CN112981020A - 一种利用微波外场辐射改质高炉喷吹煤粉的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于钢铁冶金领域，具体涉及一种利用微波外场辐射改质高炉喷吹煤粉的装置及方法。本发明的技术方案如下：一种利用微波外场辐射改质高炉喷吹煤粉的装置，包括布袋收集器、煤粉仓、粘土陶瓷管、微波发生器和金属隔板，所述粘土陶瓷管设置在所述布袋收集器与煤粉仓之间，所述微波发生器设置在所述粘土陶瓷管旁，所述微波发生器的微波腔口对向所述粘土陶瓷管，所述微波发生器的微波腔口的两侧分别设有所述金属隔板。本发明提供的利用微波外场辐射改质高炉喷吹煤粉的装置及方法，能够提高喷吹煤分在高炉风口回旋区内的燃烧效率，不仅通过减少炼铁工序中碳素燃料的消耗量降低生产生产，同时也缓解了温室气体和颗粒污染物排放对环境的污染。

Description

一种利用微波外场辐射改质高炉喷吹煤粉的装置及方法

技术领域

本发明属于钢铁冶金领域，具体涉及一种利用微波外场辐射改质高炉喷吹煤粉的装置及方法。

背景技术

目前，高炉仍是世界上炼钢生铁最为主要的生产方式，并且高炉炼铁的地位在未来很长一段时间内不会发生改变。焦炭作为高炉冶炼过程中一种必不可少的原料，在高炉中起着发热器、还原剂、渗碳剂和对疏松物料支撑的作用。由于焦炭原料成本和焦炭冶炼工序环境污染严重等因素，焦炭的在高炉风口进行煤粉喷吹能够对焦炭的前三种作用进行有效地取代。然而，喷吹煤粉在高炉风口回旋区内的燃烧效率是限制喷吹煤粉对冶金焦炭替换效率的主要限制环节。此外，喷吹煤粉不完全燃烧所产生的未燃煤粉随煤气流向上运动，阻塞在矿石和焦炭等块状物料之间的缝隙中，从而严重恶化高炉内料柱的透气性和透液性，从而对高炉冶炼过程产生不利影响。

相关领域的研究人员提出了多种方法来提高喷吹煤粉在风口回旋区内的燃烧效率，如CN201810440621.X和CN200610065860.9等专利利用稀土金属氧化物作为催化剂促进游离氧向煤粉颗粒表面的扩散，从动力学角度对煤粉颗粒的燃烧条件进行优化，但上述催化剂引入的稀土元素进入高炉后也将同时催化焦炭的溶损反应，从而在一定程度上恶化了高炉内部料柱的透气性和透液性，给高炉冶炼工序的稳定和顺行产生不利的影响。CN201910736495.7和CN201910193619.1等专利设计了预先对煤粉和助燃气体进行混合的喷枪公开了一种利用煤粉喷枪优化煤粉与助燃气体预先混合的方法，该方法能够使煤粉在进入风口回旋区前与助燃气体更为充分的混合，从而使煤粉在达到燃烧温度后能够较为迅速地燃烧，但该种方法所使用的煤粉喷枪结构较为复杂，实际生产过程中由于高温容易发生损坏，一方面影响了高炉的连续生产，另一方面也大幅地提高了高炉冶炼的生产成本，因此在高炉炼铁生产实际中的应用较少。

发明内容

本发明提供一种利用微波外场辐射改质高炉喷吹煤粉的装置及方法，能够提高喷吹煤分在高炉风口回旋区内的燃烧效率，不仅通过减少炼铁工序中碳素燃料的消耗量降低生产生产，同时也缓解了温室气体和颗粒污染物排放对环境的污染。

本发明的技术方案如下：

一种利用微波外场辐射改质高炉喷吹煤粉的装置，包括布袋收集器、煤粉仓、粘土陶瓷管、微波发生器和金属隔板，所述粘土陶瓷管设置在所述布袋收集器与煤粉仓之间，所述微波发生器设置在所述粘土陶瓷管旁，所述微波发生器的微波腔口对向所述粘土陶瓷管，所述微波发生器的微波腔口的两侧分别设有所述金属隔板。

进一步地，所述的利用微波外场辐射改质高炉喷吹煤粉的装置，所述布袋收集器与煤粉仓分别设有金属管，所述粘土陶瓷管的一端与所述布袋收集器的金属管通过法兰一连接在一起，所述粘土陶瓷管的另一端与所述煤粉仓的金属管通过法兰二连接在一起，法兰一设有电磁阀一，法兰二设有电磁阀二。

进一步地，所述的利用微波外场辐射改质高炉喷吹煤粉的装置，所述粘土陶瓷管上安装热电偶，所述热电偶与温度监控仪连接。

进一步地，所述的利用微波外场辐射改质高炉喷吹煤粉的装置，所述粘土陶瓷管与氮气喷吹系统连通。

进一步地，所述的利用微波外场辐射改质高炉喷吹煤粉的装置，所述微波发生器和粘土陶瓷管外部设有金属外壳进行密封。

进一步地，所述的利用微波外场辐射改质高炉喷吹煤粉的装置，所述粘土陶瓷管长度为2000mm，所述微波发生器与所述粘土陶瓷管的距离为200mm，所述金属隔板的长度为450mm，两个所述金属隔板之间的夹角为53°；所述微波发生器数量为两个。

一种利用微波外场辐射改质高炉喷吹煤粉的方法，由上述的利用微波外场辐射改质高炉喷吹煤粉的装置实施，利用所述微波发生器发射的微波外场对所述粘土陶瓷管内的煤粉进行辐射改质处理，改质过程中利用所述热电偶对所述粘土陶瓷管管壁的温度进行检测，利用所述氮气喷吹系统对所述粘土陶瓷管内的煤粉进行降温处理。

进一步地，所述的利用微波外场辐射改质高炉喷吹煤粉的方法，利用电磁阀一及电磁阀二的开合将煤粉的改质时间控制在20-40s，对煤粉进行改质处理时将所述微波发生器的功率设定在125-135W。

本发明的有益效果为：

1、本发明利用微波外场对高炉炼铁生产过程中喷吹的煤粉进行辐射改质，通过控制微波辐射功率和改质时间优化烟煤和无烟煤煤粉的有机官能团结构，提高煤粉内部碳、氢、氧元素构成有机官能团在高温下的化学活性，从而促进喷吹煤粉在高炉风口回旋区内的高效燃烧。利用微波发生器产生的电磁波对煤粉进行辐射处理，激发煤粉中化学活性较低的芳香烃和脂肪烃基团向高活性的-OH和-CH₃基团进行转变，通过提高煤粉中高反应活性有机官能团的数量来提高煤粉的燃烧性能，经最佳条件改后烟煤和无烟煤的燃烧率分别可提高8％和13％，经微波改性后煤粉的化学成分并不会发生明显变化，因此不会对高炉炼铁过程的稳定和顺行产生不利影响。

2、本发明能够优化喷吹煤粉自身的燃烧性能，无须对喷吹煤制粉和高炉炼铁工序进行复杂的设备改造和操作调整，因此不会增加设备操作难度和后期维护费用。提高喷吹煤粉在高炉风口回旋区内的燃烧效率，能够显著缓解未燃煤粉对高炉料柱透气性的不利影响，提高高炉内焦炭和矿石等物料颗粒间的透气性和透液性，改善高炉矿状带内煤气流对铁矿石的还原效率。同时，喷吹煤粉在高炉内的高效利用也能够较少钢铁冶炼工序对化石能源的消耗，缓解钢铁工业发展与自然生态环境之间的矛盾。

3、利用粘土陶瓷对微波吸收能力较弱的性质使微波能够高效传递至煤粉所在位置，避免了微波在穿透中间介质过程中能量的大幅衰减，同时也避免了微波外场下管道迅速升温导致煤粉燃烧的安全隐患。

4、在微波出口两侧设置了可调角度的金属隔板，通过金属隔板控制微波发生器在陶瓷套管上的作用范围。

5、设置热电偶，在微波处理过程中实时检测陶瓷煤粉管道温度的变化情况，当陶瓷管道温度达到130℃时微波发生器自动断电。

6、当改质过程中热电偶测得粘土陶瓷管壁的温度达到130℃时，打开氮气喷吹系统，向粘土陶瓷管内喷吹氮气来对煤粉进行降温，并同时降低煤粉颗粒周围气体中氧的浓度，以保证微波改质过程的安全性和高炉生产过程的连续性。

7、为了防止微波改质过程中发生微波泄露而对周边电子设备运行和人身安全产生影响，利用金属外壳对微波发生器和粘土陶瓷管进行密封，温度检测仪和高压氮气储气罐则设置在金属外壳的外部，以避免微波电磁波对电子元件工作稳定性的影响。

附图说明

图1为利用微波外场辐射改质高炉喷吹煤粉的装置示意图；

图2为不同改质条件下煤粉的燃烧率曲线图；其中(a)为烟煤煤粉，(b)为无烟煤煤粉；

图3为改质前后煤粉的红外光谱曲线图；其中(a)为烟煤煤粉，(b)为无烟煤煤粉；

图4为煤粉改质过程中的升温曲线图；其中(a)为烟煤煤粉，(b)为无烟煤煤粉。

具体实施方式

如图1所示，在高炉喷吹煤粉制粉系统中安装利用微波外场辐射改质高炉喷吹煤粉的装置，包括布袋收集器1、煤粉仓2、粘土陶瓷管3、微波发生器4和金属隔板5，粘土陶瓷管3安装在布袋收集器1和煤粉仓2之间距离布袋收集器1.5m处，粘土陶瓷管3的内径和外径分别为300mm和320mm，长度为2000mm，粘土陶瓷管3的两端与布袋收集器1、煤粉仓2的金属管通过法兰一6、法兰二7进行密封和连接，法兰一6安装电磁阀一8、法兰二7安装电磁阀二9。利用不锈钢管箍将热电偶10固定在粘土陶瓷管3的管壁上，3只热电偶10的感温端之间的距离为1000mm，通过外包金属屏蔽网的补偿导线将热电偶10与温度监控仪连接。厚度为5mm的不锈钢金属外壳12固定在粘土陶瓷管3外侧，微波发生器4的微波腔口13与粘土陶瓷管3间的距离为200mm，两个微波发生器4沿煤粉流动方向的作用长度为2000mm。微波发生器生产制造商：TOSER；型号：V511 13Pro；冷却方式：水冷；微波功率：0至1350W可调；微波腔口尺寸：150mm×75mm；输入电压：AC220V。热电偶种类：T型铠装热电偶；温度测量范围：0至250℃；输出信号：4-20mA；探头直径：1.0mm；铠装热电偶测头内部工艺：绝缘式封装。

工作过程如下：将微波发生器4的工作功率调节至132W，开始对粘土陶瓷管3内煤粉的改质过程；首先关闭电磁阀二9，打开电磁阀一8，等待经布袋收集器1筛分后的煤粉装满粘土陶瓷管3，5s后关闭电磁阀一8，利用微波对粘土陶瓷管3内煤粉进行25s改质处理后，打开电磁阀二9，利用重力使改质后的煤粉落入煤粉仓2，从而将煤粉的改质时间控制在30s。重复改质的过程中微波发生器4连续工作，仅通过电磁阀一8、电磁阀二9来控制煤粉的改质时间，经过微波外场改质后的煤粉可通过风口位置的煤枪直接进行高炉喷吹。改质过程中利用温度检测仪对粘土陶瓷管3管壁的温度进行检测，粘土陶瓷管3管壁温度达到130℃时温度检测仪将进行报警，并由氮气喷吹系统11通入高压氮气对煤粉进行降温。

实施例中微波外场下经不同条件改质后烟煤和无烟煤煤粉的燃烧率变化如图2所示。可以看出，烟煤和无烟煤试样经合理微波条件改质后的燃烧率皆有较为显著的提高。在132W微波功率下对烟煤煤粉进行40s的改质处理能够使其燃烧率提高8％，而在132W微波功率下对无烟煤煤粉进行20s的改质处理能够使其燃烧率提高13％。同时，改质过程中使用较大的微波功率或延长改性时间皆会对煤粉的燃烧性能产生产生不利影响，因此利用微波外场对混合煤粉进行改质时选择132W的微波功率和30s较为合理。实施结果表明，利用本发明所述的装置和方法对煤粉进行改质处理，能够有效地提高煤粉的燃烧性能。

实施例中微波外场改质前后烟煤和无烟煤煤粉的化学成分如表1所示。对比表1中可以看出，烟煤与无烟煤煤粉经过微波改质前后仅在水分含量上发生了微小变化，这是由于水分子较强的极性而具备较强的微波吸收能力，在微波外场下水分子因吸收微波发热而发生蒸发，但由于改质过程中微波辐射的时间较短，因此并未对煤粉中的水分产生十分显著的影响。同时可以看出，由于改质过程中使用的微波功率较低且处理时间较短，从而并未对煤中的其他各项组分产生影响。因此，煤粉燃烧性能的变化并不是改质过程中煤粉化学成分变化的结果，因此不会对高炉炼铁工序的冶炼制度和造渣制度造成不利影响。

表1微波改质前后煤粉的工业分析

实施例中微波外场改质前后烟煤和无烟煤煤粉的红外光谱曲线如图3所示。可以看出，经过微波外场改性后煤粉中-OH和-CH₃有机官能团的数量显著增加，而-OH和-CH₃属于煤粉结构中化学活性较强的基团，在燃烧过程中上述基团优先发生氧化，从而说明利用微波外场对煤粉进行辐射处理能够改变煤中C、H、O等化学元素的结合方式，利用微波外场对煤粉进行辐射处理能够提高煤粉中高活性计算的数量，达到优化煤粉燃烧性能的目的。

实施例中微波外场下烟煤与无烟煤煤粉的升温曲线如图4所示。可以看出，烟煤与无烟煤煤粉在较高的微波功率下升温较为迅速，同时某一微波功率下煤粉的温度也随处理时间的延长而升高。煤粉燃烧率测试结果表明，利用132W微波功率对烟煤和无烟煤进行40s和20s处理时，烟煤和无烟煤煤粉的燃烧率提高幅度最为显著。在132W微波功率下对两种煤粉进行120s的辐射处理时，两种煤粉的温度仅达到50℃左右，说明132W微波功率下对煤粉进行处理不会对煤粉的温度产生显著影响，因此微波煤粉改质技术在工业生产的应用不会产生安全隐患。

Claims (8)

1.一种利用微波外场辐射改质高炉喷吹煤粉的装置，其特征在于，包括布袋收集器、煤粉仓、粘土陶瓷管、微波发生器和金属隔板，所述粘土陶瓷管设置在所述布袋收集器与煤粉仓之间，所述微波发生器设置在所述粘土陶瓷管旁，所述微波发生器的微波腔口对向所述粘土陶瓷管，所述微波发生器的微波腔口的两侧分别设有所述金属隔板。

2.根据权利要求1所述的利用微波外场辐射改质高炉喷吹煤粉的装置，其特征在于，所述布袋收集器与煤粉仓分别设有金属管，所述粘土陶瓷管的一端与所述布袋收集器的金属管通过法兰一连接在一起，所述粘土陶瓷管的另一端与所述煤粉仓的金属管通过法兰二连接在一起，法兰一设有电磁阀一，法兰二设有电磁阀二。

3.根据权利要求2所述的利用微波外场辐射改质高炉喷吹煤粉的装置，其特征在于，所述粘土陶瓷管上安装热电偶，所述热电偶与温度监控仪连接。

4.根据权利要求3所述的利用微波外场辐射改质高炉喷吹煤粉的装置，其特征在于，所述粘土陶瓷管与氮气喷吹系统连通。

5.根据权利要求1所述的利用微波外场辐射改质高炉喷吹煤粉的装置，其特征在于，所述微波发生器和粘土陶瓷管外部设有金属外壳进行密封。

6.根据权利要求1所述的利用微波外场辐射改质高炉喷吹煤粉的装置，其特征在于，所述粘土陶瓷管长度为2000mm，所述微波发生器与所述粘土陶瓷管的距离为200mm，所述金属隔板的长度为450mm，两个所述金属隔板之间的夹角为53°；所述微波发生器数量为两个。

7.一种利用微波外场辐射改质高炉喷吹煤粉的方法，其特征在于，由如权利要求4所述的利用微波外场辐射改质高炉喷吹煤粉的装置实施，利用所述微波发生器发射的微波外场对所述粘土陶瓷管内的煤粉进行辐射改质处理，改质过程中利用所述热电偶对所述粘土陶瓷管管壁的温度进行检测，利用所述氮气喷吹系统对所述粘土陶瓷管内的煤粉进行降温处理。

8.根据权利要求7所述的利用微波外场辐射改质高炉喷吹煤粉的方法，其特征在于，利用电磁阀一及电磁阀二的开合将煤粉的改质时间控制在20-40s，对煤粉进行改质处理时将所述微波发生器的功率设定在125-135W。

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