1、粉煤揮發份對高爐還原劑消耗量影響和混合日本首次在新日鐵大分制鐵所的1號高爐進行高爐噴煤操作。自此，高爐噴煤 操作成為一種能穩定高爐操作、降低生產成本和提高生產率的有效技術，而且還是 一種能擴大煤選擇靈活性的手段。為解決焦爐老化和環保等問題，高爐噴煤作為一種有效手段已 被廣泛應用于各高爐。從2002年底的統計可知，日本國內31座高爐全部都采用噴煤操作，平均噴煤量約為130kg/t ,有的高爐年平均噴煤量超過 200 kg/t 。然而，伴隨著 高爐噴煤操作，也帶來如下問題，如焦粉在爐缸中心的死料柱堆積，影響高爐的透 氣性和透液性，導致風壓變化和爐壁熱負荷升高等，為此各鋼鐵公司一直致力于這方面的研究

2、。為達到穩定噴煤的目的，關鍵問題是要探明如何保證噴吹的煤粉在高爐風口回旋區的有限空間內能穩定燃燒。由于煤粉在該空間停留的時間短，而且氧過剩率大大低于1.0 ,因此這種燃燒條件對煤粉的燃燒是極為不利的。基于此因，進行了各種燃燒實驗來 研究各種因素對燃燒的影響。另外，作為高爐噴吹用的粉煤特性，通常使用揮發份較高的煤。這是由于粉煤的燃燒性被認為應是最先考慮到因素，所以應優先選用在風口前端燃燒性好 的煤。考慮粉煤的輸送性，認為揮發份在一定值以下的煤的輸送性比高揮發份煤的輸送性差。最近已開始從各種煤中根據其燃燒性、輸送性、價格和置換比進行綜合考慮來選擇煤。同 時還進行將揮發份低調半無煙煤或無煙煤等作高爐

3、噴吹用煤的研究。該研究的目的是，通過提高煤的燃燒技術和加深對未燃碎焦及爐下部焦粉的燃燒行為的認識，使高爐能使用各種煤資源。另外，在粉煤噴吹量一定的情況下，使用由半無煙煤和無煙煤和揮發份高的煤混合而成的平均揮發份較低的煤時，粉煤和焦炭的置換比會升高。這樣可以減少高爐還原劑的消耗量，并在實際高爐操作中已證實該變化趨勢。因此，低揮發份煤不僅具有減少高爐還原劑消耗量的作用，而且還能減少能源消耗，減少 CO2的排放量。但這些效果的相關機理，還有因 燃燒性不同而產生的燃燒界限及特性不同的煤的混合效果等仍存在許多待研究的問題。與以往的粉煤用煤相比，雖然半無煙煤的揮發份相對較低，可減少還原劑消耗量。然而由于其

4、開采的區域和儲藏量較其它煤有限，這將在資源方面受到制約。若要大 幅度增加半無煙煤的使用量，并擴大對其的依賴性，仍需解決貨源的穩定供給和價格問題。因此，將揮發分、構成元素比例、灰分比例和灰分組成等特性不同的煤混合使用的措施將顯 得更為重要它既可降低噴吹粉煤的平均揮發份和減少還原劑消耗量，又可維持和提高粉煤的燃燒性和輸送性。但是，此時還需考慮混合了燃燒性差的煤將降低總的燃燒效率的問題。因此，要弄清粉煤的揮發份對高爐還原劑消耗量的影響機理，同時還要弄清單一特性的粉煤和特性不同的粉煤混合后產生的燃燒性差別。基于此背景，首先研究了不同揮發份的粉煤對高爐還原劑消耗量的影響，同時從宏觀角度出發對減少還原劑消

5、耗量的機理加以研究。其次，為弄清將揮發分較低的半無煙煤或高揮發份煤和低揮發份煤混合而成的混合煤的燃燒行為的差異，采用豎式圓筒燃燒爐進行空間燃燒實驗和燃燒模擬解析，并在此基礎上進行研究。1.對君津廠4號高爐（內容積5151m3粉煤噴吹量基本保持在108118kg/t條件下，考察了粉煤平均揮發份對還原劑消耗量的影響規律。高爐還原劑消耗量采用對原燃料條件和送風條件進行校正后的校正還原劑消耗量。結果顯示，在粉煤噴吹量一定的情況下，由于粉煤揮發份的下降，還原劑消耗量會減少。然而當粉煤的揮發份低時，焦炭的置換比呈增大的趨勢。其原因之一是當使用高揮發份煤時，其高熱值有下 降的趨勢，其下降程度的差異約為20%

6、為說明低揮發份煤具有減少高爐中還原劑消耗量的效果，應注意到在碳素溶解反應活躍的高爐下部高溫區域中，粉煤揮發份的差別會產生更大的影響。也就是說，作為揮發份中主要成分的碳化氫分解后產生的氫在有局溫焦炭存在的爐下部燃燒后會變成水蒸汽，但與焦炭反應后會分解成氨和CQ而它們對放熱反應無影響，同時反應所產生煤氣升溫則需要一定的熱量。因此，在使用揮發份高的煤的情況下，為確保爐下部有必要的熱量，認為使用高揮發份煤的還原劑消耗量比低揮發份煤的高。根據以上觀點，日本定義了爐下部熱值，即爐下部熱值是指在鐵水溫度高的滴下帶區域，即1400?以上區域中含碳材料的有效熱值。如式(1)所示，爐下部熱值可以看作是從含碳材料的

7、部分燃燒熱變成的CCffi帶入的顯熱減去由含碳材料產生的 CO H2和灰分升溫所需的熱量而得出的熱量。QL=Q1-Q2-Q3-Q4-Q5-Q6-Q7 (1)式中，Q1:爐下部的含碳材料熱值(J/kg ) ； Q1：含碳材料的低熱值(J/kg ) ； Q2CO(g) +1/2O2 (g) =CO2 (g)的熱值(J/kg) ; Q3 H2 ( (g) +1/2O2 (g)=H2O(g)的熱值（J/kg ） ； Q4：從標準溫度至1400?的C冊溫所需白熱量（J/kg ）；Q5:從標準溫度至1400?的H2升溫所需的熱量（J/kg ） ; Q6從標準溫度至1400?的灰 分升溫所需的熱量（J/kg

8、 ） ； Q7：含碳材料帶入的顯熱（J/kg ）。根據高熱值的粉煤和爐下部熱值的關系可知，當煤的熱值高時，爐下部的熱值 也呈增大的趨勢，有時即使煤的熱值相同，但爐下部的熱值也會不同。一般說來， 如果煤的熱值一樣高，含氫量少的煤在爐下部的熱值會升高。這是由于在高溫焦炭存 在的條件下，如在高爐下部、風口前燃燒的煤被立刻還原，不僅不助于放熱，而且由 含碳材料所產生的煤氣升溫還需吸熱所致。另外，由于煤種的不同，所產生的高熱值 差異在20流右。相比之下，爐下部熱值高白煤和熱值低的煤之間會產生1倍以上的差異，因此爐下部的熱平衡成為反應速率的控制因素。在這種操作條件下，在爐下 部熱值高的低揮發份煤有利于減少

9、還原劑消耗量。在實際操作中，對于粉煤揮發份減少還原劑消耗量的效果進行了考察。根據名 古屋廠1號和3號高爐中使用各種粉煤時，粉煤在爐下部的熱值和實際焦炭置換比 的關系可知，在爐下部熱值低的粉煤，焦炭的置換比也低。在以減少還原劑消耗量為 目的的操作中，最好不要使用在爐下部熱值低的粉煤。但是，為調查該現象是否是普遍規律，還增加了北海廠2號高爐數據，對于使用在爐下部熱值不同的粉煤時的熱平衡和物質平衡，采用了李斯特線圖加以研究。根據爐下部的熱值和碳、氫、氧的平衡， 預測了推定還原劑消耗量和實際還原劑消耗量變化的關系。結果可知，實際還原劑消 耗量的變化幅度比根據爐下部熱值變化推定的還原劑消耗量少。在還原劑

10、消耗量降低 幅度小的情況下，推定值和實際值比較一致；但在降低幅度大的情況下，實際值和推 定值有一定偏差。也就是說，從爐下部熱平衡來看，即使在計算還原劑消耗量下降的情況下，爐腹煤氣單耗的降低幅度也會增大，當爐身效率沒有超過100%寸，還原就成為了無法補償的平衡。在實際操作結果中，在達到爐身下部熱平衡之前，還原劑消耗 量沒有下降。因此，在爐身效率還有富余的情況下，使用在爐下部熱值高的粉煤可以減 少還原劑消耗量。即在爐身效率低的情況下，如低熱流比操作時，使用在爐下部熱值 大的粉煤，既可以保持爐下部的熱平衡，又可以減少爐身部的還原氣體量，提高爐身 效率如果實現這種操作，就有可能減少還原劑消耗量。另外，

11、從計算上來看，即使 在實際操作中，可以認為這是由于煤氣保存帶溫度、煤氣平衡組成、煤氣的徑向分布 和數據波動。2從熱平衡的角度對低揮發份煤具有減少高爐還原劑消耗量的作用進行了研究，但使用低揮發份煤時必須考慮燃燒性。另外，即使噴吹的含碳材料的平均揮發份和 爐下部熱值相同，但在僅使用揮發份相對低的半無煙煤時，必須掌握揮發份高的和揮 發份低的無煙煤混合燃燒時產生的差異。為此通過以下實驗研究。2.1粉煤在空間燃燒實驗所用的裝置為豎式圓筒燃燒爐，其內徑100mm粉煤燃燒的有效爐長800mm粉煤從斜上方與采用等離子弧加熱器加熱的熱風一起吹入爐內。為連續測定吹入爐內粉煤的熱分解和燃燒行為，從噴吹位置到50mm

12、i和從100mm到800mnit的實驗裝置上每隔100mnSft設一個測定孔。實驗方法是用升溫至1600?的氮氣將爐體加熱3h后，在所規定的實驗條件下吹 入預熱空氣和富氧空氣，同時用噴槍噴入粉煤。測定方法是從各測定孔把W-Re熱電偶插入爐中心軸上，測定氣體溫度，同時采用放射溫度儀測定顆粒溫度。在燃 燒穩定的狀態下進行粉塵（燃燒碎焦）取樣。2.2關于粉煤在空間的燃燒實驗，采用了表 1所示的各種粉煤（在干燥粉碎后將粉 煤粒度調整到-100仙m。為調查特性不同煤的混合燃燒行為，根據質量比，將 ai 煤（高揮發份煤）和B1煤（低揮發份煤）的混合比例設定在 1: 3、1: 1和3: 1 這3個標準，再加

13、上高揮發份煤和低揮發份煤單獨使用時的標準，共計5個標準進行比較。通過此次實驗，設定了以下所式的條件。送風溫度：1280?、氣體總流量：105.6Nm3/h、粉煤噴吹速度：19kg/h、粉煤 濃度：175g/Nm3氧氣比：0.82、噴槍：單管8A噴槍、輸送粉煤的氮氣： 5.0Nm3/ho另外，為使各種標準條件下的氧氣比保持一定（0.82）,因此，根據粉煤的平 均組成對富氧率進行了調整。關于各種測定和取樣，要在氣體條件和粉煤種類變更后保持10min以上，且在溫度和噴吹速度穩定之后再進行。關于溫度的測定，在距離噴槍頂端50mmt和距離噴槍頂端100mm800mm,以100mm勺間距進行測定。其中，6

14、00mnmt是普通測 定，而200mnmt、400mmt和800mnit則根據實驗標準，采用放射溫度儀測定固體 溫度，在其它位置上，根據標準，用熱電偶測定爐內氣體溫度。關于粉塵的取樣，在100700mmt之間的距離中以200mmi勺間距進行取樣，得出粉煤的燃燒效率燃燒效率，可以在簡單假設噴吹前后的灰分量定的情況下，根據作為質量變燃燒效率，可以在簡單假設噴吹前后的灰分量定的情況下，根據作為質量變化部分的可燃部分燃燒后求出。表1用于實驗和計算的粉煤的各種特性參數A1煤B1煤VM mass% 36.30 8.05灰分，mass% 4.33 10.20C, mass% 77.1 83.0H, mass

15、% 4.68 3.28O, mass% 12.70 1.99Q, MJ/kg 30.54 32.4633.1根據在揮發份高的粉煤中混合揮發份低的粉煤后，在空間燃燒實驗裝置中進行 燃燒時用熱電偶測定的溫度分布可知，在 A1煤的情況下，距離噴槍前50mmi的溫 度與B1煤的溫度大致相同或略低，但其后的溫度上升速度快，在距離噴槍頂端 500mnmt,溫度會達到1700?以上。然而，在B1煤的情況 下，煤氣溫度上升緩慢，即使 最終溫度在1600?左右。混合比例為1: 1時的溫度分布值比中間值更接近 A1煤單獨 使用時的值。取從噴槍頂端到 400800mmt的平均溫度進行比較，結果可知這種趨 勢會變得明

16、顯一些。在A1煤的比例在50%Z上的情況下（1: 1和3: 1）,與A1煤單獨 燃燒數據的加權平均值相比，燃燒溫度趨于高溫側。可以認為這是由于 A1煤所形 成的高溫燃燒區域促進了 B1煤燃燒的結果所致。根據在距離噴槍600mm勺位置上用放射溫度儀測定白顆粒溫度的比較可知, A1 煤在大多數情況下的混合比例為1: 1或更高，其最高溫度值在1700?左右。以1: 3這種條件為例，當B1煤的比例變為決定因素時，溫度會急劇下降。根據A1煤和B1煤混合燃燒時的平均揮發份和在距離噴槍頂端 100mmM 700mm 處取樣的碎焦平均燃燒效率的關系可知，當平均揮發份在16犯下時，與在距離噴槍頂端部700mmi

17、的燃燒效率相比，在距離噴槍端部 100mmi的燃燒效率變得特別 低，可以認為此處的燃燒遲緩影響了溫度分布。當平均揮發份在22%；上時，700mmt的燃燒效率在60姒上，100mmt的燃燒遲緩就不那么明顯了。可以認為，在使用 低揮發份煤的情況下，最好混合使用高揮發份煤，由此可形成高溫燃燒區域，以確保一定的燃燒效率。3.2關于粉煤的燃燒模型已進行了許多研究工作。例如，赫先生等人采用反應工程 學理論對送風、風口內和風口前燃燒帶的各工藝參數進行了解析，在此解析模型的基礎上和全焦操作時的情況進行了對比。田村先生等人根據風口回旋區燃燒爐實驗結果和風口前燃燒帶的數學模型解析，研究了有關粉煤噴吹量上限的問題。

18、肖先生等人提出了考慮 粉煤和粉礦復合噴吹時風口回旋區氣流和傳熱特性的數學模型。關于這些研究所采用的數 學模型，從其研究目的來看，都是以粉煤特性的平均值為代表，可以認為這些模型不適合 于研究諸如揮發份有很大差別的粉煤在混合燃燒時的燃燒行為。根據研究結果可以認為， 由于揮發份對燃燒的影響不是線性，因此采用平均值無法準確評價幾種煤同時噴吹時的燃 燒行為。所以，為能推定幾種煤的混合燃燒行為，根據田村先生等人的粉煤燃燒模型，對 燃燒推定模型進行了修正。具體修改了以下幾點：(1)田村先生等人的模型是根據微小時間 dt的基礎公式計算出各時間點上 的粉煤顆粒位置，并對該位置上顆粒溫度、反應狀況和煤氣溫度和組成

19、等進行了評 價。對此，假設給出微小距離 dx的基礎公式，對不同特性的各種顆粒進行熱 分解速度、碎焦的粒度變化、移動速度和燃燒率等進行單獨求解，同時假設 保護氣氛在微小區間內能馬上混合，就可以對幾種顆粒的燃燒行為進行評價。(2)田村先生等人的模型是采用揮發量的一次函數來評價粉煤的熱分解反應速 度，同時采用以實驗值為基礎的回歸式求出由實際揮發量的工業分析值計算 出的增加部分，然后乘以工業分析值進行評價。對此，決定采用高溫時的熱 分解反應和低溫時的熱分解反應這兩種偶合反應模型進行評價。由于田村先 生等人的模型是根據Badzioch等人提出的針對等溫氣化過程的單階段工藝的 速度式進行評價的，因此無法對

20、爐內氣氛，尤其是無法對溫度對燃燒特性的 影響進行評價。另外，評價以 Q因數為主的煤種影響所用的參數也存在著缺乏通用性的缺點。因此，決定采用由 Kobayashi等人提出的低溫反應和高溫反應的兩種耦合反應模型，該模型考慮了爐內氣氛溫度變化對燃燒特性的影響。對在與空間燃燒實驗裝置相同的空穴燃燒條件下（送風溫度：1280?、粉煤比：175g/Nm3氧氣比：0.82）,高揮發份煤（表1的A1煤）單獨噴吹時和低揮 發份煤（表1的B1煤）單獨噴吹時，及將兩者等質量分數混合噴吹時粉煤的燃燒特性進行 了評價。結果可知，作為煤氣溫度極大值的燃燒焦點，若是高揮發份煤，則在距離噴吹 位置約150mm勺地方；若是無煙

21、煤，則是在距離噴吹位置余約 220mm勺地方。混合燃 燒后，升溫曲線比兩者的中間值更靠前，這一點已得到確認。這是采用兩者的平均 組成進行計算的結果所無法得到的現象，即使采用數學模型也能確認混合煤的燃燒效果。根據在混合比例變化的情況下煤氣溫度達 1700?的位置變化可知，即使在高揮發份 煤的混合比例較小的情況下，煤氣溫度到達 1700?的位置也向前移動了。另外，實驗值和計算值之間的溫度范圍和噴吹位置等存在著差異，這是因為在計算時沒有考慮放散熱的影響，并假設所有的顆粒和氣體是理想化的完全混合； 在實驗時雖然在爐的中心軸上進行了測溫，但這并不是整個斷面的代表性溫度所致。在本文解析中，由于是以相對變化

22、的評價為目的，因此，并沒有通過設定修正參數來 調整絕對值。3.3由于假設粉煤空間燃燒獨立，因此與實際高爐風口前的燃燒狀況不同。為此，根據田村先生等人的模型，做了以下修正，并建立了風口前燃燒帶的模型。在田 村先生等人的模型中，設定了燃燒帶的斷面積是不變的，而在此次的模型中則是假設 在風口中心軸上燃燒空間會以30?廣角擴散，并在噴吹位置為、噴吹長度為 的微小 圓筒上，對伴隨粉煤的傳熱和反應的熱量及物質質量的變化，從風口前端或粉煤噴 槍頂端開始進行微分平衡。但是，伴隨著粉煤從風口和風口回旋區內的通過和粉煤及焦炭 移動的加速，煤氣的壓力會產生變化，這種變化可忽略，并假設煤氣流的線速度與斷 面積的變化成

23、正比。另外，在田村先生等人的模型中，雖然假設了粉煤的分解、揮發 份的燃燒和碎焦的燃燒反應是一種連續反應，但為弄清混合煤的影響，將分解前的粉 煤和分解后的碎焦混合在一起。于是，假設了不同煤種的分解和燃燒是獨立進行的， 它們之間沒有相互作用。但是，伴隨著分解和燃燒，結果煤氣組成和溫度變化會間接地對此時的各種含碳材料的反應產生影響。與田村先生等人的模型一樣，作為各種粉 煤的反應，可以考慮以下反應。煤？碎焦+VM(揮發份)(2)VM+O27CO2+H 2 3)碎焦+O2?CO族分 (4)碎焦+CO2?2CO+分(5)碎焦+H2O?CO+H+ (6)焦炭+O2?CO族分 (7)焦炭+CO2?2CO+分 (8)焦炭+H2O?CO+H廝 (9)(2)式的反應速度常數采用Kobayashi等人的值。另外，假設(3)式的反應是瞬間完成，(4)(6)式是反應和擴散的耦合，(7)(9)式是反應速率控制因素，速度常數等則采用田村先生等人的模型所采用的值。對表1中的B1煤單獨使用時及A1煤和B1煤等量混合時的煤氣組成分布和煤氣溫度分布進行了計算。計算條件為，送風溫度：1150