高炉喷煤过程中未燃煤粉分析.pdf

收稿日期 2009206205 基金项目国家自然科学基金资助项目50774028 作者简介王竹民1962 - ,男,河北邯郸人,东北大学博士研究生;吕 庆1954 - ,男,河北唐山人,河北理工大学教授,博士生 导师 第31卷第3期 2010年3月 东 北 大 学 学 报自 然 科 学 版 Journal of Northeastern UniversityNatural Science Vol131 ,No. 3 Mar.2 0 1 0 高炉喷煤过程中未燃煤粉分析 王竹民1,吕 庆2,王 磊2 1. 东北大学 材料与冶金学院,辽宁 沈阳 110004 ; 2.河北理工大学 冶金与能源学院,河北 唐山 063009 摘 要通过测定邯钢高炉喷吹煤种的燃烧率,分析了邯钢高炉喷煤利用现状测定了高炉除尘灰中的 碳含量,利用岩相测试技术分析了除尘灰中未燃煤粉和焦炭存在的不同结构形态,并确定了高炉除尘灰中含 碳物质的来源结果表明,邯钢高炉除尘灰中的碳元素含量都比较高炉尘中的未燃煤粉颗粒可分成微变原煤 颗粒、 气孔原煤颗粒和残碳颗粒;焦炭颗粒可分成类丝碳、 粒状镶嵌结构、 流动结构、 片状结构、 块状结构结合 邯钢高炉目前配煤情况,给出了提高邯钢煤粉燃烧率的有效建议,邯钢高炉混合喷吹的首选用煤为长治煤与 大湾煤 关 键 词未燃煤粉;岩相分析;燃烧率;除尘灰;配煤 中图分类号 TF 52 文献标志码 A 文章编号 10052302620100320389205 Analysis of UPC in BF Coal Injection Process WAN G Zhu2min1, LΒQing2, WAN G Lei2 1. School of Materials 2.College of Metallurgy and Energy , Hebei Polytechnic University , Tangshan 063009 , China. Correspondent LΒQing , E2 mail lq heut. Abstract The utilization of coal injection was analyzed by testing the burning rate of coal injected into the BF in HANSTEEL. The carbon content of dust from BF was determined via lithofacies analysis made to differentiate the structure of UPC from that of the coke in dust , thus determining the source of carbon2bearing substances in BF dust. The results showed that the BF dust contains comparatively high carbon content , among which the UPC particles are in three s slightly changed coal , porous coal and redidual carbon particles. And the structure of coke particles can be divided into filament2like , granular mosaic , flowing , flake2like and blocky textures. According to what coal is used and mixed for the BF in HANSTEEL at present , some suggestions are given to improve efficiently the burning rate of pulverized coal in HANSTEEL , and the coal from Changzhi/ Dawan is preferable to mixed coal injection. Key words UPCunburnt pulverized coal ; lithofacies analysis; burning rate ; dust ash ; mixed coal 高炉喷吹的煤粉在高炉中主要起燃烧放热和 还原的作用煤粉由风口吹入高炉后,部分在风口 前燃烧,部分以未燃煤粉UPC形态进入高炉各 部位,参与各种反应、 混入炉渣排出炉外或随炉顶 煤气逸出炉外[1]当喷吹煤粉量增加到一定程度 后,高炉内会出现大量的未燃煤粉调查表明,与 宝钢相比,邯钢高炉瓦斯灰和瓦斯泥中的碳元素 质量分数分别高20 和10 左右大量的未燃煤 粉对邯钢高炉构成了严重威胁,并使置换比下降, 喷煤效益降低[2 - 9]而未燃煤粉的利用率越高未 利用的碳量就越少,这意味着从炉顶煤气逸出的 碳量就越少因此,研究确定邯钢高炉煤气中未燃 煤粉数量,提出降低煤气中未燃煤粉的措施对邯 钢提高煤粉燃烧率降低成本有重要意义 1 邯钢煤粉燃烧率现状 由于邯钢目前所用原煤来源混杂,质量参差 不齐,考虑到安全问题,目前喷吹用煤采用单种 无烟煤试验测定了邯钢所用3种无烟煤和3种 备用煤种的燃烧率,其结果如表1所示由表1可 知,在邯钢所用的3种无烟煤中,长治煤的燃烧率 最好,为50175 ;泽州煤和高平煤的燃烧率比较 低,分别为45181 和40150 在试验选定的3种 烟煤中,大湾煤的燃烧率最高,达到了70166 准 联煤的燃烧率次之,为66173 ,老张沟煤的燃烧率 最低,为65122 准联煤和老张沟煤的燃烧率较 大湾煤的燃烧率低的主要原因是大湾煤的挥发分 高于准联煤和老张沟煤烟煤含挥发分高,在高炉 条件下,易于挥发分参与燃烧,对高炉喷吹煤粉的 燃烧十分有利另一方面,烟煤的燃烧率普遍高于 无烟煤的燃烧率试验选定的3种烟煤的平均燃 烧率为67154 ,试验选定的3种无烟煤的平均 燃烧率为45160 试验的无烟煤的平均燃烧率 仅为烟煤平均燃烧率的2/ 3左右综合考虑,长治 煤应作为高炉喷煤的首选无烟煤煤种 表1 煤粉的燃烧率试验结果 Table 1 Experimental results of burning rate of pulverized coal 试验编号煤 种风温/℃ 富氧率/ 燃烧率/ 1长治煤1 100250175 2泽州煤1 100245. 81 3高平煤1 100240. 50 4大湾煤1 100270. 66 5准联煤1 100266. 73 6老张沟煤1 100265. 22 2 邯钢未燃煤粉分析 2. 1 邯钢高炉除尘灰的碳元素分析 试验用高炉除尘灰于2008年11月取自于邯 钢5号高炉和7号高炉的生产现场,测得高炉灰 中含碳量以及当时煤比和焦比,如表2所示由表 2可知,邯钢高炉在2008年11月的生产条件下, 瓦斯灰和瓦斯泥中的碳元素质量分数都比较高,5 号 高 炉 瓦 斯 灰 中 的 碳 元 素 质 量 分 数 高 达 42107 ,瓦斯泥中的碳元素质量分数最高达 25131 7号高炉瓦斯灰中的碳元素质量分数也 达到39124 ,瓦斯泥中的碳元素质量分数最高 达到18104 分析宝钢高炉喷煤以来近300组 瓦斯灰和瓦斯泥中碳元素质量分数统计数据可 知,当煤比在150～200 kg/ t范围时,瓦斯灰中的 碳元素质量分数一般都在20 左右;瓦斯泥中的 碳元素质量分数一般都在10 ～15 由此可 见,邯钢高炉内喷吹煤粉的利用状况与宝钢高炉 内喷吹煤粉的利用存在比较大的差距此外,邯钢 高炉瓦斯灰中的碳元素质量分数明显高于瓦斯泥 中的碳元素质量分数,这可能与邯钢高炉喷吹的 煤种、 煤粉适宜的粒度组成和焦炭质量等因素有 关 表2 邯钢高炉除尘灰含碳量 Table 2 Carbon content of dust from BF in HANSTEEL 项 目 5高炉 瓦斯灰瓦斯泥 7高炉 瓦斯灰瓦斯泥 碳质量分数/ 42. 0725. 3139. 2418. 04 煤比/ kgt - 1 130. 6131. 1 焦比/ kgt - 1 350. 2367. 1 2. 2 高炉除尘灰的煤岩显微组分分析 焦炭、 未燃煤粉、 瓦斯灰和瓦斯泥的煤岩显微 组成如表3所示,各自的显微形貌见图1由表3 可知,焦炭的煤岩显微组成主要由粒状镶嵌结构 图 1a 、 流动结构图 1b 、 片状结构图 1c 、 块状 结构见图 1d 、 类丝碳见图 1e 和灰渣等组成 未燃煤粉的煤岩显微组成则主要由残碳颗粒图 1f 、 微变原煤图 1g 、 气孔原煤和灰渣等组成 高炉除尘灰中的煤岩显微组成主要由灰渣图 1h 、 铁质图 1i 、 粒状镶嵌结构、 微变原煤、 残碳 颗粒、 类丝碳、 片状结构、 流动结构、 块状结构、 气 孔原煤等组成 表3 邯钢 5 , 7高炉除尘灰、 焦炭和未燃煤粉的煤岩显微组成体积分数 Table 3 Microscopic lithotype composition of dust , coke and UPC used in 5 and 7 FBvolume fraction 种 类类丝炭片状结构 粒状镶嵌 结 构 流动结构块状结构 残碳颗粒 微变原煤 气孔原煤灰渣铁质 焦炭0. 9410. 3451. 4617. 198. 1500011. 920 未燃煤粉000016. 9056. 0310. 339. 547. 200 5炉瓦斯灰01. 7418. 220. 716. 674. 8009. 9348. 129. 81 7炉瓦斯灰02. 4120. 420. 183. 126. 130. 446. 5450. 4210. 34 5炉瓦斯泥006. 550. 322. 533. 610. 8711. 4366. 957. 74 7炉瓦斯泥00. 212. 4200. 983. 831. 029. 5871. 3510. 61 焦炭的显微组分主要分为三大类各向同性 组分、 惰性组分和各向异性组分块状结构是典型 的各向同性组分;惰性组分主要由灰渣组成;各向 异性组分又分为粒状镶嵌结构、 片状结构、 流动结 093东北大学学报自然科学版 第31卷 构和类丝碳煤炭中的碳是碳元素的非晶态物质, 经过高炉风口的快速燃烧后,碳元素的非晶态物 质特性并没有得到改变,未燃煤粉中的碳仍然是 碳元素的非晶态物质,即未燃煤粉中没有各向异 性组分包括粒状镶嵌结构、 片状结构、 流动结构 和类丝碳 [10] 因此,高炉瓦斯灰和瓦斯泥中的各 向异性组分包括粒状镶嵌结构、 片状结构、 流动 结构和类丝碳主要来源于焦炭 图1 未燃煤粉中碳的显微形貌 Fig. 1 Microscopic morphology of carbon in UPC a 粒状镶嵌结构 ; b 流动结构 ; c 片状结构 ; d 块状结构; e 类丝碳 ; f 残碳颗粒 ; g 微变原煤 ; h 灰渣 ; i 铁质 在高炉冶炼条件下,煤粉燃烧过程中半焦呈 现为蜂窝多孔的烧蚀有机质残碳结构微变原煤 和气孔原煤是由于短时间内喷煤量增大且一部分 煤粉呈团块状喷入,内部煤粉来不及燃烧造成的 但是此时的煤粒与未喷入的煤粒仍有所不同,煤 粒表面已经出现了裂痕,边缘已经变成了锯齿状; 挥发分的挥发导致煤体产生一部分气孔,形成气 孔原煤焦炭则是经过长时间十几个小时高温 炼制而成的,各种物理化学反应都进行得比较彻 底,焦炭中基本上没有烧蚀有机质残碳结构、 微变 原煤和气孔原煤[10]因此,高炉瓦斯灰中烧蚀有 机残碳结构、 微变原煤和气孔原煤主要来源于未 燃煤粉 瓦斯灰和瓦斯泥中的灰渣和铁质主要来源于 焦炭、 未燃煤粉和铁矿石,由于瓦斯灰和瓦斯泥中 的灰渣不是含碳物质,在讨论瓦斯灰和瓦斯泥中 含碳物质来源的过程中,可以不考虑灰渣和铁质 的影响根据以上讨论可得出以下3个计算公式 高炉瓦斯灰中含碳物质总量微变原煤气孔 原煤类丝碳粒状镶嵌结构流动结构片状 结构块状结构残碳颗粒;1 高炉瓦斯灰中来源于焦炭中的含碳物质类丝 碳粒状镶嵌结构流动结构片状结构块状 结构;2 高炉瓦斯灰中来源于未燃煤粉中的含碳物质 微变原煤气孔原煤残碳颗粒3 利用式1～式 3 , 根据表3分别计算出高 炉瓦斯灰和瓦斯泥中的含碳物质来源于焦炭和未 燃煤粉的比例,结果见表4 由表4可以看出,在试验期间,邯钢高炉瓦 斯灰中来源于焦炭的含碳物质比例明显高于来源 于未燃煤粉的比例,这与焦炭的质量不理想有关 而高炉瓦斯泥中来源于未燃煤粉的含碳物质明显 高于来源于焦炭的由表4还可知,高炉瓦斯灰 193第3期 王竹民等高炉喷煤过程中未燃煤粉分析 中来源于焦炭的含碳物质比例明显高于瓦斯泥中 来源于焦炭的含碳物质比例这是因为与焦炭粉 末相比,喷吹的煤粉燃烧率较低而产生的大量未 燃煤粉粒度较细,故其在重力除尘器中沉降速度 慢,被捕捉几率小,大部分在二次除尘中才能收 集因此,要降低邯钢高炉瓦斯灰和瓦斯泥中的 碳元素含量,首先必须改善邯钢焦炭的质量及提 高煤粉燃烧率 表4 邯钢 5 , 7高炉除尘灰中含碳物质的来源质量分数 Table 4 Source of carbonaceous substances in dust from 5 and 7 BF in HANSTEELmass fraction 种 类含碳物质总量 来源于焦炭的含碳物质 绝对值相对值 来源于未燃煤粉的含碳物质 绝对值相对值 5炉瓦斯灰42. 0727. 3464. 9914. 7335. 01 7炉瓦斯灰39. 2426. 1366. 5913. 1133. 41 5炉瓦斯泥25. 319. 4037. 1415. 9162. 86 7炉瓦斯泥18. 043. 6120. 0114. 4379. 99 3 降低邯钢未燃煤粉的措施 在喷吹煤种、 配比、 煤粉粒度组成、 风温、 富氧 率等工艺条件相对稳定的前提条件下,煤粉在高 炉风口区的燃烧率会保持基本不变,高炉煤比提 高后,就将导致高炉内未燃煤粉产生的数量增加 为降低邯钢高炉未燃煤粉数量,对邯钢拟采用的 烟煤和无烟煤进行混煤燃烧实验,得到不同煤种 配煤的燃烧率见表5 表5 不同煤种配比混煤的燃烧率 Table 5 Burning rate of mixed coal from different sources 试验 编号 煤 种 风温 ℃ 富氧率 燃烧率 170 高平 30 大湾1 100249. 23 270 长治 30 大湾1 100257. 21 370 泽州 30 大湾1 100253. 03 470 高平 30 准联1 100248. 64 570 长治 30 准联1 100254. 26 670 泽州 30 准联1 100252. 96 770 高平 30 老张沟1 100246. 93 870 长治 30 老张沟1 100253. 21 970 泽州 30 老张沟1 100249. 99 煤粉在高炉风口条件下的燃烧率与其显微组 成有很大关系,在配煤过程中选择比较合理的煤 岩组成,可使喷吹煤粉的燃烧率提高,为大幅度提 高喷煤量创造条件煤粉中各显微组分对其燃烧 存在着影响,其影响程度随显微组分的成分和含 量变化而变化当喷吹煤粉中镜质组含量较高时, 其丝质组含量的增加将导致煤粉燃烧率下降;当 喷吹煤粉中镜质组含量较低时,煤粉的燃烧率随 其中丝质组含量的增加而提高当喷吹煤粉中丝 质组含量比较低而镜质组含量在75 以下时,镜 质组的存在对煤粉燃烧起抑制作用,煤粉中镜质 组含量大于此值时,镜质组的存在对煤粉燃烧起 促进作用;当喷吹煤粉中丝质组含量比较高时,煤 粉中镜质组含量的增加将导致其燃烧率逐渐下降 喷吹煤粉中矿物质含量增加的最终结果将导致煤 粉燃烧率的降低由表5可知,混煤可以促进煤粉 的燃烧、 发挥无烟煤和烟煤各自的优点,且随着烟 煤配量的增加,燃烧率逐步增大其中,70 长治 配加30 大湾的燃烧率最高,70 高平配加30 老张沟的燃烧率最低综合考虑,长治煤与大湾煤 的配合可作为邯钢高炉喷吹的首选 未燃煤粉中的微变原煤、 各向异性结构、 块状 结构、 破碎块状、 大气孔、 小气孔、 烧蚀有机质残余 主要来自于喷吹煤粉中的镜质组;而未燃煤粉中 的裂隙结构、 骨架结构则主要来自于喷吹煤粉中 的丝质组;未燃煤粉中的灰渣主要来源于喷吹煤 粉中的矿物质因此,镜质组是高炉风口喷吹条件 下未燃煤粉的主要来源,为提高煤粉的燃烧率,在 配煤过程中应适当降低喷吹煤粉中镜质组的含 量,适当提高喷吹煤粉中丝质组的含量 4 结 论 1 目前邯钢喷吹煤种单一,燃烧率低,在高 炉内形成了大量未燃煤粉,导致邯钢高炉瓦斯灰 和瓦斯泥中的碳元素含量都比较高5号高炉瓦 斯灰和瓦斯泥中的碳元素质量分数分别高达 42107 和25131 ,7号高炉瓦斯灰和瓦斯泥中 的碳元素质量分数分别达39124 和18104 2 炉尘中的未燃煤粉颗粒可分成微变原煤 颗粒、 气孔原煤颗粒和残碳颗粒3种类型,焦炭颗 粒可分成类丝碳、 粒状镶嵌结构、 流动结构、 片状 结构、 块状结构 3 高炉瓦斯灰中来源于焦炭的含碳物质比 例明显高于来源于未燃煤粉的比例,而瓦斯泥中 来源于未燃煤粉的含碳物质明显高于来源于焦炭 的比例要降低邯钢高炉瓦斯灰和瓦斯泥中的碳 元素含量,必须改善邯钢焦炭的质量及提高煤粉 293东北大学学报自然科学版 第31卷 燃烧率 4 邯钢混煤的燃烧率大于单种无烟煤的燃 烧率综合考虑,长治煤与大湾煤的配合可作为邯 钢高炉喷吹的首选 参考文献 [ 1 ]Iwanaga YJ. 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