D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1993.03.019 第15卷第3期 北京科技大学学报 Vol.15 No.3 1993年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing June 1993 高炉氧煤强化炼铁工艺的开发+ 周渝生· 杨天钧*苍大强*丁玉龙* 摘要：高炉氧煤强化炼铁是一项有很大经济效益的新工艺。实验研究和生产实践结果表明，喷 吹烟煤、降低煤粉灰份、提高炉缸热水平、改善煤气利用都可以有效地提高置换比；提高风 温、采用高效氧煤枪并直接在风口直吹管局部富氧、强化氧煤混合、采用配煤技术和配人燃烧 促进剂等方法均可有效地提高煤粉燃烧率。· 关键词：高炉，炼铁工艺、煤粉喷吹，高氧鼓风、以煤代焦 The Development of Oxy-coal Injection into Blast Furnace for Intensitying Ironmaking Process Zhou Yusheng'Yang Tiangi un'Cang Dagiang'Ding Yulong' ABSTRACT:The injection oxygen and pulverized coai into blast furnace for intensifying Ironmaking process is of tremendous profits.The results of the experimental study and production practices show that the coal/coke replace rate can be raised by injecting the bi- tuminous coals into blast furnace,decreasing the ash content in coal,increasing the temper- ature of the hearth in blast furnace,improving utilized level of gas.and the combustion rate of pulverized coal can be raised by increasing blast temperature,using the oxygen-coal lance with high efficiency which can supplied full oxygen directly to blowpipe of blast fur- nace and intensify mixing between oxygen and pulverized coal,using dispensation tech- nique of coals,adding combustion accelerative agent to pulverized coal. KEY WORDS:blase furnace,ironmaking process.pulverized coal injection,enriched oxy. gen blast,use coal replace coke 高炉氧煤强化炼铁新工艺是大幅度以煤代焦、降低生铁成本和提高产量的重大新技 术。目前世界各主要产钢国家都在竞相开发研究。据不完全统计，迄今已有1？个国家的 130多座高炉喷吹煤粉，其中日本、西德喷煤高炉已达2/3，其作用不仅可以降低焦比， 同时也能增加生铁产量，达到节能、稳定高炉操作的目的。目前部分高炉喷吹量已达到了 +“八五ˉ国家踝题 1992-08-15收稿第一作者：男，49岁.博士，现在冶金部钢铁研究总院工作 冶金系(Department of Metallurgy)
第 巧 卷第 期 北 京 科 技 大 学 学 报 一卯 年 月 卜 高炉氧煤强化炼铁工艺 的开发 周 渝生 ‘ 杨天 钧 苍 大 强 丁 玉 龙 摘要 高炉 氧煤强 化炼铁是 一项 有 很 大经济效益 的新工艺 。 实 验研究和 生 产 实践结果表明 ， 喷 吹 烟 煤 、 降 低 煤 粉 灰 份 、 提 高炉 缸 热 水平 、 改 善煤 气 利 用 都可 以 有 效地提 高 置换 比 提 高 风 温 、 采 用 高效 氧煤枪 并直接在 风 口 直吹管局 部富氧 、 强化 氧煤 混合 、 采 用 配煤技 术和 配人燃烧 促进剂等方法均可有效地提高煤粉燃烧率 。 关键词 高炉 ， 炼铁工艺 ， 煤粉喷 吹 ， 富氧鼓风 ， 以 煤代焦 一 助 职 ‘ 为 飞口 尹 ‘ ’ 宇 ’ ， ， ， ， ， 一 ， ， ， ， ， ， 高 炉 氧煤强 化 炼 铁新工 艺 是 大 幅 度 以 煤 代 焦 、 降低 生 铁成本和 提 高产 量 的重 大新 技 术 。 目前世界各 主要 产 钢 国家都 在 竞相开发 研究 。 据不完全统 计 ， 迄今 已 有 个 国家 的 多 座 高 沪 喷 吹煤粉 ， 其 中 日本 、 西 德喷煤 高炉 已 达 ， 其作 用 不 仅可 以 降低 焦 比 ， 同时 也能增 加 生铁产量 ， 达到 节能 、 稳 定 高炉操作的 目的 。 目前部分高炉 喷吹量 已 达到 了 九 “ 八五 ” 国 家课题 一 一 收稿 第一 作者 男 ， 岁 ， 博 士 ， 现在 冶金 部 钢 铁研究总院工作 冶 金 系 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1993．03．019
·246· 北京科技人学学报 1993年No.3 150~200kg/THM的水平，月呈上升趋势) 我国高炉喷煤技术起步较早，日前重点企业中78%的高炉喷煤，1990年全国重点企 业高炉年平均喷煤量为50.8kg/THM,其中首钢、上钢一)的几座高炉喷煤量也超过 100kg/THM、但是绝人部分高炉喷吹尤烟煤。与世界先进T业[因家相比，我国在喷煤 量、喷煤技术和装备上、尤其在计量检测、自动控制等方面还存在一些差距，因此，开发 研究高炉氧煤强化炼铁技术有其重要意义。 1高炉富氧喷煤的技术经济效果 高炉喷吹煤粉在吨铁燃料消耗中所占白分数称喷吹率。显然，高炉的喷吹率愈高，其 焦比愈低、若在相同置换比条件下，由节约焦炭'喷吹煤粉的生铁成本差价产生的经济效 益愈高。但是由于从风口喷人的冷态煤粉与高炉内下降到达风口的约1500C的焦炭相 比，温度较低。同时，由子煤的热分解要吸收一部分热量，使风门燃烧带温度降低。一般 喷吹1kg煤粉风大理论燃烧温度要降低2~3℃，问时使炉腹煤气增加。计算和实践 证明，如果风温一定(1100℃)，鼓风不富氧、保证煤粉燃烧达到必要的理论燃烧温度和 保证高温区热平衡的最人喷吹率仪为30%左：右。 富氧敬风使高风！前理论燃烧温度升高，鼓风中每篇氧1%，理论燃烧温度升高35 ~45℃。富氧后鼓风含氮量降低、kg碳燃烧消耗的风量减少，炉腹煤气生成量降低。因 此，各国普遍采用富氧来补偿人喷煤对炉缸热状态和高炉行程的影响。由于富氧喷煤后 炉腹煤气中CO和H,的含量增高，促进了间接还原的发展，提高了炉顶煤气的发热值， 使高炉生铁产量增加。生产实践表明，高炉每信氧1%可增加喷煤12一13kg,降低焦比 约05%，减少吨铁鼓风消耗4.5%。若其他条件不变，综介冶炼强度可以提高，高炉可 增2%一3%，吨铁成本降低【一5心。 80年代原苏联有84%的高炉富氧综个歧风，富到*达30%~40%，并认为最作的富 氧屏为35%左右。1971至1975年，原苏联增：生铁1704万t,其中篇氧增产的占 61%。苏联高工作者认为，修建制氧机增加高炉试氧，比新建高炉和焦炉增产：生铁节 省投资)。川本、美国的高炉也普遍采用富强化生产，这是他们获得高系数，低焦比 的重要措施之一，理论分析计算表明~)，在直接还原度降低到0.2时.高炉经济上有 利的富氧率是40%~45%东，这时喷吹料可达50%左i,焦比可降至250kg左有，利 用系数比不济提高约45%。这·点已为菜特纳报告的“喷煤量250kg/THM,鼓风含 氧29%，焦比263kg/THM“的i试验结果(s)所证实。1966年首钢1号高炉富氧 4.2%,喷吹煤粉250~270kg/THM(皎尚达319kg/THM)、焦比369kg/THM.喷 吹率达46.3%，冶炼强度1.581.利H系数2.264”。文献7)]报片，英因Teesside实验！ 的半工.业试验高心经证明，喷吹4OOkg/THM煤粉、达到焦比I50kg/THM是可以 实现的。虽然喷煤量达到3O0kg/THM时，高炉操作可能出：现困难，但由于现役焦炉逐 渐期满，炼焦尘能力下降、为降低生铁成本，节能和环保等多方面的考虑，欧洲高炉委 员会仍提出：超高喷吹率即吨铁喷煤达200~400kg的设想。 日前，高炉的！/3燃料消耗已绘可以由煤取代。将米，作进·步改善原料基础上篇 并采用剁煤枪、等离子枪等特殊燃烧器及其它高新技术、收善煤粉燃烧，克服流体力学
· · 北 京 科 技 大 学 学 报 年 一 的 水 平 ， 目 呈 卜升趋势 〔 ” 。 我 国 高炉 喷 煤 技 术 起 步较 旱 ， 日 前 重点 企 业 中 的 高炉 喷煤 ， 年 全 国 重点 企 业 高炉 年 平均 喷 煤 量 为 ， 其 中 首 钢 、 上钢 一 厂 的 几 座 高炉 喷 煤 量 也 超过 ， 但 是 绝 大 部 分 高炉 喷 吹 无烟 煤 。 ‘寸世 界先进 工 业 国 家 相 比 ， 我 国 在喷 煤 量 、 喷煤技 术和 装 备 卜 ， 尤其 在计量 检测 、 自动控 制等 方 面还 存在 一 些 差 距 ， 因 此 ， 开 发 研究 高炉 氧煤 强 化炼 铁技 术 有其 敢要意 义 。 高炉 富氧喷煤的 技术 经济效果 高炉 喷 吹煤 粉 在 吨铁燃 料 消耗 中所 占 汀分 数 称 喷 吹 率 。 显然 ， 高炉 的 喷吹 率愈 高 ， 其 焦 比愈低 ， 若在 相 同置换 比 条件 卜 ， 由节约 焦 炭 ， 喷 吹煤 粉 的 生 铁 成 本 差 价产 生 的 经济效 益 愈 高 。 但 是 由 于从 风 口 喷 人 的 冷 态 煤 粉 与，匆炉 内 卜降到 达 风 口 的 约 亡 的 焦 炭 相 比 ， 温 度较低 。 同时 ， 由 卜煤 的热 分解 要 吸 收 一 部分热 量 ， 使 风 门 燃 烧带温度 降低 。 一般 喷 吹 煤 粉 风 区 理 沦燃 烧 温 度 要降低 一 ℃ ， 同时 使炉 腹煤 气 量 增 加 。 计 算 和 实践 证 明 ， 如果 风温 一 定 亡 ， 鼓 风 不 富 氧 ， 保 证煤 粉燃烧 达 到必 要 的 理论燃烧温 度和 保证 高温 区热 平衡 的最 大喷 吹 率仅 为 左 右 。 富 氧鼓 风使 高炉 风 前理 论燃烧温 度升 高 ， 鼓 风 中梅富 氧 ， 理 论燃烧温 度 升 高 一 ℃ 。 富 氧后 鼓 风 含 氮量 降低 碳燃烧 消耗 的 风 量减 少 ， 炉 腹 煤 气 生成 量降 低 。 因 此 ， 各 国 普遍 采用 富 氧来 补偿 人 最喷煤 对炉 缸 热状 态 和 高炉 行程 的 影 响 。 由 一 二 富 氧喷煤后 炉 腹 煤 气 中 和 ， 的 含量 增 高 ， 促进 ’ 间接 还 原 的 发 展 ， 提 高 了炉 顶 煤 气 的 发 热 氏 ， 使 高炉 ’ 铁 产 量增 加 。 ’ 卜产 实践 表 明 ， 高炉 征 富 氧 可增 加 喷 煤 一 ， 降 低 焦 比 约 ， 减 少 吨 铁鼓 风 消 耗 。 若 其 他 条 件 不 变 ， 综 合 冶炼 强 度 可 以 提 高 ， 高炉 可 增 产 一 ， 吨 铁 成 本降 低 一 少 一 乙 。 年 代 原 苏联 有 的 高炉 富 氧综 合鼓 风 ， 富 氧率达 一 ， 仁认 为最 佳的 富 氧 量 为 左 右 。 】 至 年 ， 原 苏 联 增 产 生 铁 万 ， 其 中 富 氧增 产 的 占 。 苏联 高炉 几作 者 认 为 ， 修 建 制 氧 机增 加 高炉 富 氧 、 比新 建 高炉 和 焦炉 增 产 生 铁 一 节 省投 资 〔 ” 。 日 本 、 美 国 的 高炉 也 普遍 采川富 碱强 化生 产 ， 这 是 他们 获得 高系 数 ， 低 焦 比 的 重要措 施 之 一 理 论 分 析 计算表 明 〔 ’ 一 〕 ， 在 改接还 原 度降低到 时 ， 高炉 经 济 卜有 利 的 富 氧率 是 一 左 子 ， 这 寸喷 吹 率 ，‘ 达 左 右 ， 焦 比 ， 降 至 左 右 ， 利 川 系 数 比 不 富 碱提 高 约 。 这 · 点已 为 莱特 纳 报 告 的 ‘ · 喷煤 量 ， 鼓 风 含 氧 鼠 ， ， 焦 比 。 ” 的 试 验 结 果 〔 〕 示证 实 。 年 首钢 号 高 办” 富 氧 ， 喷 吹 煤 粉 一 ‘ 最 ，石达 ， 焦 比 ， 喷 吹 率达 ‘ ， 冶炼 强 度 一 ， 利用 系 数 〕 文献 报 导 ， 英 国 实验 厂 ‘ 的 半 工业 试验 戊灯 ， 已 经 证 明 ， 喷 吹 ， 煤 粉 、 达 到 焦 比 是 ‘， 以 实现 的 。 虽 然 喷 煤 鼠达 到 ” 、 上 ， 高炉 操 作 可能 出现 困难 ， 但 山 二 现 役 焦炉 逐 渐 期满 ， 炼焦 产 广” 能 力 卜降 为降低 产卜铁 成 本 ， 、 能 和 环保 等 多 方 面 的 考虑 ， 欧 洲 高炉 委 员会仍提 出超 高喷 吹 率 即 吨铁 喷煤 达 一 的 设 想 。 前 ， 高灯 ，的 燃 料 消 耗 已 经 可 以 山煤 取 代 。 将 来 ， 在进 步 改 善原 料 基 础 卜富 牡 并采 用氧煤 枪 、 等 离 枪 等特 殊燃烧 器 及其它 高新技 术 改 善煤 粉燃烧 ， 克服 流 体 力学
Vol.15 No.3 周渝生等：高炉氧煤强化炼铁工艺的开发 ·247 的限制之后，必定会进一步提高在保证炉况稳定顺行条件下的喷吹率。 当高炉鼓风富氧超过40%以后，由丁炉腹煤气量锐减，热风带入的及炉腹产生的煤 气热量不足，料速太快，崩料、悬料增加，炉身还原变坏，使喷吹煤粉的置换比降低，燃 料消耗增加。这时为使高炉顺行、除喷煤外、还必须向炉身或风口补充喷吹从炉顶返回的 脱除了CO和H,O、并加热到1000℃的热煤气。在比利时进行的实验表明”，用这种 方式使高炉焦比降低到179kg/THM,高炉仍能顺行，生铁质量良好。据研究，这种高 富氧或纯氧喷煤高炉的生产能力可望比现有高炉提高】倍、高炉的燃料结构中煤将占 1/2或者更高，使炼铁的投资、能耗、成本、环境污染均人幅度降低。 目前、我国现有年产6700万t牛铁的高炉，按全焦冶炼工艺，要完成八五计划，年 产量7200万t的目标，需再增建1800m3高炉5座、50孔焦炉10座，起码需要投资54 亿元，按国家目前财力，这项巨额投资是难以实现的。因此迫切需要开发投资少，能以煤 代焦和高炉不扩容能较大幅度增产的高炉氧煤强化炼铁新工艺成套技术，改造现有高炉的 生产工艺，实现老挖潜，节约投资，达到增铁节焦日标。况且我国有大于1000m高炉 31座，年产铁约3100万t,若喷煤量增加到100kg/THM,则年增加喷煤量155万t, 节约焦炭130万t,按每吨铁降低成本4元计算，年经济效益为1.24亿元。 2高炉氧煤燃烧技术 2.1粉煤在高炉风口燃烧的动力学 粉煤在高炉风口的燃烧过程与通常的工业窑炉区别在于：粉煤进入风口后即处在高 温、高压、高速气流和高温炉料、焦炭包图的风口循环区中燃烧。风口直吹管热风压力约 0.4MPa、温度一般在I000℃以上。粉煤从喷枪出口进入直吹管被流速达100~200m/s 的热风以103~10K/s速度加热，其着火、燃烧气化的时间仅约10ms。这种风口循环区 的狭小空间因限制射流和燃烧过程使其具有特殊的困难，尤其是喷煤量达200kg/THM 时，每个风口喷煤量达2t/h以上。煤粉燃烧的改善成为限制性环节。燃烧动力学研究表 明，在高炉风口条件下，粉煤燃烧速度主要受氧向碳粒表面传质速度的限制。在粒度、温 度相同的条件下，含灰份的煤粒燃烧速度与氧浓度有关。对于无灰份粉煤粒，其燃烧速度 甚至与氧浓度成正比〔冫。作者利用等离子热源进行的煤粉快速热分解研究表明、煤种对 快速热分解着火及气化过程有决定性影响，而气氛对煤的多相燃烧反应影响较大〔)。因 此，喷吹烟煤可加速预热和气化过程，而提高粉煤周围局部区域氧浓度和改善气固相传质 速度，可加速粉煤燃烧，有利于提高燃烧率和喷煤量。 2.2提高喷吹煤粉和置换比 喷煤置换比是指11生铁因喷吹煤粉节约的焦炭量与喷吹的煤粉量之比，也叫焦了煤 置换比。这是表征喷煤效果的一个重要指标。 影响置换比的主要因素是煤的成分。喷吹的燃料含碳和氢高、灰份低，置换比较高。 欧美、日本的高炉大多喷吹低灰份、高挥发份烟煤，其置换比一般在0.9~1.0，甚至更 多。国内高炉置换比一般为0.75~0.85，其原因一是煤粉质量差、主要是灰份高、挥发份 低。目前各企业喷吹用煤粉灰份含量高达13%~24%。实践证明，煤粉灰份每降低 1%,置换比可提高1.4%~2%。对高灰份原煤应进行洗选，使灰份降到12%以下再供高
周渝生 等 高炉 氧煤强化炼铁工艺 的 开发 · 的 限制之后 ， 必定 会进 一步提 高 在 保证炉 况稳 定顺行条件下 的喷吹率 。 当 高炉 鼓 风 富氧 超 过 以 后 ， 由 于炉 腹 煤 气 量 锐减 ， 热风带 人 的 及 炉 腹 产 生 的煤 气热量 不足 ， 料速太快 ， 崩料 、 悬料增 加 ， 炉 身还 原 变坏 ， 使 喷吹煤粉 的置换 比 降低 ， 燃 料 消耗增加 。 这 时 为使 高炉 顺行 ， 除喷煤 外 ， 还 必须 向炉 身或风 口 补充喷吹从炉顶 返 回 的 脱除 了 ， 和 ， ， 并 加 热到 ℃ 的热煤气 。 在 比利 时进 行 的实 验表 明 幼 ， 用这种 方 式 使 高炉 焦 比 降 低到 ， 高 炉 仍能 顺 行 ， 生 铁 质量 良好 。 据 研 究 ， 这种 高 富 氧 或 纯 氧 喷煤 高 炉 的 生 产 能 力可 望 比现 有 高炉 提 高 倍 ， 高 炉 的燃 料 结 构 中煤将 占 或者更 高 ， 使炼 铁 的投 资 、 能耗 、 成本 、 环境 污染均大 幅度 降低 目前 ， 我 国现 有年 产 万 产毛铁 的 高 炉 ， 按全 焦 冶炼工 艺 ， 要完 成八 五 计划 ， 年 产量 万 的 目标 ， 需 再增 建 ， 高炉 座 、 孔 焦 炉 座 ， 起码需 要 投 资 亿元 按 国家 目前 财 力 ， 这项 巨 额投 资是 难 以 实现 的 。 因此迫切需 要 开 发投 资少 ， 能 以 煤 代焦和 高炉 不扩容能较 大 幅度增 产 的 高 炉 氧煤 强 化炼铁新工艺 成套技 术 ， 改 造现有 高炉 的 生产工艺 ， 实现 老 厂挖潜 ， 节 约 投 资 ， 达到 增 铁节 焦 目标 。 况且我 国 有大 于 ， 高炉 座 ， 年 产 铁 约 万 ， 若 喷煤 量 增 加 到 ， 则 年增 加 喷煤量 万 ， 节约焦 炭 万 ， 按 每 吨铁 降低 成 本 元计算 ， 年经 济效益 为 亿元 。 高炉氧煤燃烧技术 粉煤在高炉风口 燃烧的动 力学 粉煤在 高炉风 口 的 燃烧 过 程 与通 常 的 工 业 窑 炉 区 别 在 于 粉 煤 进 人 风 口 后 即处 在 高 温 、 高 压 、 高速气 流和 高温炉料 、 焦 炭包 围 的 风 口 循环 区 中燃烧 。 风 口 直 吹 管热风压力 约 、 温 度一 般 在 ℃ 以 上 。 粉煤 从 喷枪 出 口 进人 直 吹管被 流 速 达 一 的热风 以 一 速 度加 热 ， 其着 火 、 燃烧 气 化 的 时 间仅 约 。 这种风 口 循环 区 的 狭 小 空 间 因 限制 射 流 和 燃 烧过 程 使其具有 特 殊 的 困 难 ， 尤 其是 喷煤量 达 时 ， 每 个风 口 喷煤 量 达 以 上 。 煤 粉燃烧的改 善成为 限制性 环节 。 燃烧动力 学研究表 明 ， 在 高炉风 口 条 件下 ， 粉煤燃烧速 度 主 要受 氧 向碳 粒表 面传质 速度 的 限制 。 在粒度 、 温 度相 同的条件下 ， 含灰 份 的煤 粒燃烧速 度 与氧浓 度有关 。 对于 无灰份粉煤粒 ， 其燃烧速度 甚 至 与氧浓 度 成正 比 〔 “ 。 作 者利 用 等 离子 热 源进 行 的煤 粉快速热分解研 究表 明 ， 煤种对 快速热 分解 着 火 及 气 化过 程 有 决定 性 影 响 ， 而 气氛对煤 的多 相燃烧反 应 影响 较大 〔 〕 。 因 此 ， 喷 吹烟 煤可 加 速预 热 和气 化过程 ， 而 提 高粉煤周 围局部 区 域氧浓 度和 改善气 固 相 传质 速 度 ， 可 加速 粉煤燃烧 ， 有 利 于提 高燃烧率和 喷煤量 。 提高喷吹煤粉和置换比 喷煤 置换 比是 指 生 铁 因 喷 吹 煤 粉节 约 的 焦 炭 量 与 喷 吹 的 煤 粉 量之 比 ， 也 叫焦 煤 置换 比 。 这是 表 征喷煤效 果 的 一 个重要指 标 ‘ 影 响置换 比的 主要 因 素是煤 的 成分 。 喷 吹 的燃 料 含碳 和 氢 高 、 灰份低 ， 置换 比较 高 。 欧 美 、 日本 的 高 炉 大 多 喷 吹 低 灰 份 、 高挥发 份烟 煤 ， 其置换 比一 般 在 一 ， 甚 至 更 多 。 国 内高炉 置换 比一般为 一 ， 其原 因一 是煤粉 质量差 ， 主要 是灰份高 、 挥发 份 低 。 目前 各 企 业 喷 吹 用 煤 粉 灰 份 含 量 高 达 一 。 实 践证 明 ， 煤 粉 灰 份 每 降 低 】 ， 置换 比可提 高 一 。 对高灰 份原煤应 进行洗 选 ， 使灰 份 降到 以 下再供高
·248· 北京科技人学学报 1993年No.3 炉喷吹、洗选后的劣质末煤可用来发电，中煤可作动力煤，这样才能合理利用资源，喷煤 置换比也可提高。第一个原因是国内高炉大多只喷吹无烟煤，相同灰份的无烟煤的置换比 较烟煤低。我国烟煤资源丰富、分布“，各地高炉如果就地选取优质姻煤喷吹，既降低了 成本又可提高置换比。 炉缸热水平是提高置换比的重要因素。欧洲、H本等工业国家高炉喷煤置换比较高， 与他们的风温达1200~1300℃不无关系。提高风温和增加富氧可以提高理论燃烧温度， 维持较高的炉缸热水平，有利于改善氢的利用，有利于喷煤置换比的提高。 改善煤气利用是提高置换比的根本方向。高炉喷吹煤粉时，焦比的降低绝大部分是由 于粉煤中的碳代替了焦炭中的碳，大约有10%是由于氢的作用。当喷吹量一定时，H2和 CO,的利用率增加、使直接还原度降低，从而使焦比降低，置换比提高。因此，凡是提 高燃料碳素利用率或改善煤气利用的措施都可以提高喷吹煤粉的置换比。 根据某！ˉ小高炉喷吹烟煤的实践资料得到置换比(B)与煤气CO含量的经验公 式(10) B=0.68+1.83C0,+2.475C0, 因此、改善原料质量、加强高上.下部调剂，避免边缘煤气流过分发展和管道彳程、 改善高炉顺行均可改善煤气利用，从而提高喷煤的置换比。此外，改善高炉炉缸圆周上喷 吹的均匀性、对称性和强化氧煤混合效果也是改善煤粉利用，提高置换比的重要环节。 3提高风口循环区煤粉燃烧率的相关技术 燃烧率是煤粉中烧掉的可燃物质与其燃烧前所含燃性物质之比，在大喷吹率下，粉 煤燃烧率过低使煤粉在炉缸堆积，将破坏渣铁流动性和料层透气性、其至炉况变凉，破坏 高炉顺广。 对煤粉在1160~1750℃不同氧浓度的热风中燃烧的实验研究表明，煤粉燃烧主 要分为4个阶段：(1)煤粉快速升温及热分解、问时挥发份着火，所需时间 为【，：(2)挥发份燃烧(1，)；(3)挥发份燃烧后的碳粒预热和着火(1，)：(4)碳 燃烧至结束(1，)。 对揭煤粒燃烧有以下约验公式： 1,=2.5×10·Td (1) 1:=4.5×10°·d (2) 1,=5.36×10.T.d5 (3) 1,=1.11×10°·T09d0 (4) 对无烟煤粒燃烧测出其着火时间为1，；残碳燃烧时间为1。 1s=1.645×10·d005T1 (5) 1。=2.28×10^(100-A/100pd2.T"0↓ (6) 式中，1为燃烧时间(s);T为气相温度(K):d为煤粒直径(m)；O为氧浓
· · 北 京 科 技 大 学 学 报 年 ， 炉 喷 吹 ， 洗 选后 的 劣 质末煤 可 用 来 发 电 、 中煤 可 作 动 力煤 ， 这样 才能 合理 利用 资源 ， 喷煤 置换 比也可提 高 。 第 几个原 因 是 国 内高炉 大多 只喷吹 无烟 煤 ， 相 同灰份 的无烟 煤 的 置换 比 较烟 煤低 。 我 国 烟 煤 资源 丰富 、 分 布广 ‘ ， 各地 高炉 如 果 就地选取 优 质烟 煤 喷 吹 ， 既 降低 了 成 本 又 可提 高置换 比 。 炉 缸 热 水 平是 提 高置换 比 的 重要 因 素 。 欧 洲 、 卜 本 等工 业 国 家 高炉 喷煤 置换 比 较 高 ， 与他们 的 风 温 达 一 ℃ 不 无 关 系 。 提 高风 温 和 增 加 富 氧 可 以 提 高理 论燃 烧 温 度 ， 维持较 高的炉 缸热 水 平 ， 有 利 于 改 善 氢的 利用 ， 有 利于 喷煤置换 比的提 高 。 改善 煤气 利 用 是提 高置换 比的 根本方 向 。 高炉 喷 吹 煤 粉时 ， 焦 比的 降低绝 大 部分 是 由 于 粉煤 中的碳 代替 了 焦炭 中 的碳 ， 大 约有 是 由 于 氢 的 作 用 。 当喷吹量 一 定 时 ， 和 的 利 用 率增 加 ， 使 直接 还 原 度 降低 ， 从 而 使焦 比 降低 ， 置换 比提 高 。 因 此 ， 凡 是提 高燃料碳 素利 用 率或 改 善煤 气 利 用 的措施 都可 以 提 高喷 吹煤 粉 的 置换 比 。 根 据 某 ‘ 小 高 炉 喷 吹 烟 煤 的 实 践 资 料 得 到 置 换 比 ‘ 煤 气 含 量 的 经 验 公 式 〔 ’ 〕 。 ， ， 因 此 ， 改 善 原料 质 量 ， 加 强 高炉 卜 卜部调 剂 ， 避 免边 缘煤 气 流过 分 发展 和 管 道 行 程 ， 改善高炉 顺行 均 可 改 善煤 气 利 用 ， 从 而提 高喷煤 的置换 比 。 此外 ， 改善 高炉 炉 缸 圆周 上喷 吹 的 均匀性 、 对称性 和强 化 氧煤 混合效 果也是改 善煤 粉利 用 ， 提 高置换 比的 重要环 节 。 提高风口 循环区 煤粉燃烧率的相关技术 燃烧 率是 煤 粉 中烧掉 的 可燃物 质 与其燃烧 前 所 含 可嫩性物 质之 比 。 在 大 喷 吹 率 下 ， 粉 煤燃烧率过低 使煤 粉在 炉 缸 堆 积 ， 将 破 坏渣铁 流 动性 和 料层 透 气性 ， 共至炉 况 变 凉 ， 破 坏 高 炉顺行 。 对煤 粉 在 一 ℃ 不 同 氧浓 度 的热风 中燃 烧 的 实验 研 究 表明 ” ， 煤 粉燃 烧 主 要 分 为 个 阶 段 煤 粉 快 速 升 温 及 热 分 解 ， 同 时 挥 发 份 着 火 ， 听 需 时 间 为 ， 挥 发份燃烧 挥 发份燃 烧 后 的 碳 粒 顶热 和 着 火 ， 碳 燃 烧 至结 束 。 对揭煤 粒燃 烧 有 以 卜经 验 公式 一 ‘ ， · 了 · “ 、 一 。 · 、 一 一 · 了 ’ 一 ， 一 川 · 了 ‘，丫 。 ’ 对 尤烟煤 粒燃烧测 出 其 着 火 时 间 为 ， 残碳燃烧 时 间 为 一 一。 ’ · ‘ ’ ‘，，， ， ‘ “ 式 中 ， 为燃 烧 时 间 一 月 ‘ “ · 了 ‘， ’ 为 气 相 温 度 为 煤 粒 直径 为 氧 浓
Vol.15 No.3 周渝生等：高炉氧煤强化炼铁工艺的开发 ·249· 度；A为残碳中灰份含量；p为残炭密度(kg/m). 从上述经验公式可见，煤的热分解和着火时间(t,、1,、1,)与热风温度成反比，与 粒径成正比，风温愈高，煤粉愈细，点火愈快。煤粉从点燃到碳粒开始着火所需的时间 约占全部燃尽时间的1/10。高温下残炭的燃烧为表面扩散反应、而着火后的碳粒完全燃 尽所需时间最长。而且残炭燃烧时间(：，、1，)几乎与氧浓度和温度成反比，与粒径平方成 反比。 3.1热风温度 从图1可以看出，无论喷吹烟煤或无烟煤，随着风温提高燃烧率也提高。在90 ~1300℃煤粉燃烧率增加很快，尤其是无烟煤更明显。因为在此温度区间内，煤粉的燃 烧反应处于界面化学反应控制范围。这与公式(1)~(6)总结的规律是一致的，因为风 温决定了煤粉进入直吹管后的升温速度（可达10~10K/s)。由于煤粉在热风中仅停留 10ms左右，提高风温仍是改善燃烧过程的关键之一。 3.2煤粉粒度 高炉每个风口喷煤量达1~2t/h时。这些煤粉在狭小的风口回旋区内燃烧和气化， 其停留时间仅数s,达到70%以上燃烧率，比通常的窑炉要困难得多。按前述公式计 算，要实现良好的燃烧和气化，对于着火燃烧困难的无烟煤，平均粒度大部分应该小于 0.074mm(200目). 3.3高炉氧煤枪的开发 作者研究了鼓风富氧量与燃烧率关系的结果（图2）表明，在其实验条件下增加鼓风 含氧量比提高风温对煤粉的燃烧率影响更大。 90 0 100 8 我 3 80 70 60 家 60 % 20 0 40 0 20 40 60 80 100 900110013001500 鼓风含氧量，% 图1煤粉燃烧率与温度的关系 图2煤粉燃烧率与鼓风含氧量的关系 1-无烟煤：2-烟煤：3-褐煤 Fig.2 Relationship between the combustion rate of Fig.I Relationship between the combustion rate of coal and the oxygen content in blast pulverized coal and the blast temperature. 目前，大多数高炉采用在风机前或热风炉前加氧，即提高鼓风含氧量。我国高炉富氧 率一般低于5%。同样的富氧量，如果采用直接向风口直吹管和煤粉燃烧区局部富氧的方 式，比提高整个鼓风含氧量更合理。根据公式(4)和(6)，供给煤粒燃烧的氧浓度愈 高，其燃烧速度愈快。有限的氧气高浓度地集中于煤粉云周围，可使煤粉燃烧气化速度加
周渝生等 高炉 氧煤强化炼铁工艺 的开发 · · 度 为残碳 中灰份 含量 为 残炭 密度 ’ 。 从 上述经验公式可 见 ， 煤 的热分解 和 着火 时 间 ， 、 、 与热风温度 成反 比 ， 与 粒径 成 正 比 ， 风 温 愈 高 ， 煤粉愈细 ， 点火 愈 快 。 煤粉从点燃到 碳 粒 开 始着火 所需 的时 间 约 占全部燃尽时 间 的 。 高温下 残炭 的燃烧 为表面扩散反 应 ， 而着火后 的碳粒 完全燃 尽 所需 时 间最长 。 而 且残炭燃烧 时 间 、 几乎 与氧浓 度 和 温 度成反 比 ， 与粒径平方成 反 比 。 热风温度 从 图 可 以 看 出 ， 无 论 喷 吹 烟 煤 或 无 烟 煤 ， 随 着 风 温 提 高燃 烧 率 也 提 高 。 在 一 ℃ 煤 粉燃烧率增 加 很快 ， 尤其是 无烟 煤 更 明显 。 因 为 在此温 度 区 间 内 ， 煤粉 的 燃 烧反 应处 于 界 面化学 反应控制范 围 。 这 与公式 一 总结 的规律是 一致 的 ， 因为 风 温决定 了煤 粉进 人 直 吹 管 后 的升温 速 度 可 达 一 护 。 由于煤粉在热风 中仅停 留 左右 ， 提 高风温 仍是 改善燃烧过程 的关键之 一 。 煤粉粒度 高炉 每 个 风 口 喷煤 量 达 一 时 。 这些 煤 粉 在 狭 小 的 风 口 回 旋 区 内燃烧 和 气 化 ， 其停 留 时 间仅 数 ， 达 到 以 上 燃烧率 ， 比通 常 的 窑 炉 要 困 难 得多 。 按前 述公式计 算 ， 要 实 现 良好 的 燃 烧 和 气 化 ， 对 于 着 火 燃烧 困 难 的无烟 煤 ， 平 均粒度 大部分应该 小 于 目 。 高炉氧煤枪的 开发 作 者研究 了鼓 风 富氧量 与燃烧率关系 的结果 图 表 明 ， 在 其实验条件下增 加鼓风 含氧量 比提 高风温对煤 粉 的燃烧 率影 响更大 。 一 ‘ ， 心 兀了一 一十一一一 · 霎琐讲琪纂罗 耽 户产 岁 ‘ 锌瑕簇璞霎 甲 ℃ 鼓风含氧量 ， 图 煤粉燃烧率与温度的关 系 图 煤粉燃烧率与鼓风含氧 的关系 一无烟煤 一烟煤 一褐煤 加 罗 习 · 目前 ， 大多数高炉 采 用在 风机前或热风炉前加 氧 ， 即提高鼓风含氧量 。 我 国 高炉 富氧 率一般低 于 。 同样 的富 氧量 ， 如 果采用 直接 向风 口 直吹管 和煤粉燃烧 区局 部 富 氧 的方 比 提 高 整 个鼓风 含 氧 量 更 合理 。 根 据 公式 和 ， 供给煤粒燃 烧 的氧 浓 度 愈 其燃烧速度愈快 。 有 限 的氧气高 浓度地集 中于煤粉云周 围 ， 可使煤粉燃烧气化速度加 式高
·250 北京科技人学学报 1993年No.3 快，燃烧率可人幅度地提高。由煤粉燃烧是界面化学反应，燃烧速度受到氧向碳粒表面 传质速度的限制。如果能在粉煤燃烧区人幅度提高氧与煤粉混合速度、就能提高煤粉的燃 烧气化率。实践中发现喷煤量增大时，煤的燃烧率有所降低，一般都是由于喷吹量扩大 后，氧、煤间局部混合和传质条件恶化引起的。这时应该改善各风门喷吹的均匀性，或改 变喷枪结构及其任直吹件中的位置米改善传质条件。 为此，我们研制了通过环缝或多孔直接向可轴喷煤枪供氧的自冷式高效氧煤枪。喷枪 的结构设计成使氧气在喷枪前端'与中心煤粉流股激烈渗混，使氧气直接与单个煤粒强烈混 合。通过选样适当的旋流数、出1扩张角、以及在实际操作时调节和控制回流区人小和轴 向最大速度的衰减程度，达到稳定着火、挖制火焰长短，提高混合速率，实现提高燃烧率 的目的。日前，这些氧煤枪已经在一些企业应用。 3.4开发粉煤燃烧促进剂 提高粉煤燃烧率的另一途径是向煤中添加少量燃烧促进剂。由于它们对燃烧过程某些 化学反应的加速作用，或者降低某-一反应的活化能、或者改变了煤粉的表面性质，使着 火、燃烧时间提前和缩短，加速了粉煤的燃烧。德国蒂森公司在煤粉中添加CCO,粉促 进剂提高了煤粉燃烧率)；美国阿姆柯公司也在研究用催化剂提高喷煤量。 3.5采用配煤技术提高燃烧率 实验发现，煤的种类对其快速热分解和燃烧气化过程有决定性影响。高挥发份煤的含 碳量低，挥发份燃烧快，并因其挥发份的燃烧加速了预热过程，碳粒迅速形成写外部连通 的裂缝和中空微孔，燃烧气化速度比尤烟煤快得多。 德国蒂森公司施书尔根高炉在煤粉中添加5%~10%褐煤，使高炉喷煤量达到 173kg/THM,月平均增加生铁产量17~18kg/THM。另一项实验室研究发现，增加 10%褐煤喷吹可使喷煤要求的氧过剩系数减少，这相当于在I150℃热风、含氧22.37% 条件下，把喷吹率由155kg/THM提高到196kg/THM1)。其原因是褐煤的高挥发份 和特n水分解使的缸煤气中的氢增加，灯炉金[温度更均匀、热量充足使燃烧率提高。 4结论 1)高炉到煤强化炼铁是一明能人幅度以煤代焦，提高高炉产量的新「，艺，有很人的 经济效益，应抓紧对这项治金科学的前沿课题进行发研究。 (2)喷吹州煤、降低煤粉灰份、提高炉「热水平、改善煤气利用和高灯各风「1均匀喷 吹以提高喷吹煤粉的骨换比。 (3)开发直接在：风门吹管煤粉燃烧父局部富氧强化氧煤混合的高效氧煤枪，提高热 风温芟，采用煤技术以及在煤粉西人燃烧促进剂等技术、可以有效地提高高喷吹煤 粉的燃烧率。 参考文献 1杜华公.世界金属导报、1992.10期 2李马可.炼铁.1985.(3)42
· · 北 京 科 技 人 学 学 报 年 快 ， 燃烧 率 可大 幅 度地提 高 。 由 于煤 粉燃烧 是 界面 化学 反 应 ， 燃烧速 度受到 氧 向碳 粒 表 面 传 质速 度 的 限制 。 如 果能 在粉 煤燃烧 区 大 幅 度提 高 氧 与煤 粉混 合速 度 ， 就能提 高 煤 粉 的燃 烧 气 化 率 。 实 践 中 发 现 喷 煤 量增 人 时 ， 煤 的燃 烧 率有 所 降低 ， 一 般 都 是 由 于 喷 吹 量 扩 大 后 ， 氧 、 煤 间 局 部混 合和 传 质 条件恶 化引 起 的 。 这 时应 该改善各 风 喷 吹 的均 匀性 ， 或 改 变喷枪结 构 及 其在 良吹管 中的 位 置 来改善 传 质条件 。 为此 ， 我 们研 制 了通 过 环缝 或 多孔直 接 向同轴 喷煤枪供氧 的 自冷式 高效 氧煤枪 。 喷枪 的结 构 设 计 成使 氧气 在喷 枪 前端 与中心煤粉 流股激 烈 渗混 ， 使氧气 直接 ‘ 单 个煤粒强 烈 混 合 。 通 过 选择适 当 的 旋 流 数 、 出 日 扩 张角 ， 以 及在 实 际操 作 时调 节 和 控 制 回 流 区 大 小 和 轴 向最 大 速 度的 衰 减 程 度 ， 达 到 稳 定 着 火 、 控 制火焰 长短 ， 提 高混 合速 率 ， 实现提 高燃烧 率 的 目的 。 口前 ， 这 些 氧煤 枪 己经 在 一 些 企 」应 用 。 开发粉煤燃烧促进剂 提 高粉煤燃烧 率的 另 一途 径是 向煤 中添 加 少量燃 烧促进 剂 。 由于 它 们对燃烧过程 某些 化学 反 应 的 加 速 作 用 ， 或 者 降 低 某 一 反 应 的 活 化 能 ， 或 者 改 变 了煤 粉 的 表 面性 质 ， 使着 火 、 燃 烧 时 问提 前 和 缩 短 ， 加 速 了粉 煤 的燃 烧 。 德 国 蒂 森 公 司在 煤 粉 中添 加 、 粉促 进 剂提 高 了煤 粉燃烧 率 川 ’ 美国 阿 姆柯 公 司也在 研 究 用 催 化 剂提 高喷煤量 。 采 用配煤技术提高燃烧率 实验 发现 ， 煤 的种 类 对 其快 速热分解 和燃烧气 化过 程 有 决定性影 响 。 高挥发 份煤 的 含 碳量低 ， 挥 发份燃烧快 ， 井因 其挥 发份的 燃烧加 速 了预热过 程 ， 碳 粒迅 速形 成 与外部连通 的裂缝 和 中空 微孔 ， 燃烧气 化速 度 比无烟 煤快 得 多 。 德 国 蒂 森 公 司 施 书 尔 根 尚 炉 在 煤 粉 中 添 加 一 褐 煤 ， 使 高 炉 喷 煤 量 达 到 ， 月 ‘ ’ 均 增 加 ‘ 铁 产 量 一 。 另 一 项 实 验 室 研 究 发 现 ， 增 加 褐 煤 喷 吹 可 使 喷 煤 要求 的 氧过 剩 系 数 减 少 ， 这 相 当 于在 ℃ 热 风 、 含 氧 条件 卜 ， 把 喷 吹 率 由 ， 提 高到 川 ’ 。 其 原 因 是 褐煤 的 高挥 发 份 和结 晶 水分解使 炉 缸 煤 气 中的 氛增 加 ， 炉 缸 温 度 更均 匀 ， 热 量充足 使燃烧 率提 高 。 结 论 高炉 软煤 强 化炼 铁 是 一 项 能 大 幅 度 以 煤 代焦 ， 提 高 高炉 产 量的 新 一 艺 ， 有 很 大 的 经济效 益 ， 应抓 紧 对这 项 冶 金科学 的 前沿课 题进 布口干发研 究 。 喷 吹烟 煤 、 降 低煤 粉 灰份 、 提 高炉 击 热 水 平 、 改 善煤 气 利 目和 高炉 各风 日 均 匀喷 吹 可 以 提 高喷 吹 煤 粉的 汁换 比 。 开发 直接 在风 八吹 竹煤 粉燃烧 区 局 部 富 氧强 化 氧煤 混 合的 高效 氧煤枪 ， 提 尚热 风温 度 ， 采用 配煤技 术 以 及 在煤 粉 中配 人 燃烧 促进 剂等技 术 ， 可以 有效 地提 高高炉 喷吹煤 粉的 燃烧 率 〔， 参 考 文 献 杜华 石 世 界 金 属 导 报 ， ， 期 李马 可 炼 铁
Vol.15 No.3 周渝生等：高炉氧煤强化炼铁工艺的开发 ·251· 3李兰滨.中国金属学会炼铁分会主编.1988年炼铁学会论文集.1988.222 4李马可.炼铁，1989，(4)：45 5 Bell S A,Pugh J L,Sexton J R.Ironmaking Proceedings,1975,34:307 6 Fitzgerald F.Proceedings of 6th Intern Iron and Steell Congress,Nagoya:ISIJ. 1990,1:28 7 Ponghis N,Vidal R,Poor A.Ironmaking Proceedings,1979,38:224 8欧文·格拉斯曼著.赵惠富，张宝诚译.燃烧学.北京：科学出版社，1983.350 9杨天钧.北京钢铁学院学报.1988,10(3)：279 10晏伟.高炉喷吹煤粉、北京钢铁学院资料室，1986 II Peters K H.Proceedings of 6th Intern Iron and Steel Congress,Nagoya:ISIJ.1990, 2:492
周渝生等 高炉 氧煤强化炼铁工艺的 开发 李兰滨 中国金属学会炼铁分会主编 年炼铁学会论文集 李马 可 炼铁 ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 欧文 · 格拉斯曼著 赵 惠富 ， 张宝诚译 燃烧学 北京 科学 出版社 ， 杨天 钧 北京 钢铁学 院学报 ， ， 晏伟 高 炉喷吹煤粉 ， 北京 钢铁学院资料室 ， 】 ，
