D01:10.13374.isml00103x.2009.06.002 第31卷第5期 北京科技大学学报 Vol.31 No.5 2009年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing May 2009 新型高炉喷煤模拟燃烧实验装置设计 张建良)黄冬华1,2 张曦东引常 健) 1)北京科技大学治金与生态工程学院.，北京1000832)北京科技大学期刊中心，北京100083 3)钢铁研究总院治金工艺研究所，北京100081 摘要设计了一种适合模拟高炉喷煤燃烧的实验装置，满足热风既高温又高速的煤粉喷吹条件，可以模拟氧气高炉条件下 的煤粉喷吹.喷吹瞬间流场的数值模拟结果表明，当喷吹气体速度达到最大值时，直吹管气体平均速度为16235m'g1.利 用该装置研究了氧气高炉条件下煤粉的燃烧规律.结果表明：煤粉的燃烧率随O/C原子比的增加而增加在低O/C原子比条 件下，煤粉的燃烧率较低，但其增幅比较明显：无烟煤的燃烧率低于烟煤. 关键词喷煤：实验装置：煤粉燃烧：高炉 分类号TF538.6+3 Design of an experimental device to simulate coal injection in blast furnaces ZHANG Jian-liang.HUANG Dong-hua2.ZHANG Xi-dong,CHANGJian 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and T echnology Beijing.Beijng 100083.China 2)Jourmals Pubishing Centre.University of Science and Tech mology Beiing,Beijing 100083.China 3)Metallurgical Technology Institute,Central Iron Steel Research Institute,Beiing 100081.China ABSTRACT An ex perimental device was designed to simulate ca injection in blast furnaces.The device meets the need of coal in- jection with high temperature and high speed by hot air.and it can be used to simulate coal injection in a nitrogen-free blast furnace. Numerical simulation of the flow field in the device at the injection moment was performed.The results show that w hen the velocity of injected air reaches the maximum,the average velocity of air in the blow pipe is 162.35m's.The combustion regularity of pul- verized coal was investigated using the device.The results show that the burning rate of coal increases w ith an increase in O/C atomic ratio.In the low O/C atomic ratio range,the burning rate of ooal is comparatively low.but it increases more rapidly compared to that in the high O/C atomic ratio range.The burning rate of anthracite is lower than that of bituminous ooal. KEY WORDS coal injection:ex perimental device:combustion of pulv erized coak blast furnace 研制模拟高炉直吹管内煤粉燃烧的实验装置， 煤粉燃烧的研究：其最大不足是难以实现热风既高 一直是高炉炼铁工作者渴望解决的课题.由于高炉 温又高速的要求.过多的冷风使热风温度难以达到 的热风温度很高，热风在直吹管又处于高速运动的 起码的要求，要使热风温度达到1100℃左右，风量 湍流状态，使得煤粉一旦喷入直吹管中即被迅速加 就不能太大，导致反应管内气流不能达到湍流状 热，加热速率高达103~10°℃·s1,且在直吹管中停 态，且煤粉在反应管内的燃烧时间较长，不能反 留时间很短，只有10ms左右，因此要想在实验室模 映出煤粉在直吹管内与热气流强烈的热量、动量和 拟高炉喷煤这种高温、高速的煤粉燃烧状况极为困 质量交换.如果缩小反应管直径勉强达到湍流状 难。目前国内采用两段电加热的方法模拟高炉喷态，也会由于反应管太细、煤粉燃烧空间太小而使模 吹一习，即先采用电阻炉将空气加热到900℃左右， 拟失真，可见这类装置的关键问题是冷风与加热元 再由硅碳管炉将热风进一步加热到1100℃左右，并 件的热交换能力较差，且这种实验装置每次试样用 在硅碳炉1500℃左右的高热环境中喷入煤粉，进行 量大，耗时较长. 收稿日期：200801-22 作者简介：张建良(1965一)男，教授博士生导师，E-mail:1.zhmg@mal.usth.cu.cm
新型高炉喷煤模拟燃烧实验装置设计 张建良1) 黄冬华1, 2) 张曦东3) 常 健1) 1) 北京科技大学冶金与生态工程学院, 北京 100083 2) 北京科技大学期刊中心, 北京 100083 3) 钢铁研究总院冶金工艺研究所, 北京 100081 摘 要 设计了一种适合模拟高炉喷煤燃烧的实验装置, 满足热风既高温又高速的煤粉喷吹条件, 可以模拟氧气高炉条件下 的煤粉喷吹.喷吹瞬间流场的数值模拟结果表明, 当喷吹气体速度达到最大值时, 直吹管气体平均速度为 162.35 m·s -1 .利 用该装置研究了氧气高炉条件下煤粉的燃烧规律.结果表明:煤粉的燃烧率随 O/C 原子比的增加而增加;在低 O/C 原子比条 件下, 煤粉的燃烧率较低, 但其增幅比较明显;无烟煤的燃烧率低于烟煤. 关键词 喷煤;实验装置;煤粉燃烧;高炉 分类号 TF538.6 +3 Design of an experimental device to simulate coal injection in blast furnaces ZHANG Jian-liang 1) , HUANG Dong-hua 1, 2) , ZHANG Xi-dong 3) , CHANG Jian 1) 1) School of Met allurgical and Ecologi cal Engineering, University of Science and T echnology Beijing, Beijing 100083, China 2) Journals Publishing Centre, Uni versit y of Science and Tech nology Beijing, Beijing 100083, C hina 3) Metallurgical Technology Institut e, Central Iron &S teel Research Institut e, Beijing 100081, China ABSTRACT An ex perimental device was designed to simulate co al injection in blast furnaces .The device meets the need of coal injection with high temperature and high speed by ho t air, and it can be used to simulate coal injection in a nitrogen-free blast fur nace. Numerical simulation o f the flow field in the device at the injection moment w as perfo rmed .The results show tha t w hen the velocity of injected air reaches the maximum, the average velocity of air in the blow pipe is 162.35m·s -1.The combustion reg ularity of pulverized coal was investig ated using the device.The results show that the bur ning rate of coal increases w ith an increase in O/ C atomic ratio.In the low O/C atomic ratio rang e, the burning rate o f coal is comparatively low, but it increases more rapidly compared to that in the high O/C atomic ratio range.The burning rate of anthracite is lower than that of bituminous coal . KEY WORDS coal injection ;ex perimental device;combustion of pulv erized coal;blast furnace 收稿日期:2008-01-22 作者简介:张建良( 1965—) 男, 教授, 博士生导师, E-mail:jl.z hang @metall.ustb.edu.cn 研制模拟高炉直吹管内煤粉燃烧的实验装置, 一直是高炉炼铁工作者渴望解决的课题 .由于高炉 的热风温度很高, 热风在直吹管又处于高速运动的 湍流状态, 使得煤粉一旦喷入直吹管中即被迅速加 热, 加热速率高达 10 3 ～ 10 6 ℃·s -1 , 且在直吹管中停 留时间很短, 只有 10 ms 左右, 因此要想在实验室模 拟高炉喷煤这种高温、高速的煤粉燃烧状况极为困 难.目前国内采用两段电加热的方法模拟高炉喷 吹[ 1-2] , 即先采用电阻炉将空气加热到 900 ℃左右, 再由硅碳管炉将热风进一步加热到 1 100 ℃左右, 并 在硅碳炉 1 500 ℃左右的高热环境中喷入煤粉, 进行 煤粉燃烧的研究;其最大不足是难以实现热风既高 温又高速的要求.过多的冷风使热风温度难以达到 起码的要求, 要使热风温度达到 1 100 ℃左右, 风量 就不能太大, 导致反应管内气流不能达到湍流状 态 [ 3] , 且煤粉在反应管内的燃烧时间较长, 不能反 映出煤粉在直吹管内与热气流强烈的热量 、动量和 质量交换.如果缩小反应管直径勉强达到湍流状 态, 也会由于反应管太细、煤粉燃烧空间太小而使模 拟失真 .可见这类装置的关键问题是冷风与加热元 件的热交换能力较差, 且这种实验装置每次试样用 量大, 耗时较长. 第 31 卷 第 5 期 2009 年 5 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol .31 No.5 May 2009 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2009.05.002
。634 北京科技大学学报 第31卷 澳大利亚的BHP公司从1981年开始研制高炉 所示，由主体设备、电控制系统、气体分析仪和计算 喷煤模拟装置，经过改进达到中试规模，用功率 机数据监测系统四大部分组成，实验装置实物见 150kW的等离子焰炬可将950℃热风加热至 图3.该实验装置实现了热风高温高速的条件，实验 1300℃，但能耗高，体积庞大，不适合小型实验室使 操作过程基本实现自动化，且占地面积小，实验样品 用.文献[5可模拟煤粉燃烧的实验装置，实验过程 用量少.实验操作者可通过计算机对电控制系统发 为煤粉被连续喷吹的一次风输送，然后与二次热风 出指令，由电控制系统控制主体设备中的电炉升温、 相遇并燃烧，结构和原理与两段式燃烧炉相似，但不 反应管充气和煤粉瞬间喷吹等动作；主体设备的实 是用来模拟高炉喷煤.为了深入研究高炉内喷吹煤 验参数同时被计算机采集：煤粉的喷吹和燃烧瞬间 的燃烧效果和影响因素，杨天钧和Korthas在德国 完成后，产生的废气被自动收集到集气瓶中，然后进 亚琛工业大学开发出适合实验室使用的卧式高炉喷 入气体分析仪：气体分析仪测出的废气成分数据被 煤模拟燃烧实验装置).其特点是变连续喷吹为脉 计算机采集. 冲喷吹，热风在实验前达到指定温度，煤粉用量由 主体设备由低压部分和高压部分组成，如图4 kg级变为mg级.本文在此基础上进行了改进，开 发出新型高炉喷煤模拟燃烧实验装置 1实验装置原理 卧式高炉喷煤模拟燃烧实验装置原理如图1所 示刀.新型高炉喷煤模拟燃烧实验装置原理如图2 图3新型高炉喷煤模拟燃烧实验装置实物 Fig.3 Novel PCI simulation experimental device K1 实验气体一·回 K2 低压二段 低压一段 M一电磁侧：V一预热炉：一高温燃烧炉：P一压力表：E一样品加 入口：F一气渣过滤层：K一冷却器 M商E 实验气体→回 图1卧式高炉喷煤模拟燃烧实验装置 Fig.I Experimental device for horizontal PCI combustion simula- 高压部分 tion 低压四段 主体设备 气体 燃烧后产生的废气 分析仪 气 K3 控制 实验参数 废气成分 燃烧后气体· 实验指令 电控制 系统 计算机 实验参数 M一电磁阀：V一预热炉：I一高温燃烧炉：P一压力表：E一样品加 图2新型高炉喷煤模拟燃烧实验装置各系统关系 入口：F一气渣过滤层：K一冷却器 Fig.2 Reltionship betw een various systems in the novel PCI simu 图4主体设备原理图 ltion experimental device Fig.4 Schematic of main devices
澳大利亚的 BHP 公司从 1981 年开始研制高炉 喷煤模拟装置[ 4] , 经过改进达到中试规模, 用功率 150 kW 的 等离子焰炬可将 950 ℃热风加热 至 1 300 ℃, 但能耗高, 体积庞大, 不适合小型实验室使 用.文献[ 5-6] 模拟煤粉燃烧的实验装置, 实验过程 为煤粉被连续喷吹的一次风输送, 然后与二次热风 相遇并燃烧, 结构和原理与两段式燃烧炉相似, 但不 是用来模拟高炉喷煤 .为了深入研究高炉内喷吹煤 的燃烧效果和影响因素, 杨天钧和 Korthas 在德国 亚琛工业大学开发出适合实验室使用的卧式高炉喷 煤模拟燃烧实验装置[ 7] .其特点是变连续喷吹为脉 冲喷吹, 热风在实验前达到指定温度, 煤粉用量由 kg 级变为 mg 级.本文在此基础上进行了改进, 开 发出新型高炉喷煤模拟燃烧实验装置. 1 实验装置原理 卧式高炉喷煤模拟燃烧实验装置原理如图 1 所 示[ 7] .新型高炉喷煤模拟燃烧实验装置原理如图 2 M —电磁阀;V—预热炉;I—高温燃烧炉;P—压力表;E —样品加 入口;F—气渣过滤层;K —冷却器 图 1 卧式高炉喷煤模拟燃烧实验装置 Fig.1 Experimen tal device f or horizontal PCI combustion simulation 图 2 新型高炉喷煤模拟燃烧实验装置各系统关系 Fig.2 Relationship betw een various systems in the novel PC I simulation experiment al device 所示, 由主体设备 、电控制系统、气体分析仪和计算 机数据监测系统四大部分组成, 实验装置实物见 图 3 .该实验装置实现了热风高温高速的条件, 实验 操作过程基本实现自动化, 且占地面积小, 实验样品 用量少 .实验操作者可通过计算机对电控制系统发 出指令, 由电控制系统控制主体设备中的电炉升温、 反应管充气和煤粉瞬间喷吹等动作;主体设备的实 验参数同时被计算机采集 ;煤粉的喷吹和燃烧瞬间 完成后, 产生的废气被自动收集到集气瓶中, 然后进 入气体分析仪 ;气体分析仪测出的废气成分数据被 计算机采集 . 主体设备由低压部分和高压部分组成, 如图4 图 3 新型高炉喷煤模拟燃烧实验装置实物 Fig.3 Novel PCI simulation experiment al devi ce M —电磁阀;V —预热炉;I —高温燃烧炉;P —压力表;E —样品加 入口;F —气渣过滤层;K —冷却器 图 4 主体设备原理图 Fig.4 Schematic of main devi ces · 634 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷
第5期 张建良等：新型高炉喷煤模拟燃烧实验装置设计 635。 所示.低压部分包括低压一段一低压四段，分别对 应图5所示高炉风口及风口循环区的1~4位置. 气体压力分布Pa 低压一段可将气体加热至高炉热风的温度.低压二 ■5.000×10 段相当于喷煤枪，此处的煤粉被高压部分喷出的气 4500×10° 4.000×10 体瞬间喷入低压三段.低压三段模拟风口区，在这 -3501×10° 3001×10° 里煤粉和热风混合、燃烧，之后煤粉进入高温区域， 2501×10 2001×10 也就是相当于风口循环区的低压四段，残碳与氧进 1501×10 一步燃烧.煤粉在低压四段燃烧所产生的废气，经 1.002×10 5.018×10 一个耐火纤维过滤，最后进入集气瓶 2.000×10 图6新型高炉喷煤模拟燃烧实验装置的初始压力分布 Fig.6 Initial pressue distribution of the novel PCI simulation ex- 风口循环区 perimental device 气体速度分布/(ms) 3.247×10 2436×10P 图5高炉风口及风口循环区示意图 Fig.5 Schematic of the tuyere and tuyere cycling zone of a blast fur- 1.624×10P 图e 8119x10' 2喷吹流场的数值模拟 2.596×103 利用CX对该实验装置喷吹瞬间进行模拟. 采用壁面函数法，湍流流动核心使用高低雷诺数均 适用的k一ω模型，而在黏性层内不布置任何节点， 图7喷吹瞬间气体的速度分布 把第1个与壁面相邻的内节点布置在旺盛的紊流区 Fig.7 Velocity distribution of air in the device at the injection mo- 内，也就是说与壁面相邻第1个控制容积取得较大. ment k、w和μ由经验公式来确定.此次模拟没有入口和 出口，系统内最初存在的压力差，造成气体的瞬间急 3高炉喷煤模拟燃烧实验 剧流动，流动经过煤粉，推动煤粉向与气体流动相同 实验采用无烟煤和烟煤，粒度小于0074mm, 的方向流动，气体没有出口，由右侧的密闭容器收 其化学成分见表1.考察煤粉在氧气高炉条件下的 集.不计气体的表面张力，忽略气体的黏度.设定 燃烧情况. 整个装置的初始状态如下：高压段气体压力为 表1实验用煤粉的化学成分（质量分数） 0.50MPa,低压段气体压力为0.35MPa,集气瓶压 Table I Chemical composition of pulverized coal % 力接近真空如图6所示.经模拟计算，当喷吹气体 煤种 C H 0NS挥发分 速度达到最大值时，直吹管气体平均速度为 无烟煤 81.433.292481.84058 9.76 162.35ms,气体速度分布如图7所示.模拟结 烟煤 70944.4113151.7105233.40 果表明，0.l5MPa的压差可以使气体产生一个很大 的速度，在瞬间搅动气体，而膨胀搅动的气体推动管 将实验用煤粉放入烘箱中，在105℃充分烘干. 内的煤粉运动. 样品质量分别为80,100,125,150,175,200,250
所示.低压部分包括低压一段 ～ 低压四段, 分别对 应图 5 所示高炉风口及风口循环区的 1 ～ 4 位置 . 低压一段可将气体加热至高炉热风的温度.低压二 段相当于喷煤枪, 此处的煤粉被高压部分喷出的气 体瞬间喷入低压三段.低压三段模拟风口区, 在这 里煤粉和热风混合、燃烧 .之后煤粉进入高温区域, 也就是相当于风口循环区的低压四段, 残碳与氧进 一步燃烧.煤粉在低压四段燃烧所产生的废气, 经 一个耐火纤维过滤, 最后进入集气瓶. 图 5 高炉风口及风口循环区示意图 Fig.5 Schemati c of the tuyere and tuyere cycling zone of a blast furnace 2 喷吹流场的数值模拟 利用 CFX 对该实验装置喷吹瞬间进行模拟 . 采用壁面函数法, 湍流流动核心使用高低雷诺数均 适用的 k -ω模型, 而在黏性层内不布置任何节点, 把第 1 个与壁面相邻的内节点布置在旺盛的紊流区 内, 也就是说与壁面相邻第 1 个控制容积取得较大 . k 、ω和 μ由经验公式来确定.此次模拟没有入口和 出口, 系统内最初存在的压力差, 造成气体的瞬间急 剧流动, 流动经过煤粉, 推动煤粉向与气体流动相同 的方向流动, 气体没有出口, 由右侧的密闭容器收 集.不计气体的表面张力, 忽略气体的黏度.设定 整个装置的初始状态如下 :高压段气体压力为 0.50 M Pa, 低压段气体压力为 0.35 M Pa, 集气瓶压 力接近真空如图 6 所示.经模拟计算, 当喷吹气体 速度达 到最 大 值时, 直吹 管 气体 平 均速 度 为 162.35 m·s -1 , 气体速度分布如图 7 所示 .模拟结 果表明, 0.15 M Pa 的压差可以使气体产生一个很大 的速度, 在瞬间搅动气体, 而膨胀搅动的气体推动管 内的煤粉运动. 图 6 新型高炉喷煤模拟燃烧实验装置的初始压力分布 Fig.6 Initial pressu re distribution of the novel PC I simulation experiment al device 图7 喷吹瞬间气体的速度分布 Fig.7 Velocit y distribution of air in the device at the injection moment 3 高炉喷煤模拟燃烧实验 实验采用无烟煤和烟煤, 粒度小于 0.074 mm, 其化学成分见表 1 .考察煤粉在氧气高炉条件下的 燃烧情况. 表 1 实验用煤粉的化学成分( 质量分数) Table 1 Chemi cal composition of pulverized coal % 煤种 C H O N S 挥发分 无烟煤 81.43 3.29 2.48 1.84 0.58 9.76 烟煤 70.94 4.41 13.15 1.71 0.52 33.40 将实验用煤粉放入烘箱中, 在 105 ℃充分烘干. 样 品质量分别为80, 100, 125, 150, 175, 200, 250, 第 5 期 张建良等:新型高炉喷煤模拟燃烧实验装置设计 · 635 ·
。636 北京科技大学学报 第31卷 300mg,每种质量的样品取3份样，进行三次实验. 少，导致残碳颗粒在初期的燃烧效果降低，未燃尽部 实验步骤如下：(1)将预热炉V(低压部分)加 分的数量增加.图9为碳与C02,02反应的标准吉 热至1100℃，高温燃烧炉I升温至1700℃(2)用 布斯自由能与温度的关系曲线，喷吹煤粉在高炉风 氧气将设备的各个部位进行清扫，确保整个主体设 口区的燃烧反应由下列反应构成刭： 备内都为氧气：(3)将集气瓶抽成真空，并与燃烧废 C+02℃02 (1) 气出口联结：(4)将高压部位充压至0.5MPa; C02+C=2C0 (2) (5)将煤粉从加入孔加入，然后关闭加入孔：(6)将 低压部位充压至0.3MPa:(7)点击软件上的“开始 实验”按钮，电磁阀M1和M2同时打开（电磁阀门 C+C0,=2C0 -100 M3和M4处于关闭状态)，煤粉被高压部分气体喷 入直吹管，与热风相遇后剧烈燃烧，燃烧产生的废气 2-2001 C+120=C0 经过F耐热纤维过滤，进入集气瓶：(8)2s后电磁 -300 阀M1和M2同时关闭，电磁阀M3和M4同时打 C+0,一C0 开，氮气通过耐火纤维上的燃烧残留物，使之不再燃 -400 烧：(9)集气瓶收集的气体通入气体分析仪，测出废 -500 100012001400160018002000 气中C0、C02和02含量. 温度K 4实验结果与分析 图9C与C0202反应的标准吉布斯自由能 Fig.9 Standard Gibbs free energy of the reactions of C with CO2 此处煤粉的燃烧率定义为煤中的C转化为 and 02 C0CO2的比例.通过分析废气中的C0、C02含 量，可知已燃烧的C量，再结合其他实验参数，即可 式(1)+式(2)得： 确定煤粉在不同氧碳原子比O/C条件下的燃烧率. 2C+02—2C0 (3) 如图8所示，无烟煤与烟煤在纯氧条件下的燃烧率 式(1)和式(2)的反应速率已有大量研究，虽然 随着O/C原子比的增加而增加，对应着煤比逐渐减 燃烧理论纷纭杂呈，但燃烧动力学宏观规律仍可由 少.通常氧气高炉所对应的0/C原子比为1.5左 Arthenius公式表示9咧.式(I)的反应速率R1可以 右，而传统喷煤高炉风口区的O/C原子比大都在 用下式表示： 25以上.对于传统高炉，0/C原子比越高，剩余的 R1=A1T exp(-E1/RT)po, (4) 氧量也就越多，这意味着煤比越低，在煤粉颗粒附近 式(2)的反应速率R2可以用下式表示： 局部氧越充足，有利于煤粉的燃烧.相反，对于氧气 R2=A2exp(-E2/RT)pco, (5) 高炉，煤粉喷吹率较高，0/C原子比相应地降低，剩 余的氧量也就越少，相对于传统高炉，局部过剩氧量 式中，A1、A2分别为式(I)、式(2)的Arrhenius指数 降低的幅度要大得多，由于煤粉周围有效氧量的减 因子，R为气体常数，T为热力学温度，P0,P0,分 100 别为02、C02的气体有效分压，n为反应级数，N为 90 温度的幂指数. 80 对各参数的研究结果表明，在高炉风口条件下， 70 60 式(4)和式(5)中表现氧作用的反应级数n=1,而 0 N=0.在实际反应条件下，式(4)中p0,=(02)一 40 。无州煤 (C02)/K1,而式(5)中Pc0,=(02)-(C0)/K2.令 30 ·烟煤 k=A1exp(-E1/RT),k2=A2exp(-E2/RT), 20 0. 10152.0253035404.5 入各相关式，并在两式(C02)相等和R1=R2=R3 氧碳子比 条件下经整理得出： 图8无烟煤与烟煤在纯氧条件下燃烧率比较 R3=K1(0)-(k/K21C0)2 K1+k1/k2 (6 Fig.8 Buming rates of anthracite and hituminous coal in pur oxy- 在高炉风口高温下K2→9则式(6)为 gen
300 mg, 每种质量的样品取 3 份样, 进行三次实验. 实验步骤如下:( 1) 将预热炉 V( 低压部分) 加 热至 1 100 ℃, 高温燃烧炉 Ⅰ升温至 1 700 ℃;( 2) 用 氧气将设备的各个部位进行清扫, 确保整个主体设 备内都为氧气;( 3) 将集气瓶抽成真空, 并与燃烧废 气出口联结 ;( 4) 将高压部位充压至 0.5 MPa ; ( 5) 将煤粉从加入孔加入, 然后关闭加入孔 ;( 6) 将 低压部位充压至 0.3 MPa ;( 7) 点击软件上的“开始 实验”按钮, 电磁阀 M1 和 M 2 同时打开( 电磁阀门 M 3 和 M4 处于关闭状态) , 煤粉被高压部分气体喷 入直吹管, 与热风相遇后剧烈燃烧, 燃烧产生的废气 经过 F 耐热纤维过滤, 进入集气瓶;( 8) 2 s 后电磁 阀M 1 和 M 2 同时关闭, 电磁阀 M3 和 M 4 同时打 开, 氮气通过耐火纤维上的燃烧残留物, 使之不再燃 烧;( 9) 集气瓶收集的气体通入气体分析仪, 测出废 气中 CO 、CO2 和 O2 含量 . 图 8 无烟煤与烟煤在纯氧条件下燃烧率比较 Fig.8 Bu rning rates of anthracite and bituminous coal in pu re oxygen 4 实验结果与分析 此处煤粉的燃烧率定义为煤中的 C 转化为 CO 、CO2 的比例.通过分析废气中的 CO 、CO2 含 量, 可知已燃烧的 C 量, 再结合其他实验参数, 即可 确定煤粉在不同氧碳原子比 O/C 条件下的燃烧率 . 如图 8 所示, 无烟煤与烟煤在纯氧条件下的燃烧率 随着 O/C 原子比的增加而增加, 对应着煤比逐渐减 少.通常氧气高炉所对应的 O/C 原子比为 1.5 左 右, 而传统喷煤高炉风口区的 O/C 原子比大都在 2.5 以上 .对于传统高炉, O/C 原子比越高, 剩余的 氧量也就越多, 这意味着煤比越低, 在煤粉颗粒附近 局部氧越充足, 有利于煤粉的燃烧 .相反, 对于氧气 高炉, 煤粉喷吹率较高, O/C 原子比相应地降低, 剩 余的氧量也就越少, 相对于传统高炉, 局部过剩氧量 降低的幅度要大得多, 由于煤粉周围有效氧量的减 少, 导致残碳颗粒在初期的燃烧效果降低, 未燃尽部 分的数量增加.图 9 为碳与 CO2 、O2 反应的标准吉 布斯自由能与温度的关系曲线, 喷吹煤粉在高炉风 口区的燃烧反应由下列反应构成[ 8] : C +O2 CO2 ( 1) CO2 +C 2CO ( 2) 图 9 C 与 CO2 、O2 反应的标准吉布斯自由能 Fig.9 S tandard Gibbs free energy of the reactions of C w ith CO2 and O2 式( 1) +式( 2) 得: 2C +O2 2CO ( 3) 式( 1) 和式( 2) 的反应速率已有大量研究, 虽然 燃烧理论纷纭杂呈, 但燃烧动力学宏观规律仍可由 Arrhenius 公式表示 [ 9] .式( 1) 的反应速率 R 1 可以 用下式表示 : R 1 =A 1 T N exp( -E1/ RT ) p n O2 ( 4) 式( 2) 的反应速率 R 2 可以用下式表示: R 2 =A 2ex p( -E 2/ R T) p n CO 2 ( 5) 式中, A1 、A 2 分别为式( 1) 、式( 2) 的 Arrhenius 指数 因子, R 为气体常数, T 为热力学温度, pO2 、pCO2分 别为O2 、CO2 的气体有效分压, n 为反应级数, N 为 温度的幂指数. 对各参数的研究结果表明, 在高炉风口条件下, 式( 4) 和式( 5) 中表现氧作用的反应级数 n =1, 而 N =0 .在实际反应条件下, 式( 4) 中 pO 2 =( O2) - ( CO2) /K 1, 而式( 5) 中 pCO2 =( O2) -( CO) /K 2 .令 k 1 =A1exp( -E1/ RT ) , k 2 =A 2ex p( -E 2/ R T) , 代 入各相关式, 并在两式( CO2) 相等和 R 1 =R 2 =R 3 条件下经整理得出 : R 3 = k1K 1(O2) -( k 1/ K 2)(CO) 2 K 1 +k1/ k 2 ( 6) 在高炉风口高温下 K 2 ※∞, 则式( 6) 为 · 636 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷
第5期 张建良等：新型高炉喷煤模拟燃烧实验装置设计 637。 k1K1(02) 但其幅度较小.无烟煤的燃烧率低于烟煤 R3=K1+k/k2 (7) 式中，R3为式(3)的反应速率，k1为碳燃烧反应速 率常数，k2为C02十C一2C0反应速率常数，K1 参考。文献 为碳燃烧反应平衡常数，K2为C02十C一2C0反 I]Xu Y,Hu B S.Influence of Ce0,and La,03 as additives on bum- 应平衡常数，(02)、(C02)和(C0)分别为反应条件 ing process of pulverized coal injection into bast fumace.Chin 下02，C02、C0的气相分压. Rare Earths,2005.26(2):56 由式()得出高炉风口煤分的燃烧速度与氧分 (许莹，胡宾生.C02和La03对高炉喷吹煤粉燃烧过程的影 响.稀土，2005.26(2)：56 压（浓度或O/C原子比）呈线性关系，但氧气高炉条 [2 Wei G,Du HG,Diao R S.Study of additives mixed in pulver 件下的煤粉燃烧实验数据（图8）表明这一关系仅在 ized coal used for PZH steel blast furnace.Iron Stel Vanadium 0/C原子比较低情况下(2.0以下)成立.从图8可 Titanium,2000,21(1):7 以看出，无烟煤和烟煤的燃烧率都随着0/C原子比 (魏国，杜鹤桂，刁日升.攀钢高炉煤粉混合添加剂的实验研究 的增加而增加，剩余氧越多，煤粉燃烧率越高.在低 钢铁钒钛，2000,21(1)：7) [3 Sornek R J.Dobashi R.Effect of turbuence on spatial distribu- 0/C原子比区域(20以下区域)，煤粉燃烧率随 tion and group behavior of droplet in a spray flame.Combust Sci O/C原子比的增加快速增加：在高O/C原子比区 Technol,.2000,161:191 域煤粉燃烧率增加的幅度较小.无烟煤的燃烧率 [4 Mathieson J G.TmueloveJ S.Roger H.Tow ard an understand 低于烟煤. ing of coal combustion in blast furnace tuyere injection.Fwel, 2005.8410):1229 5结论 5 Yang D.Wang Y Z.Lu C M.Design and fabrication of experi- mental apparatus for pulverized-coal combustion.Res Explor (1)新型高炉喷煤模拟燃烧实验装置在喷煤开 Lab,2006.25(1):41 始前可将助燃气体加热至所需温度，解决了热风温 (杨冬，王永征，路春美.等.煤粉燃烧实验装置的设计与制作 度不足的问题，且在高压气体和低压气体的共同作 实验室研究与探索，2006.25(1)：41) 用下，达到了高速喷吹的要求.与两段式燃烧炉相 Xu G.Zhou H C.Luo Z X.Development of horizontal coal fines 比，占地面积小，实验样品用量少，耗时少，实验操作 combustion experimental bench.Autom Instrum,2006.(5):57 (徐刚，周怀春，罗自学卧式煤粉燃烧实验台的研制.自动化与 过程基本实现自动化. 仪器仪表，2006.(5)：57 (2)喷吹瞬间流场的数值模拟结果显示，当喷 [n Zhang J L The App lied and Fun damental Research on Nitngen 吹气体速度达到最大值时，直吹管气体平均速度为 Free Blast Furnac Dissertation.Beijing University of S cience 162.35ms1,说明实验装置中初始压差可以使气 and Techmlogy Beijing.2001:32 (张建良.氧气高炉的应用基础研究学位论刘.北京：北京科 体产生很大的速度，在瞬间搅动气体. 技大学.2001：32) (3)通过对无烟煤和烟煤在氧气气氛下的喷吹 [8 Zhang J L.Qin M S.Lu H S.Process of BF with oxygen-enrich- 燃烧实验发现，在氧气高炉风口低0/C原子比条件 ment and massive PCI.Iro Steel,1992.27(10):12 下，煤粉的燃烧速度与氧分压（浓度或0/C原子比） (张建良，秦民生，卢虎生.高炉高富氧大量喷吹煤粉的理论分 呈线性正比关系.无烟煤和烟煤的燃烧率都随着 析.钢铁，1992.27(10)：12) O/C原子比的增加而增加.在低O/C原子比区域 [9Smot L D.Pratt D T.Pulverized Coal Combustion and Gasifi- cation.Fu W B.WeiJ B.Translated Beijing:Tsinghua Uriver (2.0以下区域，煤粉燃烧率随O/C原子比的增加 ys5,1983:207 快速增加：在高O/C原子比常规高炉风口条件下， (Smot L D,Pratt DT.粉煤燃烧与气化傅维标，卫景彬，译. 两种煤粉的燃烧率仍随O/C原子比的增加而增加， 北京：清华大学出版社，1983：207)
R 3 = k 1K 1(O2) K 1 +k 1/ k2 ( 7) 式中, R 3 为式( 3) 的反应速率, k 1 为碳燃烧反应速 率常数, k2 为 CO2 +C 2CO 反应速率常数, K 1 为碳燃烧反应平衡常数, K2 为 CO2 +C 2CO 反 应平衡常数, ( O2) 、( CO2) 和( CO) 分别为反应条件 下O2 、CO2 、CO 的气相分压. 由式( 7) 得出高炉风口煤分的燃烧速度与氧分 压( 浓度或 O/C 原子比) 呈线性关系, 但氧气高炉条 件下的煤粉燃烧实验数据( 图 8) 表明这一关系仅在 O/C 原子比较低情况下( 2.0 以下) 成立.从图 8 可 以看出, 无烟煤和烟煤的燃烧率都随着 O/C 原子比 的增加而增加, 剩余氧越多, 煤粉燃烧率越高 .在低 O/C 原子比区域( 2.0 以下区域) , 煤粉燃烧率随 O/C 原子比的增加快速增加 ;在高 O/C 原子比区 域, 煤粉燃烧率增加的幅度较小 .无烟煤的燃烧率 低于烟煤 . 5 结论 ( 1) 新型高炉喷煤模拟燃烧实验装置在喷煤开 始前可将助燃气体加热至所需温度, 解决了热风温 度不足的问题, 且在高压气体和低压气体的共同作 用下, 达到了高速喷吹的要求 .与两段式燃烧炉相 比, 占地面积小, 实验样品用量少, 耗时少, 实验操作 过程基本实现自动化 . (2) 喷吹瞬间流场的数值模拟结果显示, 当喷 吹气体速度达到最大值时, 直吹管气体平均速度为 162.35 m·s -1 , 说明实验装置中初始压差可以使气 体产生很大的速度, 在瞬间搅动气体. ( 3) 通过对无烟煤和烟煤在氧气气氛下的喷吹 燃烧实验发现, 在氧气高炉风口低 O/C 原子比条件 下, 煤粉的燃烧速度与氧分压( 浓度或 O/C 原子比) 呈线性正比关系.无烟煤和烟煤的燃烧率都随着 O/C 原子比的增加而增加 .在低 O/C 原子比区域 ( 2.0 以下区域) , 煤粉燃烧率随 O/C 原子比的增加 快速增加;在高 O/C 原子比常规高炉风口条件下, 两种煤粉的燃烧率仍随 O/C 原子比的增加而增加, 但其幅度较小.无烟煤的燃烧率低于烟煤. 参 考 文 献 [ 1] Xu Y, Hu B S.Influence of C eO2 and La2O3 as additives on burning process of pulverized coal injection into blast fu rnace.Chin Rare Earths, 2005, 26( 2) :56 ( 许莹, 胡宾生.CeO2 和 La2O3 对高炉喷吹煤粉燃烧过程的影 响.稀土, 2005, 26( 2) :56) [ 2] Wei G, Du H G, Diao R S.S tudy of additives mixed in pulverized coal used for PZH steel blast furnace.Iron St eel Vanadium Titaniu m, 2000, 21(1) :7 ( 魏国, 杜鹤桂, 刁日升.攀钢高炉煤粉混合添加剂的实验研究. 钢铁钒钛, 2000, 21( 1) :7) [ 3] Sornek R J, Dobashi R.Effect of turbulence on spatial distribution and group behavior of droplet in a spray flame .Combust Sci Technol, 2000, 161:191 [ 4] Mathieson J G, T ruelove J S, Rogers H .Tow ard an understanding of coal combustion in blast furnace tuyere injection.F uel, 2005, 84( 10) :1229 [ 5] Yang D, Wang Y Z, Lu C M .Design and fabri cation of experiment al apparatus f or pulverized-coal combustion.Res E xplor Lab, 2006, 25( 1) :41 ( 杨冬, 王永征, 路春美, 等.煤粉燃烧实验装置的设计与制作. 实验室研究与探索, 2006, 25( 1) :41) [ 6] Xu G, Zhou H C , Luo Z X.Development of horizontal coal fines combustion experimental bench.Autom Instr um , 2006, ( 5) :57 ( 徐刚, 周怀春, 罗自学.卧式煤粉燃烧实验台的研制.自动化与 仪器仪表, 2006, ( 5) :57) [ 7] Zhang J L.The App lied and Fun damental Research on Nitrogen Free Blast Fu rnace [ Dissertation] .Beijing:University of S cience and Technology Beijing, 2001:32 ( 张建良.氧气高炉的应用基础研究[ 学位论文] .北京:北京科 技大学, 2001:32) [ 8] Zhang J L, Qin M S, Lu H S.Process of BF w ith oxygen-en richment and massive PCI .Iron S teel, 1992, 27( 10) :12 ( 张建良, 秦民生, 卢虎生.高炉高富氧大量喷吹煤粉的理论分 析.钢铁, 1992, 27( 10) :12) [ 9] Smot L D, Pratt D T .Pulverized Coal Combustion and Gasification .Fu W B, Wei J B, Translated.Beijing :T singhua Uni versity Press, 1983:207 ( Smot L D, Pratt D T .粉煤燃烧与气化.傅维标, 卫景彬, 译. 北京:清华大学出版社, 1983:207) 第 5 期 张建良等:新型高炉喷煤模拟燃烧实验装置设计 · 637 ·