CN102539621A - 一种检测煤粉燃烧率的方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种检测煤粉燃烧率的方法及设备，属于冶金工程物化检测技术领域。该方法包含制取煤样、连续喷吹、收集未燃煤粉、收集混合气体、气体分析仪检测、马弗炉焙烧及燃烧率计算工序；设备包含热风炉（1）、喷煤瓶（8）、燃烧炉（3）、N₂气源、三通收灰槽（5）、收气囊（6）和除尘器（7）。本发明解决了背景技术设备燃烧率普遍偏低和收取未然煤粉比较困难的问题，连续喷吹、且能够收取足够量的未燃煤粉（国标为1g）以及混合气体，本发明所测煤粉燃烧率准确性高，操作简便，重复性好，可以为高炉提供此喷吹煤种燃烧性的参考数据，使高炉在炉况顺行的前提下，通过提高煤粉的燃烧率，使喷煤效益最大化。

Description

一种检测煤粉燃烧率的方法及设备

技术领域

本发明涉及一种检测煤粉燃烧率的方法及设备，属于冶金工程物化检测技术领域。

背景技术

高炉喷吹煤粉是20世纪80年代发展起来的技术，目前已成为各国高炉降低生铁成本、优化工艺结构采取的主要技术手段之一。但是过多地向高炉内喷吹煤粉将使煤粉在风口前的燃烧率降低、未燃煤粉量增加，给高炉的正常冶炼带来一系列的不良影响。所以高炉喷吹煤粉过程中必须考虑煤粉的燃烧率，尽量提高其燃烧率使喷煤效益最大化。目前，检测煤粉燃烧率的方法能粗略衡量燃烧率的高低，但存在以下不足之处：1. 燃烧率较低。目前煤粉燃烧率的获得多在能够模拟高炉风口燃烧状态的试验炉中进行。现有手段得到煤粉燃烧率数值均较低，一般只有40%~50%左右。2. 检测过程中煤粉的喷吹多为间断性喷吹，喷煤速率和载气流量的稳定性无法保证、燃烧时间不易控制，因而所测得燃烧率误差较大。3. 现有测试方法收集未然煤粉和气体比较困难，即便未然煤粉能收集其质量也不能满足要求（国标为1g）。同时，系统中的未燃煤粉温度较高无法直接收集，需用水冷却、过滤、烘干后再收集，操作程序繁琐，误差性较大。

发明内容

本发明目的是提供一种检测煤粉燃烧率的方法及设备，能够实现连续喷吹，收集未燃煤粉和气体比较容易，试验方法操作简单，重复性好，煤粉燃烧率误差小，解决背景技术存在的上述问题。

本发明技术方案是：

一种检测煤粉燃烧率的方法，包含制取煤样、连续喷吹、收集未燃煤粉、收集混合气体、气体分析仪检测、马弗炉焙烧及燃烧率计算工序，其中的连续喷吹气体、收集未燃煤粉、收集混合气体工序包含如下工艺步骤：①采取连续喷吹技术，使得煤粉均匀地喷入燃烧炉中，当煤粉离开燃烧炉变为未燃煤粉时，用N₂迅速冷却，保证其燃烧率的准确性；②采用三通收灰槽收集未然煤粉；③采用布袋除尘器过滤气体并用气囊收集气体，三通收灰槽的三个端口，分别连接燃烧炉、N₂、布袋除尘器。

将气囊收集的物质，利用气体分析仪化验成分，根据混合气体法计算方法，依据公式计算燃烧率；将三通收灰槽收集未然煤粉通过弗炉焙烧，根据灰量平衡计算方法，依据公式计算燃烧率；对按上述两种方法计算出的燃烧率求取平均值，为最终燃烧率。

本发明的制取煤样，制取双样进行试验，以免出现人为误差。

所说的连续喷吹工序，煤粉均匀的以1.5-2.0g/min速率喷入燃烧炉中；连续喷吹使用的喷煤瓶为锥形，容积400-500ml，由上部通入气体，右侧连接喷吹管道。根据旋转射流原理来稳定气体流场，气体喷入瓶中，形成旋转射流，通过控制旋转强度大小，来达到改变气流分布的目的，以满足连续喷吹装置的工艺要求。喷吹头设计为笔形，长度为130-150mm，上部直径10mm，下部直径2mm。

用N₂冷却高温未燃煤粉，简化其收集操作；从燃烧炉中出来的未然煤粉温度达600℃以上，在三通收灰槽通入一定流量的N₂，防止其因离开燃烧炉之后继续燃烧而影响燃烧率的准确性，同时起到冷却混合气体的作用，避免烧穿布袋除尘器。

三通收灰槽顶端连接燃烧炉，底端右侧通入N₂，左侧出CO、CO₂、O₂、N₂、H₂混合气体。

喷煤粉、空气的流量之和大于通入N₂冷却气体流量。

一种检测煤粉燃烧率的设备，包含热风炉、喷煤瓶、燃烧炉、N₂气源、三通收灰槽、收气囊和除尘器；喷煤瓶管路与热风炉的热风出口管相连，再连接燃烧炉上的喷煤进口，燃烧炉的出口后连接三通收灰槽；三通收灰槽的三个端口，分别连接燃烧炉、N₂气源和除尘器，除尘器连接收气囊；煤粉均匀地喷入燃烧炉中，当煤粉离开燃烧炉变为未燃煤粉时，用N₂气源冷却，采用三通收灰槽收集未然煤粉，然后采用布袋除尘器过滤气体并用气囊收集，将气囊收集的物质，利用气体分析仪化验成分，依据公式计算燃烧率，并求取平均值。

除尘器为布袋除尘器；燃烧炉设有冷却系统。

喷煤瓶为锥形，容积400-500ml，由上部通入气体，右侧连接喷吹管道。喷吹头设计为笔形，长度为130-150mm，上部直径10mm，下部直径2mm。

三通收灰槽顶端连接燃烧炉，底端右侧通入N₂，左侧出CO、CO₂、O₂、N₂、H₂混合气体。

在三通收灰槽左侧出口处后接一根直管，然后连接布袋除尘器；直管直径为20mm、长为500-600mm的直管，其作用是再次降低混合气体的温度。

喷煤粉、空气的流量之和大于通入N₂冷却气体流量。

布袋除尘器以油壬为框架，中间夹有一层布袋和一层铁网，两边接套有丝扣的铁管。布袋规格要求直径为95-98mm（略小于油壬直径），厚度为8-10mm；布袋材质要求净化气体后含尘量<15mg/m³。铁网设计为100目，直径为95-98mm，紧贴布袋，作用是支撑布袋和传递温度。收气囊，容积600-800ml，保证密闭性良好，放置24h不会漏气。收皮囊连接在布袋除尘器的末端，待连续喷吹5min时，开始收集气体。

本发明积极效果是：本发明解决了背景技术设备燃烧率普遍偏低和收取未然煤粉比较困难的问题，连续喷吹、且能够收取足够量的未燃煤粉（国标为1g）以及混合气体，本发明所测煤粉燃烧率准确性高，操作简便，重复性好，可以为高炉提供此喷吹煤种燃烧性的参考数据，使高炉在炉况顺行的前提下，通过提高煤粉的燃烧率，使喷煤效益最大化。

附图说明

图1是本发明试验装置示意图

图中：1.热风炉；2.刚玉管；3.燃烧炉；4.冷却系统；5.三通收灰槽；6.收气囊；7.除尘器；8.喷煤瓶；9.铁网；10.布袋。

具体实施方式

以下通过实施例，对本发明作进一步说明。

一种检测煤粉燃烧率的方法，更具体的工艺步骤如下：

①称取样煤大于40g，放入烘箱中，于105-110℃温度下干燥2-3h备用；打开冷却水控制阀门，检查所有通路是否顺畅，确认无误；燃烧炉正常工作温度为1300℃，升温速度为10-15℃/min；热风炉工作温度为900℃，升温速度为15-20℃/min；

②待燃烧炉和热风炉工作区温度均达到设定值后，开始进行喷吹实验。称取步骤1中备用煤粉40g放入喷煤瓶，称量喷煤瓶与煤粉总重，记为m₁。开启空气压缩机，依次打开 Q₁ 、Q₂流量计控制阀门，对应流量控制为0.8-1.0m³/h、0.5-0.8m³/h，最后打开N₂流量计控制阀门，流量控制2-3L/min；

Q₁ 是喷吹煤粉流量计控制阀门，Q₂是空气流量计控制阀门，Q_N2是N₂流量计控制阀门；Q₁ 和Q₂流量控制阀分别为0.8-1.0m³/h、0.5-0.8m³/h， N₂装置流量控制2-3L/min，保证Q₁ +Q₂>Q_N2；

③连续喷吹5-8min时，用收气囊套在布袋除尘器的末端，开始收集气体；采集双样，以免出现人为误差；化验气体成分，依据公式计算燃烧率，并取平均值；

④喷吹时间设定为10-15min；之后依次关闭Q_N2、Q₂、Q₁阀门，称取瓶重，记为m₂；依次取下布袋除尘器和三通收灰槽，完全收集其中的未燃煤粉并称重，记为m₃；上述过程完成之后，用空气吹扫整个喷吹系统，流量控制Q₁为1.5-2.0m³/h，Q₂为1.0-1.5m³/h，时间为2-3分钟；吹扫结束后，关闭燃烧炉和热风炉加热电源；待炉温降至200-300℃时，关闭系统循环水总开关，喷吹试验结束；

⑤称取1g未燃煤粉放入磁盘，并在马弗炉中进行焙烧；焙烧温度设定为700-800℃，总焙烧时间1-1.5h；焙烧过程中，用铁丝搅拌试样1-2次，以确保均匀；焙烧结束后，取出试样，冷却后称量剩余样品重量，记为m₄；

⑥利用上述步骤获得的数据，按下列方法计算煤粉燃烧率；

（1）根据灰量平衡计算方法计算燃烧率R₁：

式中： R₁—煤粉燃烧率；

A ₁—未燃煤粉的灰分含量（A₁=m₄*100%）；

A ₀—煤粉燃烧前的灰分含量。

   （2）根据混合气体法计算燃烧率R₂；

燃烧率R=（R₁+R₂）/2。

一种检测煤粉燃烧率的设备，包含热风炉1、喷煤瓶8、燃烧炉3、N₂气源、三通收灰槽5、收气囊6和除尘器7，喷煤瓶管路与热风炉的热风混合，连接燃烧炉上的喷煤进口，燃烧炉的出后连接三通收灰槽，三通收灰槽的三个端口，分别连接燃烧炉、N₂气源和除尘器，除尘器连接收气囊；煤粉均匀地喷入燃烧炉中，当煤粉离开燃烧炉变为未燃煤粉时，用N₂气源冷却，采用三通收灰槽收集未然煤粉，然后采用布袋除尘器过滤气体并用气囊收集，将气囊收集的物质，利用气体分析仪化验成分，依据公式计算燃烧率，并求取平均值。

除尘器为布袋除尘器；燃烧炉设有冷却系统。

布袋除尘器以油壬为框架，中间夹有一层布袋10和一层铁网9，两边接套有丝扣的铁管。

实施例1：称取4#烟煤40+0.5g（110℃烘3h）并放入喷吹瓶，称量喷吹瓶（268.02g）与煤粉总重，记下m₁为308.02g。开启空压机，依次打开 Q₁、Q₂流量计控制阀门，流量控制为1.0m³/h、0.8m³/h。打开N₂装置，流量控制2L/min。连续喷吹8min时，用橡皮囊套在除尘器的末端，收集气体，采集双样。喷吹时间设定为15min，之后依次关闭N₂装置，Q₂、Q₁流量计控制阀门，称重记下m₂为289.64g。依次取下除尘器和收灰槽，收取未燃煤粉，称重m₃为1.56g。空吹气体，控制流量Q₁为2.0m³/h，Q₂为1.5m³/h，时间为3分钟。实验完成后，关闭空气压缩机。待加热炉冷却至300℃以下（约5h），关闭加热炉、热风炉以及循环水总开关。马弗炉温度设定为800℃。称取1g未燃煤粉放入磁盘，进行马弗炉进行焙烧。0.75h后，打开马弗炉，取出铁架，用细铁丝轻微搅拌，再次焙烧。焙烧1.5h后，冷却后称量剩余样品重量，记下m₄为0.36g。A₁=m₄*100%=36%。已知A₀=7.9%。

① 根据燃烧率的灰量平衡计算方法：

计算可得燃烧率R为84.75%。

② 用气体分析仪检测所采集橡皮囊的混合气体（CO、CO₂、O₂、N₂、H₂ ），分析可得：CO=2.6%、CO₂=3%。

根据下列反应方程式计算：

2C + O₂ = 2CO                                     (1)

 C + O₂ = CO₂                                     (2)

2H₂ + O₂ = 2H₂O                                    (3)

Q₁ = 1.0m³/h、Q₂ =0.8m³/h，t=15min，喷吹量=m₂-m₁=18g。

Q_O2 =1.8*0.2*1000*0.25/22.4=4.02mol

Q_N2=1.8*0.8*1000*0.25/22.4=16.07mol

Q_H2=0.1mol

列方程式并计算可得，mC_总耗=13.5g=1.125mol，n_H=0.1mol

R₂=1.225/1.5=81.67%

R=（R₁+R₂）/2=（84.75%+81.67%）/2=83.21%

实施例2：称取2#无烟煤40g+0.5（105℃烘2h）并放入喷吹瓶，称量喷吹瓶（268.02g）与煤粉总重，记为m₁为308.37g。依次打开 Q₁、Q₂控制阀，流量控制为0.8m³/h、0.5m³/h，最后打开N₂装置，流量控制2L/min。连续喷吹5min时，开始收集气体，采集双样。喷吹时间设定为10min，之后依次关闭N₂装置，Q₂，Q₁流量计控制阀门。称重记下m₂为295.36g。依次取下除尘器和收灰槽，收取未燃煤粉，称重m₃为1.13g。空吹气体，控制流量Q₁为1.5m³/h，Q₂为1.0m³/h，时间为2分钟。实验完成后，关闭空气压缩机。待炉子冷却至200℃以下（约6h），关闭加热炉、热风炉以及循环水总开关。马弗炉温度设定为700℃。称取1g未燃煤粉放入磁盘，进行马弗炉进行焙烧。0.5h后，用细铁丝轻微搅拌，再次放进炉内进行焙烧。焙烧1h后，冷却后称量剩余样品重量，记下m₄为0.24g。A₁=m₄*100%=24%。已知A₀=10.32%。

① 根据燃烧率的灰量平衡计算方法：

计算可得燃烧率R为63.56%。

② 用气体分析仪检测所采集橡皮囊的混合气体（CO、CO₂、O₂、N₂、H₂ ），

分析可得：CO=2.9%、CO₂=2.7%。

Q₁ =0.8m³/h、Q₂ =0.5m³/h，t=10min，喷吹量= m₂-m₁=13.01g。

Q_O2 =1.3*0.2*1000/（6*22.4）=1.93mol

Q_N2=1.3*0.8*1000/（6*22.4）=7.72mol

Q_H2=0.07mol

列方程式并计算可得，MC_总耗=0.636mol，n_H=0.07mol

R₂=0.706/1.08=65.34%

R=（R₁+R₂）/2=（63.56%+65.34%%）/2=64.45%

实施例3：称取混煤（2、4#煤粉比例为45:55）40g+0.5并放入喷吹瓶，称量喷吹瓶（268.02g）与煤粉总重，记为m₁为308.25g。依次打开 Q₁、Q₂控制阀门，流量控制为0.9m³/h、0.7m³/h，最后打开N₂装置，流量控制2L/min。连续喷吹7min时，开始收集气体，采集双样。喷吹时间设定为12min，之后依次关闭N₂装置，Q₂，Q₁流量计控制阀门。称重记下m₂为294.18g。依次取下除尘器和收灰槽，收取未燃煤粉，并称取重量m₃为1.53g。空吹气体，控制流量Q₁为1.8m³/h，Q₂为1.2m³/h，时间为2.5分钟。实验完成后，关闭空气压缩机。待炉子冷却至250℃以下（约5.5h），关闭加热炉、热风炉以及循环水总开关。马弗炉温度设定为750℃。称取1g未燃煤粉放入磁盘，进行马弗炉进行焙烧。焙烧1h后，冷却后称量剩余样品重量，记下m₄为0.26g。A₁=m₄*100%=26%。已知A₀=8.99%。

① 根据燃烧率的灰量平衡计算方法：

计算可得燃烧率R为71.89%。

② 用气体分析仪检测所采集橡皮囊的混合气体（CO、CO₂、O₂、N₂、H₂ ），

分析可得：CO=2.6%、CO₂=2.9%。

Q₁ =0.9m³/h、Q₂ =0.7m³/h，t=12min，喷吹量= m₂-m₁=14.07g。

Q_O2 =1.6*0.2*1000/（5*22.4）=2.86mol

Q_N2=1.6*0.8*1000/（5*22.4）=11.43mol

Q_H2=0.08mol

列方程式并计算可得，MC_总耗=0.789mol，n_H=0.08mol

R₂=0.866/1.17=74.02%

R=（R₁+R₂）/2=（71.89%+74.02%%）/2=72.96% 。

Claims (10)

1.一种检测煤粉燃烧率的方法，其特征在于包含制取煤样、连续喷吹、收集未燃煤粉、收集混合气体、气体分析仪检测、马弗炉焙烧及燃烧率计算工序，其中的连续喷吹气体、收集未燃煤粉、收集混合气体工序包含如下工艺步骤：①采取连续喷吹技术，使得煤粉均匀地喷入燃烧炉中，当煤粉离开燃烧炉变为未燃煤粉时，用N₂迅速冷却，保证其燃烧率的准确性；②采用三通收灰槽收集未然煤粉；③采用布袋除尘器过滤气体并用气囊收集气体，三通收灰槽的三个端口，分别连接燃烧炉、N₂、布袋除尘器。

2.根据权利要求1所述之一种检测煤粉燃烧率的方法，其特征在于将气囊收集的物质，利用气体分析仪化验成分，根据混合气体法计算方法，依据公式计算燃烧率；将三通收灰槽收集未然煤粉通过弗炉焙烧，根据灰量平衡计算方法，依据公式计算燃烧率；根据上述两种方法计算出的燃烧率，求取平均值，为最终燃烧率。

3.根据权利要求1所述之一种检测煤粉燃烧率的方法，其特征在于所说的连续喷吹工序，煤粉均匀的以1.5-2.0g/min速率喷入燃烧炉中；连续喷吹使用的喷煤瓶为锥形，容积400-500ml，由上部通入气体，右侧连接喷吹管道。

4.根据权利要求1或2所述之一种检测煤粉燃烧率的方法，其特征在于三通收灰槽顶端连接燃烧炉，底端右侧通入N₂，左侧出CO、CO₂、O₂、N₂、H₂混合气体。

5.根据权利要求1或2所述之一种检测煤粉燃烧率的方法，其特征在于喷煤粉、空气的流量之和大于通入N₂冷却气体流量。

6.根据权利要求2所述之一种检测煤粉燃烧率的方法，其特征在于更具体的工艺步骤如下：

①称取样煤大于40g，放入烘箱中，于105-110℃温度下干燥2-3h备用；燃烧炉正常工作温度为1300℃，升温速度为10-15℃/min；热风炉工作温度为900℃，升温速度为15-20℃/min；

②待燃烧炉和热风炉工作区温度均达到设定值后，开始进行喷吹实验；

称取步骤1中备用煤粉40g放入喷煤瓶，称量喷煤瓶与煤粉总重，记为m₁，

开启空气压缩机，依次打开 Q₁ 、Q₂流量计控制阀门，对应流量控制为0.8-1.0m³/h、0.5-0.8m³/h，最后打开N₂流量计控制阀门，流量控制2-3L/min；

Q₁ 是喷吹煤粉流量计控制阀门，Q₂是空气流量计控制阀门，Q_N2是N₂流量计控制阀门；Q₁ 和Q₂流量控制阀分别为0.8-1.0m³/h、0.5-0.8m³/h， N₂装置流量控制2-3L/min，保证Q₁ +Q₂>Q_N2；

③连续喷吹5-8min时，用收气囊套在布袋除尘器的末端，开始收集气体；化验气体成分，依据公式计算燃烧率；

④喷吹时间设定为10-15min；之后依次关闭Q_N2、Q₂、Q₁阀门，称取瓶重，记为m₂；依次取下布袋除尘器和三通收灰槽，完全收集其中的未燃煤粉并称重，记为m₃；上述过程完成之后，用空气吹扫整个喷吹系统，流量控制Q₁为1.5-2.0m³/h，Q₂为1.0-1.5m³/h，时间为2-3分钟；吹扫结束后，关闭燃烧炉和热风炉加热电源；待炉温降至200-300℃时，关闭系统循环水总开关，喷吹试验结束；

⑤称取1g未燃煤粉放入磁盘，并在马弗炉中进行焙烧；焙烧温度设定为700-800℃，总焙烧时间1-1.5h；焙烧过程中，用铁丝搅拌试样1-2次，以确保均匀；焙烧结束后，取出试样，冷却后称量剩余样品重量，记为m₄；

⑥利用上述步骤获得的数据，按下列方法计算煤粉燃烧率；

（1）根据灰量平衡计算方法：

式中： R₁—煤粉燃烧率；

A ₁—未燃煤粉的灰分含量（A₁=m₄*100%）；

A ₀—煤粉燃烧前的灰分含量；

   （2）根据混合气体法计算燃烧率R₂；

燃烧率R=（R₁+R₂）/2。

7.一种检测煤粉燃烧率的设备，其特征在于包含热风炉（1）、喷煤瓶（8）、燃烧炉（3）、N₂气源、三通收灰槽（5）、收气囊（6）和除尘器（7），喷煤瓶管路与热风炉的热风混合，连接燃烧炉上的喷煤进口，燃烧炉的出后连接三通收灰槽，三通收灰槽的三个端口，分别连接燃烧炉、N₂气源和除尘器，除尘器连接收气囊；煤粉均匀地喷入燃烧炉中，当煤粉离开燃烧炉变为未燃煤粉时，用N₂气源冷却，采用三通收灰槽收集未然煤粉，然后采用布袋除尘器过滤气体并用气囊收集，将气囊收集的物质，利用气体分析仪化验成分，依据公式计算燃烧率，并求取平均值。

8.根据权利要求7所述之一种检测煤粉燃烧率的设备，其特征在于除尘器为布袋除尘器；燃烧炉设有冷却系统（4）。

9.根据权利要求7或8所述之一种检测煤粉燃烧率的设备，其特征在于布袋除尘器以油壬为框架，中间夹有一层布袋（10）和一层铁网（9），两边接套有丝扣的铁管。

10.根据权利要求7所述之一种检测煤粉燃烧率的设备，其特征在于喷煤瓶为锥形，容积400-500ml，由上部通入气体，右侧连接喷吹管道。

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