CN112322813B - 一种高炉风口回旋区试验模拟方法 - Google Patents

一种高炉风口回旋区试验模拟方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高炉风口回旋区试验模拟方法，涉及钢铁冶金技术领域。该高炉风口回旋区试验模拟方法，包括如下步骤：S1、将使用气体通过流量计和阀门控制加入至多孔陶瓷管的管式炉进行操作，其中使用气体为空气加上蒸汽、氢气或天然气其中一种或多种的混合气体。该高炉风口回旋区试验模拟方法，为一种既可以检测煤粉燃烧率又能检测风口回旋区热态试验检测技术和方法，为高炉生产真实提供模拟参数，以及检测不同燃料的输送特性和喷吹特性，更贴近高炉生产的技术特点，模拟不同燃料和不同富氧率、空气湿度条件下，燃料喷吹特性、燃烧特性，及其对风口回旋区变化情况，更好指导热风的富氧、压力、风温控制以及燃料搭配等。

Description

一种高炉风口回旋区试验模拟方法
技术领域
本发明涉及钢铁冶金技术领域，具体为一种高炉风口回旋区试验模拟方法。
背景技术
高炉喷煤是从高炉风口向炉内直接喷吹磨细了的无烟煤或烟煤或这两者混合的煤粉，以替代焦碳起到提供热量和还原剂的作用，从而降低焦比、降低生铁成本。依据提高喷煤比来提高富氧量，从而间接提高了高炉生铁产量。1963年我国开始喷煤技术的实验、研究和开发，1964年进行工业性实验，1965年正式生产。1990年鞍钢喷吹烟煤实验成功，结束了我国喷吹单一无烟煤的历史。目前全世界都在采用煤粉喷吹(PC I)技术。实际上，全球共有200多座高炉在采用这种工艺，70％以上的高炉都在从风口喷煤或者木炭。煤粉喷吹是将磨煤机磨制合格的煤粉由细粉仓常压装入储煤罐，再将储煤罐内的煤粉倒入喷吹罐，氮气加压后经给煤器、卸煤阀进入喷吹管线，由喷吹管线内的空压风做为动力带动煤粉经炉前分配器分配到高炉各风口的喷煤枪喷入高炉。
高炉大量喷吹煤粉时，大部分煤粉在风口前回旋区燃烧气化，小部分以残炭状态随煤气进入料柱。进一步研究表明：未燃煤粉通过软熔带时，粘附在矿石和焦炭上。由于这种炭粒反应性高，能与矿石中的FeO发生直接还原反应而被消耗，同时使烧结矿的熔滴温度升高，使其高温冶金性能达到改善；附着在焦炭表面的炭粒则优先与CO2和水蒸气反应，由于其气化速率是焦炭气化速率的7倍，故减少了焦炭的熔损反应，抑制了焦炭的粉化，保持了焦炭的高温强度；还有一部分炭粒会被滴落的铁液吸收，参加渗碳反应。在1200℃风温，没有富氧的条件下，喷煤量不宜超过120kg/t铁；富氧1～3％时喷煤量可达150kg/t铁；在高富氧大煤量喷吹时，入炉焦比降到250～300kg/t铁，作为料柱骨架的焦炭体积减少40～60％，气体力学条件成为影响高炉顺行的主要限制环节，因此，必须进一步提高炉料质量，改善炉料分布，否则难以维持高炉稳定操作。
高炉操作中会出现以下问题：随着煤粉的增加，风口和炉内的压力损失上升；随着煤气流边缘的发展和热流比的降低，炉身等热损失增加；由于煤粉燃烧率下降在炉内存在未燃煤粉，高炉内未燃煤粉无论分布于何处，都会恶化料柱透气性；虽然留在炉内，但起不到应有的作用，反而抵消了一部分在回旋区有效燃烧带来的节能效果；较低的软熔带位置，焦炭夹层较薄的软熔带结构，较大的鼓风功能都使煤粉易于向中心分布，因而使进入炉缸的未燃煤粉增多；边缘煤气流发展，不仅增加煤粉吹出量，而且煤粉在炉墙处与炉渣接触，会使炉渣变稠，并导致炉墙增厚或结瘤。
德国钢铁公司在喷煤实践中研究了各种因素对高炉喷煤量的影响以后表明：煤焦置换比与喷煤量的关系不大。当前，煤粉喷吹期间的不完全燃烧是限制喷煤工艺的主要因素，各种煤的燃烧极限O/C原子比是2:1，喷煤量大于150kg/t铁时，O/C开始低于极限值，导致了煤粉的不完全燃烧.随着喷煤量继续加大，，限制喷煤量的决定性因素将是软熔带的形状和范围.要是煤粉在燃烧带内达到100％的燃烧，最低燃料比应为500kg/t铁，煤比应小于170kg/t铁，煤粉最大限度应小于0.7mm。
荷兰艾莫伊登高炉实践表明，当喷煤量在100kg/t铁以下时，高炉操作没有任何困难，各种操作制度变化不大；喷煤量由100kg/t铁增加到150kg/t铁时，高炉仍顺行，只是炉尘和洗涤水污泥中含煤量有所增加，风压和中心气流有上升趋势；喷煤量由150kg/t铁增加到200kg/t铁时，中心气流明显增大，风压升高，炉尘中含煤量增多，经调节后可以维持高炉正常操作；当喷煤量大于200kg/t铁后，风压和中心气流急剧增加，特别是煤比大于215kg/t铁时，高炉难行，甚至出现风口灌渣，主要原因是高炉上部透气性变坏，软熔带焦炭夹层厚度变薄，未燃煤粉堵死料柱和滴落带，从而影响回旋区的形状和大小，并使炉渣变稠。因此提出，进一步增大喷煤量必须采取高富氧措施，当煤比高达燃料比的60％时，富氧率应大于10％。
现有技术中的检测装置仅仅检测燃烧性，没有检测风口回旋区的大小和形状技术的手段，难以很好的综合考虑燃料颗粒挥发分的热解挥发、水分蒸发、颗粒与氧气等气体的燃烧、气体内部之间的化学反应，以及气体与颗粒，颗粒与颗粒之间的热辐射情况，从而使得实验数据获取相对困难，增加了操作的难度。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种高炉风口回旋区试验模拟方法，解决了现有技术中的检测装置仅仅检测燃烧性，没有检测风口回旋区的大小和形状技术的手段，难以很好的综合考虑燃料颗粒挥发分的热解挥发、水分蒸发、颗粒与氧气等气体的燃烧、气体内部之间的化学反应，以及气体与颗粒，颗粒与颗粒之间的热辐射情况的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种高炉风口回旋区试验模拟方法，包括如下步骤：
S1、将使用气体通过流量计和阀门控制加入至多孔陶瓷管的管式炉进行操作，其中使用气体为空气加上蒸汽、氢气或天然气其中一种或多种的混合气体；
S2、将步骤S1中得到的气体通过带热电偶测温的流化燃烧炉；
S3、将步骤S2中得到的气体通过带热电偶测温的流化燃烧；
S4、将步骤S3中得到的气体通过排气孔燃烧或者接还原炉做还原试验；
S5、通过煤气成分分析仪对步骤S4的产物进行分析；
S6、对燃料进行干燥磨细预热操作；
S7、使用带电子秤的喷煤罐对步骤S6中的产物进行收集，并在喷煤及输送系统的作用下进行运输；
S8、将步骤S7中得到的产物在流化燃烧炉燃烧，并将未燃部分进入陶瓷承接盘下接电子秤；
S9、进行燃料的燃烧性自动测试：电子秤的失重和电子秤的增重均通过电脑在线显示，燃料的燃烧率公式：
燃料的燃烧率＝(电子秤的失重-系数×电子秤的增重)÷电子秤的失重÷(1-燃料工业分析回灰分)；
S10、回旋区的形状大小测试：采用间接测试，承接盘材质为刚玉坩埚，上面放置高铝瓷舟盛放渣粉，融化温度为1400℃，实验前测定每个高铝瓷舟中渣粉的重量，试验后测试每个高铝瓷舟内融化层的厚度及重量，根据图像分析实际流化燃烧炉的回旋区形状，通过计算模型计算高炉回旋区的形状。
(三)有益效果
本发明提供了一种高炉风口回旋区试验模拟方法。具备以下有益效果：该高炉风口回旋区试验模拟方法，为一种既可以检测煤粉燃烧率又能检测风口回旋区热态试验检测技术和方法，可以检测不同热风条件和不同燃料的燃烧率，检测试验条件下的回旋区的形状特点，为高炉生产真实提供模拟参数，以及检测不同燃料的输送特性和喷吹特性，更贴近高炉生产的技术特点，模拟不同燃料和不同富氧率、空气湿度条件下，燃料喷吹特性、燃烧特性，及其对风口回旋区变化情况，更好指导热风的富氧、压力、风温控制以及燃料搭配等，根据情况调高炉布料，以期更好指导高炉生产操作。
附图说明
图1为本发明高炉风口回旋区燃烧模拟试验的自动检测方法示意图；
图2为本发明高炉风口回旋区形状检测最终形成高炉炉缸、炉腹活跃区示意图。
图中：1、阀门；2、多孔陶瓷管；3、管式炉；4、带热电偶测温的流化燃烧炉；5、排气孔；6、带电子秤；7、喷煤罐；8、喷煤罐；9、陶瓷承接盘；10、电子秤；11、煤气成分分析仪；12、计算机。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：一种高炉风口回旋区试验模拟方法，包括如下步骤：
S1、将使用气体通过流量计和阀门控制加入至多孔陶瓷管的管式炉进行操作，其中使用气体为空气加上蒸汽、氢气或天然气其中一种或多种的混合气体；
S2、将步骤S1中得到的气体通过带热电偶测温的流化燃烧炉；
S3、将步骤S2中得到的气体通过带热电偶测温的流化燃烧；
S4、将步骤S3中得到的气体通过排气孔燃烧或者接还原炉做还原试验；
S5、通过煤气成分分析仪对步骤S4的产物进行分析；
S6、对燃料进行干燥磨细预热操作；
S7、使用带电子秤的喷煤罐对步骤S6中的产物进行收集，并在喷煤及输送系统的作用下进行运输；
S8、将步骤S7中得到的产物在流化燃烧炉燃烧，并将未燃部分进入陶瓷承接盘下接电子秤；
S9、进行燃料的燃烧性自动测试：电子秤的失重和电子秤的增重均通过电脑在线显示，燃料的燃烧率公式：
燃料的燃烧率＝(电子秤的失重-系数×电子秤的增重)÷电子秤的失重÷(1-燃料工业分析回灰分)；
S10、回旋区的形状大小测试：采用间接测试，承接盘材质为刚玉坩埚，上面放置高铝瓷舟盛放渣粉，融化温度为1400℃，实验前测定每个高铝瓷舟中渣粉的重量，试验后测试每个高铝瓷舟内融化层的厚度及重量，根据图像分析实际流化燃烧炉的回旋区形状，通过计算模型计算高炉回旋区的形状。
实施例：
采用的设备情况说明：
空气由空气泵供气，氧气和其它气体(蒸汽除外)由气瓶供气，蒸汽由小型电蒸汽发生器供应。
流量计和阀门1，为常用的空气、氧气等气体流量计和控制阀门，常用管路为四分管，或者软橡胶管。
多孔陶瓷管2为了模拟高炉热风炉内耐火格子砖设计，多孔陶瓷管2外径小于管式炉内部刚玉管的内径15mm为宜，多孔陶瓷管2长度200mm～400mm为宜，在管式炉内部刚玉管进气端和出气端留出50mm～100mm的距离。
管式炉3以硅钼棒管式炉为主，管式炉3直径在500mm～600mm，长度600mm～700mm。内部设有刚玉管，刚玉管内径60mm～80mm为宜，长度700mm～800mm为宜；额定温度为1400℃，工作温度1200℃；管式炉3内刚玉管进气端设计带进气管的密封金属盖(材质耐高温不锈钢)，管式炉两侧各焊接3个螺杆和螺母作为定位销以固定刚玉管，螺杆与刚玉管接触处有耐火棉。
流化燃烧炉4，以硅钼棒管式炉为主，流化燃烧炉4直径在700mm～800mm，长度800mm～900mm；内部设有刚玉管，刚玉管内径180mm～240mm为宜，长度800mm～1000mm为宜；额定温度为1400℃，工作温度1200℃；流化燃烧炉4内刚玉管进气和出气端设计带进气管的水冷密封金属盖(材质耐高温不锈钢)，管式炉两侧各焊接3个螺杆和螺母作为定位销以固定刚玉管，螺杆与刚玉管接触处有耐火棉；管式炉3刚玉管插入流化燃烧炉4内部刚玉管，插入深度50mm左右，管式炉3内部刚玉管与流化燃烧炉4内部刚玉管中间的间隙在40mm左右，环形耐火材料充填两侧各直径30mm开口，便于插外径25mm刚玉管，方便插入喷煤枪和出气管，喷煤枪和出气管均为外径20mm左右的金属管(六分管)。
燃料准备设备为高温烘箱(最高温度300℃)150℃干燥、制样磨粉机磨细、烘箱200℃～300℃预热。
喷煤罐7为容积0.05～0.1m3的料仓直径在200mm～400mm左右，高度300mm左右，下面锥形，装有星型下料装置，上面设有直径50mm的装料口，由螺纹并配套金属螺纹盖，三面带吊环。
电子秤6，为量程100kg，显示精度0.01kg的电子秤，下部带吊钩，称煤粉罐重量。
喷煤及输送系统8为常用的粉体输送系统，例如料封泵等。
陶瓷承接盘9，材质为99铝刚玉材质，圆柱形刚玉坩埚，深度为30mm-60mm，直径160mm～220mm；
电子秤10，为量程20kg，显示精度0.01kg的电子秤，因为陶瓷承接盘9在高温区域，为了保证称量准确性，陶瓷承接盘9与电子秤10之间采用多成耐火砖和在电子秤10与耐火砖之间有一个直径80mm的耐火柱连接，保证流化燃烧炉4的密封。
煤气成分分析仪11主要检测CO、CO2、H2等，为煤气成分常用分析设备。
计算机12不仅可以采集试验中的温度、重量、煤气成分相关数据，分析煤粉燃烧率，还可以根据图形分析法，测算回旋区的形状并打印数据。
公式中的系数：根据未燃煤粉进入烟气和其它地方取为1.1左右。
计算模型：回旋区的形状计算模型包括气、固、液三相，采用方程包括欧拉气相方程组、欧拉颗粒连续方程和动量方程以及拉氏颗粒能量和质量变化的方程等，利用试验结果对一些边界条件限定和固定参数修订。
综上所述，该高炉风口回旋区试验模拟方法，为一种既可以检测煤粉燃烧率又能检测风口回旋区热态试验检测技术和方法，可以检测不同热风条件和不同燃料的燃烧率，检测试验条件下的回旋区的形状特点，为高炉生产真实提供模拟参数，以及检测不同燃料的输送特性和喷吹特性，更贴近高炉生产的技术特点，模拟不同燃料和不同富氧率、空气湿度条件下，燃料喷吹特性、燃烧特性，及其对风口回旋区变化情况，更好指导热风的富氧、压力、风温控制以及燃料搭配等，根据情况调高炉布料，以期更好指导高炉生产操作。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.一种高炉风口回旋区试验模拟方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、将使用气体通过流量计和阀门控制加入至多孔陶瓷管的管式炉进行操作，其中使用气体为空气加上蒸汽、氢气或天然气其中一种或多种的混合气体；
S2、将步骤S1中得到的气体通过带热电偶测温的流化燃烧炉；
S3、将步骤S2中得到的气体通过带热电偶测温的流化燃烧；
S4、将步骤S3中得到的气体通过排气孔燃烧或者接还原炉做还原试验；
S5、通过煤气成分分析仪对步骤S4的产物进行分析；
S6、对燃料进行干燥磨细预热操作；
S7、使用带电子秤的喷煤罐对步骤S6中的产物进行收集，并在喷煤及输送系统的作用下进行运输；
S8、将步骤S7中得到的产物在流化燃烧炉燃烧，并将未燃部分进入陶瓷承接盘下接电子秤；
S9、进行燃料的燃烧性自动测试：电子秤的失重和电子秤的增重均通过电脑在线显示，燃料的燃烧率公式：
燃料的燃烧率＝(电子秤的失重-系数×电子秤的增重)÷电子秤的失重÷(1-燃料工业分析回灰分)；
S10、回旋区的形状大小测试：采用间接测试，承接盘材质为刚玉坩埚，上面放置高铝瓷舟盛放渣粉，融化温度为1400℃，实验前测定每个高铝瓷舟中渣粉的重量，试验后测试每个高铝瓷舟内融化层的厚度及重量，根据图像分析实际流化燃烧炉的回旋区形状，通过计算模型计算高炉回旋区的形状。
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