CN114724640B - 一种高炉风口喷吹煤粉燃烧率计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高炉风口喷吹煤粉燃烧率计算方法，包括：对高炉喷吹煤粉进行煤粉物化特性分析；获取生产高炉冶炼技术数据；计算风口内富氢煤气燃烧后剩余氧气含量和煤气停留时间，富氢煤气燃烧后剩余氧气含量通过鼓风氧含量、富氢煤气喷吹量、吨铁鼓风量、以及富氢煤气成分计算得到；煤粉燃烧速率通过富氢煤气燃烧后剩余氧气含量、平均粒度值、以及风口理论燃烧温度计算得到；按照湍流条件下的气固燃烧动力学模型通过喷煤比、富氢煤气燃烧后剩余氧气含量、平均粒度值、风口理论燃烧温度、以及煤气停留时间计算得到高炉喷吹煤粉燃烧率。本发明为高炉喷吹煤粉优化选择和富氢煤气协同喷吹提供重要指导。
Description
技术领域
本发明属于高炉炼铁技术领域，特别涉及一种高炉喷吹煤粉燃烧率计算方法。
背景技术
高炉喷吹煤粉是目前钢铁企业缓解焦煤资源短缺、降低焦比和生产成本的重要措施，是世界炼铁技术发展的主流趋势。研究和生产实践已经证明，高炉喷吹辅助燃料可以替代高炉冶炼过程消耗焦炭量的30％甚至更多，在有效降低吨铁生产成本的同时也可以增加吨铁煤气量，改善钢铁联合生产企业的能源供应问题，提高企业经济效益，减轻环境压力。经过近五十年的发展，高炉喷煤技术已经得到了广泛的推广和应用，高炉喷煤的优点具体表现为：(1)使用价格较低的煤粉去替代昂贵的焦炭，可以降低铁水的冶炼成本和焦化生产对环境的污染。(2)挥发分较高的煤粉在风口回旋区裂解吸收热量，为高炉接受高风温和高富氧操作提供了有利条件，有利于高炉强化冶炼。(3)煤粉中含量较高的氢在还原过程中对料层有较好穿透能力，促进煤气流在上升过程中对矿石料层的还原，提高矿石还原效率，有利于高炉炉况稳定。
随着高炉喷吹煤粉技术的不断发展，喷煤量不断增加，部分国内重点企业高炉喷吹煤比均值已经超过200kg/tHM，达到了国际领先水平。高炉喷吹煤粉的种类也由传统的优质无烟煤逐渐发展为烟煤、无烟煤、贫瘦煤、兰炭以及提质煤等混合喷吹。高炉喷吹煤粉在风口前燃烧为高温、高压、多相、湍流的状态，并且由于鼓风速度超过了200m/s，而风口回旋区的长度仅不到2m，使得煤粉在风口前燃烧的时间极短，并且煤粉由于化学成分和物理结构的不同，使其具有不同的燃烧性能，以上原因造成高炉喷吹煤粉在风口前的燃烧率较低，影响了高炉喷吹煤粉技术的实施效果。如何提升高炉喷吹煤粉在风口前的燃烧率成为目前高炉炼铁生产的关键技术之一。目前提升高炉喷吹煤粉在风口前燃烧率的主要措施包括选用燃烧性能好的煤粉、提高富氧率、提高鼓风温度、减小煤粉粒度、采用新型的喷吹装置等，此外随着高炉氢冶金技术的开发，高炉喷吹富氢煤气技术的实施逐渐推广应用，富氢煤气喷吹对煤粉燃烧率的影响也成为新技术成功实施要解决的问题之一。以上新技术的开发和实施都是围绕改善高炉喷吹煤粉燃烧率展开，因此如何标定不同条件下煤粉燃烧率成为衡量新技术效果的主要参数。
为此，为了更为精确的表征不同条件下高炉喷吹煤粉在风口前的燃烧率，需要探究一种简单易行的方法对高炉喷吹煤粉燃烧率进行计算，该发明提出了一种高炉喷吹煤粉燃烧率计算方法，该方法充分考虑了煤粉的煤质特性、煤粉喷吹量、富氢煤气成本、富氢煤气喷吹量、鼓风参数等对煤粉燃烧率的影响，科学评价影响高炉喷吹煤粉燃烧率提高的各种因素，为高炉喷吹煤粉技术优化实施具有重要的意义。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种高炉喷吹煤粉燃烧率计算方法，提供了一种应用于评价高炉冶炼参数对喷吹煤粉燃烧率的评价方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种高炉风口喷吹煤粉燃烧率计算方法，该方法包括以下步骤：
S1)对高炉喷吹煤粉进行煤粉物化特性分析，获取固定碳含量、挥发分含量、氢元素含量、氧元素含量和平均粒度值；S2)获取生产高炉冶炼技术数据，包括富氢煤气喷吹量、富氢煤气成分、喷煤比、吨铁鼓风量、鼓风氧含量和风口理论燃烧温度；S3)根据气-气燃烧反应特点，计算风口内富氢煤气燃烧后剩余氧气含量和煤气停留时间，所述富氢煤气燃烧后剩余氧气含量通过所述鼓风氧含量、所述富氢煤气喷吹量、所述吨铁鼓风量、以及所述富氢煤气成分计算得到；根据气-固燃烧反应特点，计算风口内煤粉燃烧速率，所述煤粉燃烧速率通过所述富氢煤气燃烧后剩余氧气含量、所述平均粒度值、以及所述风口理论燃烧温度计算得到；以及S4)以高炉喷吹煤粉物化特性和高炉冶炼技术数据为基础，按照湍流条件下的气固燃烧动力学模型计算获得高炉喷吹煤粉燃烧率，所述高炉喷吹煤粉燃烧率通过所述喷煤比、所述富氢煤气燃烧后剩余氧气含量、所述平均粒度值、所述风口理论燃烧温度、以及所述煤气停留时间计算得到。
进一步的，其中，所述S1)中高炉喷吹煤粉成分采用干燥基数据，所述固定碳含量、所述挥发分含量分别记为w(FC)、w(V)；所述氢元素含量、所述氧元素含量分别记为w(H)和w(O)；以及所述平均粒度值采用激光粒度分析仪进行分析，采用D50值作为高炉喷吹煤粉的平均粒度值，记为d50。
进一步的，其中，所述S2)中富氢煤气喷吹量和喷煤比按照吨铁消耗量计算，分别记为Wgas和Wcoal，所述富氢煤气成分包括甲烷、氢气、一氧化碳和氮气，其体积含量分别用ωCO和/>表示，所述吨铁鼓风量、所述鼓风氧含量和所述风口理论燃烧温度分别记为QBF、/>和T。
进一步的，其中，所述S3)中富氢煤气燃烧后剩余氧气含量通过以下公式计算获得：
进一步的，其中，所述S3)中所述煤粉燃烧速率与煤粉燃烧反应本征活化能Ecoal、反应速率常数kcoal和t时刻高炉喷吹煤粉燃烧率x之间符合以下关系：
其中R为8.314J/K。
进一步的，其中，所述的煤粉燃烧反应本征活化能Ecoal和反应速率常数kcoal通过以下公式计算获得：
Ecoal＝a-b·w(V)，
其中，a、b、m和n取值范围分别为154000<a<170000、50000<b<70000、40<m<60和0.4<n<0.6。
进一步的，其中，所述S3)中煤气停留时间tgas根据风口回旋区体积Vraceway和单位时间风口产生煤气量Vgas计算获得：
进一步的，其中，所述S4)中高炉喷吹煤粉燃烧率x通过以下公式计算获得：
进一步的，其中，在计算得到所述高炉喷吹煤粉燃烧率后，根据高炉喷吹煤粉燃烧率对喷吹煤粉的种类进行优化选择，选取燃烧率高的煤粉进行高炉喷吹；通过确定喷煤比和鼓风氧含量对喷吹煤粉燃烧率的影响，选择合理的喷煤比和富氧率；通过确定富氢煤气对喷吹煤粉燃烧率的影响，选择最优的富氢煤气喷吹方案。
本发明还可以用于兰炭、提质煤、农林废弃物、废塑料、废橡胶及其它可燃固态燃料应用于高炉喷吹时燃烧率的确定。
本发明的有益效果在于：本发明可用于评价煤粉的煤质特性、煤粉喷吹量、富氢煤气成分、富氢煤气喷吹量、鼓风参数等对高炉喷吹煤粉燃烧率的影响，该方法以气-固燃烧反应动力学模型为基础，充分考虑了富氢煤气与高温热风气-气燃烧行为对鼓风中氧含量的影响，结合风口回旋区煤粉燃烧特点确定煤气在风口回旋区的停留时间，计算获得高炉喷吹煤粉在高温、高压、多相、湍流状态下的燃烧率。该方法计算过程简单，实用范围广，计算结果准确，对高炉冶炼现场喷吹煤种的选择和鼓风参数的确定具有重要的意义，特别对富氢煤气高炉喷吹技术的实施具有重要的指导作用。
具体实施方式
以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
本公开实施例公开了一种高炉喷吹煤粉燃烧率计算方法，该方法具体包括以下步骤：
S1)对高炉喷吹煤粉进行煤粉物化特性分析，获取固定碳含量、挥发分含量、氢元素含量、氧元素含量和平均粒度值；
S2)获取生产高炉冶炼技术数据，包括富氢煤气喷吹量，富氢煤气成分，喷煤比，吨铁鼓风量，鼓风氧含量和风口理论燃烧温度；
S3)根据气-气、气-固燃烧反应特点，计算风口内富氢煤气燃烧后剩余氧气含量、煤粉燃烧速率和煤气停留时间；
S4)以高炉喷吹煤粉物化特性和高炉冶炼技术数据为基础，按照湍流条件下的气固燃烧动力学模型计算获得高炉喷吹煤粉燃烧率。
根据本公开实施例，S1)所述的高炉喷吹煤粉成分采用干燥基数据，固定碳含量、挥发分含量按照国家标准GB-T212-2008进行分析，分别记为w(FC)、w(V)。
根据本公开实施例，S1)所述的氢元素含量、氧元素含量按照国家标准GB-T476-2008进行分析，分别记为w(H)和w(O)。
根据本公开实施例，S1)所述的高炉喷吹煤粉平均粒度值采用激光粒度分析仪进行分析，采用D50值作为高炉喷吹煤粉的平均粒度值，记为d50。
根据本公开实施例，S2)所述的富氢煤气喷吹量和喷煤比按照吨铁消耗量计算，分别记为Wgas和Wcoal，所述富氢煤气成分为甲烷、氢气、一氧化碳和氮气，其体积含量分别用ωCO和/>表示，所述吨铁鼓风量、鼓风氧含量和风口理论燃烧温度分别记为QBF、/>和T。
根据本公开实施例，S3)所述的风口内富氢煤气燃烧后剩余氧气含量通过富氢煤气喷吹量、煤气成分计算获得：
根据本公开实施例，S3)所述的煤粉燃烧为典型的气固化学反应，符合未反应核模型，煤粉燃烧速率与煤粉燃烧反应本征活化能(Ecoal)、反应速率常数(kcoal)和t时刻高炉喷吹煤粉燃烧率(x)之间符合以下关系：
上式中，R为8.314J/K。
根据本公开实施例，所述的煤粉燃烧反应本征活化能(Ecoal)和反应速率常数(kcoal)可以表示为：
Ecoal＝a-b·w(V)
根据本公开实施例，所述的a、b、m和n取值范围分别为154000<a<170000、50000<b<70000、40<m<60和0.4<n<0.6。
根据本公开实施例，S3)所述的煤气停留时间(tgas)根据风口回旋区体积(Vraceway)和单位时间风口产生煤气量(Vgas)计算获得：
根据本公开实施例，S4)所述的高炉喷吹煤粉燃烧率x通过以下公式计算获得：
实施例1
选取喷吹煤粉的高炉进行分析，其中高炉喷吹煤粉煤质测定值如表1所示：
表1高炉喷吹煤粉成分，％
高炉生产的技术参数如表2所示：
表2高炉生产技术参数
将表1和表2中各项数据代入公式求解高炉喷吹煤粉燃烧率x，获得不同煤粉进行高炉喷吹的燃烧率结果如表3所示：
表3不同煤粉进行高炉喷吹时的燃烧率，％
通过表1可以知道，煤粉-1为无烟煤，变质程度最深，煤粉-2为烟煤，变质程度较低，煤粉-3为瘦煤，变质程度低于无烟煤高于烟煤，煤粉-4为贫煤，变质程度低于瘦煤高于烟煤，煤粉-5为生物质煤，其为生物质炭化的产物，变质程度最低，以上五种煤粉经常作为高炉喷吹燃料使用，用于部分替代焦炭在高炉内的发热剂、还原剂作用和渗碳剂的作用，但不同煤粉进行高炉喷吹时对高炉冶炼的影响效果不同。
表3为不同煤粉样品进行高炉喷吹的燃烧率，从表3可以看出煤粉-1的燃烧率最低，煤粉-5的燃烧率最高，其他三种煤粉的燃烧率数据介于两者之间。对比表1和表3可以发现，挥发分w(V)含量越高和固定碳w(FC)含量越低的样品进行高炉喷吹的燃烧率越高，主要原因是随着煤粉变质程度的加深，碳基质中稳定的芳香环结构含量越高，化学反应活性越差，表现为燃烧性能越差。变质程度高的煤粉进行高炉喷吹时，着火所需要的温度更高，在风口前有限的空间和时间内能够燃烧的量越少，造成燃烧率越低。高炉喷吹煤粉要求具有较高的燃烧率，因此可以采用高变质程度的无烟煤与烟煤进行混合喷吹，利用燃烧性能好的烟煤促进无烟煤的着火和燃烧，以达到改善混合煤燃烧性能，提高燃烧率的目的。同时，生物质煤也可以作为高炉喷吹的燃料使用，充分发挥其燃烧率高的特点，促进混合煤在风口前的快速着火和燃烧，为高炉冶炼提供热量和还原剂。
实施例2
选取喷吹煤粉的高炉进行分析，其中高炉喷吹煤粉煤质测定值如表4所示：
表4高炉喷吹煤粉成分，％
高炉生产的技术参数如表5所示：
表5高炉生产技术参数
高炉冶炼生产采用不同煤粉喷吹量时煤粉燃烧率如表6所示：
表6不同喷吹量条件下煤粉的燃烧率，％
通过表6可以看出，随着喷煤比的增加，煤粉燃烧率降低，喷煤比每增加10kg/tHM，燃烧率降低2.5％-2.8％，喷煤比的增加造成风口前氧碳原子比的降低，在较低的氧碳原子比条件下煤粉燃烧过程受到抑制，着火温度升高，燃烧速率降低，燃尽率降低。高炉喷吹煤粉生产要求风口前的燃烧率越高越好，此时需要根据高炉的实际生产情况确定合理的高炉喷煤比，以确保能够尽可能多的替代焦炭，同时减少未燃烧煤粉的含量，改善高炉冶炼稳定和顺行状况，以达到最优的生产目标。目前来看，高炉喷煤比在160kg/tHM左右较为合适，一方面能够实现尽量多的用价格低廉的煤粉替代冶金焦炭，降低炼铁成本，同时能够保证较高的煤粉燃烧率，减少未燃煤粉的量，确保高炉生产的稳定顺行。
实施例3
选取喷吹煤粉和天然气的高炉进行分析，其中高炉喷吹煤粉煤质测定值如表7所示：
表7高炉喷吹煤粉成分，％
高炉生产的技术参数如表8所示：
表8高炉生产技术参数
高炉冶炼生产采用不同天然气喷吹量时煤粉燃烧率如表9所示：
表9不同天然气喷吹量条件下煤粉的燃烧率，％
通过表6可以看出，随着天然气喷吹量的增加，煤粉燃烧率降低，主要原因是天然气与热风之间的燃烧为气-气反应，在相同温度条件下其燃烧反应的速率远大于煤粉与热风之间的气-固燃烧反应速率，天然气的燃烧过程消耗了热风中的氧含量，降低了氧气浓度会影响煤粉的燃烧过程，降低煤粉燃烧率。高炉在采用天然气和煤粉共同喷吹时，需要严密监控高炉喷吹煤粉在风口前的燃烧状态，以避免由于煤粉燃烧率的降低而引起的未燃煤粉含量增加，高炉透气性变差，进而影响高炉冶炼的稳定顺行，对高炉炼铁的产量和效益产生负面影响。
以上所述，仅为本发明的说明实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，做出的若干改进和补充也应视为本发明的保护范围；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所做的任何等同变化的更改、修饰与演变，均仍属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种高炉风口喷吹煤粉燃烧率计算方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1)对高炉喷吹煤粉进行煤粉物化特性分析，获取固定碳含量、挥发分含量、氢元素含量、氧元素含量和平均粒度值；
S2)获取生产高炉冶炼技术数据，包括富氢煤气喷吹量、富氢煤气成分、喷煤比、吨铁鼓风量、鼓风氧含量和风口理论燃烧温度；
S3)根据气-气燃烧反应特点，计算风口内富氢煤气燃烧后剩余氧气含量和煤气停留时间，所述富氢煤气燃烧后剩余氧气含量通过所述鼓风氧含量、所述富氢煤气喷吹量、所述吨铁鼓风量、以及所述富氢煤气成分计算得到，所述富氢煤气燃烧后剩余氧气含量通过以下公式计算获得：
其中，所述吨铁鼓风量、所述鼓风氧含量和所述风口理论燃烧温度分别记为QBF、和T，所述富氢煤气喷吹量和喷煤比按照吨铁消耗量计算，分别记为Wgas和Wcoal，所述富氢煤气成分包括甲烷、氢气、一氧化碳和氮气，其体积含量分别用/>ωCO和/>表示；
根据气-固燃烧反应特点，计算风口内煤粉燃烧速率，所述煤粉燃烧速率通过所述富氢煤气燃烧后剩余氧气含量、所述平均粒度值、以及所述风口理论燃烧温度计算得到；以及
S4)以高炉喷吹煤粉物化特性和高炉冶炼技术数据为基础，按照湍流条件下的气固燃烧动力学模型计算获得高炉喷吹煤粉燃烧率，所述高炉喷吹煤粉燃烧率通过所述喷煤比、所述富氢煤气燃烧后剩余氧气含量、所述平均粒度值、所述风口理论燃烧温度、以及所述煤气停留时间计算得到，所述高炉喷吹煤粉燃烧率x通过以下公式计算获得：
其中，煤粉燃烧反应本征活化能为Ecoal、反应速率常数为kcoal，采用D50值作为高炉喷吹煤粉的平均粒度值，记为d50，风口回旋区体积为Vraceway，单位时间风口产生煤气量为Vgas，R为8.314J/K。
2.根据权利要求1所述的一种高炉风口喷吹煤粉燃烧率计算方法，其特征在于，所述S1)中高炉喷吹煤粉成分采用干燥基数据，所述固定碳含量、所述挥发分含量分别记为w(FC)、w(V)；
所述氢元素含量、所述氧元素含量分别记为w(H)和w(O)；以及
所述平均粒度值采用激光粒度分析仪进行分析。
3.根据权利要求1所述的一种高炉风口喷吹煤粉燃烧率计算方法，其特征在于，所述S3)中所述煤粉燃烧速率与煤粉燃烧反应本征活化能Ecoal、反应速率常数kcoal和t时刻高炉喷吹煤粉燃烧率x之间符合以下关系：
4.根据权利要求3所述的一种高炉风口喷吹煤粉燃烧率计算方法，其特征在于，所述的煤粉燃烧反应本征活化能Ecoal和反应速率常数kcoal通过以下公式计算获得：
Ecoal＝a-b·w(V)，
其中，a、b、m和n取值范围分别为154000<a<170000、50000<b<70000、40<m<60和0.4<n<0.6。
5.根据权利要求4所述的一种高炉风口喷吹煤粉燃烧率计算方法，其特征在于，所述S3)中煤气停留时间tgas根据风口回旋区体积Vraceway和单位时间风口产生煤气量Vgas计算获得：
6.根据权利要求1所述的一种高炉风口喷吹煤粉燃烧率计算方法，其特征在于，在计算得到所述高炉喷吹煤粉燃烧率后，根据高炉喷吹煤粉燃烧率对喷吹煤粉的种类进行优化选择，选取燃烧率高的煤粉进行高炉喷吹；通过确定喷煤比和鼓风氧含量对喷吹煤粉燃烧率的影响，选择合理的喷煤比和富氧率；通过确定富氢煤气对喷吹煤粉燃烧率的影响，选择最优的富氢煤气喷吹方案。
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