第39卷第4期鋼鐵Vol. 39, No.42004年4月IRON AND STEELApril 2004高爐噴煤交叉式雙煤槍的研究*黃曉煜'吳鏗2劉興慧3陳春元4劉萬山3劉建翔2(1. 東北大學(xué)冶金與材料學(xué)院,沈陽110004;2.北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)學(xué)院,北京100083;3.鞍山鋼鐵股份公司技術(shù)中心,鞍山114021; 4.包頭鋼鐵股份公司技術(shù)中心，包頭014010)摘要由于交叉射流提供了良好的傳熱和傳質(zhì)條件,使交叉式雙煤槍在煤粉燃燒的模擬試驗(yàn)中得了比單槍高的燃燒率。在生產(chǎn)高爐進(jìn)行了交叉雙煤槍的工業(yè)試驗(yàn)。該種槍價格低.壽命較長,應(yīng)用該槍對生產(chǎn)設(shè)備的改動較小,易于實(shí)施。在輸送氣體壓力不變時,采用交叉雙煤槍可以大幅度地增加供煤量,且不會發(fā)生風(fēng)口磨損現(xiàn)象。關(guān)鍵詞高爐煉鐵交叉雙煤槍 煤粉噴吹中圖法分類號TF053文獻(xiàn)標(biāo)識碼ARESEARCH ON DOUBLE CROSS COAL LANCES FOR PCION BLAST FURNACEHUANG Xiaoyu', WU Keng”， LIU Xinghui', CHEN Chunyuan'，LIU Wanshan'，LIU Jianxiang2(1. School of Material and Metallurgy ,Northeastern University ,Shenyang 110004; 2. School of Metallurgyand Ecological Engineering University of Science and Technology Beijing ,Beiing 100083 ;3. Technic Center ofAnshan lron and Steel Group Co. ,Ltd. ,Anshan 114021 ;4. Technic Center of Baotou Iron andSteel Group Co. ,Ltd. ,Baotou 014010)ABSTRACT Because much better heat and mass transfer for combustion of pulverized coal couldbe achieved with cross jet, in the laboratory test, it was found that double cross coal lances couldobtain the higher combustion rate than any other types of single lance. The industry test for thedouble cross coal lances was carried out . It was found that such lances have long working lifebesides low cost and small modification needed for blast furnace. Therefore it is very promisingfor using this technology. With double cross coal lances the injection rate of pulverized coal couldbe increased significantly under the same pressure of transporting gas and the tuyere would not beworn out.KEY WORDS BF iron-making ,double cross coal lances, PIC .1前言步開發(fā)了交叉式雙煤槍。鞍鋼于“八五”期間,在6號高爐上對國內(nèi)一些兩個軸線成-定角度的射流構(gòu)成的流動為交叉單位研制的氧煤槍進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn),取得了一些結(jié)射流。當(dāng)交射流相遇時，由于各自慣性力的作用,產(chǎn)果,同軸氧煤槍采用旋流形式對強(qiáng)化燃燒起到了一生相互碰撞和混合,而發(fā)生射流變形,首先被壓扁、定的作用。同時,試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn),氧煤分噴的交叉式展寬，然后又逐漸形成一個圓形射流[2]。交叉射流相雙槍使用效果非常好甲。這種氧煤交叉雙槍通過調(diào)遇前后的狀態(tài)可分為三個區(qū)域,即開始區(qū)、過渡區(qū)和節(jié)適當(dāng)?shù)膴A角和氧量,幾乎可以完全消除噴煤時風(fēng)主中國煤化工:叉射流外部邊緣相遇以口前出現(xiàn)的黑根現(xiàn)象。這表明由于交叉射流的作用,前YHCNMH形狀及方向。這-段的長為風(fēng)口前的煤粉提供了良好的熱量和質(zhì)量傳遞條度取決于兩噴管間的距離和各射流的張角及兩個射件,提高了煤粉的燃燒率。在此結(jié)果的啟發(fā)下,進(jìn)一流交角(a)的大小。過渡區(qū)是指射流外邊緣開始接觸到射流不再受到變形作用力之間的區(qū)域。在此區(qū)域*國家鋼鐵聯(lián)合基金資助項(xiàng)目(50174006)內(nèi),射流受到相互沖擊力作用而使射流截面發(fā)生變收到修改稿日期:2003-06-13聯(lián)系人:吳鏗,教授， wukeng@ metall. ustb. edu. cn形,射流在垂直方向上壓扁,水平方向上展寬,外邊鋼鐵第39卷界呈曲線形。兩射流的交角(a)愈大,射流的壓扁變形愈大。過渡區(qū)之后為主要發(fā)展區(qū),此時射流已匯合17、一成單一射流,不再受到變形的作用力。為在增加高爐噴煤比的同時保持較高的燃燒率和在輸粉氣體壓力不變的條件下增加供煤量,在試驗(yàn)室進(jìn)行了交叉雙煤槍和單槍煤粉燃燒率的試驗(yàn)。H6另外,在鞍鋼煉鐵廠3 號高爐測定了兩種噴槍在風(fēng)-1312口火焰區(qū)的溫度分布。確定了交叉雙煤槍的技術(shù)參數(shù),并掌握了這一新技術(shù)。02交叉雙煤槍的試驗(yàn)2.1不同噴槍的煤粉燃燒率煤粉燃燒率的模擬試驗(yàn)是在立式煤粉燃燒爐上進(jìn)行的，爐體及輔助設(shè)備如圖1所示?？諝饨?jīng)高溫爐預(yù)熱,可達(dá)900~1000 C ,燃燒管內(nèi)徑為50 mm,爐圖1交叉雙煤槍煤粉燃燒試驗(yàn)裝置示意圖溫可達(dá)1250~1300 C。煤粉在爐管運(yùn)動的垂直距Fig.1 Schematic of experimental apparatus for離在1000 mm以上。設(shè)有雙槍的插位,設(shè)定了8個combustion of pulverized coal injected with插槍的位置,間隔26 mm。噴槍位置垂直移動的最double cross coal lances大距離為208mm。煤粉垂直運(yùn)動的距離按噴槍出1-熱風(fēng)測溫位置;2-給煤器;3- 熱風(fēng)爐;4- 進(jìn)風(fēng)口;5- 流量計(jì);口至中部測溫點(diǎn)的位置計(jì)算,距離為220~ 4026-氧氣瓶;7-空壓機(jī);8- 調(diào)節(jié)閥;9- 控制微機(jī);10- 控制柜;11-mm。單槍試驗(yàn)時只插入一支槍,雙槍試驗(yàn)時,固定三組電熱絲;12-爐膛測溫;13- 燃燒爐體;14- 噴水裝置;15- 煤粉收集器;16-燃燒爐膛內(nèi)測溫;17-交叉雙槍-支槍位置(距測溫點(diǎn)最遠(yuǎn)的位置),變動另外-支槍位置,兩支煤槍均需通入煤粉時,由三通管進(jìn)行煤溫900~950 C,噴煤比180 kg/t,煙煤和無煙煤配粉分配，進(jìn)行雙槍試驗(yàn)[3]。比為1 : 1,混合后煤粉的揮發(fā)分為23 %~26 %,小圖2給出了交叉式雙煤槍和普通槍在不同位置于0.074 mm的粒度占70 %~75 %。時煤粉的燃燒率。試驗(yàn)條件為:富氧率1.5%,風(fēng)圖2(a)中得到線性回歸方程的相關(guān)系數(shù)均大(a)60|(b■雙煤槍▲氧煤槍40ss▼單煤槍50■,雙煤槍45。s單煤槍4(200250300350400120180200噴槍出口距i最高溫度點(diǎn)的距離/mm噴煤比/kg. (圖2不同噴槍位置和形式對煤粉燃燒率的影響Fig.2 Influence of lance location and different中國煤化工stion rate(a)噴槍位置;(b)YHCNMHG于0.8。表1給出了由回歸方程計(jì)算出兩種噴槍在槍是可以移動的。對于交叉雙煤槍而言,距最高測溫不同位置煤粉燃燒率的差值。對于單槍而言，距最高點(diǎn)的位置增加,表明兩支槍的水平距離變小。測溫點(diǎn)的位置增加表明煤粉噴吹后垂直運(yùn)動距離增試驗(yàn)還比較了交叉雙煤槍,同軸氧煤槍和普通大。在交叉雙槍中有一支槍是固定在最遠(yuǎn)點(diǎn),另一支單煤槍在不同的煤比條件下對煤粉燃燒率的影響,第4期黃曉煜等:高爐噴煤交叉式雙煤槍的研究●7●表1兩種噴槍在不同位置的煤粉燃燒率的差值Table 1 Pulverized coal combustion rate for two type lances項(xiàng)目數(shù)據(jù)噴槍出口距最高測溫點(diǎn)的位置/mm220246272298324350376402單、雙槍的燃燒率差異/%8. 297.677.05.6.435.815.194.573. 95結(jié)果如圖2(b)所示。單槍和交叉雙煤槍出口距最高煤粉在風(fēng)口前火焰的測量受到回旋區(qū)高溫背景測溫點(diǎn)的位置都為402mm,風(fēng)溫為950~980C，和煤粉空間分布的影響,拍攝的熱像圖不是單--的其余條件與前相同。煤粉火焰溫度分布,它是包含著回旋區(qū)熾熱焦炭的2.2不同形 式噴槍的風(fēng)口火焰區(qū)溫度場輻射、煤粉粉塵的遮擋及煤粉火焰輻射的一個綜合交叉雙煤槍的工業(yè)試驗(yàn)是在鞍鋼3號高爐上進(jìn)效應(yīng)。其中包括正在燃燒的煤粉和燃燒產(chǎn)物,稱之為行的，高爐容積839 m', 煤比168 kg/t,風(fēng)溫火焰區(qū)。圖4為風(fēng)口火焰區(qū)的紅外熱像圖,根據(jù)實(shí)驗(yàn)1000 C,富氧1.5 %。在保持生產(chǎn)和噴煤設(shè)備的條室的模擬試驗(yàn)和現(xiàn)場的預(yù)備試驗(yàn)，認(rèn)為在1000~件下，選高爐相對的2個風(fēng)口安裝了交叉式雙煤槍,1100 C風(fēng)溫條件下,熱像圖中1100~1350 C的溫使單風(fēng)口的噴煤量較單槍提高了近一倍。采用風(fēng)口度區(qū)域主要由煤粉火焰形成?；鹧娴慕Y(jié)構(gòu)與其燃燒和風(fēng)管組合測溫槍測定沿風(fēng)管軸向的溫度布和紅外狀態(tài)有關(guān),其結(jié)構(gòu)變化表明燃燒效果的區(qū)別。成像儀連續(xù)攝錄各個時刻風(fēng)口火焰區(qū)的溫度分布[4。風(fēng)口和風(fēng)管內(nèi)組合電偶測溫槍是將多支鎳鉻鎳硅電偶按需要測溫的位置預(yù)組裝到-根耐高溫的無縫不銹鋼管上,達(dá)到一次所需測點(diǎn)溫度的目的。槍尾設(shè)有密封定位卡。采用快速轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行多點(diǎn)切換，快速儀表連續(xù)記錄,時間間隔可控制在0.5s以下。圖4風(fēng)口火焰區(qū) 的紅外像圖高爐風(fēng)口紅外成像的設(shè)備是JRD近紅外高溫Fig.4 Infrared ray image of coal combustion area熱電視系統(tǒng),通過風(fēng)口視孔進(jìn)行成像測試，采用in front of tuyereCCD傳感器,波長范圍為0.8~1.2 μm,測溫范圍(a)單槍; (b)交叉雙煤槍為600~2200 C。由風(fēng)口視孔測得的熱原像,記錄儀以25幀/s的速度連續(xù)記錄。將視場每一點(diǎn)(共3試驗(yàn)結(jié)果的分析和討論200點(diǎn)X256點(diǎn))的溫度讀出。然后,通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行從圖2(a)和表1的結(jié)果可見，在相同條件下交.圖像處理，如圖像濾波、增強(qiáng)、等溫區(qū)分析、區(qū)域分析叉雙煤槍的燃燒率比單煤槍都高。隨噴槍出口距最高測溫點(diǎn)的位置增加,即煤粉運(yùn)動距離的增加,燃燒和給出直方圖等。圖3為采用組合測溫槍測定的單、雙槍在富氧率呈上升趨勢。在單槍試驗(yàn)中，距最高測溫點(diǎn)位置增為1.5 %時,風(fēng)管和風(fēng)口內(nèi)軸向的溫度分布。加，表明煤粉噴出后垂直運(yùn)動距離的增加，提高了煤粉的預(yù)熱效果和停留時間,所以燃燒率隨著距離增1 1001050-◆雙槍加而升高。在交叉雙煤槍試驗(yàn)中,距最高測溫點(diǎn)位置▲單槍增加,表明兩支煤槍的水平距離變小,增加了交叉射。1000包950流的混合效果,從而改善了煤粉燃燒的混合和預(yù)熱900中國煤化工850CHCNMH c著煤比的增加都有所下9008007016005004003002001000降,燃燒率越局時情沉卜降幅度越大。這與實(shí)際情況距風(fēng)口前瑞距離/mm完全吻合。在相同煤比條件下,交叉雙煤槍的效果要比同軸氧煤槍和普通單槍好得多。這是由于交叉射圖3高爐噴煤時風(fēng)管軸向的溫度變化流提供了很好的混合和預(yù)熱條件。同軸氧煤槍采用Fig.3 Temperature along the axis of blast pipe of PCI了集中富氧,效果比普通單槍略好些。氧氣與煤粉從鋼鐵第39卷一個槍口噴出,可以提高煤粉在出口處局部區(qū)域的產(chǎn)要求不能改變噴煤的基本條件,沒有得到更多的氧濃度,達(dá)到較好的混合程度,但由于氧氣在噴槍出有關(guān)交叉雙煤槍的信息,但交叉雙煤槍的優(yōu)點(diǎn)還是口的溫度較低,而煤粉被噴出后,首先被加熱,進(jìn)行很明顯的。采用交叉雙煤槍,煤粉可由兩支槍分別噴干燥、分解,然后才進(jìn)行燃燒。而煤粉和氧氣同時噴入,一方面,交叉射流提供了較好的煤粉燃燒的傳熱出,有利于傳質(zhì)過程,而對傳熱過程不利。在交叉式和傳質(zhì)過程;另一方面,減輕了高噴煤比時單支槍的噴槍中,交叉射流不但提供了很好的傳質(zhì)條件,在射供煤負(fù)荷。這可以在輸煤氣體壓力較低的情況下,進(jìn)流的開始區(qū)得到了較好的預(yù)熱,在過渡區(qū)可以進(jìn)行-步提高供煤能力。國內(nèi)的現(xiàn)代化大型高爐輸送煤充分的混合，提供了很好的傳熱和傳質(zhì)條件。所以交粉的氣體壓力都在10 kg/cm2左右,在采用彎槍后，叉式雙煤槍較單槍的燃燒率平均提高了5 %~可以滿足高噴煤比的要求[5]。而國內(nèi)老廠在初期設(shè)10 %左右。計(jì)的噴煤量都不高,輸送煤粉的氣體壓力都較低,如采用交叉雙煤槍后,風(fēng)口的噴煤量增加了近1鞍鋼的輸煤氣體壓力不到6 kg/cm2的水平。隨著噴倍,即由原來近1. 1 t/h,增加到2 t/h左右。煤粉從煤量的增加,提高供煤量的問題日益突出。采用交叉煤槍噴出后,煤粉裂解和揮發(fā)吸收熱量,交叉雙煤槍氧煤雙槍后,在保證足量氣體前提下,無需增加壓力的載氣量也增加，使得沿風(fēng)管軸向的溫度較單槍要就可以進(jìn)一步提高供煤量。低,從圖3所示沿軸向溫度分布可知，平均溫度下降交叉雙煤槍在工業(yè)上實(shí)施難度不大,只需要對不到30C。在距風(fēng)口前端300mm左右,由于受高現(xiàn)有的相關(guān)設(shè)備進(jìn)行少量改動即可,對生產(chǎn)的影響溫回旋區(qū)的熱輻射作用,溫度急劇上升,但交叉雙煤和資金的投入都不大。通過在生產(chǎn)高爐中交叉雙煤槍的溫升梯度比單槍的要小些。槍的使用,發(fā)現(xiàn)這種槍的壽命和普通單槍相同,且比由風(fēng)口前火焰區(qū)的紅外熱像圖4可見,采用交同軸氧煤槍的價格低很多。另外，由于煤粉可由兩支叉雙煤槍后,煤粉明顯分成兩個燃燒區(qū)。其中- -個區(qū)槍分別噴入,在不采用彎槍和在高供煤的條件下,不.域溫度要明顯高于另外一個,這是由于交叉槍在軸會發(fā)生風(fēng)口磨損的現(xiàn)象。向有-定的距離所致。交叉雙煤槍比單槍的火焰層4結(jié)論次多,溫度變化梯度緩慢,溫度較均勻。交叉射流使(1)交叉雙煤槍使噴吹的煤粉在熱風(fēng)中預(yù)熱后得煤粉流股易于混合和擴(kuò)散,煤粉濃度變得相對均混合,為燃燒提供了良好的動力學(xué)條件。在相同的條勻,改善了煤流股與高溫?zé)犸L(fēng)的傳熱和傳質(zhì)過程。交件下,可以得到比單槍較高的燃燒率。叉雙煤槍比單槍平均溫度要低78.9C,最高溫度要(2)采用交叉雙煤槍可使在輸送氣體壓力不變低46.3 C,而最低溫度相同。其原因是交叉雙煤槍時,使單風(fēng)口的噴煤量增加近1倍,為提高噴煤量創(chuàng)噴煤量大近一倍,煤粉吸熱增加。另外，較大的煤量造條件。風(fēng)口火焰區(qū)的溫度雖略有下降,但不影響高對回旋區(qū)高溫輻射遮擋也有一定的影響。爐燃料比和焦比。采用交叉雙煤槍使單風(fēng)口的噴煤量增加近1倍(3)交叉雙煤槍易于在生產(chǎn)中實(shí)施,對生產(chǎn)的后,沿風(fēng)管軸向和風(fēng)口火焰區(qū)的溫度雖略有下降,但影響和資金的投入都不大。交叉雙煤槍的價格低,而下降量不多。在近幾個月的工業(yè)試驗(yàn)中,高爐燃料比壽命較長。在高噴煤比條件下供煤,不會發(fā)生風(fēng)口磨和焦比都沒有發(fā)生變化。雖然因噴煤設(shè)備限制和生損的現(xiàn)象。參考文南1 WU Keng，WEI Xin, ZHANG Xiangguo, et al..The Fundamamental Research on the Cross Double Lance forPCI at Blast Furnace. Journal of University of Technology Beiing,2004,25(1):11~15.(吳鏗,魏 新,張向 .國,等，高爐噴吹交叉式雙槍的基礎(chǔ)研究.北京科技大學(xué)學(xué)握00841 °T1中國煤化工,徐道模.燃燒學(xué).北XU Jinyuan,XU Daomo. Combustion. Beijing : Mechanical京:機(jī)械工業(yè)出版社,1990. )TYHCNMHG劉興慧，高爐噴吹煤粉技術(shù)研究:[博士學(xué)位論文].北京:北京科技大學(xué),2001. .陳春元.提高包鋼高爐噴煤量的基礎(chǔ)試驗(yàn)研究:[博士學(xué)位論文].北京:北京科技大學(xué),2001.GUO Kezhong ,LI Zhaoyi. Development of High PCI at BF in Baosteel. IRON AND STEEL,1999,34(Supply ):146~149. (郭可中,李肇毅.寶鋼高爐高煤比的新進(jìn)展,鋼鐵,1999,34(增刊):146~149. )