煤粉在Corex熔融气化炉内的燃烧行为研究

第29卷第1期钢铁钒钛Vol.29,No.12008年2月IRON STEEL VANADIUM TTANIUMFebruanry 2008煤粉在Corex熔融气化炉内的燃烧行为研究曹希荣' ,张丙怀' ,贾国利' ,阳海彬',张涛2,彭 华国2(1.重庆大学材料科学与工程学院,重庆400 2.中冶赛迪工程技术股份有限公司炼铁部,重庆400013)摘要:Corex 熔融还原炼铁是新兴的炼铁工艺,虽然它可以不用或少用焦炭冶炼铁水,但是需要用块煤来生产。为了替代一部分块煤以及充分利用产生的煤粉,提出了往熔融气化炉喷吹煤粉的方法。Corex 喷煤可以借鉴高炉喷煤的经验,但是它们之间有一些区别。采用热态模拟的方法对煤粉在Corex熔融气化炉内的燃烧行为进行研究,得到煤的粒度、挥发分含量以及喷吹位置和Co浓度等因素对煤粉燃烧率和气化率的影响规律。实验将为Corex 喷煤技术的开发提供必要的理论支持。关键词;Corex;喷煤;粒度;燃烧率;气化率中图分类号:TFS57文献标识码:A文章编号 :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即竖炉和熔融气化炉,组成所谓的Corex塔。Corex0引言工艺原理相当于将高炉从软熔带分为了两截,解决Corex工艺是炼铁新工艺,也是目前唯一实现工了炼铁对焦炭的依赖，可以不用或少用焦炭。但它.业化["的熔融还原技术,它借鉴和依托大量成熟的需要块煤作为燃料及还原剂,目前南非、印度["]和韩高炉和MIDREX竖炉的技术设备。Corex 工艺中铁国等国家的Corex法所用的燃料都是块煤。的还原和熔炼过程是在两个不同的容器中完成的,中国煤化工高,原煤中含粉率FHCNMHG收稿日期:2007-07-10作者简介:曹希荣(1981-),男,湖南衡阳人,硕士研究生,主要从事炼铁理论与工艺研究。第1期曹希荣等:煤粉在Corex熔融气化炉内的燃烧行为研究很高,块煤率极低。据有关资料表明,原煤中块煤仅风温度一般在1000 C以上,而Corex吹入的氧气为占6%左右,如果Corex继续推广,块煤将不能满足常温;②Corex风口直径比高炉风口直径小得多,在生产的需要。可见,Corex 法单一使用块煤将是- -个吨铁耗氧(风)量、理论燃烧温度方面,Corex也与高潜在问题(2]。炉相差较大;③由于鼓人的是纯氧,且气化炉内全部通常购买的块煤中,小于6 mm的粉煤约占为高温区，所以Corex 炉内的还原性气氛更强;④35%。且块煤在储运过程中,产生粉末是不可避免.Corex风口回旋区比高炉小,回旋区形状也不同。⑤的。因此,不论从资源利用,还是从成本的角度考Corex不但可以考虑从风口位置喷入煤粉,还可以考虑,都存在-一个粉煤的利用问题。粉煤可以用于高虑从粉尘燃烧饶嘴位置喷入煤粉,但要考虑煤粉“短炉喷吹、发电和直接还原等,但是都将带来运输压力路”的问题。和粉尘污染等问题。如果把筛分出来的煤粉用于2喷吹煤粉的实验Corex,主要有两种方案可供选择:①煤压块,即粉煤经压块后加入熔融气化炉。韩国浦项的Corex就是2.1 实验装置采用煤压块(3]。但是,煤压块工艺不但投资高,而且实验采用热态模拟的方法进行煤粉喷人气化炉压块煤同样会产生粉末。②喷吹煤粉,即Corex象内的燃烧行为研究,模拟气化炉的形状和炉内的温高炉那样,引入喷煤技术。目前世界上还没有应用度场。实验设备由炉体、加热及控温装置、喷煤装于Corex工艺的喷煤装置。与煤压块相比，喷煤可置、燃烧后残余煤粉收集装置(.上、下部)和供气装置以降低投资成本和铁水成本,增加生产的调节手段,组成,如图1所示。其中,模型与原型按1:60的比还有利于强化冶炼[4]。例制作,主体由刚玉粉整体浇注而成,在上部和下部留有喷煤口和测温孔。设备可承受的最高温度为1 Corex喷煤的特点1 500 C,可确保实验在1 100~1 500 C条件下稳定高炉喷煤的效果是有目共睹的,新兴的Corex进行。设备采用电炉外部加热的方式提供热源,外炼铁技术可借鉴高炉喷煤的经验。但是, Corex喷煤加热电炉用三组硅碳棒作发热体,分三段控温。与高炉喷煤是有一些区别的,主要体现在:①高炉鼓实验时,将气化炉升温到1300C,根据实验方喷煤装置气化灯代化碳氢气氧气烨融气化炉流嫩表b上部喷吹门[除尘装置空用机]测温孔口卜部喷坎1图1实验装置示意Fig. 1 Schematic drawing of experimental equipment案,调节压缩空气、CO、O2流量,保持炉内一定的氧式[51]为:浓度,以及使煤颗粒在炉内停留一些时间而燃烧。I=[1-(Wx C)/( Wcx Cc)]x 100%每次实验在规定的时间内把500g煤粉喷吹完毕,中国煤化工燃烧后残余煤粉然后将残煤取出,并对残煤进行煤炭工业分析,计算和试含量。出燃烧率和气化率,分析各种因素的影响。MH. CN M HS要,未完全析出煤粉燃烧率(I1)是煤粉燃烧好坏的标志,计算公挥发分的煤粉随煤气进入管道,由于温度降低,将在, 8.钢铁钒钛2008年第29卷除尘管道系统内产生焦油等物质而堵塞管道,挥发式中,x为粒度, mm; 1(x)为燃烧率,%;G(x)分不完全析出也将减少气化炉产生的煤气量。根据为气化率，%。燃烧率计算公式,类似地可以得出气化率的计算公2.3煤的挥 发分对燃烧率和气化率的影响式:煤的挥发分是煤应用于Corex时影响最大的因C=[1-(WAx v,)/(Wcx Vc)]x 100%素,是决定其气化温度的首要参数。无烟煤发热量式中wA,Wc, VA, Vc分别为燃烧后残余煤粉和高,理论置换比高,因此成为喷吹的首选用煤。但是，试样煤粉重量以及它们的挥发分含量。无烟煤燃烧性差,尤其是在煤比较高时,过多的未燃2.2煤的粒度对燃烧率和气化率的影响煤粉不仅影响生产,还会降低置换比。烟煤燃烧性实验采用的煤(见表1)粒度较粗,主要原因是:好,可磨性指数比无烟煤高,有利于提高煤比,但烟煤Corex工艺采用的煤挥发分都较高,熔融气化炉内温燃烧热比无烟煤低、理论置换比低,而且单独喷吹高度高，且鼓入的是纯氧,这些因素都有利于较粗粒度挥发分烟煤还存在不安全因素。近年来,越来越多的煤的燃饶。喷吹较粗粒度的煤可以简化制粉工艺，企业采用烟煤跟无烟煤混合喷吹。实验采用单一的节省投资成本,降低生产成本,并且比较安全。实验渡市煤石柱煤,以及渡市煤和石柱煤按比例的混合用煤分为四个粒级[6), <0.075 mm(200目)，<0.15煤。每次实验将500 g粒度<0. 15 mm(100目)煤粉从mm(100目),<0.71 mm(24目),<2.30 mm(8目)。下部喷口喷人,CO浓度为2.56% ,20 min喷完,实验结每次实验将500g渡市煤从气化炉下部喷口喷人，果见表3。根据供气流量的对比，实验中的燃烧率和几种粒级煤按照不同比例混合而得到不同的平均粒气化率相当于CorexC - 3000在煤比为每吨铁92 kg左度[6] ,co依度为2.56% ,20 min喷完,实验结果见表右时的燃烧率和气化率。2。根据供气流量的对比,实验中的燃烧率和气化率表3不同挥 发分时煤的燃烧率和气化率相当于CorexC - 3000在媒比为每吨铁92 kg左右时Table 3 Combustion rate and gasification rate of coal的燃烧率和气化率。in different volatile compaund content表1实验用煤的工业分析挥发分含最/%燃烧奉/%气化率/%Table 1 Proximate analysis of test coal10.0673.4088.3115.2477.3791.71煤炭种类水分18.6982.3494.28渡市煤63.189.5127.321.55527.32 .89.1296.67石柱煤68.3321.61表2不同粒度煤的燃烧率和气化率由实验结果可见，燃烧率和气化率与煤的挥发Table 2 Combustion rate and gasification rate分含量成线形关系，当挥发分含量在17%以上时，of coal in difTerent granularity燃烧率维持在80%以上,气化率在92%以上。对四平均粒度/mm燃烧擊/% .气化事/%组数据进行拟合[7] ,得到燃烧率或气化率与煤的挥0.2366.0693.62发分含量的关系式: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为挥发分含量, %;1(y)为燃烧率, %;C(y)为气化率,%。由实验结果可见,平均粒度在0.18 mm(80目)2.4喷吹位置对燃烧率和气化率的影响以下时,燃烧率可以保持在80%以上,气化率可以实验模型下部喷口相当于熔融气化炉的风口位保持在90%以上。对平均粒度为0.23 mm.0. 168置,下部实验温度为1 300 C。模型上部喷口相当于mm.0.1 mm的三组数据采用Newton插值法(7] ,得到熔融气化炉的粉尘燃烧烧嘴位置,上部实验温度为插值多项式,即燃烧率或气化率与煤的粒度的函数11中国煤化工渡市煤粉分别从关系:上% ,20 min喷完,实I(x)= -595.861 5x2+ 19.249 7x +93.153 6验结YHCN M H G对比,实验中的燃C(x)=1 220.643 8x2- 426.3x + 127 .097烧率和气化率相当于CorexC - 3000在煤比为每吨铁第1期曹希荣等:煤粉在Corex熔融气化炉内的燃烧行为研究●9●表4不同喷吹位置时煤的燃烧率和气化辜表5不同co浓度时煤的燃烧辜和气化奉Table 4 Combustion rate and gasification rate ofTable 5 Combustion rate and gasification rate ofcoal in different blowing positioncoal in difTerent CO concentration位发煤的粒氧化Co浓度/%燃烧率/%气化率/%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由实验结果可见，CO浓度对燃烧率影响明显，但对气化率影响不大。说明虽然气化炉内还原性气92 kg左右时的燃烧率和气化率。氛较强,但是未燃煤粉仍可保持较高的气化率。由实验结果可见,在相同粒度时,上部的燃烧率和气化率都比下部低,主要是上部温度比下部温度低3结论一些。但采用细粒度煤,燃烧率可以保持在80%以(1)研究表明Corex熔融气化炉喷煤是可行的。上,气化率可保持在90%以上。从实验中也发现,细(2)煤的粒度对其燃烧率和气化率影响很大,平.粒度煤上部喷入并不会随煤气被大量带人煤气管道。均粒度应该在0.18 mm(80目)以下,才能确保较高2.5 CO浓度对燃烧率和气化率的影响的燃烧率和气化率。根据熔融气化炉内还原性气氛较强的特点,调(3)煤的挥发分含量对燃烧率和气化率影响较节通入气体中CO的比例,找出Co对燃烧率或气化大,可以考虑将烟煤与无烟煤混合喷吹。率的影响规律。每次实验将500 g粒度<0.71 mm(4)CO浓度对燃饶率有明显影响,应该计算回(24目)的渡市煤粉从下部喷人，16min喷完,实验旋区大小,以便使煤粉喷枪插到回旋区范围内。结果见表5。根据供气流量的对比,实验中的燃烧(5)上部喷人和下部喷入的规律是-致的，只是率和气化率相当于CorexC - 30000在煤比为每吨铁在相同条件下,上部喷人时煤粉的燃烧率和气化率110 kg左右时的燃烧率和气化率。都比下部喷入时低。参考文献:[1] Emst Eichberger, Helmut Freydorfer, Friedrich Brauer, et al. 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