煉鐵過程輸送介質氧含量對燃料燃燒性能的影響

崔學峰

（山東鋼鐵集團萊蕪分公司練鐵廠，山東 濟南 271104）

0 引言

目前國內各鋼鐵企業的噴吹煤多采用低揮發分的無煙煤，噴吹量在150 kg/t 左右，距離國際先進水平180～220 kg/t。噴吹量的進一步提高是發展的必然趨勢，但是，隨著噴吹量的增加，煤粉的燃燒率和未燃煤粉量也相應增加，對高爐的順行、除塵、爐渣粘度等產生不良影響。因此，如何提高煤粉的燃燒效率是一個非常關鍵的問題。因此，在保證富氧條件下，利用富氧輸送煤粉，以改善煤粉燃燒性能，并在確保安全的條件下，對煤粉燃燒速率與輸送介質的氧含量之間的關系進行了試驗，為工業上的應用提供了理論和技術支撐。

1 燃料燃燒性能原理

1）點火和熄火是保證燃氣渦輪起動和穩定運行的關鍵。雙頭燃燒室的結構、燃料和空氣的混合結構與當前主流燃氣輪機的結構基本一致，燃燒室主燃區的著火方式為雙旋流器和主燃孔。在一定的氣流條件下，先向某一燃燒室供給燃料，再進行點火，若不能點火，則逐步增加供油，直至點火。燃燒室被點燃后，再將燃油供給到另一燃燒室，從而使其燃燒起來，從而達到了點火測試的目的，即在燃燒室處于平穩運行的情況下，逐步降低供油量，當主燃區內回流的高溫氣體所產生的熱量低于新鮮混合氣體的著火需求時，火焰就會被撲滅，這時，油品比例即為貧油熄火油品比例。

2）燃燒效率測試采用了氣體分析方法，在燃燒室穩定運行時，使用水冷取樣頭對燃燒室出口氣體進行取樣，并用9000B 氣體分析儀測量氣體樣品中CO和UHC（非燃碳氫）的含量，并將其轉換為燃燒效率。

3）出口溫度分布由一維移位機構安裝，7 個電偶分布于電偶耙上，利用位移機構的維等間距運動，得到了出口溫度場的二維溫度場，并利用計算機程序對出口溫度進行計算。

2 試驗

2.1 試驗原料

利用一家鋼廠生產的質量分數為2 種不同類型的噴吹煤（I 是福建的無煙煤，II 是福建質量分數的80%的福建煤和質量分數為20%的煙煤），其粒徑在0.074 mm 以下的煤粉質量分數超過70%。

2.2 試驗裝置與分析儀器

利用STA449C 熱重分析儀（德國NETZSCH）進行了煤粉炸藥試驗和煤粉燃燒試驗，利用改良的FBY-I 型煤粉炸藥試驗機和豎式煤粉燃燒室（由東北大學鋼鐵冶金研究院制造）。通常認為，當回火長度在600 mm 以上時，其爆炸力較強，而在400～600 mm 的火段內，其爆炸力較強，而在4 001 mm 以下的煤粉則為較弱的易爆，只有在火源處有少量火星或沒有著火的煤粉才會發生爆炸[1]。該試驗系統能夠較好地模擬高爐風口內煤粉的燃燒狀況，即采用兩級加熱爐對煤氣進行加熱，同時采用燃燒爐來模擬高爐風口內的煤粉燃燒。將干燥后的煤粉用噴嘴噴入燃燒爐內，將灰渣收集到集灰槽內，利用灰分平衡方法計算出了燃燒率R。

2.3 試驗方法

2.3.1 熱重試驗

在試驗開始之前，將煤粉置于105 ℃烘箱中烘干3 h，除去水分，放置在干燥器中，每一次試驗中加入7.5 mg 左右的樣品，將壓縮空氣和純氧以40 mL/min的速度輸入，在室溫下將煤粉從室溫加熱至1 200 ℃。

2.3.2 燃料爆炸性試驗

在試驗之前，先將煤粉烘干打開點火開關，使其加熱到預定的溫度，然后空噴3 次，開始除塵，大約1 min，調整氣體流量表。按照試驗的需要，將純氧和壓縮空氣的混合物注入到玻璃管中，并在一定的通風條件下，將1 g 干煤樣品放入噴槍。在起爆點溫度達到1 050 ℃時，啟動電腦攝像，將煤粉噴出到起爆點處，觀察起爆效果，判斷煤粉爆炸強度噴吹完成后，開始除塵。

2.3.3 燃料燃燒試驗

根據試驗需要，對溫度控制柜、空氣壓縮機和瓶裝高純度氧流量表進行了調整，得出了鼓風含氧量（氧氣體積分數）為3.5%、燃燒爐溫度為1 200 ℃、熱風溫度為1 200 ℃、熱風流量20 m3/h。當爐溫滿足時，將煤粉裝入噴嘴，并啟動噴吹系統，調整噴霧速率。

3 結果與討論

3.1 熱重分析

圖1、圖2 分別是2 種煤粉在空氣和純氧氣氛下的熱失重和失重速率曲線，由圖確定煤粉的熱解特性參數，見表1。

表1 煤粉熱解特性參數

圖1 煤粉Ⅰ在空氣和純氧氣氛中的熱失重及失重速率曲線

圖2 煤粉Ⅱ在空氣和純氧氣氛下的熱失重及失重速率曲線

3.2 輸送介質含氧量對煤粉爆炸性的影響

研究了輸送介質中氧含量對煤粉爆炸性能的影響，結果顯示：在適宜的氧濃度下，低揮發分煤粉在理論上是可行的，但在輸送介質中氧含量（氧氣體積分數）大于61%時，煤粉發生火焰，兩種類型的煤粉都具有較弱的爆炸性。富氧后，煤粉的揮發性分初析溫度等會發生較低的變化，從而使煤粉更容易著火。

3.3 混煤比對燃料燃燒率的影響

試驗結果顯示，煤粉燃燒試驗采用的煤粉傳輸速率為48 g/min，54 g/min，60 g/min，煤粉比隨著煤粉比例的增大而減小，隨著煤比的增大，煤粉燃燒率從160 kg/min、180 kg/min、200 kg/min 下降，煤粉的燃燒率從24.52%下降到20.03%，煤粉II 的燃燒率從27.78%下降到23.24%。

煤粉比的增大會減少煤粉的燃燒速率，這是由于煤粉量增大，煤粉體周圍的氧氣含量下降，氧氣的擴散和傳質性能下降，從而降低了煤粉的燃燒率.

3.4 輸送介質含氧量對煤粉燃燒率的影響

在煤比為18 kg/t，也就是在試驗煤粉輸送速率54 g/min 的情況下，運輸介質中的氧氣含量對兩種煤粉的燃燒率的影響，隨著輸送介質中氧含量的增加，兩種煤粉的燃燒率都有顯著的上升趨勢[3]。

從煤粉熱分解的觀點來看，在富氧環境下，煤粉的揮發分初析溫度等均會下降，從而加快了煤粉的揮發分釋放，加快了煤粉的燃燒，從而促進了煤粉的快速著火和燃盡。

在我國一家中型鋼廠，在不使用富氧輸送工藝的情況下，煤粉的噴吹能力只有130 kg/t，而當輸送介質中的氧氣含量達到40%時，煤粉I 的噴吹量增加到150 kg/t，煤粉II 的噴吹量達到165 kg/t。

4 結論

本文通過試驗，對兩種不同類型的高爐噴吹煤粉進行了熱分解性能分析，并對其燃燒性能和燃燒性能的影響進行了試驗，得到如下結論。

1）在純氧氣環境中，煤粉的失重和失重率變化較大，兩種煤樣品的熱解溫度都在較低的區域內，其熱分解特性參數發生了較大的變化，這表明富氧有利于煤粉的揮發分析和燃燒。

2）在運輸介質的氧氣含量（氧氣體積分數）小于51%的情況下，兩種煤粉都不具有爆炸性：在61%以上，則是較弱的炸藥，隨著氧氣含量的提高，煤粉的爆炸性增強。

3）煤比（1 t 鐵消耗煤粉）使煤粉的燃燒速率下降，煤比每提高10 kg/t，燃燒率下降1.13%；富氧輸送可以顯著地改善煤粉的燃燒率，使煤粉的燃燒率在10%以上時平均提高1.97%.