CN113388707A - 一种熔融还原炉煤粉喷吹方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种熔融还原炉煤粉喷吹方法及装置，所述方法包括利用混合喷枪往熔池内进行喷吹混合料进行渗碳、利用煤粉喷枪喷吹粗颗粒半焦剂降低泡沫渣的产生、利用焖炉喷枪在二次燃烧区喷吹粉煤进行燃烧放热、利用煤气室喷枪在煤气室区域喷吹煤粉进行燃烧和碳中和，形成了系统地、立体地煤粉喷吹工艺。
Description
技术领域
本发明涉及非高炉熔融炼铁领域，具体涉及一种熔融还原炉煤粉喷吹方法及装置。
背景技术
高炉喷煤是改变高炉能源结构的关键技术，是一项有效的节能措施。高炉喷煤主要由原煤贮运、煤粉制备、煤粉输送、煤粉喷吹、干燥气体制备和供气动力系统组成。高炉喷吹煤粉是从高炉风口向炉内直接喷吹磨细了的煤粉，以煤代焦，可以缓解焦煤的资源短缺，可以提供热量和作为还原剂，从而降低焦比、降低生铁成本，可以减少新建焦炉和焦炭生产量，从而降低炼焦生产对环境的污染，高炉喷煤比例不断上升，近几年成为钢铁行业节能减排的重要手段。高炉喷煤具有良好的经济效益和社会效益，因此，要求新建或改造的高炉必须设置喷煤设施是必然的结果。高炉喷煤技术已在我国得到普遍应用，越来越多的高炉采用喷煤技术。但是，由于焦炭在高炉特殊的骨架作用，使得高炉喷吹煤粉不能完全代替焦炭的作用，只能是高炉降本增效的有益补充。
目前非高炉熔融还原炼铁技术中也采用煤粉喷吹技术，但是与高炉喷煤技术有本质区别。熔融还原炼铁直接采用煤粉喷吹相关的研究较少，而且仅局限于特定位置的喷吹，对炉内反应过程和机理研究也较少，还不能够有效指导生产的高效运行。在熔融还原炉上不同位置进行煤粉喷吹可以有不同的作用，探索、研究在熔融还原炉上煤粉喷吹对熔池反应、稳定生产、稳定煤气热值、提高煤粉利用效率、提高二次燃烧区温度等都有很大益处。因此，熔融还原炼铁如何有效开展煤粉喷吹、如何控制煤粉喷吹技术是目前急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种系统地、立体地熔融还原炉煤粉喷吹方法及装置。利用不同喷枪、在熔融还原炉不同位置、喷吹不同煤粉，从而达到最优的煤粉喷吹效果。
本发明采用的基本构思如下：
一种熔融还原炉煤粉喷吹方法，所述方法包括利用混合喷枪往熔池内进行喷吹混合料进行渗碳、利用煤粉喷枪喷吹粗颗粒半焦剂降低泡沫渣的产生、利用焖炉喷枪在二次燃烧区喷吹粉煤进行燃烧放热、利用煤气室喷枪在煤气室区域喷吹煤粉进行燃烧和碳中和，形成了系统地、立体地煤粉喷吹工艺。
进一步地，所述混合喷枪采用煤粉、生石灰粉和铁矿粉、白云石粉混合直接喷吹的方式，用氮气作为输送气将混合料通过气力输送的方式喷入熔融还原炉内，混合喷枪直接浸在渣层中直接喷吹混合料到铁液中，进行煤的裂解、煤粉渗碳、铁矿粉的熔解、铁矿粉的还原、造渣。
进一步地，煤粉为无烟煤，或者烟煤按照一定比例与无烟煤配比成为混合煤，单枪喷吹通量：0-90t/h铁矿粉，煤粉喷吹量为0-40t/h，喷吹煤粉粒度＜3mm，含水率＜2％，灰分≤5％。混合喷枪内径为175mm，与炉体夹角为45°，共两根混合喷枪在炉体上对称分布。
进一步地，铁矿粉温度在0～800℃，煤粉温度为0～100℃。
进一步地，所述煤粉喷枪直接浸在渣层中直接喷吹煤粉到铁液中，进行煤粉渗碳、铁水补碳、作为半焦剂降低泡沫渣。
进一步地，煤粉喷枪单枪喷吹通量：煤粉喷吹量为0-20t/h，煤粉温度为0～100℃，煤是无烟煤、兰炭、焦粉，或者选用旋风除尘和布袋除尘收集得到的半焦，所述半焦含有TFe：9-13％，CaO：2-4％，SiO2：4-7％，Al2O3：3-6％，MgO：0.8-1.4％，TiO2：0.1-0.5％，P：0.01-0.12％，S：0.6-1.0％，Mn：0.1-0.15％，FeO：7-10％，Na2O：0.3-0.7％，K2O：0.5-0.8％，ZnO：0.08-0.12％；所述半焦的固定碳含量为60-70％，灰分为28-33％，平均粒径为50-60um，烘干后半焦水分＜2％；煤粉喷枪内径为75mm，与炉体夹角为50°，共两根煤粉喷枪与混合喷枪在同一水平面、在炉体上对称分布。
进一步地，所述焖炉喷枪采用煤粉进行喷吹，焖炉喷枪在渣层上部二次燃烧区中，进行煤粉的燃烧、提高炉内温度；所述焖炉喷枪的煤粉，为了使煤粉充分燃烧，需采用粉煤喷吹，喷吹煤粉粒度≤200目，喷入的煤粉可以立即燃烧，喷吹载气为氮气、富氢气体或氧气、压缩空气，可以进行燃烧或补充氧气。
进一步地，焖炉喷枪内径为30mm，与炉体夹角为60°，共两根焖炉喷枪，在混合喷枪附近、在炉体上对称分布，焖炉喷枪总长度较短，枪头位于二次燃烧区；单枪喷吹通量：煤粉喷吹量为0-20t/h，煤粉温度为0～100℃，煤的选用可以是无烟煤，最好是烟煤，烟煤的挥发分≥30％。
进一步地，粒煤制备采用破碎机进行烘干及粒度控制；粉煤制备采用中速磨煤机进行烘干及粒度控制。
进一步地，所述煤气室喷枪位于汽化冷却烟道进口的另一侧，只设置一根煤气室喷枪，喷枪与煤气室外壁夹角呈60°～120°，单枪喷吹通量：煤粉喷吹量为0-20t/h，所用的原煤为烟煤，原煤哈氏可磨系数≥40，煤粉的粒度：80％的煤粉≤200目，干煤粉水分≤2％，烟煤的挥发分Vdaf在20％～40％。
进一步地，进行喷煤操作的有效控制，通过改变不同喷枪处的喷煤量，达到精确控制炉内各部分反应的作用。在保持炉内正常煤粉渗碳的情况下，降低混合喷枪煤粉喷吹量；增加煤粉喷枪喷吹量，来抑制泡沫渣的产生；通过焖炉喷枪喷煤量的调整来改变燃烧区的温度。
进一步地，提供实现上述方法的装置。
和现有技术相比，本发明具有如下优点：
一种熔融还原炉全方位煤粉喷吹方法及装置，为了实现煤粉充分的渗碳和还原反应，实现高效的涌泉换热，混合喷枪和煤粉喷枪浸在渣层中往熔池内喷吹粒煤、半焦，这样可以有一定的冲击深度。为了降低生产成本和工艺顺行，混合喷枪采用喷吹渗碳效果好的混合煤粉的方式进行、煤粉喷枪采用喷吹粗颗粒半焦的方式进行。在二次燃烧区通过焖炉喷枪往MPR炉内喷吹燃烧性好的粉状烟煤，可以进行充分的燃烧放热。在煤气室通过煤气室喷枪往汽化冷却烟道进口处喷吹粉状烟煤，在高温下可以使煤气中CO2被还原成CO，使得煤气热值升高。通过不同喷枪、不同位置、不同角度喷吹不同煤种和不同喷煤量，来精确控制炉内各部分的反应，可以达到生产的稳定顺行。
应当理解，发明内容部分中所描述的内容并非旨在限定本公开的实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。
附图说明
结合附图并参考以下详细说明，本公开各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。在附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素，其中：
图1是本发明的一种熔融还原炉全方位煤粉喷吹方法装置示意图。
图2是本发明的一种熔融还原炉全方位煤粉喷吹方法工艺流程图。
1-混合喷枪；2-焖炉喷枪；3-煤粉喷枪；4-煤气室喷枪；5-热风喷枪；6-煤气室；7-烟道喷枪；8-汽化冷却烟道；9-MPR炉；10-二次燃烧区；11-渣层；12-铁水层。
具体实施方式
为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的全部其他实施例，都属于本公开保护的范围。
一种熔融还原炉全方位煤粉喷吹方法，所述煤粉喷吹包括利用混合喷枪往熔池内进行喷吹粒煤进行渗碳、利用煤粉喷枪喷吹粗颗粒半焦剂降低泡沫渣的产生、利用焖炉喷枪在二次燃烧区喷吹粉煤进行燃烧放热、利用煤气室喷枪在煤气室区域喷吹煤粉进行燃烧和碳中和，形成了系统地、立体地煤粉喷吹工艺。煤粉喷吹位置的不同，作用和机理也不同。
进一步地，所述混合喷枪喷煤，混合喷枪采用煤粉、生石灰粉和铁矿粉、白云石粉混合直接喷吹的方式，用氮气作为输送气将混合料通过气力输送的方式喷入熔融还原炉内，混合喷枪直接浸在渣层中直接喷吹混合料到铁液中，进行煤的裂解、煤粉渗碳、铁矿粉的熔解、铁矿粉的还原、造渣。煤的选用可以是无烟煤，也可以是烟煤按照一定比例与无烟煤配比成为混合煤，选择具有良好渗碳效果的煤种。单枪喷吹通量：0-90t/h矿粉(热矿温度在0～800℃)，煤粉喷吹量为0-40t/h(煤粉温度为0～100℃)。混合喷枪内径为175mm，与炉体夹角为45°，共两根混合喷枪在炉体上对称分布。在给定的压力下保证固体能够有效的喷吹进铁水中并且有一定深度，保证原料有足够的时间融化溶解，实现煤粉充分的渗碳和还原反应，实现高效的涌泉换热。具体的反应方程式为：
煤裂解→H2+CO+N2+C焦； C焦→[C]铁；
Fe2O3+3[C]I铁＝2[Fe]铁+3CO-Q(吸)；Fe3O4+4[C]铁＝3Fe+4CO-Q(吸)；
FeO+[C]铁＝[Fe]铁+CO-Q(吸)。
进一步地，所述煤粉喷枪喷煤，煤粉喷枪与混合喷枪的主要区别是只用煤粉进行单独喷吹，煤粉喷枪也是直接浸在渣层中直接喷吹煤粉到铁液中，进行煤粉渗碳、铁水补碳、作为半焦剂降低泡沫渣。单枪喷吹通量：煤粉喷吹量为0-20t/h(煤粉温度为0～100℃)，煤的选用可以是无烟煤、兰炭、焦粉，也可以选用旋风除尘和布袋除尘收集得到的半焦。所述半焦含有TFe：9-13％，CaO：2-4％，SiO2：4-7％，Al2O3：3-6％，MgO：0.8-1.4％，TiO2：0.1-0.5％，P：0.01-0.12％，S：0.6-1.0％，Mn：0.1-0.15％，FeO：7-10％，Na2O：0.3-0.7％，K2O：0.5-0.8％，ZnO：0.08-0.12％；所述半焦的固定碳含量为60-70％，灰分为28-33％，平均粒径为50-60um，烘干后半焦水分＜2％。煤粉喷枪内径为75mm，与炉体夹角为50°，共两根煤粉喷枪与混合喷枪在同一水平面、在炉体上对称分布。
进一步地，所述混合喷枪和煤粉喷枪喷吹的煤粉，为了使煤粉达到一定的喷吹深度，需采用粒煤喷吹，这有别于高炉煤粉喷吹，高炉用煤越细越好，喷入高炉煤粉可以立即燃烧，这也决定了煤粉制煤系统的不同。粒煤制煤系统是通过破碎机将原煤进行破碎、烘干，然后通过旋风除尘和布袋除尘进行煤粉收集得到的干煤粉。原煤粒度在2mm～8mm之间，小于2mm的比例不超过10％，原煤水分≤10％。为了降低原料成本采用烟煤和无烟煤混合的混合煤，应选用低硫、低灰分、可磨性能好的煤，混合煤中烟煤占比为20％～60％。所得干煤粉的粒度：90％的煤粉≤3mm，80％的煤粉≤2mm，50％的煤粉≤0.5mm，干煤粉水分≤2％，尽量控制在1.5％以下，以减少煤粉在输送管道和喷吹管线的堵塞。
进一步地，所述焖炉喷枪喷煤，焖炉喷枪采用煤粉进行喷吹，焖炉喷枪在渣层上部二次燃烧区中，进行煤粉的燃烧、提高炉内温度。具体的反应方程式为：2C(s)+O2(g)＝＝2CO(g)+Q(放)。
进一步地，所述焖炉喷枪的煤粉，为了使煤粉充分燃烧，需采用粉煤喷吹，喷入的煤粉可以立即燃烧。喷吹载气为氮气、富氢气体或氧气、压缩空气等，可以进行燃烧或补充氧气。粉煤制煤与粒煤制煤的工艺不同，粉煤制煤系统是通过立式中速磨煤机将原煤进行破碎、烘干，所用的原煤为烟煤，水分≤12％。所得干煤粉的粒度：80％的煤粉≤200目，干煤粉水分≤2％。煤粉越细，其比表面积越大，燃烧越迅速。煤粉应符合燃烧性能良好，着火温度低，反应性强和发热值高的要求。焖炉喷枪内径为30mm，与炉体夹角为60°，共两根焖炉喷枪，在混合喷枪附近、在炉体上对称分布，焖炉喷枪总长度较短，枪头位于二次燃烧区。单枪喷吹通量：煤粉喷吹量为0-20t/h(煤粉温度为0～100℃)，煤的选用可以是无烟煤，最好是烟煤。
进一步地，所述通过控制焖炉喷枪喷吹的煤粉量来控制二次燃料率。二次燃烧率为离开金属熔体的CO和H2在渣层内和渣层以上的空间再次被燃烧的比率，即：
必须有效控制二次燃烧率，当二次燃烧率高时，其能量必须有效地传递到熔池，且尽量减少煤气溢出带走的热量，这与熔池涌泉换热效果、渣层厚度、铁水温度等因素有关。一般二次燃烧率在50％～60％左右，保持燃烧区温度的稳定与恒定。
进一步地，所述煤气室喷枪喷煤，煤气室喷枪位于汽化冷却烟道进口的另一侧，只设置一根煤气室喷枪，喷枪与煤气室外壁夹角呈60°～120°。单枪喷吹通量：煤粉喷吹量为0-20t/h。所用的原煤为烟煤，由于烟煤比无烟煤中挥发分高，且价格便宜，可以采用挥发分较高的烟煤进行喷吹，可以产生大量碳氢化合物，可以增强气体还原能力且增加煤气热值。由于是粉煤喷吹，要求原煤哈氏可磨系数≥40，这样有利于煤粉磨细和设备的长寿命。所得干煤粉的粒度：80％的煤粉≤200目，干煤粉水分≤2％。烟煤的挥发分Vdaf在20％～40％，煤裂解产生H2、CO、N2，C焦，反应方程式为：煤裂解→H2+CO+N2+C焦。
实施例1
一种熔融还原炉全方位煤粉喷吹方法，所述方法利用如图1所示的冶炼炉和装置完成。所述方法包括分别通过在混合喷枪、煤粉喷枪、焖炉喷枪、煤气室喷枪进行喷吹还原剂。在MPR炉炉体上设置两根混合喷枪、两根煤粉喷枪、两根焖炉喷枪、在煤气室上设置一根煤气室喷枪。
1、混合喷枪喷吹
混合喷枪采用煤粉、生石灰粉和铁矿粉、白云石粉混合直接喷吹的方式，单枪喷吹通量：矿粉喷吹量为72t/h，热矿温度为400℃；煤粉喷吹量为20t/h，煤粉温度为95℃，喷吹气量为5000m3/h。喷吹煤粉为混合煤，烟煤占比为30％，无烟煤、烟煤具体工业分析为：
无烟煤的工业分析为：灰分为5.04％，挥发份为7.23％，固定碳为87.06％，硫分0.31％，哈氏可磨系数为46.61，低位热值为7401kcal/kg，粒度在2mm-8mm占比为67.12％，原煤水分为7.61％。
烟煤的工业分析为：灰分为6.25％，挥发份为39.56％，固定碳为48.26％，硫分0.39％，低位热值为5369kcal/kg，原煤水分为5.93％。
2、煤粉喷枪喷吹
煤粉喷枪只用煤粉进行单独喷吹，煤粉选用的是半焦，煤粉喷吹量为10t/h，煤粉温度为95℃，喷吹气量为1300m3/h，半焦的工业分析为：
表1 半焦化学成分(wt/％)
表2 半焦工业分析(％)
3、焖炉喷枪喷吹
焖炉喷枪只用煤粉进行单独喷吹，喷吹载气为压缩空气，含氧量为21％，喷吹气量为1000m3/h，煤粉选用的是烟煤，煤粉喷吹量为10t/h，煤粉温度为95℃，二次燃烧率为60％，烟煤的工业分析为：
灰分为2.91％，挥发份为33.26％，固定碳为51.76％，硫分1.35％，低位热值为5756kcal/kg，原煤水分为2.91％。
4、煤气室喷枪喷吹
煤气室喷枪只用煤粉进行单独喷吹，喷吹载气为焦炉煤气，喷吹气量为300m3/h，煤粉选用的是烟煤，煤粉喷吹量为10t/h，煤粉温度为95℃，烟煤的工业分析为：
灰分为4.55％，挥发份为34.23％，固定碳为54.38％，硫分1.07％，低位热值为6184kcal/kg，原煤水分为6.85％。
喷入的焦炉煤气成分为H2：60％，CH4：25％，CO：8％，CO2：2％，N2：5％。
在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种熔融还原炉煤粉喷吹方法，其特征在于，所述方法包括利用混合喷枪往熔池内进行喷吹混合料进行渗碳、利用煤粉喷枪喷吹粗颗粒半焦剂降低泡沫渣的产生、利用焖炉喷枪在二次燃烧区喷吹粉煤进行燃烧放热、利用煤气室喷枪在煤气室区域喷吹煤粉进行燃烧和碳中和，形成了系统地、立体地煤粉喷吹工艺。
2.如权利要求1所述的熔融还原炉煤粉喷吹方法，其特征在于，所述混合喷枪采用煤粉、生石灰粉和铁矿粉、白云石粉混合直接喷吹的方式，用氮气作为输送气将混合料通过气力输送的方式喷入熔融还原炉内，混合喷枪直接浸在渣层中直接喷吹混合料到铁液中，进行煤的裂解、煤粉渗碳、铁矿粉的熔解、铁矿粉的还原、造渣。
3.如权利要求2所述的熔融还原炉煤粉喷吹方法，其特征在于，煤粉为无烟煤，或者烟煤按照一定比例与无烟煤配比成为混合煤，单枪喷吹通量：0-90t/h铁矿粉，煤粉喷吹量为0-40t/h，混合喷枪内径为175mm，与炉体夹角为45°，共两根混合喷枪在炉体上对称分布。
4.如权利要求3所述的熔融还原炉煤粉喷吹方法，其特征在于，铁矿粉温度在0～800℃，煤粉温度为0～100℃，所述煤粉喷枪直接浸在渣层中直接喷吹煤粉到铁液中，进行煤粉渗碳、铁水补碳、作为半焦剂降低泡沫渣。
5.如权利要求4所述的熔融还原炉煤粉喷吹方法，其特征在于，煤粉喷枪单枪喷吹通量：煤粉喷吹量为0-20t/h，煤粉温度为0～100℃，煤是无烟煤、兰炭、焦粉，或者选用旋风除尘和布袋除尘收集得到的半焦，所述半焦含有TFe：9-13％，CaO：2-4％，SiO2：4-7％，Al2O3：3-6％，MgO：0.8-1.4％，TiO2：0.1-0.5％，P：0.01-0.12％，S：0.6-1.0％，Mn：0.1-0.15％，FeO：7-10％，Na2O：0.3-0.7％，K2O：0.5-0.8％，ZnO：0.08-0.12％；所述半焦的固定碳含量为60-70％，灰分为28-33％，平均粒径为50-60um，烘干后半焦水分＜2％；煤粉喷枪内径为75mm，与炉体夹角为50°，共两根煤粉喷枪与混合喷枪在同一水平面、在炉体上对称分布。
6.如权利要求5所述的熔融还原炉煤粉喷吹方法，其特征在于，所述焖炉喷枪采用煤粉进行喷吹，焖炉喷枪在渣层上部二次燃烧区中，进行煤粉的燃烧、提高炉内温度；所述焖炉喷枪的煤粉，为了使煤粉充分燃烧，需采用粉煤喷吹，喷入的煤粉可以立即燃烧，喷吹载气为氮气、富氢气体或氧气、压缩空气，可以进行燃烧或补充氧气。
7.如权利要求6所述的熔融还原炉煤粉喷吹方法，其特征在于，焖炉喷枪内径为30mm，与炉体夹角为60°，共两根焖炉喷枪，在混合喷枪附近、在炉体上对称分布，焖炉喷枪总长度较短，枪头位于二次燃烧区；单枪喷吹通量：煤粉喷吹量为0-20t/h，煤粉温度为0～100℃，煤的选用可以是无烟煤，最好是烟煤。
8.如权利要求7所述的熔融还原炉煤粉喷吹方法，其特征在于，所述煤气室喷枪位于汽化冷却烟道进口的另一侧，只设置一根煤气室喷枪，喷枪与煤气室外壁夹角呈60°～120°，单枪喷吹通量：煤粉喷吹量为0-20t/h，所用的原煤为烟煤，原煤哈氏可磨系数≥40，，煤粉的粒度：80％的煤粉≤200目，干煤粉水分≤2％，烟煤的挥发分Vdaf在20％～40％。
9.实现权利要求1-8所述方法的装置。
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