高炉喷煤交叉式双煤枪的研究

第39卷第4期钢铁Vol. 39, No.42004年4月IRON AND STEELApril 2004高炉喷煤交叉式双煤枪的研究*黄晓煜'吴铿2刘兴慧3陈春元4刘万山3刘建翔2(1. 东北大学冶金与材料学院,沈阳110004;2.北京科技大学冶金与生态学院,北京100083;3.鞍山钢铁股份公司技术中心,鞍山114021; 4.包头钢铁股份公司技术中心，包头014010)摘要由于交叉射流提供了良好的传热和传质条件,使交叉式双煤枪在煤粉燃烧的模拟试验中得了比单枪高的燃烧率。在生产高炉进行了交叉双煤枪的工业试验。该种枪价格低.寿命较长,应用该枪对生产设备的改动较小,易于实施。在输送气体压力不变时,采用交叉双煤枪可以大幅度地增加供煤量,且不会发生风口磨损现象。关键词高炉炼铁交叉双煤枪 煤粉喷吹中图法分类号TF053文献标识码ARESEARCH ON DOUBLE CROSS COAL LANCES FOR PCION BLAST FURNACEHUANG Xiaoyu', WU Keng”， LIU Xinghui', CHEN Chunyuan'，LIU Wanshan'，LIU Jianxiang2(1. School of Material and Metallurgy ,Northeastern University ,Shenyang 110004; 2. School of Metallurgyand Ecological Engineering University of Science and Technology Beijing ,Beiing 100083 ;3. Technic Center ofAnshan lron and Steel Group Co. ,Ltd. ,Anshan 114021 ;4. Technic Center of Baotou Iron andSteel Group Co. ,Ltd. ,Baotou 014010)ABSTRACT Because much better heat and mass transfer for combustion of pulverized coal couldbe achieved with cross jet, in the laboratory test, it was found that double cross coal lances couldobtain the higher combustion rate than any other types of single lance. The industry test for thedouble cross coal lances was carried out . It was found that such lances have long working lifebesides low cost and small modification needed for blast furnace. Therefore it is very promisingfor using this technology. With double cross coal lances the injection rate of pulverized coal couldbe increased significantly under the same pressure of transporting gas and the tuyere would not beworn out.KEY WORDS BF iron-making ,double cross coal lances, PIC .1前言步开发了交叉式双煤枪。鞍钢于“八五”期间,在6号高炉上对国内一些两个轴线成-定角度的射流构成的流动为交叉单位研制的氧煤枪进行了工业试验,取得了一些结射流。当交射流相遇时，由于各自惯性力的作用,产果,同轴氧煤枪采用旋流形式对强化燃烧起到了一生相互碰撞和混合,而发生射流变形,首先被压扁、定的作用。同时,试验中还发现,氧煤分喷的交叉式展宽，然后又逐渐形成一个圆形射流[2]。交叉射流相双枪使用效果非常好甲。这种氧煤交叉双枪通过调遇前后的状态可分为三个区域,即开始区、过渡区和节适当的夹角和氧量,几乎可以完全消除喷煤时风主中国煤化工:叉射流外部边缘相遇以口前出现的黑根现象。这表明由于交叉射流的作用,前YHCNMH形状及方向。这-段的长为风口前的煤粉提供了良好的热量和质量传递条度取决于两喷管间的距离和各射流的张角及两个射件,提高了煤粉的燃烧率。在此结果的启发下,进一流交角(a)的大小。过渡区是指射流外边缘开始接触到射流不再受到变形作用力之间的区域。在此区域*国家钢铁联合基金资助项目(50174006)内,射流受到相互冲击力作用而使射流截面发生变收到修改稿日期:2003-06-13联系人:吴铿,教授， wukeng@ metall. ustb. edu. cn形,射流在垂直方向上压扁,水平方向上展宽,外边钢铁第39卷界呈曲线形。两射流的交角(a)愈大,射流的压扁变形愈大。过渡区之后为主要发展区,此时射流已汇合17、一成单一射流,不再受到变形的作用力。为在增加高炉喷煤比的同时保持较高的燃烧率和在输粉气体压力不变的条件下增加供煤量,在试验室进行了交叉双煤枪和单枪煤粉燃烧率的试验。H6另外,在鞍钢炼铁厂3 号高炉测定了两种喷枪在风-1312口火焰区的温度分布。确定了交叉双煤枪的技术参数,并掌握了这一新技术。02交叉双煤枪的试验2.1不同喷枪的煤粉燃烧率煤粉燃烧率的模拟试验是在立式煤粉燃烧炉上进行的，炉体及辅助设备如图1所示。空气经高温炉预热,可达900~1000 C ,燃烧管内径为50 mm,炉图1交叉双煤枪煤粉燃烧试验装置示意图温可达1250~1300 C。煤粉在炉管运动的垂直距Fig.1 Schematic of experimental apparatus for离在1000 mm以上。设有双枪的插位,设定了8个combustion of pulverized coal injected with插枪的位置,间隔26 mm。喷枪位置垂直移动的最double cross coal lances大距离为208mm。煤粉垂直运动的距离按喷枪出1-热风测温位置;2-给煤器;3- 热风炉;4- 进风口;5- 流量计;口至中部测温点的位置计算,距离为220~ 4026-氧气瓶;7-空压机;8- 调节阀;9- 控制微机;10- 控制柜;11-mm。单枪试验时只插入一支枪,双枪试验时,固定三组电热丝;12-炉膛测温;13- 燃烧炉体;14- 喷水装置;15- 煤粉收集器;16-燃烧炉膛内测溫;17-交叉双枪-支枪位置(距测温点最远的位置),变动另外-支枪位置,两支煤枪均需通入煤粉时,由三通管进行煤温900~950 C,喷煤比180 kg/t,烟煤和无烟煤配粉分配，进行双枪试验[3]。比为1 : 1,混合后煤粉的挥发分为23 %~26 %,小图2给出了交叉式双煤枪和普通枪在不同位置于0.074 mm的粒度占70 %~75 %。时煤粉的燃烧率。试验条件为:富氧率1.5%,风图2(a)中得到线性回归方程的相关系数均大(a)60|(b■双煤枪▲氧煤枪40ss▼单煤枪50■,双煤枪45。s单煤枪4(200250300350400120180200喷枪出口距i最高温度点的距离/mm喷煤比/kg. (图2不同喷枪位置和形式对煤粉燃烧率的影响Fig.2 Influence of lance location and different中国煤化工stion rate(a)喷枪位置;(b)YHCNMHG于0.8。表1给出了由回归方程计算出两种喷枪在枪是可以移动的。对于交叉双煤枪而言,距最高测温不同位置煤粉燃烧率的差值。对于单枪而言，距最高点的位置增加,表明两支枪的水平距离变小。测温点的位置增加表明煤粉喷吹后垂直运动距离增试验还比较了交叉双煤枪,同轴氧煤枪和普通大。在交叉双枪中有一支枪是固定在最远点,另一支单煤枪在不同的煤比条件下对煤粉燃烧率的影响,第4期黄晓煜等:高炉喷煤交叉式双煤枪的研究●7●表1两种喷枪在不同位置的煤粉燃烧率的差值Table 1 Pulverized coal combustion rate for two type lances项目数据喷枪出口距最高测温点的位置/mm220246272298324350376402单、双枪的燃烧率差异/%8. 297.677.05.6.435.815.194.573. 95结果如图2(b)所示。单枪和交叉双煤枪出口距最高煤粉在风口前火焰的测量受到回旋区高温背景测温点的位置都为402mm,风温为950~980C，和煤粉空间分布的影响,拍摄的热像图不是单--的其余条件与前相同。煤粉火焰温度分布,它是包含着回旋区炽热焦炭的2.2不同形 式喷枪的风口火焰区温度场辐射、煤粉粉尘的遮挡及煤粉火焰辐射的一个综合交叉双煤枪的工业试验是在鞍钢3号高炉上进效应。其中包括正在燃烧的煤粉和燃烧产物,称之为行的，高炉容积839 m', 煤比168 kg/t,风温火焰区。图4为风口火焰区的红外热像图,根据实验1000 C,富氧1.5 %。在保持生产和喷煤设备的条室的模拟试验和现场的预备试验，认为在1000~件下，选高炉相对的2个风口安装了交叉式双煤枪,1100 C风温条件下,热像图中1100~1350 C的温使单风口的喷煤量较单枪提高了近一倍。采用风口度区域主要由煤粉火焰形成。火焰的结构与其燃烧和风管组合测温枪测定沿风管轴向的温度布和红外状态有关,其结构变化表明燃烧效果的区别。成像仪连续摄录各个时刻风口火焰区的温度分布[4。风口和风管内组合电偶测温枪是将多支镍铬镍硅电偶按需要测温的位置预组装到-根耐高温的无缝不锈钢管上,达到一次所需测点温度的目的。枪尾设有密封定位卡。采用快速转换开关进行多点切换，快速仪表连续记录,时间间隔可控制在0.5s以下。图4风口火焰区 的红外像图高炉风口红外成像的设备是JRD近红外高温Fig.4 Infrared ray image of coal combustion area热电视系统,通过风口视孔进行成像测试，采用in front of tuyereCCD传感器,波长范围为0.8~1.2 μm,测温范围(a)单枪; (b)交叉双煤枪为600~2200 C。由风口视孔测得的热原像,记录仪以25帧/s的速度连续记录。将视场每一点(共3试验结果的分析和讨论200点X256点)的温度读出。然后,通过计算机进行从图2(a)和表1的结果可见，在相同条件下交.图像处理，如图像滤波、增强、等温区分析、区域分析叉双煤枪的燃烧率比单煤枪都高。随喷枪出口距最高测温点的位置增加,即煤粉运动距离的增加,燃烧和给出直方图等。图3为采用组合测温枪测定的单、双枪在富氧率呈上升趋势。在单枪试验中，距最高测温点位置增为1.5 %时,风管和风口内轴向的温度分布。加，表明煤粉喷出后垂直运动距离的增加，提高了煤粉的预热效果和停留时间,所以燃烧率随着距离增1 1001050-◆双枪加而升高。在交叉双煤枪试验中,距最高测温点位置▲单枪增加,表明两支煤枪的水平距离变小,增加了交叉射。1000包950流的混合效果,从而改善了煤粉燃烧的混合和预热900中国煤化工850CHCNMH c着煤比的增加都有所下9008007016005004003002001000降,燃烧率越局时情沉卜降幅度越大。这与实际情况距风口前瑞距离/mm完全吻合。在相同煤比条件下,交叉双煤枪的效果要比同轴氧煤枪和普通单枪好得多。这是由于交叉射图3高炉喷煤时风管轴向的温度变化流提供了很好的混合和预热条件。同轴氧煤枪采用Fig.3 Temperature along the axis of blast pipe of PCI了集中富氧,效果比普通单枪略好些。氧气与煤粉从钢铁第39卷一个枪口喷出,可以提高煤粉在出口处局部区域的产要求不能改变喷煤的基本条件,没有得到更多的氧浓度,达到较好的混合程度,但由于氧气在喷枪出有关交叉双煤枪的信息,但交叉双煤枪的优点还是口的温度较低,而煤粉被喷出后,首先被加热,进行很明显的。采用交叉双煤枪,煤粉可由两支枪分别喷干燥、分解,然后才进行燃烧。而煤粉和氧气同时喷入,一方面,交叉射流提供了较好的煤粉燃烧的传热出,有利于传质过程,而对传热过程不利。在交叉式和传质过程;另一方面,减轻了高喷煤比时单支枪的喷枪中,交叉射流不但提供了很好的传质条件,在射供煤负荷。这可以在输煤气体压力较低的情况下,进流的开始区得到了较好的预热,在过渡区可以进行-步提高供煤能力。国内的现代化大型高炉输送煤充分的混合，提供了很好的传热和传质条件。所以交粉的气体压力都在10 kg/cm2左右,在采用弯枪后，叉式双煤枪较单枪的燃烧率平均提高了5 %~可以满足高喷煤比的要求[5]。而国内老厂在初期设10 %左右。计的喷煤量都不高,输送煤粉的气体压力都较低,如采用交叉双煤枪后,风口的喷煤量增加了近1鞍钢的输煤气体压力不到6 kg/cm2的水平。随着喷倍,即由原来近1. 1 t/h,增加到2 t/h左右。煤粉从煤量的增加,提高供煤量的问题日益突出。采用交叉煤枪喷出后,煤粉裂解和挥发吸收热量,交叉双煤枪氧煤双枪后,在保证足量气体前提下,无需增加压力的载气量也增加，使得沿风管轴向的温度较单枪要就可以进一步提高供煤量。低,从图3所示沿轴向温度分布可知，平均温度下降交叉双煤枪在工业上实施难度不大,只需要对不到30C。在距风口前端300mm左右,由于受高现有的相关设备进行少量改动即可,对生产的影响温回旋区的热辐射作用,温度急剧上升,但交叉双煤和资金的投入都不大。通过在生产高炉中交叉双煤枪的温升梯度比单枪的要小些。枪的使用,发现这种枪的寿命和普通单枪相同,且比由风口前火焰区的红外热像图4可见,采用交同轴氧煤枪的价格低很多。另外，由于煤粉可由两支叉双煤枪后,煤粉明显分成两个燃烧区。其中- -个区枪分别喷入,在不采用弯枪和在高供煤的条件下,不.域温度要明显高于另外一个,这是由于交叉枪在轴会发生风口磨损的现象。向有-定的距离所致。交叉双煤枪比单枪的火焰层4结论次多,温度变化梯度缓慢,温度较均匀。交叉射流使(1)交叉双煤枪使喷吹的煤粉在热风中预热后得煤粉流股易于混合和扩散,煤粉浓度变得相对均混合,为燃烧提供了良好的动力学条件。在相同的条匀,改善了煤流股与高温热风的传热和传质过程。交件下,可以得到比单枪较高的燃烧率。叉双煤枪比单枪平均温度要低78.9C,最高温度要(2)采用交叉双煤枪可使在输送气体压力不变低46.3 C,而最低温度相同。其原因是交叉双煤枪时,使单风口的喷煤量增加近1倍,为提高喷煤量创喷煤量大近一倍,煤粉吸热增加。另外，较大的煤量造条件。风口火焰区的温度虽略有下降,但不影响高对回旋区高温辐射遮挡也有一定的影响。炉燃料比和焦比。采用交叉双煤枪使单风口的喷煤量增加近1倍(3)交叉双煤枪易于在生产中实施,对生产的后,沿风管轴向和风口火焰区的温度虽略有下降,但影响和资金的投入都不大。交叉双煤枪的价格低,而下降量不多。在近几个月的工业试验中,高炉燃料比寿命较长。在高喷煤比条件下供煤,不会发生风口磨和焦比都没有发生变化。虽然因喷煤设备限制和生损的现象。参考文南1 WU Keng，WEI Xin, ZHANG Xiangguo, et al..The Fundamamental Research on the Cross Double Lance forPCI at Blast Furnace. Journal of University of Technology Beiing,2004,25(1):11~15.(吴铿,魏 新,张向 .国,等，高炉喷吹交叉式双枪的基础研究.北京科技大学学握00841 °T1中国煤化工,徐道模.燃烧学.北XU Jinyuan,XU Daomo. Combustion. Beijing : Mechanical京:机械工业出版社,1990. )TYHCNMHG刘兴慧，高炉喷吹煤粉技术研究:[博士学位论文].北京:北京科技大学,2001. .陈春元.提高包钢高炉喷煤量的基础试验研究:[博士学位论文].北京:北京科技大学,2001.GUO Kezhong ,LI Zhaoyi. Development of High PCI at BF in Baosteel. IRON AND STEEL,1999,34(Supply ):146~149. (郭可中,李肇毅.宝钢高炉高煤比的新进展,钢铁,1999,34(增刊):146~149. )