TWI557373B - 粉煤噴射方法 - Google Patents

Description

粉煤噴射方法

本發明是有關於一種煉鐵製程，且特別是有關於一種粉煤噴射方法。

在高爐煉鐵過中，為了減少高價焦炭於高爐風徑區(raceway)燃燒的消耗而導致成本增加，大都利用噴槍將較廉價的粉煤直接吹入風徑區內進行燃燒，以產生製程所需的熱與還原氣體。

為了兼顧爐況的穩定度與高爐生產效率的提升，風徑區中粉煤的理想燃燒為高粉煤燃燒效率、避免粉煤點火位置過於接近鼓風嘴之出口(tuyere exit)、以及盡快消耗粉煤燃燒所釋放出之揮發物。其中，粉煤燃燒效率高可減少未燃之粉煤累積於高爐之爐下部，而可維持爐床的清靜度。而避免粉煤點火位置過於接近鼓風嘴之出口，可減少因粉煤燃燒所產生之阻力，進而可改善爐下部的透氣性。另外，盡快消耗粉煤燃燒所釋放出之揮發物則可減少揮發物在高溫缺氧的狀況下因二次熱裂解(secondary pyrolysis)反應而轉化成煙炱(soot)粒子。由於煙炱粒子常會隨著爐氣而吹出爐外，進而造成燃料的損失，因此減少煙炱粒子的生成可降低燃料的損失。

一種常見的粉煤噴射方式係採用單一噴槍來進行粉煤的噴吹。然而，採用此種單槍噴吹方式時，粉煤在高爐之風徑區的燃燒率不佳，導致爐床之清靜度下降。為了提高粉煤在風徑區的燃燒率，另一種粉煤噴射方式係採用雙噴槍來進行粉煤的噴吹。雙噴槍噴煤方式可比單噴槍噴煤方式提早點燃粉煤，且可提高粉煤在風徑區的燃燒率，因此可減少未燃之粉煤量，而可維持爐床的清靜度。然而，架構簡單之雙噴槍設計常因高熱破損，而無法正常噴吹粉煤，進而影響高爐內部的熱平衡。

為了改善雙噴槍設計易因熱而毀損的情況，目前設計出一種雙氣冷式同軸噴槍(double air-cooled coaxial lance)。每個氣冷式同軸噴槍具有內管、與套設在內管外的外管。在氣冷式同軸噴槍中，內管用以噴吹粉煤，外管則通以冷卻氣體，來降低噴槍溫度，藉此保護噴槍免因高溫而受損。冷卻氣體係採用氮氣(N₂)。在此種粉煤噴射技術中，為避免冷卻氣體對燃燒的影響，操作時採低冷卻氣體流量。冷卻氣體的噴吹亦可提升粉煤在熱風中的擴散效果，如此一來可提高粉煤的燃燒率。

然而，採用雙氣冷式同軸噴槍來噴射粉煤時，粉煤會提前點火燃燒，而使得著火點移向鼓風嘴之風口，導致風口之阻力升高。如此一來，不利於高風量的操作，對於高爐之爐下部的透氣性有不良影響。

因此，本發明之一態樣就是在提供一種粉煤噴射方 法，其係利用二氣冷式同軸噴槍來進行粉煤的噴射，並利用氧氣來作為此二氣冷式同軸噴槍之冷卻氣體，如此一來可使粉煤自噴槍中噴出後與低溫氧氣接觸，因此使得粉煤之點火位置較遠離鼓風嘴之風口而移向高爐內，進而可有效降低風口處的阻力。

本發明之另一態樣是在提供一種粉煤噴射方法，其氣冷式同軸噴槍之冷卻氣體包含氧，粉煤噴出後其周圍局部富氧，因此粉煤的燃燒率可大幅提升。

本發明之又一態樣是在提供一種粉煤噴射方法，由於粉煤噴出後其周圍局部富氧，因此粉煤燃燒時所釋放出之揮發物氣體可立即燃燒。故，可有效降低揮發物的濃度，而可減少煙炱粒子的產生，進而可大幅減輕燃料的損失。

根據本發明之上述目的，提出一種粉煤噴射方法，其包含下列步驟。設置二氣冷式同軸噴槍於一鼓風嘴中。其中，每一氣冷式同軸噴槍包含一外管、與一內管穿設於外管中。利用這些內管朝一高爐噴射粉煤、以及利用前述之外管同時朝高爐噴射冷卻氣體，其中此冷卻氣體包含氧氣。

依據本發明之一實施例，上述之冷卻氣體為純氧。

依據本發明之另一實施例，上述外管所供應之氧氣流量與鼓風爐所供應之氧氣流量的總和維持一固定值。

依據本發明之又一實施例，上述每一氣冷式同軸噴槍之內管凸出於外管。

依據本發明之再一實施例，上述之氣冷式同軸噴槍 係以偏心插入之方式設置於鼓風嘴中。

依據本發明之再一實施例，上述每一外管包含一平直管道。

依據本發明之再一實施例，上述之冷卻氣體係以直流方式流經外管。

100‧‧‧鼓風嘴

102‧‧‧氣冷式同軸噴槍

104‧‧‧氣冷式同軸噴槍

106‧‧‧風口

108‧‧‧內管

110‧‧‧外管

112‧‧‧內管

114‧‧‧外管

200‧‧‧粉煤噴射方法

202‧‧‧步驟

204‧‧‧步驟

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下： 第1圖係繪示依照本發明之一實施方式的一種雙氣冷式同軸噴槍設置於鼓風嘴中的裝置示意圖。

第2圖係繪示依照本發明之一實施方式的一種雙氣冷式同軸噴槍設置於鼓風嘴中的前視圖。

第3圖係繪示依照本發明之一實施方式的一種粉煤噴射方法的流程圖。

第4圖係繪示在不同冷卻氣體比例下，燃燒區間幾何中心線的溫度變化曲線圖。

第5圖係繪示不同冷卻氣體比例與風徑區壓降之間的關係曲線圖。

第6圖係繪示不同冷卻氣體比例與粉煤燃燒率之間的關係曲線圖。

有鑑於雙氣冷式同軸噴槍噴射粉煤時，會造成鼓風嘴之風口阻力升高，不利於高風量的操作，進而對高爐之 爐下部的透氣性產生不良影響。因此，本發明在此提出一種粉煤噴射方法，除了可兼顧粉煤燃燒率的提升與風口處之阻力的下降，更可有效降低揮發物的濃度。

請同時參照第1圖至第3圖，其中第1圖與第2圖係分別繪示依照本發明之一實施方式的一種雙氣冷式同軸噴槍設置於鼓風嘴中的裝置示意圖與前視圖，第3圖係繪示依照本發明之一實施方式的一種粉煤噴射方法的流程圖。在本實施方式中，進行粉煤噴射方法200時，可先如步驟202所述般，先提供二氣冷式同軸噴槍102與104，並將氣冷式同軸噴槍102與104同時設置在高爐之鼓風嘴100中，如第1圖所示。在一些實施例中，如第2圖所示，此二氣冷式同軸噴槍102與104以非對稱方式設置在鼓風嘴100中，且可採偏心式設置。在本實施方式中，係以一個鼓風嘴搭配二個氣冷式同軸噴槍來進行說明，其僅係用以簡化描述，並非用以限制本發明。當然，在其他實施例中，一個高爐系統可搭配許多鼓風嘴以及眾多氣冷式同軸噴槍，以使每個鼓風嘴可配設有二氣冷式同軸噴槍。

如第2圖所示，氣冷式同軸噴槍102包含內管108與外管110。其中，內管108穿設於外管110中，亦即外管110套設於內管108外。同樣地，氣冷式同軸噴槍104包含內管112與外管114。其中，內管112穿設於外管114中。在一些實施例中，氣冷式同軸噴槍102之內管108凸出於外管110，氣冷式同軸噴槍104之內管112凸出於外管114。也就是說，氣冷式同軸噴槍102與104均為內管凸出式設 計。

在氣冷式同軸噴槍102與104中，內管108與112係用以噴射粉煤，而外管110與114係用以噴射冷卻氣體。其中，冷卻氣體可為常溫之氣體，即溫度約為25℃之氣體。在本實施方式中，冷卻氣體包含氧氣。在一些實施例中，冷卻氣體為純氧。因此，將氣冷式同軸噴槍102與104設置在鼓風嘴100中後，如第3圖之步驟204所述，利用氣冷式同軸噴槍102與104之內管108與112經由鼓風嘴100而朝高爐噴射粉煤。在此同時，利用外管110與114同時經由鼓風嘴100而朝高爐噴射包含氧氣的冷卻氣體。

在一些實施例中，係利用原先預計要混入熱風的氧氣，來取代習知之冷卻氣體氮氣。因此，外管110與114所供應之氧氣的流量與鼓風爐之所有鼓風嘴100所供應之氧氣流量的總和維持一固定值，即約相等於原先要混入熱風的氧氣流量。藉由以原先欲混入熱風導入高爐之氧氣的一部分來作為氣冷式同軸噴槍102與104的冷卻氣體，粉煤由氣冷式同軸噴槍102與104之內管108與112噴出後會與較低溫之冷卻氧氣接觸，而使粉煤之點火位置離開鼓風嘴100之風口106而移向高爐內。當粉煤一旦點火燃燒後，粉煤流大都為這些氧氣所包圍而於粉煤周圍形成局部富氧狀態，因此可有效提高粉煤燃燒率。於是可在兼顧粉煤燃燒率的情況下，使粉煤之點火位置離開鼓風嘴100之風口，而達到低熱風阻力的效果。此外，由於粉煤周圍呈現局部富氧狀態，可使粉煤燃燒所釋放出的揮發物氣體立 即燃燒，因此可大大地降低揮發物濃度，進而可減少煙炱粒子的產生。

在一些實施例中，外管110與114均包含一平直管道，亦即內管108與112之外側面、以及外管110與114之內側面均為平順表面。藉由這樣的設計，可使冷卻氣體以直流方式流經外管110與114，並不會產生螺旋氣流。因此，經由外管110與114噴出之氧氣濃度可隨著氣流的前進而獲得維持。此外，在這樣的直流方式下，氧氣也不會先與粉煤混合而導致粉煤提前點火，進而可避免粉煤著火點朝鼓風嘴100之風口106處移動而造成風口106處阻力升高。

在本實施方式中，用於氣冷式同軸噴槍102與104之冷卻氧氣的比例依據製程操作需求而定，例如可為40%至100%。在一些實施例中，針對用於冷卻氧氣之比例，透過模擬計算的方式來進行評估。這些實施例之操作參數包含：熱風溫度為1150℃、熱風壓力為4.5atm、熱風流量為3.83kg/s、粉煤噴吹量為0.51kg/s、以及每支氣冷式同軸噴槍102與104之氧氣流量為0.087kg/s。其中，這些實施例之氣冷式同軸噴槍102與104的冷卻氣體為純氧，且熱風可例如為氧氣含量約為21%的空氣。在一些示範例子中，透過外管110與114所供應之氧氣流量與鼓風爐之鼓風嘴100所供應之氧氣流量的總和維持一固定值，例如使外管110與114和鼓風嘴100之氧氣總供應量約占全部氣體供應量的25%。

請參照第4圖，其係繪示在不同冷卻氣體比例下，燃燒區間幾何中心線的溫度變化曲線圖。在第4圖中，富氧分配40%表示有40%的氧氣流量是從氣冷式同軸噴槍102與104之外管110與114所供應，而其餘之60%的氧氣流量是伴隨鼓風爐所吹出之熱風而供應，其他的富氧分配比例依此類推。此外，氮氣冷卻係指氣冷式同軸噴槍之冷卻氣體為氮氣。

由第4圖可看出，以富氧氣體作為氣冷式同軸噴槍102與104之冷卻氣體時，隨著由外管110與114流出之氧氣比例的增加，爐氣溫度最高值與鼓風嘴100之風口106之間的距離增加，表示劇烈燃燒的位置移向爐內。而且，以富氧氣體作為冷卻氣體之劇烈燃燒位置顯然較以氮氣作為冷卻氣體遠離風口106。

此外，請一併參照第5圖，其係繪示不同冷卻氣體比例與風徑區壓降之間的關係曲線圖。根據計算所得之燃燒區內壓損值發現，相較於傳統將所有富氧氣體混入熱風中的技術，例如冷卻氣體為氮氣的技術，當本發明之實施例中的冷卻氧氣流量比例增加時，即氧氣混入熱風的比例降低時，粉煤延遲點火，如第4圖所示。因此，如第5圖所示，風徑區(即燃燒區)內的壓損值隨著粉煤的延遲點火而下降。

請一併參照第6圖，其係繪示不同冷卻氣體比例與粉煤燃燒率之間的關係曲線圖。一般而言，當延遲點火發生時，粉煤燃燒率會受到影響。因此，風徑區的壓損雖然 降低，但可能產生大量未燃煤進入高爐內，而汙染爐床，進而造成爐況波動，對整體的爐況未必有正向的幫助。然而，由第4圖可發現，以純氧作為氣冷式同軸噴槍102與104之冷卻氣體時，中心氣體之溫度的最大值雖會移向高爐內，但卻比傳統將所有富氧氣體混入熱風中之操作的溫度最大值高約250℃。這是由於本發明之實施例的粉煤流在燃燒區中受到高氧濃度的氣體所包圍之故，一旦粉煤開始燃燒，這樣局部富氧的機制可加速煤料的燃燒。如第6圖所示，利用部分或全部富氧氣體作為氣冷式同軸噴槍102與104之冷卻氣體時，粉煤燃燒率均高於傳統將所需氧氣混入熱風中的操作，且粉煤燃燒率會隨著冷卻氧氣量的增加而提升。

由上述說明可知，應用本案實施例之粉煤噴射方法不僅可降低風徑區中因燃燒所產生之阻力，也因粉煤周圍局部富氧的機制，而可在粉煤著火燃燒後加速燃燒反應，提高燃燒效率，進而使粉煤燃燒率不致因粉煤點火遲滯而降低。

由於粉煤燃燒所產生之揮發物含有氫，因此比較傳統將所有富氧氣體混入熱風中的技術與本案實施例之燃燒區域橫剖面的氫濃度分布，藉此比較傳統與本案技術在粉煤燃燒時揮發物的濃度。根據所獲得之燃燒區域的氫濃度分布可知，本案實施例於操作時，粉煤流中的氫濃度明顯低於傳統熱風富氧操作。這樣的結果表示，在本案實施例的操作中，揮發物一旦釋出即快速與粉煤周圍之氧氣反 應，因此揮發物存在於燃燒區的時間短且濃度低。如此一來，不易進行二次熱裂解反應，而可有效減少煙炱粒子的生成。

由上述之實施方式可知，本發明之一優點就是因為本發明之粉煤噴射方法係利用二氣冷式同軸噴槍來進行粉煤的噴射，並利用氧氣來作為此二氣冷式同軸噴槍之冷卻氣體，因此可使粉煤自噴槍中噴出後與低溫氧氣接觸，使得粉煤之點火位置較遠離鼓風嘴之風口而移向高爐內，進而可有效降低風口處的阻力。

由上述之實施方式可知，本發明之另一優點就是因為氣冷式同軸噴槍之冷卻氣體包含氧，粉煤噴出後其周圍局部富氧，因此粉煤的燃燒率可大幅提升。

由上述之實施方式可知，本發明之又一優點就是因為粉煤噴出後其周圍局部富氧，因此粉煤燃燒時所釋放出之揮發物氣體可立即燃燒。故，可有效降低揮發物的濃度，而可減少煙炱粒子的產生，進而可大幅減輕燃料的損失。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何在此技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

200‧‧‧粉煤噴射方法

202‧‧‧步驟

204‧‧‧步驟

Claims (6)

1. 一種粉煤噴射方法，包含：設置二氣冷式同軸噴槍於一鼓風嘴中，其中每一該些氣冷式同軸噴槍包含一外管與一內管穿設於該外管中，且該內管凸出於該外管；以及利用該些內管朝一高爐噴射一粉煤、以及利用該些外管同時朝該高爐噴射一冷卻氣體，其中該冷卻氣體包含氧氣。
2. 如請求項1所述之粉煤噴射方法，其中該冷卻氣體為純氧。
3. 如請求項1所述之粉煤噴射方法，其中該些外管所供應之氧氣流量與該鼓風爐所供應之氧氣流量的總和維持一固定值。
4. 如請求項1所述之粉煤噴射方法，其中該些氣冷式同軸噴槍係以偏心插入之方式設置於該鼓風嘴中。
5. 如請求項1所述之粉煤噴射方法，其中每一該些外管包含一平直管道。
6. 如請求項1所述之粉煤噴射方法，其中該冷卻氣體係以直流方式流經該些外管。