喷煤预热技术的研究与应用

日期:2018年04月26日/ 人气: /编辑:王宏强 /来源:原作


煤粉预热喷吹技术的研究与应用
王宏强
舞钢中加钢铁有限公司
长治方圣喷吹技术有限公司
摘要:
      
论述了煤粉预热喷吹技术的研究与高炉的应用及发展历程,并结合舞钢中加钢铁的工业应用案例,分析煤粉预热喷吹技术的对高炉冶炼的影响。
关键词:煤粉预热    高炉    燃烧率
一、  国外煤粉预热技术的追踪
       1、巴西Escola de Minas UFOP公司开发了一种类似高炉风口的实验装置,采用三种煤粉混合喷吹并在喷吹前对煤粉进行预热的方式,在实验室装置上进行了反复实验。得到数据,见下  表1:
表1不同挥发份煤粉预热前后燃烬率的变化
项目 8.7%挥发分 27.1%挥发分 18.9%挥发分
预热前(25℃) 58.5 74.1 72
预热后(250℃) 67.5 82.9 84.1
比较 +9 +8.8 +12.1
       2、蒂森克虏伯Schwelgern 1号高炉(4407m3)采用德国科特纳公司煤粉预热技术在其20个风口进行了喷吹预热煤粉的试验,试验期间,焦比280kg/t以下,煤比达到了190kg/t,获得了较好的技术经济指标。它用的是用热风炉排出的废气加热热油,这部分能量再通过 特 殊 的热 交 换 器 传 递 给煤 粉 。
       3、英国的Scunthorpe厂的4号高炉应用煤粉预热喷吹,月平均煤比达到200KG/T。
二  国内煤粉预热技术研究、应用现状
      1、  技术研究
       2005年,国内首次见研究报告的是东北大学苏展的硕士论文《高炉喷吹预热煤粉的研究》(2005);方圣喷吹技术公司同年开始追踪并研究煤粉预热技术;
       2006年方圣公司开始煤粉预热设备的开发与工业应用研究
2007年,方圣公司在南京工业大学、南京诚志科技、潞安矿务局等单位的协作下研发的国内第一套煤粉预热(中试)装置在舞钢中加钢铁公司3#高炉投入工业应用试验。
喷煤预热技术的研究与应用
       该套装置是基于分离式热管的原理,在喷煤制粉系统的烟气升温炉与磨煤机之间切入煤粉预热系统的吸热子模块---蒸发器,蒸发器吸收热量后产生的高压蒸汽远程送至煤粉换热器实现与煤粉的换热。
方圣公司的煤粉预热装置的工业应用试验后,国内大学、企业等相关研究人员、工程技术人员各自开展研究及撰写论文:
  杜    刚 [1]发表了《预热对混合煤粉爆炸性的影响》
  刘仁生 [2]发表了《预热对潞安常村高炉喷吹煤燃烧性和反应性的影响》《预热高炉喷吹煤粉提高燃烧效率的研究》
  曹晨忠[3]发表了: 《预热对高炉喷吹煤粉输送性能的影响》
  赵俊东[4]等发表了:《煤粉预热对高炉喷吹中煤粉燃烧行为的影响》
  刘  然[5]等发表了:《预热高炉喷吹煤粉提高燃烧效率的研究》
  左启伟[6]等发表了:《煤粉预热燃烧特性及动力学分析》
2、  工业应用
       2007年,中加钢铁公司3#高炉采用方圣公司的中试设备进行工业应用试验。该设备是基于分离式热管的原理,在喷煤制粉系统的烟气升温炉与磨煤机之间切入煤粉预热系统的吸热子模块---蒸发器,蒸发器吸收热量后产生的高压蒸汽远程送至煤粉换热器实现与煤粉的换热。
       2014年,中加钢铁1#、2#高炉采用方圣公司研制的第二代煤粉预热器投入应用。煤粉温度预热到250℃。
喷煤预热技术的研究与应用
   喷煤预热技术的研究与应用
  
       
   
     
 
     
       2016年,中加钢铁3#高炉采用方圣公司的第三代煤粉预热器在投入应用(替代原中试预热设备),煤粉温度预热到300℃
喷煤预热技术的研究与应用喷煤预热技术的研究与应用  
 
煤粉预热后的变化:
3.1  煤粉预热后化学成分的变化:
喷煤预热技术的研究与应用
       从连续取样分析的结果看,煤粉预热到300℃后,水分几乎全部析出,有3.436%的挥发份(估计为CO2)析出,相对应灰分增加了5.045%,(判断为取样过程中部分煤粉燃烧的结果);
3.2  煤粉预热后微观结构的变化:
      针对中加钢铁煤粉预热的应用实践,北京科技大学张建良炼铁新技术研究实验室对中加钢铁煤粉预热前/后的表观形貌进行了电镜微观结构的观察分析。
喷煤预热技术的研究与应用喷煤预热技术的研究与应用喷煤预热技术的研究与应用      
图5在200μm下预热前的煤颗粒形貌                 图6 在100μm下预热前的煤颗粒形貌                 图7 在50μm下预热前的煤颗粒形貌
喷煤预热技术的研究与应用喷煤预热技术的研究与应用喷煤预热技术的研究与应用
图8 在200μm下预热后的煤颗粒形貌               图9 在100μm下预热后的煤颗粒形貌                 图10 在50μm下预热后的煤颗粒形貌
       从不同放大比例下未预热的煤颗粒表面光滑,同时破碎棱角分明;在图10中,能够清楚看到粒煤中的纹理及夹杂,表面光滑。
       从预热后煤粒形貌来看,煤粒棱角出现过渡,在图10中煤粒表面出现白色附着物,可能为预热时小颗粒煤粉燃烧后的灰分附着在大颗粒表面。
       总体来说,煤粉预热对煤颗粒表观形貌产生一定的影响,经过预热后煤颗粒棱角出现过渡,表面附着有燃烬后灰分(分析为取样过程中部分煤粉的燃烧)。
、 煤粉预热后喷枪前取样
       煤粉经过预热后,在喷枪前取样比较困难,因为温度高,一取出来遇见空气立刻燃烧,所以很难取到一个完整的样,为尽量保证取出的煤样在冷却之前不燃烧,我们设计一个取样装置,取样之前,先通入氮气,再放进煤粉后继续通氮气,直到煤粉冷却再停氮气。
喷煤预热技术的研究与应用喷煤预热技术的研究与应用
(煤粉风口前取样)                      (取出样见空气燃烧)
5 、 预热后的喷吹浓度
       中加钢铁采用的第一套中试预热器器与第二套煤粉预热器均采用稀相喷吹,主要解决煤粉堵塞的问题,到第三代预热器在解决了堵塞问题后,喷吹浓度达到38-42Kg/M3煤粉。所以传热效率大幅度提高。
6 、 关于煤粉预热工艺的热平衡
       从目前国内外应用的煤粉预热工艺流程分析,仅仅用热风炉废气的余热(平均200)把煤粉加热到300是不可能的,必须引入另外的热源来补充,我们采取燃烧部分高炉煤气作为补充热源,但考虑到从预热器出来的热废气温度比较高,所以预热工艺设计的流程要插入喷煤车间的制粉系统:
利用热风炉废气作为热能的载体,混合煤气燃烧的高温废气后得到次高温废气,次高温废气进入煤粉预热器与煤粉进行热交换,把煤粉温度提高到300℃.从预热器出来的废气再去磨煤机干燥煤粉。
那么这一能源的转换是否经济合理呢?
(下图是根据中加钢铁3#高炉的生产数据做出的热平衡图):
喷煤预热技术的研究与应用
        从上图可以看出,把煤粉预热到300时,预热器的热效率接近67%。这一热效率远远高于用高炉煤气发电时(高温、高压锅炉)30%的热效率,所以对于富余高炉煤气全发电的企业来说,转移少部分煤气去做煤粉预热经济上是合理的。
、煤粉预热与高富氧对煤粉燃烧率的影响
       提高富氧能够加速煤粉燃烧速率,由于在高炉风口条件下,固定碳的燃烧速率主要受氧在碳颗粒表面传质速度的限制,因此,鼓风含氧量的增加有助于固定碳燃烧速率的明显增加,改善煤粉在高炉风口区的燃烧过程。提高富氧率,是通过增加了风口前氧浓度、提高了风口前的理论燃烧温度来足进煤粉的燃烧, 煤粉燃烧率会随富氧量的增加而提高。
       当富氧率超过一定值之后,煤粉燃烧率随着富氧率的增加,提高幅度有所下降,富氧促进煤粉喷吹,降低燃料成本的边际效益递减。另外富氧率直接影响到冶强,可能导致产能的再平衡;
       而煤粉预热后喷入高炉,不仅可以增加煤粉带入高炉的物理热,减少由于入炉煤粉升温、分解吸热引起炉缸温度下降对高炉冶炼的影响,更大的作用是给碳颗粒在回旋区短暂的时间、空间燃烧争取了宝贵的时机,另外由于预热后喷入高炉,煤粉的初始温度大幅度提高,能够促使氧在碳颗粒表面传质速度加快,固定碳的燃烧速率加大,所以煤粉预热喷吹可以更充分利用高风温,发挥高富氧率的优势,进一步提高喷煤比。 中加钢铁的应用实践证明高富氧率产生的效果和煤粉预热产生的效果更大程度上体现为叠加效应。
8、煤粉预热的动力学研究
喷煤预热技术的研究与应用
       上表是北科大左启伟、仓大强等利用热重天平采用非等温燃烧方法研究的挥发份27.82%、灰分3.48%、水分3.48%典型煤粉预热后燃烧特性及反应动力学参数。该种煤粉预热到300 ℃时,最大燃烧速率提高了2.29倍,平均燃烧速率提高了23.7%。
喷煤预热技术的研究与应用
 9、粉预热对高炉炉况的影响
       在煤粉预热喷吹试验的过程中,我们发现预热器一停止使用,顺行的炉况很快就有反应,风压、料线都有明显的变化。我们试图从煤粉在高炉内的消耗分配来分析其形成的原因:北科大左启伟、仓大强等研究的上边那个煤种在不同预热温度下综合燃烧特性指数的变化趋势。图例显示该种煤在预热到150 ℃ ~350 ℃之间,综合燃烧特性指数逐步提高,但350 ℃以后综合燃烧特性指数会成倍快速提高。这个研究数值很值得关注。是否大多数企业喷吹的煤种都有这一特性?如果是共性的,那这个研究将为我们下一步煤粉预热提供方向性的指导。
喷煤预热技术的研究与应用
       煤粉预热后,明显的高炉除尘灰的含碳量降低3%以上,以此我们判断对煤粉进行预热后,煤粉在回旋区的燃烬率提高,大大减少了从回旋区逃逸出来的未燃煤粉数量,进入初成渣的未燃煤粉量的变化导致炉渣粘度及流动性的变化,从而影响到炉况。
三 、煤粉预热后高炉生产指标
1 、 煤粉预热后高炉生产指标
     中加钢铁3#高炉2016.6月份第三代预热器投用前后煤粉预热到227~244℃,高炉生产指标变化:
    高炉配煤结构为:(60%神木煤+40%焦作煤)
   喷煤预热技术的研究与应用
       2016年6月16日中加钢铁公司3#高炉第三代预热器投产以来,煤粉预热到200-250℃,在煤比增加5公斤,入炉矿品位、风温等重要影响因素变化不大的情况下,高炉燃料比下降6KG/T。
       2017.1月份,中加钢铁3#高炉煤粉预热温度达到300℃,为验证煤粉预热的效果,进行了一次停用预热器试验,下面是预热器使用和停用时高炉生产指标变化:
    高炉配煤结构为:(50%神木煤+50%焦作煤)
   喷煤预热技术的研究与应用
       试验数据表明,2017年1月中加钢铁公司3#高炉第三代预热器,在原、燃料稳定、炉况顺行的情况下煤粉温度预热到300℃,综合燃料比降低9 KG /吨铁。
四 、煤粉预热技术研发与应用心得
1、煤粉预热技术的研发和应用历经11年,在舞钢中加钢铁应用的三代产品,都是从生产实践中来,到实践中去,再回头寻找理论支撑。传热形式从间接换热过度到直接换热,热效率由28%提高到67%;预热设备作业率从40%逐步提高到与高炉作业率同步。
2、煤粉预热技术的研发经历了预热温度选择、传热、换热形式的选择、换热件材质的试验、阀门的寿命、管道堵塞、系统保温等技术难题的困惑,但幸运的是我们得到华中科大、北京科大、南京工业大学等的支持和教授、专家们无私的帮助以及我们团队最终的坚持.
3、希望煤粉预热技术的研究能引起金属协会的重视,将更多的研究工作让国家队接手。
五、 结论
1、对煤粉进行预热喷吹,可促进煤粉在进入风口前的气化热解,提高煤粉在回旋区的燃烬率,降低高炉综合燃料比;
2、对煤粉进行预热喷吹,可以大大减少从回旋区逃逸出的未燃煤粉量,可以改善炉渣的流动性,可以作为炉况调剂的一种手段。
参考文献:
[1]杜刚、应自伟:      《预热对混合煤粉爆炸性的影响》(2007)
[2]刘仁生、赵兵、房连增《预热对潞安常村高炉喷吹煤燃烧性和反应性的影    响》(2009)
[2]刘仁生、钟雪晴      《  预热高炉喷吹煤粉提高燃烧效率的研究》(2010)
[3]曹晨忠              《预热对高炉喷吹煤粉输送性能的影响》(2010)
[4]赵俊东、王恒        《煤粉预热对高炉喷吹中煤粉燃烧行为的影响》(2011)
[5]刘然 、王杏娟       《预热高炉喷吹煤粉提高燃烧效率的研究》(2014)
[6]左启伟、仓大强、安霞、赵军、杨静波 《煤粉预热燃烧特性及动力学分析》
[7]孙向伟              《高炉喷煤中未燃煤粉的行为》    (2014)
作者联系方式:
姓 名:王宏强
电 话:13849550398
地 址:舞钢市马鞍山大道西段
邮 编:462500
 
 

Go To Top 回顶部