的熔融煉鐵裝 置c o r e x3 0 0 0 ，但浦鋼新建廠區(qū)內(nèi)無燒結(jié)及高爐煉鐵系統(tǒng)，粉煤很難得到有效利 用，如何實現(xiàn)粉煤的有效利用是企業(yè)迫切需要解決的問題之一。目前高爐噴煤技 術(shù)已經(jīng)相當成熟，部分企業(yè)已經(jīng)實現(xiàn)了無煙煤與煙煤混合噴吹，先進企業(yè)的噴煤 比已經(jīng)達到了3 0 0 k g t 。中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司借助高爐噴煤的經(jīng)驗，提 出了將煤粉從熔融氣化爐直接噴入的技術(shù)方案。因此，本課題主要是針對這一情 況，在實驗室進行實驗研究，來論證粉煤是否可以像高爐噴煤樣采取通過從風 口直接噴入熔融氣化爐內(nèi)的方式來得到有效利用，研究煤粉在氣化爐內(nèi)的行為。 在理論計算的基礎(chǔ)之上進行了煤粉噴吹試驗，通過對不同粒度組成的煤粉進行 單一噴吹及混合噴吹試驗得出以下結(jié)論： c o r e x 熔融還原煉鐵工藝從噴氧口噴入煤粉是可行的。 在進行單一煤種噴吹實驗時，隨著煤粉粒度的降低，燃燒率大幅度提高。 但當煤粉粒度降低到一定程度以后，再降低粒度對煤粉燃燒率的影響并不明顯。 如果只考慮煤粉燃燒率，1 0 0 目是最理想的粒度。 若綜合考慮生產(chǎn)成本、安全生產(chǎn)與煤粉燃燒率等多種因素，2 4 目是單一 煤種噴吹的最佳粒度。 在用2 4 目的煤粉進行噴入量的實驗時，噴煤量從1 6 9 m i n 增加至6 0 9 m i n ， 增加近4 倍，煤粉燃燒率未出現(xiàn)明顯下降趨勢，說明沒有得到在實驗室條件下的 極限噴煤量。 在進行多種粒度混合噴吹實驗時，隨著粗粒度煤粉比例的增加和細粒度煤 粉的降低，燃燒率呈現(xiàn)出下降趨勢。 在粒度為一2 4 目的煤粉中混入1 5 的1 0 0 目與5 的2 0 0 目煤粉進行噴吹 后，煤粉的燃燒率有了明顯的提高。在生產(chǎn)過程中，對煤粉進行整粒時必然會有 多種粒度的煤粉產(chǎn)生，所以不同粒級煤粉混合噴吹既符合生產(chǎn)實際，又能滿足對 煤粉燃燒率的要求，是本次實驗得到的最佳噴吹方案。 重慶大學碩士學位論文 關(guān)鍵詞：c o r e x ，熔融還原煉鐵，熔融氣化爐，還原豎爐，煤粉噴吹，煤粉粒度， 噴煤量，煤粉燃燒率 英文摘要 a b s t r a c t s m e l t i n gr e d u c t i o nb e g a ni nt h e1 9 2 0 s i nt h ec o n t e m p o r a r yw o r l d ，t h em a i n p r o c e s s e si n c l u d ec o r e x ，d i o s ，a i s i ，h i s m e l t ，c c fa n ds oo n c o r e xi st h eo n l y i n d u s t r i a l i z a t i o nf o r mo fn o n b fi r o n m a k i n gt e c h n o l o g y 。t h eo t h e r sa l ea l la ti n d u s t r y e x p e r i m e n t a ls t a g ea n dn e e df u r t h e rr e s e a r c ha n di m p r o v e m e n t c o r e xp r o c e s su s e s l u m pc o a la sf u e la n dr e d u c i n ga g e n t h o w e v e r ，i ti sd i f f i c u l tt og e tl u m pc o a l ，a n dt h e p u l v e r i z e dc o a l su s u a l l ya c c o u n tf o ra p p r o x i m a t e l y3 5 i n2 0 0 6 ，s h a n g h a ib a o s h a ns t e e lc o r p o r a t i o np u d o n gs t e e lc o m p a n yi n t r o d u c e d t h eb i g g e s ts m e l t i n gi r o n m a l d n gd e v i c ec o r e x3 0 0 0f r o mv a i , b u tt h en e w f a c t o r yo f p u d o n gs t e e lc o m p a n yh a sn os i n t e ra n db l a s tf u r n a c ei r o n m a l d n gs y s t e m ，t h u st h e p u l v e r i z e dc o a l sa r ev e r yd i f f i c u l t t ou s e e f f e c t i v e l y h o wt oe f f e c t i v e l yu s et h e p u l v e r i z e dc o a l si so n eo ft h eu r g e n tq u e s t i o n st h a tn e e dt os o l v eb yt h ee n t e r p r i s e s t o d a y ，t h eb l a s tf u r n a c ep u l v e r i z e dc o a l si n j e c t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e na l r e a d yq u i t e m a t u r e ，a n ds o m ep l a n t sh a v ea d o p t e db f i n dc o a la n ds o f tc o a lm i x e di n j e c t i o n i ns o i n e a d v a n c e dp l a n t s ，c o a lr a t eh a sa l r e a d ya c h i e v e d3 0 0 k g t o nt h eb a s eo ft h eb fi n j e c t i o n e x p e r i e n c e ，t h ec i s d ie n g i n e e r i n gc o ，l t dp u tf o r w a r d sat e c h n i q u ep r o j e c tt h a t p u l v e r i z e dc o a l sa r ei n j e c t e dd i r e c t l yi n t ot h es m e l t e rg a s i f i e r t h e r e f o r e ，t h i st o p i c m a i n l ys t u d i e sw h e t h e rt h ep u l v e r i z e dc o a lc a nb ee f f e c t i v e l yu s e dt h r o u g hd i r e c t i n j e c t i o na st h eb l a s tf u r n a c eb ye x p e r i m e n t s ，i n c l u d i n gt h es t a t u so fp u l v e r i z e dc o a li n t h es m e l t e rg a s i f i e r o nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n ，t h e f o l l o w i n gc o n c l u s i o nw e r ed r a w n t h r o u g hc a r r y i n g o nt h ed i f f e r e n ts i z ep u l v e r i z e dc o a li n j e c t i o na n dm i x e ds i z e p u l v e r i z e dc o a li n j e c t i o ne x p e r i m e n t i ti sf e a s i b l et h a tp u l v e r i z e dc o a li n j e c t i o nf r o mt h et u y e r ei nc o r e xs m e l t i n g r e d u c t i o np r o c e s s w h e nw ec a r r i e do nt h es o l ec o a li n j e c t i o ne x p e r i m e n t , a l o n gw i t ht h e p u l v e r i z e dc o a ls i z er e d u c e d ，i t sb u r n i n gr a t eg r e a t l yi n c r e a s e d ，w h e nt h ep u l v e r i z e d c o a ls i z er e d u c e dt oac e r t a i nd e g r e e ，t h ei n f l u e n c eo ni t sb u r n i n gr a t ew o u l dn o tb e o b v i o u si ft h ep u l v e r i z e dc o a ls i z ew a sc o n t i n u a l l yr e d u c e d i nt e r m so ft h ep u l v e r i z e dc o a lb u r n i n gr a t eo n l y ，一1 0 0m e s hi st h em o s ti d e a l s i z e i n 重壅奎堂堡主堂垡絲苧 i nt e r m so fc o m p r e h e n s i v ef a c t o r s ，s u c ha sp r o d u c t i o nc o s t ，t h es a f ep r o d u c t i o n a n dt h ep u l v e r i z e dc o a lb u r n i n gr a t e ，a n ds oo n ，一2 4m e s hi st h eb e s ts i z ef o r t h es o l e c o a lt oi n j e c t i nt h ep u l v e r i z e dc o a li n j e c t i o nq u a n t i t ye x p e r i m e n t 。p u l v e r i z e dc o a lq u a n t i t y i n c r e a s e df r o m1 6 9 r a i nt o6 0 9 n f i n ，p r o v e dn e a r l y4t i m e s , i t sb u r n i n gr a t ed i dn o t o b v i o u s l yd e c r e a s e ；w ec a l ln o to b t a i nt h eb i g g e s ta m o u n to fp u l v e r i z e dc o a li n j e c t i o n u n d e rt h el a b o r a t o r yc o n d i t i o n w h e nt h em u l t i g r a n u l a r i t ym i x e ds i z ei n j e c t i o ne x p e r i m e mw a sb e i n g c o n d u c t e d ，w i t ht h ec o a r s ep a r t i c l es i z ep u l v e r i z e dc o a lsp r o p o r t i o ni n c r e a s i n g ，i t s b u r n i n g r a t ed e c r e a s e d c o m p a r i n gw i t ht h er e s u l tw i t hs o l e - 2 4m e s hp u l v e r i z e dc o a li n j e c t i o n ，w h e n t h e 1 0 0m e s h1 5 a n d - 2 0 0m e s hp u l v e r i z e dc o a l5 w e r ep u ti n t o 一2 4m e s h p u l v e r i z e dc o a ld u r i n gt h ee x p e r i m e m ，t h ep u l v e r i z e dc o a lb u r n i n gr a t eh a dad i s t i n c t i n c r e a s eu n d e rt h es a m ec o n d i t i o n i nt h ep r o c e s so fp r o d u c t i o n ，m a n yk i n d so fs i z e p u l v e r i z e dc o a lp r o d u c ta t ei n e v i t a b l yp r o d u c e d w h e n d e a lw i t ht h el u m pc o a l ， d i f f e r e n ts i z ep u l v e r i z e dc o a lm i x e di n j e , c t j o ni st h eb e s tp l a n ，w h i c hi so b t a i n e di nt h i s e x p e r i m e n t ，b e c a u s ei tn o to n l yc o n f o r m st ot h ep r o d u c t i o nr e a l i t yb u ta l s oc a ns a t i s f y t h ed e m a n do fp u l v e r i z e dc o a lb u r n i n gr a t e k e yw o r d s ：c o r e x ，m e l t i n gr e d u c t i o n ，m e l t e rg a s i f i e r , r e d u c t i o ns h a f t ，p u l v e r i z e d c o a li n j e c t i o n ，p u l v e r i z e dc o a ls i z e 。i n j e c t i o nq u a n t i t y ，p u l v e r i z e dc o a l b u r n i n g r a t e 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取 得的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文 中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得重慶太堂 或其他教育機構(gòu)的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本 研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。 學位論文作者簽名：彰司刮簽字日期：m 刁午角廠礦日 學位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學位論文作者完全了解重廢太堂有關(guān)保留、使用學位論文的 規(guī)定，有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復印件和磁盤，允許 論文被查閱和借閱。本人授權(quán)重廢太堂可以將學位論文的全部或部 分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段 保存、匯編學位論文。 保密() ，在年解密后適用本授權(quán)書。 本學位論文屬于 不保密( ) 。 ( 請只在上述一個括號內(nèi)打“”) 學位論文作者簽名：窮閏利 簽字嗍印年，月f d 日 導師簽名：；z 勿良刀 簽字日期：泐7 年6 口日 ， 1 緒論 1 緒論 1 1 廣義的熔融還原 廣義的熔融還原是指非高爐冶煉方中那些獲得液態(tài)生鐵的冶煉工藝。2 0 紀6 0 年代瑞典冶金學家?？送衅铡? 】為了將這種生產(chǎn)液態(tài)生鐵的方法與直接還原加以區(qū) 別，稱其為熔融還原。早期的熔融還原技術(shù)思想是既不需要鐵礦粉造塊又不使用 昂貴的冶金焦炭、既能生產(chǎn)高質(zhì)量液態(tài)生鐵又極少污染環(huán)境的鋼鐵新工藝。經(jīng)過 多年的研究開發(fā)，當前一般認為即使用鐵礦石、燒結(jié)礦、球團礦作為原料，甚至 使用少量焦炭，但只要不以其作為主要燃料的生產(chǎn)液態(tài)鐵水的非高爐煉鐵方法均 屬于熔融還原的范疇。 熔融還原以加速還原過程、降低能耗、簡化流程和工藝設備為原則。其突出 優(yōu)點在于生產(chǎn)過程少量使用或不使用焦炭，以解決全球性焦煤的短缺問題和煉焦 對環(huán)境的污染，根據(jù)其工藝過程的特征可分為一步法和二步法。圓 一步法熔融還原是指在一個冶金反應器中完成礦石還原和渣鐵熔化分離的工 藝方法。二步法熔融還原是指在二個冶金反應器中完成礦石還原和渣鐵熔化分離。 在預還原容器內(nèi)進行鐵礦石的預還原，然后在終還原容器中進行進一步還原、渣 鐵熔化分離并產(chǎn)生還原氣性氣體供給預還原的工藝方法。 1 2 熔融還原的發(fā)展 高爐煉鐵已經(jīng)有幾百年的歷史了。但是近年來，隨著高爐的大型化，其固有 的一些缺點也不斷暴露出來。如基建投資大、受高爐料柱中軟熔帶的影響操作靈 活性差、需要高質(zhì)量的礦石和焦炭、對環(huán)境的污染嚴重等【4 】，這些因素決著傳統(tǒng)的 高爐煉鐵工藝能否繼續(xù)生存下去。隨著煉焦煤資源短缺現(xiàn)象的日益加劇以及人們 環(huán)保意識的增強，傳統(tǒng)的高爐煉鐵工藝必將面i 臨更加嚴峻的挑戰(zhàn)。采用能降低生 產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟效益、改善環(huán)境、實現(xiàn)人與自然協(xié)調(diào)發(fā)展的新工藝取代全部或 部分高爐已經(jīng)成了歷史發(fā)展的必然要求。在此情況下，熔融還原煉鐵工藝應運而 生了。 熔融還原始于2 0 世紀2 0 年代，最初該法的概念基于鐵氧化物的全部還原反 應在熔融狀態(tài)下用碳還原，依靠下列反應來完成0 1 1 2 1 。 f e 2 0 3 + 3 c = 2 f e + 3 c o a h l 7 0 0 - - 4 5 5 6 k j m o l吸熱反應 3 c o + 3 ，2 0 2 = 3 c 0 2 a h l 7 0 0 = 8 4 0 2 k j m o l放熱反應 由于反應、式均在熔融高溫下進行，高價鐵氧化物極易還原成f e o 。熔解 碳( c ) 還原( f e o ) 的速度很快，是固相碳或c o 還原( f e o ) 速度的l o 1 0 0 重慶大學碩士學位論文 倍，因此該工藝過程主要體現(xiàn)為( f e o ) 還原成金屬鐵。 根據(jù)上述論點，熔融還原速度快、碳素消耗量低，所以5 0 年代開始研究的 熔融還原多屬于典型的一步法”，其方法有d o t e d 、r e t o r e d 、c i p 及e k e t o 咿o v a l l a l ( 法等【5 】。而一步法熔融還原在開發(fā)期間遇到熱傳遞速度過快和爐襯壽命低等技術(shù)難 題，致使一步法熔融還原的絕大部分工藝難以實現(xiàn)工業(yè)化。 原因有三： 還原反應和燃燒反應在空間上必須分開，而為了提高傳熱效率，傳熱傳質(zhì) 過程卻無法分開； 熔融還原產(chǎn)生的高f e o 渣在高溫區(qū)嚴重侵蝕爐襯嘲； 生產(chǎn)過種產(chǎn)生的高溫氣體排出反應器使熱能利用降低。 1 3 熔融還原的變革 2 0 世紀7 0 年代開始，世界各國開始放棄對這種理想化的一步法熔融還原的研 究，轉(zhuǎn)而從事開發(fā)利用終還原的尾氣對鐵礦石或鐵礦粉進行適當預還原以減輕終 還原熱負擔的二步法熔融還原工藝的研究。當今世界上的主要流程二步法有 c o r e x 、d i o s 、a i s i 、c c f 等1 7 1 。從這幾種流程的技術(shù)特點看，鐵氧化物已不 是1 0 0 在熔融狀態(tài)下進行還原的。在這幾種工藝中目前只有c o r e x 是唯一形 成工業(yè)化的非高爐煉鐵工藝，其余都處在工業(yè)性試驗階段，尚待進一步的研究和 改進。 采用不同的非高爐煉鐵技術(shù)路線，生鐵質(zhì)量差別很大。其中d i o s 、i - i l s m e l t 、 c c f 生產(chǎn)的鐵水含s 高，c 、s i 含量低。高二次燃燒率導致爐渣中的f e o 含量高 ( 2 5 ) 嘲，致使爐渣的脫硫能力能降低，同時降低了碳在鐵水中的溶解度。用 f 礬e x 、c o r e x 法生產(chǎn)的鐵水、爐渣成分與高爐爐渣接近，渣中含f e o 很低 ( 5 7 0 時 f e 2 0 3 _ f e 3 0 4 一f e o - - * f e( 1 1 ) t 2 2 。 a w s h i t 上的半焦床的高度由c 2 0 0 0 的7 m 增加到了l o m 等。 還原豎爐設計的改進 為適應爐料在還原過程中的體積膨脹，c 3 0 0 0 在設計過程中對還原豎爐的爐身 角度進行了調(diào)整，以利于爐料的順行。 1 4 i 緒論 c o r e x3 0 0 0 增大了還原豎爐煤氣圍管的直徑及圍管以下部分的高度，改進了 耐火材料的設計，增加豎爐下部的壓差，盡量減少氣化爐高溫煤氣通過海綿鐵下 料管料腿直接竄入還原豎爐，導致局部爐料溫度過高產(chǎn)生粘結(jié)。同時，為了減少 海綿鐵粘結(jié)塊的堵塞，c o r e x - 3 0 0 0 在設計過程中還對海綿鐵螺旋排料機的長度、 直徑以及海綿鐵下料管直徑進行了調(diào)整。 爐體冷卻系統(tǒng)設計改進 根據(jù)c o r e x2 0 0 0 的生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，為了改善熔融氣化爐粉塵燒嘴以下半焦 固定床段的爐體冷卻，c 3 0 0 0 對熔化氣化爐的冷卻系統(tǒng)進行了設計改進，冷卻壁由 9 段增加到1 0 段，同時在冷卻壁的材質(zhì)的選擇上也作了改進，風口以上爐腹采用 了兩段銅冷卻壁以改善爐體的冷卻效果，實現(xiàn)對爐體的有效保護。 c o r e x 布料系統(tǒng)的設計改進 1 ) 改進布料的目的 降低成本 降低焦比和燃料比 穩(wěn)定工藝條件( 鐵水、爐渣和煤氣質(zhì)量) 降低爐壁和耐材熱負荷等 2 ) 布料改進主要內(nèi)容 改進還原豎爐礦石布料 改進氣化爐粒煤布料 改進氣化爐海綿鐵布料 3 ) 還原豎爐布料系統(tǒng)的設計改進 為了解決還原豎爐布料粒度偏析、密度偏析以及料面分布不均勻等缺點，豎 爐布料方式由原有的蜘蛛腳布料方式改為g i m b a l 型動態(tài)布料器布料的方式，可有 效改善豎爐內(nèi)的煤氣分布，提高煤氣利用率及海綿鐵質(zhì)量的均勻性； 4 ) 熔融氣化爐海綿鐵布料器的設計改進 c 3 0 0 0 在海綿鐵布料上采用了角度可以調(diào)節(jié)的擋料板( 圖1 9 ) ，通過對擋料板 角度的調(diào)節(jié)來控制海綿鐵的分布，使海綿鐵在半焦床料面區(qū)域盡量均勻分布，改 善氣化爐內(nèi)海綿鐵熔化終還原的工藝條件。 5 ) 熔融氣化爐煤布料系統(tǒng)的設計改進 c o r e x3 0 0 0 的熔融氣化爐增加了g i m b a l 型環(huán)型旋轉(zhuǎn)動態(tài)布料器如圖1 1 0 ， 可以根據(jù)工藝的需要對煤的布料模式及范圍進行有效的控制，動態(tài)效果如圖1 1 l 所示，避免煤集中落到料面中心，使煤盡量均勻分布在半焦床表面廣大區(qū)域，改善 爐內(nèi)煤氣化結(jié)焦的工藝條件，使工藝過程更加平穩(wěn)。 重慶大學碩士學位論文 圖1 9 海綿鐵布料擋料板 f i g1 9s p o n g ei r o nd i s t r i b u t i n gs t r i k e r p l a t e 圖1 1 0g i m b a l 環(huán)型旋轉(zhuǎn)動態(tài)布料器 f i g1 1 0g i m b a lr i n gs h 印d y n a m i cr e v o l u t i o nd i s t r i b u t i n gd e v i c e 1 6 1 緒論 目標 動態(tài)布辯 煤 萬向情布料囂 旋轉(zhuǎn)溜槽控制 所釘料床襲斷 分布 d r i ， 捎板布料器 反射板控制物 料分布 圖1 1 1 熔融氣化爐的煤及d r i 布料效果圖 f i 9 1 1 1 d y n a m i c c o a la n d d r i d i s t r i b u t i o n o f m e l t e r g a s i f i e r 耐材設計的改進 根據(jù)( 2 2 0 0 0 的設計、生產(chǎn)經(jīng)驗，c o r e x3 0 0 0 對熔融氣化爐和還原豎爐的耐 火材料設計中作了很多改進，改進了豎爐煤氣圍管耐材的設計，提高了耐材的結(jié) 構(gòu)穩(wěn)定性，同時有利于改善豎爐的煤氣流分布；同時對豎爐下部的人工死料柱進 行了一體化設計，以改善下降爐料的順行，有利于減少豎爐爐料堵塞；結(jié)合寶鋼 高爐的經(jīng)驗對c o r e x 3 0 0 0 爐缸的耐材做了優(yōu)化設計，在爐缸耐火材料的配置及 設計方面進行了較多改進，c o r e x 3 0 0 0 的一代爐役設計壽命可達1 0 - 1 5 年。 其它設計方面的改進 c o r e x3 0 0 0 在c o r e x2 0 0 0 的基礎(chǔ)上對粉塵返吹系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進行了改進， 由原來的“c l o s e ”模式改為“o p e n ”模式，同時改進了t 型混合器的結(jié)構(gòu)，增加了 粗顆粒過濾柵，可以有效的減少粉塵返吹系統(tǒng)的堵塞情況。 同時改進了c 0 r e x3 0 0 0 的煤氣管道設計，以更有效的減少進入豎爐的煤氣 中的粗顆粒粉塵的含量，提高還原豎爐料柱的透氣性。 1 7 重慶大學碩士學位論文 1 9 課題來源及研究目的 1 9 1 課題的來源 c o r e x 熔融還原煉鐵所用的燃料及還原劑系塊煤。由于塊煤難于獲得，通常 購買的塊煤中 6 r a m 的粉煤約占3 5 l 蛔。另外，c o r e x 對煤粒度要求嚴格，一般 在6 - 5 0 r a m ，小于2n u n 的粉末不得超過1 0 ，在塊煤破碎和整粒過程中仍然要產(chǎn) 生大量的粉煤。目前世界上已經(jīng)投產(chǎn)的c o r e x 熔融還原煉鐵工藝中對粉煤的處理 方式均為壓塊后加入熔融氣化爐內(nèi)。煤壓塊工藝不但存在投資過高的缺點，而且由 于強度很難滿足生產(chǎn)的要求，所以壓塊煤的使用比例也不能太高，作為該方法的 創(chuàng)始者奧鋼聯(lián)到目前為止并未解決這一問題。 2 0 0 6 年我國上海寶鋼浦鋼公司從奧鋼聯(lián)引進了目前世界上最大的熔融煉鐵裝 置c o r e x3 0 0 0 ，但浦鋼新建廠區(qū)內(nèi)無燒結(jié)及高爐煉鐵系統(tǒng)，粉煤很難得到有效利 用。如何實現(xiàn)粉煤的有效利用是企業(yè)迫切需要解決的問題之一。 目前高爐噴煤技術(shù)已經(jīng)相當成熟，絕大部分高爐均采用了噴煤技術(shù)，部分企 業(yè)已經(jīng)實現(xiàn)了無煙煤與煙煤混合噴吹，先進企業(yè)的噴煤比已經(jīng)達到了3 0 0 k 趴。在 借鑒高爐富氧噴煤的成功經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司提出了 將煤粉從熔融氣化爐直接噴入的技術(shù)方案。該方案如能成功實施，可以大幅度降 低生鐵成本、減少粉煤轉(zhuǎn)動過程中對環(huán)境的污染，特別是對于象寶鋼集團浦東鋼 鐵公司這樣沒有燒結(jié)及煉鐵系統(tǒng)的企業(yè)意義尤其巨大。 1 9 2 研究的目的及內(nèi)容 寶鋼集團浦東鋼鐵公司的c 3 0 0 0 雖然將于2 0 0 7 年9 月份投產(chǎn)，但粉煤的利用 問題卻一直沒有一個較好的辦法解決。通過本實驗的研究，為中冶賽迪工程技術(shù) 股份有限公司設計提供有力的理論依據(jù)，研究內(nèi)容如下。 粉煤是否可以像高爐噴煤一樣采取通過從風口直接噴入熔融氣化爐內(nèi)的 方式來得到有效利用，即煤粉在爐內(nèi)氣化和燃燒反應是否可以滿足生產(chǎn)要求。 煤粉粒度與燃燒率的關(guān)系。 噴煤量與燃燒率的關(guān)系。 煤粉粒度組成與燃燒率的關(guān)系。 實驗室條件下的極限噴煤量。 煤粉入爐后對爐內(nèi)溫度的影響，找出噴吹量與溫降的關(guān)系。 1 9 ，3 研究的意義 c o r e xi 藝是一種新興的、符合時代要求的熔融還原煉鐵工藝。如何合理的 利用生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的粉煤是其迫切需要解決的問題，尤其是對于那些要擴大企 業(yè)產(chǎn)能、優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，而以前沒有煉鐵工序的鋼管廠、特鋼廠意義更為重大。 為了更好地了解其生產(chǎn)原理和內(nèi)部過程，為以后的實際生產(chǎn)提供有價值的參考， 1 8 1 緒論 通過本次實驗室的基礎(chǔ)研究工作，驗證煤粉噴入熔融氣化爐的可行性及煤粉在氣 化爐內(nèi)的行為。這一研究工作的完成必將對中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司提出 的煤粉噴入方案給以基礎(chǔ)理論上的支持。 目前世界上所有正在生產(chǎn)的c o r e x 工藝均采用壓塊后加入熔融氣化爐的方 式處理粉煤，還沒有應用于c o r e x 工藝的噴煤裝置。本研究項目如能取得成功將 會使制約c o r e x 技術(shù)的粉煤利用問題基本上得到解決，并可大幅度降低生產(chǎn)成 本，為c o r e x 熔融還原煉鐵技術(shù)在我國和世界范圍內(nèi)的推廣作出巨大貢獻。因此， 該項目具有很好的應用前景和理論價值。 1 9 2 煤粉燃燒的機理 2 煤粉燃燒的機理 2 1 高爐噴煤的現(xiàn)狀【4 l 】 高爐噴煤技術(shù)始于1 8 4 0 年s m b a n k s 關(guān)于噴吹焦炭和無煙煤的設想，至今 已有1 6 0 余年的發(fā)展歷史。世界最早將噴煤應用在工業(yè)上即是根據(jù)這一設想于 1 8 4 0 1 8 4 5 年間在法國博洛涅附近的馬恩省煉鐵廠實現(xiàn)的。但此后的1 0 0 多年中， 高爐噴煤技術(shù)發(fā)展卻相對緩慢，基本上沒有大的提高。直至2 0 世紀6 0 年代初， 歐洲及中國、美國的一些工廠才陸續(xù)開始在高爐上試驗噴煤。7 0 年代末，涉及全 球的第二次石油危機的出現(xiàn)，促使人們加快了對高爐噴煤技術(shù)的研究和發(fā)展，特 別是歐洲和日本更是在實際應用上取得了重大突破。到9 0 年代初，歐洲和日本 已有少部分高爐月均噴煤比超過了2 0 0 千克噸鐵大關(guān)。 目前，日本、中國和荷蘭的一些高爐擁有月均噴煤比超過2 5 0 千克噸鐵的 世界最好成績。在未來的3 5 年中，世界一流水準的噴煤比指標應在2 6 0 2 8 0 千克噸鐵以上。 2 2 煤粉燃燒的機理【4 2 4 6 煤的燃燒是一個復雜的物理化學反應過程，分為煤的氣化、熱分解、固定c 的燃燒等。 2 2 1 煤的氣化燃燒 煤的氣化燃燒按以下三個過程進行，首先煤粉被加熱，揮發(fā)分分解析出；然 后揮發(fā)分燃燒脫氣；最后發(fā)生揮發(fā)剩余物質(zhì)的非均相燃燒。 2 2 2 煤的熱分解 大量研究表明，散裝煤粉顆粒的熱分解兩步進行，快速分解和慢速分解。慢 速分解是煤在反應區(qū)內(nèi)停留時間足夠長才能進行，對于高爐噴煤及本實驗來說是 難以實現(xiàn)的，主要研究煤的快速分解。 煤粉的熱分解是一個非常復雜的過程。因為煤不是一種均勻物質(zhì)，所以常用 熱分解產(chǎn)物來說明不同類型的煤的熱分解，研究得出的一般規(guī)律是： l o o o 時煤的熱分解反應基本完成，但仍有少量殘余的揮發(fā)物質(zhì)。 熱分解的揮發(fā)產(chǎn)物量取決于分解反應時的終了溫度，終了溫度高則揮發(fā)分 的量增加。 煤粉快速分解時，高的加熱速度和高的終了溫度使揮發(fā)分的增加量明顯超 過工業(yè)分析時所得到的揮發(fā)分量，甚至超過兩倍。 快速熱分解的揮發(fā)分中c h 之比要比工業(yè)分析的c h 比高，而且先揮發(fā)出 2 l 重慶大學碩士學位論文 來的碳含量比后釋放出來的揮發(fā)分的碳含量高，在整個快速熱分解過程中碳含量 比在工業(yè)分析中的碳含量高。 在最初快速熱分解反應中得到的揮發(fā)分成分與環(huán)境氣體的成分無關(guān)，但分 解得到的產(chǎn)物與環(huán)境氣體反應是可能的，所以得到的最終氣體成分與環(huán)境氣體的 成分有關(guān)。 關(guān)于煤粉顆粒尺寸對熱分解的影響，尚無統(tǒng)一認識。但大多數(shù)人認為大的 顆粒粒煤與粉煤在特性上不大相同，普遍認為炭表面提供了發(fā)生二次反應的場所。 靠近煤顆粒中心處產(chǎn)生的熱分解產(chǎn)物，必然向煤顆粒外部遷移而逸出，在遷移的 過程中，它們可以裂解、凝聚或聚合而生成碳的沉積物；煤顆粒愈大，沉積量愈 大，因而得到的揮發(fā)分量就愈少。 環(huán)境壓力與煤粉揮發(fā)分含量呈成反比例關(guān)系，即環(huán)境壓力低，有利于大量 揮發(fā)物的析出。 高速熱分解中煤粉顆粒的形狀變化有不同的研究結(jié)果，一些研究表明，在 脫除揮發(fā)分期間煤顆粒膨脹，并變成多孔狀。而另一些研究結(jié)果得出，在熱分解 的早期狀態(tài)時，煤顆粒先變成塑性狀態(tài)，失去了棱角而變得更接近于球形，但其 它尺寸并沒有發(fā)生大的變化，既沒有大的膨脹，也沒有大的收縮，而大部分顆粒 呈現(xiàn)為空心球狀的“氣泡”組織。 2 2 3 碳的燃燒氧氣反應 碳的燃燒氧氣反應是煤燃燒氣化的最后一個階段，是c 與氧化氣體( 0 2 、c 0 2 等) 進行非均相氧氣反應，它占顆粒燃燒的一多半時間。主要反應如下： c + 0 2 - - c 0 2 2 c + 0 2 = 2 c o c + c 0 2 - - 2 1 0 c o + 1 2 0 2 - - - c o ： c + h 2 0 = c 洲2 這些反應都是在煤粉進入燃燒帶內(nèi)時均可發(fā)生的，但是由于c 過量以及在高 溫下c o 穩(wěn)定性高于c 0 2 ，所以離開燃燒帶以后最終氣體產(chǎn)物只能是c o 和h 2 。 煤粉燃燒主要受動力學方面的限制，其決定因素是煤粉的燃燒速度。碳與氣 相的0 2 、c 0 2 、n 2 0 的反應都是氣固相反應，所以遵循氣一固反應的一般規(guī)律。在 氣流中碳顆粒被氣體所包圍，氣體反應物向固體碳粒擴散( 顆粒表面和顆粒氣孔 內(nèi)) ，然后被固體表面吸附，并與碳發(fā)生界面反應，氣固生成物解析，并脫離表面 向外擴散。 在碳燃燒反應中限制因素可以是化學因素也可以是物理因素，一般的說在溫 度較低時，化學反應因素起主導作用，而高溫時擴散的作用大。在兩者之間有一 2 煤粉燃燒的機理 個過渡階段，化學和物理因素共同起作用。除此以外，影響反應速度的氣一固相 接觸面大小也有影響。由于煤的熱分解產(chǎn)生很多內(nèi)氣孔，所以反應界面增加很多， 這樣造成反應加快，另一因素是活化和催化作用，一些氧氣物和碳酸鹽對煤的燃 燒起催化作用。 2 3 影響煤粉燃燒的因素4 7 _ 5 1 l 高爐噴吹煤粉的情況下，影響或控制煤粉燃燒率的因素是溫度、煤粉顆粒尺 寸、氧氣的濃度以及煤粉本身結(jié)構(gòu)等。 2 3 1 溫度 普遍的規(guī)律是溫度高能加快煤粉揮發(fā)物的揮發(fā)速度和燃燒速度，因為它既能 加快化學反應速度也能增大氧氣的擴散速度，關(guān)系表達式如下： l ( s = a 1 n c 椰 d = - d o ( t 2 7 3 ) “ 其中n = 1 5 _ - 2 o ；聰為化學反應平衡常數(shù)；d 為擴散系數(shù)；a 、r 、d o 均為常數(shù)， t 為溫度。 2 3 2 煤粉粒度 反應速率與碳的活性、內(nèi)部和外部表面積有關(guān)，煤粉的比表面積越大，活性 越大，而且純碳比炭活性小，品位低的碳比品位高的炭活性大。一般說來，煤粉 愈細則燃燒時間愈短。由斯波爾丁( s p a l d i n g ) 的研究可知3 1 ，直徑為d p 的固體炭燃 燒時，在燃燒及氣體擴散控制的前提下，煤粉的燃燒時間與其粒徑的平方( d 口2 ) 之間 應具有如下函數(shù)關(guān)系 t o = b od 口 式中廿一煤粉燃燒時間，m s ； b o 一氣氛中氧濃度一定時，該量為常數(shù)，m s m 2 ； 曲一煤粉顆粒的粒徑，m 。 隨著煤粒燃燒程度的增加，反應速率先增加后下降。這是因為在燃燒開始階 段的氣孔擴展，暴露出越來越多的內(nèi)表面，氣孔表面擴展到一定程度，氣孔發(fā)生 接合，內(nèi)部面積又開始減少，隨之燃燒速度也下降。 研究表明，在碳燃燒的最后燒盡階段，煤顆粒破碎成若干碎屑，這對煤的燒 盡起著良好的作用，但在碎裂前顆粒直徑幾乎一直保持不變。西歐( 英國、法國、 德國) 一些廠采用粒煤噴吹，就利用了這種煤粒破碎成碎屑的因素。 2 3 3 氧氣的濃度 碳的氣化反應是與氣相中氧的濃度成正比例的，在任何反應中反應物的濃度 差是反應進行的動力，濃度差越大，反應速率就越大。從燃燒的動力學等角度來 重慶大學碩士學位論文 分析，高溫下碳的氣化是經(jīng)歷了復雜的過程，碳表面發(fā)生c + c 0 2 = 2 c o ， 2 c o + 0 2 = 2 c 0 2 ，也就是說氧氣的濃度不大或者是供氧速度慢時，氧氣達不到碳的 表面就已經(jīng)與c o 發(fā)生反應生成了c 0 2 ，c 0 2 再與c 反應。如果氧氣的濃度高，供 氧速度快，使部分氧氣達到碳的表面，則固體c 不僅被c 0 2 也被0 2 氧化，燃燒速 度就大大提高，同時氧氣濃度提高以后減少了n 2 的濃度，也減少了n 2 占領(lǐng)c 表 面活性點的機率，使活性點被c 0 2 和0 2 占領(lǐng)的機會增大，也有利于加快燃燒反應 速度。因此，提高氧氣的濃度和加快氧氣向碳表面?zhèn)鬟f速度是加快碳燃燒的重要 因素，這也是當前高爐富氧鼓風以提高噴煤量的重要依據(jù)。 2 3 4 煤中所含雜質(zhì)及本身結(jié)構(gòu)性質(zhì)等 煤中所含雜質(zhì)分兩類，一種是影響燃燒，另一種是對燃燒起催化作用。如氧 化物和碳酸鹽對于c + 0 2 、c + h 0 2 、c + c 0 2 、反應就有一定的催化作用。 煤的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，如其著火點高低、揮發(fā)份含量，結(jié)晶水等對煤的燃燒性能和 速度均有較大的影響。成煤期短的煙煤比成煤期長的無煙煤著火點低，在同等條 件下易于揮發(fā)與燃燒。 2 4 煤粉燃燒率的計算方法 煤中灰份是不可燃的，固定碳及揮發(fā)份均為可燃物質(zhì)，所以可以根據(jù)實際噴 吹的煤粉量與計算所得的煤粉噴進量及煤的化學成分，用可燃物質(zhì)平衡計算法計 算煤粉的燃燒率。 5 2 - 5 3 r ：l 一堅嬰二型 w 0 ( 1 一a ) 式中：r 一可燃物質(zhì)平衡計算法得出的煤粉燃燒率； w 1 燃燒產(chǎn)物的質(zhì)量k g ； w 曠一原煤的質(zhì)量k g , a l 燃燒產(chǎn)物的灰分含量； a 口一原煤的灰分含量。 2 5 煤粉氣化率計算方法 未氣化或氣化不完全的煤粉在進入煤氣管道和除塵器后還要發(fā)生氣化反應產(chǎn) 生大量煤焦油，堵塞煤氣管道而影響生產(chǎn)。所以，為了檢驗煤粉在氣化爐內(nèi)的揮 發(fā)情況，本次實驗特別對氣化率進行了單獨分析，實驗中將氣化定義如下。 o = l 一堅蘭! ! = 塑 w 0 x ( 1 一v 0 w 1 燃燒產(chǎn)物的質(zhì)量k g ； w 口一原煤的質(zhì)量k g , 2 煤粉燃燒的機理 v 1 燃燒產(chǎn)物的揮發(fā)分含量； v 口一原煤的揮發(fā)分含量。 2 6 本章小結(jié) 本章介紹了煤粉燃燒的機理和影響煤粉燃燒的因素，總結(jié)了煤粉燃燒率和氣 化率的計算方法，為c o r e x 噴煤實驗數(shù)據(jù)處理和實驗結(jié)果分析打下了堅實的基 礎(chǔ)。 3c o r e x3 0 0 0 工藝計算 3c o r e x3 0 0 0 工藝計算 配料計算、物料平衡及熱量平衡計算是工程設計和生產(chǎn)操作的重要依據(jù)，也 是檢查能量利用狀況的計算基礎(chǔ)【刪。該計算的目的是計算不同爐料在 c o r e x c 3 0 0 0 的工藝過程中，理論上的技術(shù)經(jīng)濟指標。如噸鐵的原料燃料和熔劑 消耗量、噸鐵的渣量及爐渣成分、氣化爐出口煤氣量及煤氣成分、豎爐出口煤氣 量及煤氣成分、噸鐵的氧氣消耗量、豎爐和氣化爐的能量分配、豎爐和氣化爐的 熱損失、全工藝的理論最低煤比、風口回旋區(qū)尺寸、理論燃燒溫度等。 3 1 原燃料成分 鐵石礦化學成份 表3 i 鐵礦石化學成份 t a b3 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o no fo r e 熔劑化學成份 襲3 2 熔劑化學成份 t a b3 2c h e m i c a lc o m p o s i t i o no ff l u x 原料名稱t f e m nps f e 2 0 3 f c om n 0 2m n o c a o m g o 石灰石0 1 0 0 0 0 10 0 0 1 0 0 0 0 1 30 。05 4 4 60 4 2 白云石0 7 0 0 0 0 10 0 0 11 0 00 。0 00 0 2 9 1 61 8 9 8 硅石0 3 5 0 0 0 1 0 0 0 10 0 00 4 5 0 00 0 l0 0 0 重慶大學碩士學位論文 煤及焦的化學成份 表3 3 煤、焦化學成份 t a b3 3c h e m i c a lc o m p o s i t i o no f c o a la n dc o k e 鐵水成份 表3 4 鐵水成份 t a b3 4c h e m i c a lc o m p o s i t i o no f h o tm e t a l 各種元素在爐渣、生鐵及煤氣中的分配率 表3 5 元素在爐渣、生鐵及煤氣中的分配率 t a b3 5d i s t r i b u t i o nr a t eo fe l o e m e n t si ns l a gh o tm e t a la n dg a s 3 2 計算礦石、熔劑用量及渣量渣成分5 5 巧9 】 f e 元素平衡 w i x ( 1 h 2 0 i ) 耵= ；c i + w y c i c d 也巔邗曷m ) d “m - n = w p i 窖【f c 】+ f w p i g x f e x p l a g ，n f t p i g _ 1 v d u n 1 f e 舶吐 渣中f e o w 啪s l 昭_ w 啦 f e 】她栩腳i g x 7 2 5 6 斷，。i 。r 一元素鐵在爐渣中的比率 1 r p i 廣鐵元素在生鐵中的比率 c a o 平衡 w c a o s l a f w l x ( 1 一h 2 0 i ) c a o i - - w d c a o d e u + w r e c y d e d - d e s t c a