煤粉在Corex熔融氣化爐內的燃燒行為研究

第29卷第1期鋼鐵釩鈦Vol.29,No.12008年2月IRON STEEL VANADIUM TTANIUMFebruanry 2008煤粉在Corex熔融氣化爐內的燃燒行為研究曹希榮' ,張丙懷' ,賈國利' ,陽(yáng)海彬',張濤2,彭 華國2(1.重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,重慶400 2.中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司煉鐵部,重慶400013)摘要:Corex 熔融還原煉鐵是新興的煉鐵工藝,雖然它可以不用或少用焦炭冶煉鐵水,但是需要用塊煤來(lái)生產(chǎn)。為了替代一部分塊煤以及充分利用產(chǎn)生的煤粉,提出了往熔融氣化爐噴吹煤粉的方法。Corex 噴煤可以借鑒高爐噴煤的經(jīng)驗,但是它們之間有一些區別。采用熱態(tài)模擬的方法對煤粉在Corex熔融氣化爐內的燃燒行為進(jìn)行研究,得到煤的粒度、揮發(fā)分含量以及噴吹位置和Co濃度等因素對煤粉燃燒率和氣化率的影響規律。實(shí)驗將為Corex 噴煤技術(shù)的開(kāi)發(fā)提供必要的理論支持。關(guān)鍵詞;Corex;噴煤;粒度;燃燒率;氣化率中圖分類(lèi)號:TFS57文獻標識碼:A文章編號 :1004 - 7638(2008)01 - 000 - 04Research on Combustion Behavior of Powdered Coal Injectionin Corex Smelting - gasifierCao Xirong' , Zhang Binghuai' , Jia Guoli' , Yang Haibin' , Zhang Tao2 , Peng Huaguo2(1 College of Malerial Science and Enginering, Chongqing University , Chongqing 40044, China;2. Lonnaking Depatmenl,CIDI Enineering Co Ld,Chongqing 400013,China)Abstract :The corex smelting reduction was a new kind of ironmaking process●The process need lump coal tomaintain production, though coke is nol necessary material for it. Powdered coal injection in corex smelting -gasifier was proposed in order to replace lump coal and make full use of powdered coal. The experience of PCIin BF can be leamed by the corex technology , however, there are some diferent aspects between the two pro-cesses . The research on combustion behavior of powdered coal injection in corex smelting - gasifier was carriedout by the themo - simulator. The rules of combustion rate and gasification rate were obtained, including thesefactors, such as the granularity of coal, the content of volatile compound, the blowing position and CO concen-tration. The research can provide essential theory for the development of powdered coal injection in corex pro-Key words: Corex;powdered coal injectin; granularity ;combustion rate;asification rate即豎爐和熔融氣化爐,組成所謂的Corex塔。Corex0引言工藝原理相當于將高爐從軟熔帶分為了兩截,解決Corex工藝是煉鐵新工藝,也是目前唯一實(shí)現工了煉鐵對焦炭的依賴(lài)，可以不用或少用焦炭。但它.業(yè)化["的熔融還原技術(shù),它借鑒和依托大量成熟的需要塊煤作為燃料及還原劑,目前南非、印度["]和韓高爐和MIDREX豎爐的技術(shù)設備。Corex 工藝中鐵國等國家的Corex法所用的燃料都是塊煤。的還原和熔煉過(guò)程是在兩個(gè)不同的容器中完成的,中國煤化工高,原煤中含粉率FHCNMHG收稿日期:2007-07-10作者簡(jiǎn)介:曹希榮(1981-),男,湖南衡陽(yáng)人,碩士研究生,主要從事煉鐵理論與工藝研究。第1期曹希榮等:煤粉在Corex熔融氣化爐內的燃燒行為研究很高,塊煤率極低。據有關(guān)資料表明,原煤中塊煤僅風(fēng)溫度一般在1000 C以上,而Corex吹入的氧氣為占6%左右,如果Corex繼續推廣,塊煤將不能滿(mǎn)足常溫;②Corex風(fēng)口直徑比高爐風(fēng)口直徑小得多,在生產(chǎn)的需要?？梢?jiàn),Corex 法單一使用塊煤將是- -個(gè)噸鐵耗氧(風(fēng))量、理論燃燒溫度方面,Corex也與高潛在問(wèn)題(2]。爐相差較大;③由于鼓人的是純氧,且氣化爐內全部通常購買(mǎi)的塊煤中,小于6 mm的粉煤約占為高溫區，所以Corex 爐內的還原性氣氛更強;④35%。且塊煤在儲運過(guò)程中,產(chǎn)生粉末是不可避免.Corex風(fēng)口回旋區比高爐小,回旋區形狀也不同。⑤的。因此,不論從資源利用,還是從成本的角度考Corex不但可以考慮從風(fēng)口位置噴入煤粉,還可以考慮,都存在-一個(gè)粉煤的利用問(wèn)題。粉煤可以用于高慮從粉塵燃燒饒嘴位置噴入煤粉,但要考慮煤粉“短爐噴吹、發(fā)電和直接還原等,但是都將帶來(lái)運輸壓力路”的問(wèn)題。和粉塵污染等問(wèn)題。如果把篩分出來(lái)的煤粉用于2噴吹煤粉的實(shí)驗Corex,主要有兩種方案可供選擇:①煤壓塊,即粉煤經(jīng)壓塊后加入熔融氣化爐。韓國浦項的Corex就是2.1 實(shí)驗裝置采用煤壓塊(3]。但是,煤壓塊工藝不但投資高,而且實(shí)驗采用熱態(tài)模擬的方法進(jìn)行煤粉噴人氣化爐壓塊煤同樣會(huì )產(chǎn)生粉末。②噴吹煤粉,即Corex象內的燃燒行為研究,模擬氣化爐的形狀和爐內的溫高爐那樣,引入噴煤技術(shù)。目前世界上還沒(méi)有應用度場(chǎng)。實(shí)驗設備由爐體、加熱及控溫裝置、噴煤裝于Corex工藝的噴煤裝置。與煤壓塊相比，噴煤可置、燃燒后殘余煤粉收集裝置(.上、下部)和供氣裝置以降低投資成本和鐵水成本,增加生產(chǎn)的調節手段,組成,如圖1所示。其中,模型與原型按1:60的比還有利于強化冶煉[4]。例制作,主體由剛玉粉整體澆注而成,在上部和下部留有噴煤口和測溫孔。設備可承受的最高溫度為1 Corex噴煤的特點(diǎn)1 500 C,可確保實(shí)驗在1 100~1 500 C條件下穩定高爐噴煤的效果是有目共睹的,新興的Corex進(jìn)行。設備采用電爐外部加熱的方式提供熱源,外煉鐵技術(shù)可借鑒高爐噴煤的經(jīng)驗。但是, Corex噴煤加熱電爐用三組硅碳棒作發(fā)熱體,分三段控溫。與高爐噴煤是有一些區別的,主要體現在:①高爐鼓實(shí)驗時(shí),將氣化爐升溫到1300C,根據實(shí)驗方噴煤裝置氣化燈代化碳氫氣氧氣燁融氣化爐流嫩表b上部噴吹門(mén)[除塵裝置空用機]測溫孔口卜部噴坎1圖1實(shí)驗裝置示意Fig. 1 Schematic drawing of experimental equipment案,調節壓縮空氣、CO、O2流量,保持爐內一定的氧式[51]為:濃度,以及使煤顆粒在爐內停留一些時(shí)間而燃燒。I=[1-(Wx C)/( Wcx Cc)]x 100%每次實(shí)驗在規定的時(shí)間內把500g煤粉噴吹完畢,中國煤化工燃燒后殘余煤粉然后將殘煤取出,并對殘煤進(jìn)行煤炭工業(yè)分析,計算和試含量。出燃燒率和氣化率,分析各種因素的影響。MH. CN M HS要,未完全析出煤粉燃燒率(I1)是煤粉燃燒好壞的標志,計算公揮發(fā)分的煤粉隨煤氣進(jìn)入管道,由于溫度降低,將在, 8.鋼鐵釩鈦2008年第29卷除塵管道系統內產(chǎn)生焦油等物質(zhì)而堵塞管道,揮發(fā)式中,x為粒度, mm; 1(x)為燃燒率,%;G(x)分不完全析出也將減少氣化爐產(chǎn)生的煤氣量。根據為氣化率，%。燃燒率計算公式,類(lèi)似地可以得出氣化率的計算公2.3煤的揮 發(fā)分對燃燒率和氣化率的影響式:煤的揮發(fā)分是煤應用于Corex時(shí)影響最大的因C=[1-(WAx v,)/(Wcx Vc)]x 100%素,是決定其氣化溫度的首要參數。無(wú)煙煤發(fā)熱量式中wA,Wc, VA, Vc分別為燃燒后殘余煤粉和高,理論置換比高,因此成為噴吹的首選用煤。但是，試樣煤粉重量以及它們的揮發(fā)分含量。無(wú)煙煤燃燒性差,尤其是在煤比較高時(shí),過(guò)多的未燃2.2煤的粒度對燃燒率和氣化率的影響煤粉不僅影響生產(chǎn),還會(huì )降低置換比。煙煤燃燒性實(shí)驗采用的煤(見(jiàn)表1)粒度較粗,主要原因是:好,可磨性指數比無(wú)煙煤高,有利于提高煤比,但煙煤Corex工藝采用的煤揮發(fā)分都較高,熔融氣化爐內溫燃燒熱比無(wú)煙煤低、理論置換比低,而且單獨噴吹高度高，且鼓入的是純氧,這些因素都有利于較粗粒度揮發(fā)分煙煤還存在不安全因素。近年來(lái),越來(lái)越多的煤的燃饒。噴吹較粗粒度的煤可以簡(jiǎn)化制粉工藝，企業(yè)采用煙煤跟無(wú)煙煤混合噴吹。實(shí)驗采用單一的節省投資成本,降低生產(chǎn)成本,并且比較安全。實(shí)驗渡市煤石柱煤,以及渡市煤和石柱煤按比例的混合用煤分為四個(gè)粒級[6), <0.075 mm(200目)，<0.15煤。每次實(shí)驗將500 g粒度<0. 15 mm(100目)煤粉從mm(100目),<0.71 mm(24目),<2.30 mm(8目)。下部噴口噴人,CO濃度為2.56% ,20 min噴完,實(shí)驗結每次實(shí)驗將500g渡市煤從氣化爐下部噴口噴人，果見(jiàn)表3。根據供氣流量的對比，實(shí)驗中的燃燒率和幾種粒級煤按照不同比例混合而得到不同的平均粒氣化率相當于CorexC - 3000在煤比為每噸鐵92 kg左度[6] ,co依度為2.56% ,20 min噴完,實(shí)驗結果見(jiàn)表右時(shí)的燃燒率和氣化率。2。根據供氣流量的對比,實(shí)驗中的燃燒率和氣化率表3不同揮 發(fā)分時(shí)煤的燃燒率和氣化率相當于CorexC - 3000在媒比為每噸鐵92 kg左右時(shí)Table 3 Combustion rate and gasification rate of coal的燃燒率和氣化率。in different volatile compaund content表1實(shí)驗用煤的工業(yè)分析揮發(fā)分含最/%燃燒奉/%氣化率/%Table 1 Proximate analysis of test coal10.0673.4088.3115.2477.3791.71煤炭種類(lèi)水分18.6982.3494.28渡市煤63.189.5127.321.55527.32 .89.1296.67石柱煤68.3321.61表2不同粒度煤的燃燒率和氣化率由實(shí)驗結果可見(jiàn)，燃燒率和氣化率與煤的揮發(fā)Table 2 Combustion rate and gasification rate分含量成線(xiàn)形關(guān)系，當揮發(fā)分含量在17%以上時(shí)，of coal in difTerent granularity燃燒率維持在80%以上,氣化率在92%以上。對四平均粒度/mm燃燒擊/% .氣化事/%組數據進(jìn)行擬合[7] ,得到燃燒率或氣化率與煤的揮0.2366.0693.62發(fā)分含量的關(guān)系式:0.17581.5895.060.16879.5789.93I(y)=63.993 +0.929y0.14181.0096.81C(y) =84.197 +0.479y0.11388.9597.630.1式中,y為揮發(fā)分含量, %;1(y)為燃燒率, %;C(y)為氣化率,%。由實(shí)驗結果可見(jiàn),平均粒度在0.18 mm(80目)2.4噴吹位置對燃燒率和氣化率的影響以下時(shí),燃燒率可以保持在80%以上,氣化率可以實(shí)驗模型下部噴口相當于熔融氣化爐的風(fēng)口位保持在90%以上。對平均粒度為0.23 mm.0. 168置,下部實(shí)驗溫度為1 300 C。模型上部噴口相當于mm.0.1 mm的三組數據采用Newton插值法(7] ,得到熔融氣化爐的粉塵燃燒燒嘴位置,上部實(shí)驗溫度為插值多項式,即燃燒率或氣化率與煤的粒度的函數11中國煤化工渡市煤粉分別從關(guān)系:上% ,20 min噴完,實(shí)I(x)= -595.861 5x2+ 19.249 7x +93.153 6驗結YHCN M H G對比,實(shí)驗中的燃C(x)=1 220.643 8x2- 426.3x + 127 .097燒率和氣化率相當于CorexC - 3000在煤比為每噸鐵第1期曹希榮等:煤粉在Corex熔融氣化爐內的燃燒行為研究●9●表4不同噴吹位置時(shí)煤的燃燒率和氣化辜表5不同co濃度時(shí)煤的燃燒辜和氣化奉Table 4 Combustion rate and gasification rate ofTable 5 Combustion rate and gasification rate ofcoal in different blowing positioncoal in difTerent CO concentration位發(fā)煤的粒氧化Co濃度/%燃燒率/%氣化率/%度/mm067.4793.51上部0.185.2395.792.5669.3193.640.16864.1486.644.9463.800.14171.3289.987.1662.7893.39下部89.12 .96.6779.5789.9381.0096.81由實(shí)驗結果可見(jiàn)，CO濃度對燃燒率影響明顯，但對氣化率影響不大。說(shuō)明雖然氣化爐內還原性氣92 kg左右時(shí)的燃燒率和氣化率。氛較強,但是未燃煤粉仍可保持較高的氣化率。由實(shí)驗結果可見(jiàn),在相同粒度時(shí),上部的燃燒率和氣化率都比下部低,主要是上部溫度比下部溫度低3結論一些。但采用細粒度煤,燃燒率可以保持在80%以(1)研究表明Corex熔融氣化爐噴煤是可行的。上,氣化率可保持在90%以上。從實(shí)驗中也發(fā)現,細(2)煤的粒度對其燃燒率和氣化率影響很大,平.粒度煤上部噴入并不會(huì )隨煤氣被大量帶人煤氣管道。均粒度應該在0.18 mm(80目)以下,才能確保較高2.5 CO濃度對燃燒率和氣化率的影響的燃燒率和氣化率。根據熔融氣化爐內還原性氣氛較強的特點(diǎn),調(3)煤的揮發(fā)分含量對燃燒率和氣化率影響較節通入氣體中CO的比例,找出Co對燃燒率或氣化大,可以考慮將煙煤與無(wú)煙煤混合噴吹。率的影響規律。每次實(shí)驗將500 g粒度<0.71 mm(4)CO濃度對燃饒率有明顯影響,應該計算回(24目)的渡市煤粉從下部噴人，16min噴完,實(shí)驗旋區大小,以便使煤粉噴槍插到回旋區范圍內。結果見(jiàn)表5。根據供氣流量的對比,實(shí)驗中的燃燒(5)上部噴人和下部噴入的規律是-致的，只是率和氣化率相當于CorexC - 30000在煤比為每噸鐵在相同條件下,上部噴人時(shí)煤粉的燃燒率和氣化率110 kg左右時(shí)的燃燒率和氣化率。都比下部噴入時(shí)低。參考文獻:[1] Emst Eichberger, Helmut Freydorfer, Friedrich Brauer, et al. 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