炉缸工作与煤粉燃烧.docx
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炉缸工作与煤粉燃烧
炉缸工作与煤粉燃烧
（二）
高炉炉缸负担着一项最基本的任务，就是要进行焦炭的燃烧，束产生足够的热量与还原剂以满足高炉冶炼过程的需要，而且要创造冶炼合格生铁时炉缸渣铁反应时所具备的条件，同时还要保障渣铁能定时定量的从铁口顺利的流出来。
除上述任务外，由于富氧大喷煤技术的成熟与推广，目前现代高炉炉缸还负担着另一项新的重要任务，还要完成风口前大量煤粉的燃烧，并要求把在炉内未燃煤粉的残留量降低到最低水平。
可见现代高炉炉缸工作是十分繁重的和极其复杂的、而且也是非常重要的，如果我们掌握了煤粉的燃烧过程与基本要求，这对于维护好高炉炉缸工作，进一步提高生产技术指标和经济效益，旡疑具有十分重要的实际意义。
今天我讲的题目是炉缸工作与煤粉燃烧，共有四个部分，主要内容是：
（一）风口前煤粉燃烧的特点；
（二）高炉内未燃煤粉的形为与作用；
（三）风口前未燃煤粉的采取技术
（四）未燃煤粉的微观结构物；
一，风口前煤粉燃烧的特点
煤粉燃烧与焦炭在风口前燃烧有明显的区别，煤粉燃烧过程与焦炭相比，主要有以下九点特点：
1.煤粉粒度小
2.煤粉燃烧速度快
3.存在未燃煤粉
4.煤粉粒度并非越细越好
5.未燃煤粉可代替焦炭参加气化反应
6.烟煤与无烟煤混喷有利于提高煤比
7.双煤枪喷吹有明显效果
8.喷吹煤粉需要热补偿
9.风口喷吹煤粉存在滞后现象
风口前焦炭燃烧与煤粉燃烧有明显的区别，煤粉燃烧具有以下特点，现分述如下：
1.煤粉粒度小
高炉内喷吹煤粉的粒度，一般小于200目（相当于74um）的占50—80%，而高炉用焦炭粒度，小高炉20—40mm，大高炉40—60mm。
因而二者的粒度相差千万倍以上。
例如国丰2007年6月喷吹用的煤粉粒度列于表1
-200目的从54.96—65.55%
100目的从1.94—4.39%
140目的从2..33—5.02%
上述粒度，不知高炉使用效果如何？
根据外厂经验，煤粉粒径分级指标中除小于200目的参数重要外，100目或100—140目的参数，根据不同煤种也有不同的要求。
表1国丰高炉今年五月份喷煤粒度分级（2007年5月）
粒度
样号
100目
120目
140目
160目
180目
200目
-200目
1#
1.94
1.69
2.33
3.92
8.55
17.36
64.71
2#
4.39
3.89
5.02
3.36
17.60
16.36
54.96
3#
1.95
1.87
2.51
4.47
9.26
14.39
65.55
粒度越小，比表面积越大，表面能也越大。
因此燃烧起来速度很快，小于200目，相当于小于74μm。
比表面织计算的公式是：
，式中
——直径m，s——比表面积m2，例如当边长=1m的立方体，相当
=1.0m，代入公式：
=1ms=6m2
=0.1ms=60m2
=0.01ms=600m2
=0.001ms=6000m2
2.燃烧速度快
风口前煤粉要求在0.005秒之内烧完，与焦炭不一样。
因为焦炭吹不出来，反正会烧完，如果煤粉在风口前烧不完，就成为未燃煤粉，而随煤气逸出炉外。
0.006秒是如何代算来的呢？
焦炭燃烧时在风口前的回旋区回旋跳跃，随炉料下降燃烧。
例如：
450m3高炉风口前燃烧带一般为1.2～1.5m
风口前风速一般为150～180m/s
喷吹煤粉在风口燃烧带平均停留时间=1.35/165≤0.008ｓ
由于燃烧带从风口前开始到燃烧带末端长度是不同的，因此一般要求在0.005秒内燃烧完，如果在0.005秒内燃烧不完，就变成了未燃煤粉，大部分就随煤气上升而逸出炉外，0.005秒内烧完，也有一定的试验依据。
根据试验与计算：
在1100ºC风温条件下，-200目的粒度在80～85％时，大概在0.005～0.006秒的瞬间能燃烧完，所以过去煤粉粒度一般要求-200目占80%左右。
顺便问问在座的各位工长，高炉煤气在炉内速度一般是多少？
停留时间是多少？
炉料在炉内停留时间是多少？
由结果可知：
者和煤粉在燃烧带的喷吹速度和停留时间有着截然不同的差别。
３．存在未燃煤粉
喷吹煤粉时，由于燃烧时间短不能燃烧完的煤粉可能被带出炉外，因而存在未燃煤粉的概念。
但炉内焦炭即使风口前烧不完，下达炉缸经过渣铁反应而消耗掉了，因而不存在也没有听说有未燃煤粉的说法。
不过有一个问题请各位工长考虑，离开风口下降到渣铁区的焦炭能否在炉缸再次燃烧？
４．煤粉粒度并非越细越好
煤粉粒度越细当然有利于提高燃烧率，但是根据生产实践与实验室试验，煤粉粒度并非越小越好。
将煤粉粒度中-200目的放宽到50％左右，或更低一点。
根据煤种煤质特点，控制好100目与其他粒度的数量比例，反而能提高煤粉燃烧率。
这已经是高炉生产喷煤过程的事实。
原因分析：
因为煤种煤质与粒度一定，由于风温与富氧量也一定时，在一定的炉况条件下，能够燃烧的煤粉量也是一定的，缩小煤粉粒度的确加速了煤粉的燃烧，因而有利于燃烧率与置换比的提高。
但是由于风温与富氧率在各个高炉上都是有限的，因此燃烧的煤粉量也是有限的，在目前喷吹比在日益不断提高的状况下，因此残存的未燃煤粉现象的增加也使不可避免的。
在高煤比的高炉，风口前未能完全燃烧完的煤粉量也随煤比的提高而增加，导致了置换比的降低，目前高炉冶炼强高、煤气流速过快，由于粒度越小而未燃烧的极小颗粒的煤粉也越难以沉凝下来，而随煤气逸出炉外的可能性与机会也越大，数量
也越多，不知大家听说过没有？
英国一些高炉不喷煤粉，而喷粒煤（粒度10~15mm左右）效果也很好，我想我国一些高炉放宽―200目的粒度比例，增加100目等粒度的比例可能与此相关，因为煤粉燃烧不光的现象反正不可避免，如果把未燃烧煤粉这部分变成大颗粒煤粒，不使其吹出炉外，而让它沉积在炉内料柱中，代替焦炭气化与直接还原反应，这样的结果不仅降低了焦比，而且也提高了煤粉的利用率。
燃烧率可能没有提高，但煤粉利用率提高了，因而也提高了置换比。
主要反应：
CO2+C（煤粉）=2CO……
（1）
FeO+C（煤粉）=Fe+CO……
（2）
5.未燃烧的煤粉能替代焦炭参加反应
①煤粉停滞量
根据日本学者的研究，估算若煤粉在炉内不产生化学反应的消耗，高炉料柱中允许可以停滞的煤粉量36kg/t铁，如果超过了此量，炉内压差上升，有时导致崩塌料甚至悬料,因此认为炉内煤粉可以停滞量以36kg为上限。
这种估算因该可信的，为此很多工长不敢随便提高煤比，但是通过实践，知道在一定的炉况条件下，喷吹的煤比有一定的上限，因此煤比不是可以随便增加的。
这种情况的确是存在的，我自己也有深切的教训。
例如我们1986年在包钢进行喷煤攻关，包钢高炉的特点是含氟（F）炉渣冶炼，渣量大，熔点低，煤比维持120kg时炉况还尚能顺行，而当时煤比一旦超过120kg—125kg/t铁，高炉风压升高，立马出现崩塌料现象，只好把煤比又拉回来，当时我们在包钢的q共有i、二、三十人一点办法也没有，为了增加5kg煤比花了一年多的工夫，后来摸索到采用中心加焦的装料制度之后，才总算达到冶金部的规定（富氧率3.8%，风温1100℃），完成了150kg煤比的国家重点试验任务。
②代替焦炭气化量
根据计算与实测，高炉生产中，焦炭的气化量一般是焦比的20%左右，例如目前国丰一铁厂焦比是510kg，气化量按20%计算即102kg，因此510kg焦比真正到风口燃烧的只有408kg，而102kg焦炭通过下式反应早已经气化成CO了，
CO2+C（焦炭）=2CO……（3）
又由于风口前含O2多，风温高，煤粉的粒度小，活性大，反应性1000℃时是焦炭的10倍。
喷吹煤粉后大约有1/2~1/3的焦炭的气化被煤粉代替，根据刚才计算，国丰高炉焦炭气化量约为102kg，如果按1/2被煤粉代替，因此至少有50kg煤粉可以代替焦炭的气化，也可以这么说吧，即使国丰高炉煤粉燃烧率等于0，喷吹50kg（假定都成为未烧煤粉的话）也完全可以被利用完，利用率达100%；如果再考虑代替焦炭进行直接还原反应，那就远不是50kg的煤粉量了。
因此在国丰高炉的条件下为了进一步降低焦比，放宽-200目的粒径比，适当增加大粒度比例，未燃烧或未烧完的大粒度煤粉容易沉积在料柱中，代替焦炭参予气化反应与还原反应，这对于提高煤比很有现实意义，因此值得探索与研究。
由以上分析可知，炉内未燃煤粉的存在不必害怕，也不必单纯一味追求高燃烧率，因为适量未燃煤粉量的存在，高炉冶炼过程是允许的，可以起到保存焦炭的特殊的作用，因此对降低焦比是有利的。
6.烟煤有利于提高煤比
煤粉的挥发份中主要是CO,H2,CH4等气体，和固体炭相比，非常有利于煤粉的燃烧，无烟煤中挥发份成份一般5%左右，最高8%左右，而烟煤中挥发份比例一般高达18—20%，有的更高达25—30%以上，但是爆炸性强，特别是含量超过20%以后，爆炸性非常明显，因而安全性差。
根据我国众多高炉经验，很少采用单喷100%无烟煤或100%烟煤，而是采用混喷，多数高炉采用35%左右的烟煤和65%的无烟煤，混煤平均挥发份维持在18—20%左右较为合适，混煤的爆炸性指数维持在400mm左右较为适宜，根据我们检测结果，国丰目前烟煤比例在35%以下时,爆炸性指数小于400mm，因此是安全的，目前的烟煤比只有10％，下一步提高到20％时，更是可行的。
7.采用双煤枪
目前我国高炉大都采用单煤枪喷吹煤粉，为了提高燃烧率和增加煤比，山西长钢高炉近年来采用双煤枪喷吹，在风口直吹管另一侧，与原有煤枪相对应的部位增添一支煤枪，也同样用胶管与炉前煤粉分配器相连接。
近二年来，长钢高炉煤比一般为180—190kg，半年前已平均高达209kg左右的煤比，采用双煤枪的长钢高炉已取得明显的效果。
长钢高炉采用双枪喷吹煤粉，对重力灰与布袋灰都取样进行了未燃煤粉含量，我们专程去进行了检测，其含量在8%左右，应当说是稍微偏高了一些，但尚未超过10%，因此未燃煤粉量仍在正常范围之内
8、喷煤需要热补偿
喷入风口前煤粉及其载体一般都是冷态的，进入燃烧带后降低了燃烧带的理论燃烧温度。
煤粉本身温度的提高，及其热分解反应等都需要大大地消耗了燃烧带的热量，会导致炉缸温度的降低，因此需要进行一定热补偿。
根据计算结果：
表1煤比的作用
煤比变化量
△G/kg
理论温度变化量
△T/℃
1.0
－2.34
10
－23.4
100
－234
对于采用全焦冶炼的高炉，当风温高于1000℃之后，由于炉缸理论燃烧温度过高（2400℃以上），炉缸上下煤气温度梯度过大，炉缸工作极不稳定，会导致炉况难行，因此常常需要采取加湿或喷吹燃料相配合来平衡，使其维持合适的炉缸温度（如喷吹媒粉、重油、天然气等）。
同理，采用高风温又富氧的全焦冶炼的高炉，也是由于炉缸理论燃烧温度过高，煤气温度梯度过大，炉缸煤气分布更不稳定，高炉顺行更加困难。
因此更加需要采用喷吹燃料相配合，二者是相辅相成的。
如表2所示：
表2富氧的作用
富氧率,%
△t理/℃
喷煤量可提高/kg
产量提高/%
450m3高炉的产量提高
1
46
15~20
5~8
100～120（t）以上
9、喷煤有滞后性
高炉喷煤后，不可能马上让炉况变热。
由于冷态媒粉与热分解的吸热反应，燃烧区需要热补偿与恢复热平衡。
因此加煤后不可能马上起作用，形成热滞后的时间为3～4小时。
提高风温时，也表现出热滞后性，时间为0.5～1小时。
二、未燃煤粉的行为与作用
未燃好粉到底消耗在哪些方面？
利用率有多高？
提高煤比是考虑燃烧率合适、还是采用好粉利用率合适一些？
以下我们就煤粉在炉内的行为来分析煤粉的走向与利用情况。
如图l所示
从风口喷入的煤粉，大部分被燃烧成CO，这是毫无疑义的，而沒有能够燃烧的部分会参予以下反应：
（1），代替焦炭气化
（2），代替焦炭参加渗炭反应
（3），形成CH4
）
图1未燃煤粉在高炉内的消耗状况示意图
从上图可知，风口前煤粉不可能100％的燃烧，因此存在未燃煤粉是不可避免的，而未燃煤粉可以替代部分焦炭的作用。
因此，对高炉冶炼还是有利的，但未燃煤粉量也不可以过多，所以考虑煤粉利用率比燃烧率更全面一些。
提高煤比的方向与措施：
1）尽可能提高煤粉的燃烧率；
2）提高煤粉代替焦炭的气化率；
3）改善焦炭的强度与反应性；
4）改善料柱透气性与煤气分布；
5）改善炉渣的流动性；
6）高温区下移，降低软熔带的位置；
三、风口取样与未燃煤粉
根据宝钢高炉的研究结果，他们认为高炉煤粉燃烧率一般在65％左右，最高70％。
而日本人研究燃烧率大都以风口前沿的第一点为代表，认为风口前5~10cm的距离内，煤粉的燃烧率达到70%时，煤粉的燃烧情况比较理想。
这一点要经过高炉风口前沿取出的未燃煤粉试样才能确定。
风口前沿未燃煤粉的取样如图2所示：
图2风口前未燃煤粉取样示意图（p13图4.3）
图3风口前取样点分布图（p15图5.1）
在炉况正常生产条件下，由于煤比不同，风温不同，富氧不同。
因而各取样点的煤粉燃烧率也不同。
如图4所示：
曲线
煤比/kg
风温/℃
富氧/%
烟煤比/%
1
137
1080
1.5
0
2
137
1080
2.5
25
3
160
1080
2.5
25
4
100
1100
2.5
25
从风口取出的未燃煤粉，要经过检测化验分析，可以计算出该试样的燃烧率：
燃烧率计算公式：
（4）
式中A0---原煤中灰分含量，
A――未燃煤粉试样中的灰分含量，
η――煤粉燃烧率，
一般以风口前的第一点（本取样3点）为标准
1）该点η<70%，说明燃烧率偏低，不能提高煤比，要改善喷吹条件；
2）η70%，说明燃烧率高，可以加煤；
3）η＝70%，煤比较为合适，暂不必调节
4）通过风口采取未燃煤粉的试样，经过化验检测何可以找到不同风温、不同炉料结构，不同富氧，与不同煤比时的条件下，应该喷吹的合适煤比，而为工长日常操作提供有效的技术参考依据。
四、未烧煤粉微观结构
由于喷煤量、风温、氧量、煤粉粒度与燃烧速度等的不同，多种因素的影响在高炉风口前未燃煤粉或燃烧不完全的煤粉，随煤气流被带入除尘器与布袋中，或者沉积在洗涤水的瓦斯泥中，我们按有关要求取样，将炉尘进行必要的处理后，如去除渣铁、胶凝、制片、磨片抛光等必要的操作，然后置于偏反光显微镜下观察，为了更好的进行鉴别，有时还插入石膏试板，不同矿物结构呈现出五光十色，颜色非常新鲜，煤粉与焦粉颗粒显微结构一目了然，因而非常有利于直观分析。
在检测时对试样测试500个点后，将未燃粉与灰渣的各种组织结构进行分类，定量与统计，得到其中各种组织结构的百分比，特别是未燃煤粉结构物的百分比%与灰渣的百分比%，由此就可以比较清楚地相对地了解与计算煤粉燃烧率的高低，这对我们从另一角度衡量富氧喷煤的效果有着重要的参考价值，例如2006年12月下旬，国丰三、五高炉重力灰与布袋灰的检测结构列于表4
表4国丰三、五高炉炉尘灰检测结果（%）
炉名与品名
焦炭结构物
未燃煤粉
矿渣
片状结构
流动状
粒状
微度原煤
残炭
普通灰
铁质渣
半透明矿物
共计
三三高炉
重力灰
4.59
1.31
25.25
8.85
19.02
40.66
0.32
60.00
布袋灰
5.06
0.63
24.68
2.21
0.95
48.42
18.04
66.46
五五高炉
重力灰
3.54
0.32
39.68
8.95
2.90
19.68
32.53
0.32
52.53
布袋灰
1.62
0.32
0.32
5.51
74.83
9.74
84.57
从表4可知，三高炉重力灰中，残炭多，无微变原煤；
五高炉重力灰中，微变原煤高达8.95%，
1、煤粉燃烧过程：
根据我们试验与测试研究，煤粉风口前燃烧过程，大体可分五个阶段：
（1）干燥预热；
（2）挥发物分解挥发；（3）煤粉颗粒燃烧；（4）煤粉剧烈燃烧；（5）燃烧完毕，形成灰渣，见图5
2、煤粉燃烧过程主要产物的结构组成
风口前煤粉五个燃烧过程包含8种以上显微结构产物，按顺序，他们是：
（1）无破坏煤粉颗粒结构物，图6（照片-72）；
（2）小裂隙结构物，图7，（照片-81）；
（3）小气泡结构物，图8，（照片-55）；
（4）热侵蚀边结构物，图9，（照片-34）；
（5）大裂隙结构物，图10，（照片-70）；
（6）大气泡结构物，图11，（照片-89）；
（7）残存有机质结构物，图12，（照片46）；
（8）燃烧较为彻底的各种结构灰渣，图13，（照片-37）。
图6无破坏煤粉颗粒结构物
图7小裂隙结构物
图8小气泡结构物
图9热侵蚀边结构物
图10大裂隙结构物
图11大气泡结构物
图12残存有机质结构物
图13燃烧较为彻底的各种结构灰渣
3、显微结构物变化的描述
煤粉是复杂的固体炭氢燃料，除含水与矿物外，是由碳、氢、氧，氮与硫等元素组成，即镜质组，丝质组与壳质组组成了煤的可燃质，其主体是石墨晶格，在边沿上联结各种链状与环状的烃。
煤粉喷入风口后，被迅速加热，首先是蒸发，干燥与预热，它在显微镜下呈块状，边沿整齐，颗粒无破坏现象，因而不具备燃烧的显微组织结构，有的煤粉由于加热不足，只是表面颜色有所变化，我们称其为微变煤粉，如图14，（照片-5），有的煤粉在高温下其显微组织结构刚刚开始有所变化，称为热质原煤，如图15，（照片-84）。
随着煤粉温度急速升高，易断的链与环状烃挥发出来，其顺序是H20,C02,C2H6,C2H4,CH4,焦油、C0，H2等，挥发量随升温速度的加快而增大，由于加热极快，温度梯度很大，在热应力作用下，导致煤粉颗粒胀裂，形成裂隙结构，产生于边沿或内部如图16，（照片-88），当温度再进一步升高时挥发量更加增大，小裂隙向大裂隙发展如图17，（照片-66）。
此过程称为煤粉加热裂解脱气阶段，是煤粉颗粒真正燃烧前的序幕。
图14微变煤粉
图15热质原煤
图16薄壁，大气孔
图17小裂隙向大裂隙发展
当挥发物大部分被烧掉，氧气能够扩散到煤粉颗粒表面或内部时，才开始了真正的煤粉颗粒的燃烧过程。
颗粒边沿参差不齐呈港湾状，象征燃烧反应从边沿开始，称热侵蚀边结构如图18，（照片-70），它和裂隙结构或气泡结构共同存在，粒状相嵌结构如图19，（照片-18），同时还可能出现块状结构如图20，（照片-86）；带状相嵌结构如图21，（照片-83）；片状结构如图22，（照片-47），网状结构，流动状如图23，图23a，图23b，（照片-58），骨架状如图24（照片-67），鲕状结构如图25等不同形态的多种结构。
图18热侵蚀边结构
图19粒状相嵌结构
图20块状结构
图21带状相嵌结构
图22片状结构
图23网状结构
图23a流动状结构
图23b流动状结构
图24骨架状结构
图25鲕状结构
当挥发物基本上析出完毕，开始了多孔煤粉颗粒大量的燃烧，有的出现断裂，气孔、气泡与裂缝相互连通，气孔变大变多如图26（照片-89），这便是煤粉剧烈的燃烧阶段。
当煤粉颗粒中有机物燃烧完后形成灰渣，由于燃烧后剩余的有机质量不同，带少量有机质的残留物如图27，（照片-48），燃烧比较彻底的矿渣如图28（照片-49）。
上述变化充分体现出煤粉燃烧时显微组织结构变化规律。
图26小气孔变成大气泡
图27少量有机质的残留物
图28燃烧比较彻底的矿渣
以上各种结构百分含量（%）是从每个中检测500个测点之后，按不同结构物含量统计的，并将典型结构物照相，因而是能相对的体现煤粉的燃烧率与利用率高低，在相同喷吹冶炼条件下，对于500多个测点中含有原煤的点数越高，和未完全燃烧的块状等各种结构物的点数%越多，则煤粉的燃烧率与利用率就会比较低，反之则会高一些。
4、煤粉与焦粉的区别
与煤粉相比，焦炭的微观结构多孔，石墨化程度高，内孔发达壁薄，反光率也高，在油浸反光下呈黄色或白色，加石膏试板后呈红、黄、绿等颜色如图29和图30。
焦炭结构与煤粉结构共存也容易看出来如图31，大块焦炭上有一小块煤粉。
煤粉的燃烧过程是从无破坏煤粉颗粒开始-小裂隙-大裂缝-热侵蚀边-小气泡-大气泡-大裂缝与大气泡-残留有机质结构物-彻底燃烧成矿渣等分层次具有多种不同的结构。
但是由于焦炭是煤的干馏产物，此过程前面一大半结构变化在高炉中均不存在，因此识别比较容易，如图32，图33（照片-48），粉红色为煤粉，红白相间的彩色为焦粉，黄褐色为矿物质。
由以上可知，煤粉、焦粉与矿粉根据显微结构的特点，在显微镜下都清楚的区别开，故本研究结果是有意义的，对于生产高炉有较大的实际参考价值。
图29焦炭的微观结构
图30焦炭的微观结构
图31焦炭与煤粉结构共存（小块为煤粉）
图32煤粉，焦粉，矿粉混合物
图33煤粉，焦粉，矿粉混合物
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