項目名稱: 貧煤、貧瘦煤高爐噴吹技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用

申報單位: 潞安礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司

主要完成人：劉仁生  任潤厚  劉應(yīng)書  金龍哲  孫文東  劉玉全  張志鈺   范世民  劉  準(zhǔn)   曹晨明  師文林  李文德   趙  兵  邱向平龐曉青

主要完成單位：山西潞安礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司

北京科技大學(xué)

武漢鋼鐵（集團(tuán)）公司

天津鐵廠

專業(yè)（學(xué)科）分類名稱代碼：選礦技術(shù)  4405010

煉鐵技術(shù)  4503410

專項化學(xué)用品制造技術(shù)  5306210

所屬國民經(jīng)濟(jì)行業(yè)：B類型

計劃（基金）名稱和編號：山西潞安礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司科技計劃，“潞安高爐噴吹用煤研究開發(fā)”，KJ-970010；

山西潞安礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司科技計劃，“高爐噴吹貧煤、貧瘦煤的安全行為研究及其應(yīng)用”，潞技2002-013號；

山西潞安礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司科技計劃，“高爐噴吹貧煤、貧瘦煤風(fēng)口燃燒數(shù)值模擬和燃燒促進(jìn)劑研究”，潞技2004-017號。

項目起止時間：1997年1月——2006年2月

項目簡介：本項目研究涉及礦山科學(xué)技術(shù)學(xué)科分類中選礦工程領(lǐng)域。

為了開發(fā)和優(yōu)化利用貧煤、貧瘦煤資源，對將其開發(fā)成為高爐噴吹用煤的系列關(guān)鍵技術(shù)開展科研攻關(guān)，取得了突破性創(chuàng)新成果：1）對全國多個礦區(qū)的貧煤、貧瘦煤的噴吹性能、燃燒特性、輸送特性進(jìn)行深入研究，填補(bǔ)了貧煤、貧瘦煤噴吹的技術(shù)數(shù)據(jù)空白；2）第一次對高爐噴吹貧煤、貧瘦煤安全行為進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，解決了高爐噴吹貧煤、貧瘦煤的安全瓶頸問題；3）首次開發(fā)成功了高爐噴吹貧煤、貧瘦煤風(fēng)口回旋區(qū)的燃燒數(shù)學(xué)模型。為指導(dǎo)冶煉行業(yè)各種高爐噴吹操作和工藝優(yōu)化提供了技術(shù)手段；4）研制成功了適用于貧煤、貧瘦煤的噴吹燃燒促進(jìn)劑；5）綜合集成上述研究成果，在武鋼、天鐵、鄂鋼等鋼鐵企業(yè)不同容量的高爐上進(jìn)行了長期的工業(yè)實驗與應(yīng)用，創(chuàng)造了成套的噴吹工藝技術(shù)。

項目系列研究結(jié)果通過了山西省及行業(yè)組織的科技成果鑒定3項；發(fā)表論文3篇；出版專著1本；先后榮獲山西省及煤炭行業(yè)科技進(jìn)步特等獎1項、一等獎3項；獲發(fā)明專利權(quán)1項；制定國家標(biāo)準(zhǔn)1項。

    該研究成果自2002年開始大面積工業(yè)推廣與應(yīng)用，取得了煤炭企業(yè)產(chǎn)品優(yōu)化、升值，冶煉行業(yè)噴吹優(yōu)質(zhì)高爐煤種增加的顯著效果。潞安集團(tuán)、襄垣煤礦、郭莊煤礦等煤炭企業(yè)已將低價位貧煤、貧瘦煤作為高價值重點產(chǎn)品。如潞安集團(tuán)從2002到2006年已銷售噴吹煤1279.45萬噸，多增利稅17.8億元。武鋼、鄂鋼、天鐵等冶金企業(yè)大量噴吹貧煤、貧瘦煤獲得直接經(jīng)濟(jì)效益50余億元。該成果的推廣應(yīng)用優(yōu)化利用了煤炭資源，改善了我國煤炭產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和煉鐵工業(yè)的原料結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了煤炭、冶金行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益；同時，該項目的實施可以大幅度減小煉焦帶來的環(huán)境污染問題，具有顯著的社會、環(huán)保效益。

   我國是煉鐵大國，年噴煤量持續(xù)快速增長，預(yù)計將達(dá)到每年6000萬噸。同時，我國有約1500億噸的貧煤、貧瘦煤儲量，將其開發(fā)成為噴吹用煤，資源豐富、市場巨大。因此，該成果具有非常廣闊的推廣應(yīng)用前景。

立項背景：  我國是世界第一鋼鐵大國，鋼產(chǎn)量已突破4.2億噸。由于焦煤資源稀缺，焦炭價格不斷攀升，嚴(yán)重制約了鋼鐵企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。研究高爐噴煤新技術(shù)、以煤代焦，努力提高噴煤量已成為冶煉行業(yè)節(jié)能降耗、減少污染的關(guān)鍵途徑。長期以來，國內(nèi)外研究高爐噴吹煤種主要以無煙煤和高揮發(fā)份的煙煤混噴為主。由于無煙煤價格高、制粉能耗高、噴吹燃燒性能差等原因，不能滿足現(xiàn)實的發(fā)展需要。而高揮發(fā)份（一般大于30%）煙煤爆炸性強(qiáng)，制粉與噴吹工序復(fù)雜，投資大，也不是理想的噴吹煤種。

    貧煤、貧瘦煤是介于高變質(zhì)程度煙煤和無煙煤之間的煤種，目前探明的可采儲量約為1468億噸，常用作動力煤，價格低廉。將之開發(fā)為高爐噴吹用煤，則可為冶金行業(yè)開拓新的噴吹煤種和煤源，降低煉鐵成本，同時使低價位的貧煤、貧瘦煤轉(zhuǎn)變?yōu)楦吒郊又档膰姶涤妹骸?/span>

    由于高爐噴煤對煤質(zhì)、安全行為等方面有著特殊要求，因此，該項目立項研究前，國內(nèi)外均未能實現(xiàn)高爐噴吹貧煤或貧瘦煤。同時，針對貧煤、貧瘦煤的噴吹性能、爐內(nèi)燃燒行為、輸送性能、噴吹安全行為以及安全保障措施等高爐噴吹必需的技術(shù)和系統(tǒng)參數(shù)的研究亦處于空白狀態(tài)。

    對于高爐而言，提高燃燒率和置換比（即噴吹煤粉代替的焦炭量）是實現(xiàn)噴煤經(jīng)濟(jì)效益的根本，但針對高爐噴吹貧煤、貧瘦煤在高爐回旋區(qū)內(nèi)燃燒的相關(guān)研究尚無報道，對其進(jìn)行定量研究成為高爐噴吹貧煤、貧瘦煤的重大難題。此外，添加煤粉燃燒促進(jìn)劑是提高煤粉燃燒率的有效而又重要的途徑，雖然有開展 針對無煙煤煤粉促燃劑研究的報道，但針對高爐噴吹貧煤、貧瘦煤的專用促進(jìn)劑的開發(fā)研究尚屬空白。

綜上，項目組提出了在系統(tǒng)研究貧煤、貧瘦煤的噴吹、燃燒性能及噴吹安全行為的基礎(chǔ)上，結(jié)合貧煤、貧瘦煤特性，將其開發(fā)成高爐噴吹用煤及其相關(guān)技術(shù)體系的研究課題，旨在開拓噴吹煤種和煤源，降低煉鐵成本，改善煤炭產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，減少使用稀缺的焦炭資源，保護(hù)環(huán)境，為實現(xiàn)我國可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

科學(xué)技術(shù)內(nèi)容 ：1）貧煤、貧瘦煤的理化性能和噴吹性能的研究

為了實現(xiàn)煤炭資源的合理利用和煤炭資源價值的最大化，選擇和擴(kuò)大高爐噴吹煤種，系統(tǒng)研究了潞安等礦區(qū)的貧煤、貧瘦煤理化性能和噴吹性能。

在潞安礦區(qū)內(nèi)，沿地理走向、傾斜方向以及不同深度，對五陽、漳村、石圪節(jié)和王莊分礦區(qū)中的煤質(zhì)變化及煤層質(zhì)量進(jìn)行了全面分析。結(jié)果表明：沿走向由北往南，結(jié)焦性由焦煤過渡到瘦煤、貧煤，揮發(fā)分變化不大，灰分則逐漸增高，硫分微量下降；沿傾斜方向，3＃煤層由淺而深，灰分為12.17％～15.50％，無顯著變化規(guī)律，揮發(fā)分和結(jié)焦性能逐漸緩慢地減??；隨深度的增加灰分增加，增加的幅度并不與深度成比例，揮發(fā)分和結(jié)焦性則隨著減小，發(fā)熱量則隨煤炭炭化程度的增加而增加，全硫則隨之增高。礦區(qū)商品煤為瘦煤和貧瘦煤，屬于中灰、低硫、高灰熔點，適用于作冶金焦炭的配焦煤，煤中揮發(fā)分和發(fā)熱量均較優(yōu)，是較好的造氣、化工、建材和發(fā)電等動力用煤。根據(jù)中國煤炭可選性評定標(biāo)準(zhǔn)，石圪節(jié)、五陽、漳村、王莊（含常村、屯留）煤屬易選煤和極易選煤，同時，原煤可選性由東北向西南方向逐漸變差。

對潞安的五陽、漳村、石圪節(jié)和王莊分礦區(qū)的20個煤樣的揮發(fā)分、灰分、硫分、發(fā)熱量、灰熔融性、熱穩(wěn)定性、可選性、磷含量、氯含量等近100項指標(biāo)進(jìn)行分析和測定。以確定潞安噴吹用煤的煤質(zhì)以及噴吹性能。

按照煤炭分類，漳村礦、石圪節(jié)礦、五陽礦為瘦煤；王莊礦為貧瘦煤；常村礦為貧煤。經(jīng)過測定評定貧煤、貧瘦煤為高熱值、高熱穩(wěn)定性、高煤灰熔融性、低揮發(fā)分、低灰分、特低硫、磷、氯的“三高二低三特低”的優(yōu)良噴吹煤種。

從煤質(zhì)分析報告可以得到以下分析結(jié)果：

①五陽、漳村、王莊、常村的煤固定碳含量在76.82%到79.32%之間，低位發(fā)熱量達(dá)到28.33～29.50MJ/kg。在一定范圍內(nèi)，固定碳越高，發(fā)熱值越大，對噴煤越有利，因此一般要求噴吹用煤的固定碳在70%～87%之間（研究表明，當(dāng)固定碳大于87%時，隨著固定碳增加，發(fā)熱值反而越低）。因此五陽、漳村、王莊、常村的煤是適合高爐噴吹用的。

 ②五陽、漳村、王莊、常村煤樣的揮發(fā)分在12.72%～15.01%之間，屬于低揮發(fā)分、弱爆炸性煤種。與無煙煤相比，這些煤種的燃燒性能好、噴吹燃燒率高，有利于提高置換比。在噴吹過程中，可以只在倉式泵、噴吹罐等高壓部分采用氮?dú)?，控?2%以內(nèi)的氧濃度。這樣可以大大簡化制粉、噴吹工藝，降低設(shè)備投資，具有極大的優(yōu)越性。

 ③高爐噴吹要求煤的灰分越低越好，因為灰分高，理論燃燒溫度和燃燒效率都將降低，并且對焦炭的置換比降低。一般來講，灰分增加1%，焦比增加為噴吹量的2%。五陽、漳村、王莊、常村煤樣的灰分為9.01%～9.62%，達(dá)到9級和10級冶煉用煉焦精煤的水平，是低灰分的噴吹用煤。煤中灰分的熔融性對噴吹有重要的影響，灰熔點太低，容易導(dǎo)致風(fēng)口或噴槍前結(jié)渣，況且低灰熔點灰分常常會阻礙氧氣進(jìn)入尚未燃盡的煤粉顆粒內(nèi)部，傳質(zhì)不暢，導(dǎo)致不完全燃燒。分析所用煤樣的變型溫度為1200～1340℃，軟化溫度大于1410～1450℃，半球溫度大于1420～1450℃，流動溫度大于1450℃，屬于灰熔點較高的灰分，對噴吹是有利的。

 ④硫在煤中是一種極為有害的物質(zhì)：硫燃燒后生成SO₂和SO₃能危害人體健康和造成大氣污染；在加熱爐中造成金屬的氧化和脫碳，在煉焦過程中硫化物侵蝕煉焦設(shè)備；焦炭中硫、噴吹煤粉中硫影響生鐵和鋼的質(zhì)量（鋼鐵中含硫大于0.07%，就會使之產(chǎn)生熱脆性而無法使用），進(jìn)入高爐的硫主要是來自焦炭和噴吹物。為了脫去鋼鐵中硫，就必須在高爐和煉鋼爐中多加石灰石，又會使成本升高，生產(chǎn)能力降低。所以必須控制焦?fàn)t洗精煤和噴吹煤粉的含硫量。一般要求硫含量<1.0%。五陽、漳村、王莊、常村煤樣全硫含量為0.30%～0.36%，屬于低硫煤種，對高爐冶煉、生鐵質(zhì)量都是有利的。

 ⑤高爐噴吹用煤對灰分成分的要求是SiO₂：40%～60%，Al₂O₃：15%～35%，F(xiàn)e₂O₃：5%～25%，CaO：1%～15%，MgO：0.5%～8%，Na₂O+K₂O：1%～4%。從煤樣灰分成分分析可知，五陽、漳村、王莊、常村的煤樣的灰分成分符合要求。

 ⑥可磨性是噴吹用煤的重要指標(biāo)之一，表示將煤磨成粉的難易程度，常用哈氏指數(shù)HGI表示。噴吹用煤的哈氏指數(shù)越大越好。如果哈氏指數(shù)過小，表明煤的硬度大，會給制粉帶來一定的困難，增加動力消耗。同時，煤粉硬度大還會加快噴煤設(shè)備（特別是噴槍）的磨損，縮短其使用壽命。常村煤和王莊煤的哈氏指數(shù)為86和89，漳村、五陽煤高達(dá)92、93，都是可磨性很好的煤種。這對于降低制粉電耗、增加磨煤機(jī)產(chǎn)量，增加噴煤量都是非常有利的。

2）貧煤和貧瘦煤的合理粒徑與輸送性能的理論分析和實驗研究

采用顯微組分分析研究了煤粉的形貌，以了解煤粉的流動和輸送性能及其改善方法。煤的成因及其化學(xué)結(jié)構(gòu)不同會導(dǎo)致煤粉的形貌不同，即使粒度分布相同的煤粉，其流動性能也不相同。成煤的整個過程是生物化學(xué)、物理化學(xué)、地球化學(xué)綜合作用的結(jié)果，十分復(fù)雜。煤的顯微組分可以分為有機(jī)顯微組分和無機(jī)顯微組分兩種，前者由植物的有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)變而成，后者即煤中的礦物質(zhì)。由高等植物轉(zhuǎn)變而成的腐植煤的有機(jī)顯微組分大體分四類，即凝膠化組分（鏡質(zhì)組），絲炭化組分（惰質(zhì)組或絲質(zhì)組），穩(wěn)定組分（殼質(zhì)組），過渡組分（半鏡質(zhì)組、半絲質(zhì)組等）。而無機(jī)顯微組分的來源包括成煤植物體內(nèi)的無機(jī)成分（礦物質(zhì)）和成煤過程中混入的礦物質(zhì)兩部分，且后者是礦物質(zhì)的主要來源。常見的礦物質(zhì)有粘土礦物、硫化物、氧化物及碳酸鹽類?；诿盒纬傻臋C(jī)理，采用掃描電子顯微鏡對潞安試驗煤樣進(jìn)行了詳細(xì)地顯微組分分析，表明潞安煤凝膠體少，無機(jī)顯微組分低，是非常有利于高爐噴吹用的煤種。煤粉粒度的大小對煤的形貌結(jié)構(gòu)有重要影響。潞安煤在-200目達(dá)到70%的粒度時，煤粉形貌規(guī)則，顆粒棱角較少，能達(dá)到良好的輸送性能。根據(jù)顯微組分的分析結(jié)果，研究了潞安煤的形貌結(jié)構(gòu)。對低溫炭化的煤粉與未炭化的煤粉進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)未炭化的煤粉邊緣比較光滑，成渾圓體，而炭化料棱角較多，成不規(guī)則形狀。兩類煤粉粒度幾乎相同，但煤的形貌結(jié)構(gòu)差別較大。炭化料不利于形貌結(jié)構(gòu)的改善，工業(yè)應(yīng)用時不必采取炭化措施。

對制備的11種不同煤種、不同粒度的煤粉進(jìn)行試驗，以全面考察不同粒度煤粉的流動特性及氣力輸送性能。試驗裝置為帶有插板的漏斗，按逐漸增加煤粉重量的方式依次裝入不同重量的煤粉W（g），重量間隔至少100g。每次測定裝入煤粉高度H （mm），煤粉從漏斗中自由流出時間t（s），直至煤不能自由流出為止，其前一次重量為最大流出重量Wmax（g）。煤粉的流動速率V（g/s） 按V=W/t計算。

為了探討不同粒度的煤粉輸送性能，做了部分煤粉的堆密度、振實密度、壓縮比、安息角的測定。測定結(jié)果表明煤粉越細(xì)，堆密度、振實密度、安息角越小，而壓縮比增大。煤粉堆密度小則氣力輸送最小速度也小，有利輸送。安息角小，煤粉的流動性好。煤粉的壓縮比大，不利于氣力輸送。煤粉最終的輸送性能，要上述各因素的綜合作用。

將潞安貧煤、貧瘦煤煤與輸送性能較好的阿盟貧煤、貧瘦煤煤粉進(jìn)行實驗室流動性試驗對比，發(fā)現(xiàn)在相同條件下，潞安煤粉比阿盟煤粉流動性好，細(xì)粉碎是提高潞安漳村和常村煤輸送性能的簡單而行之有效的措施。上述二種煤的煤粉粒度對煤的流動性和氣力輸送性能有較大影響。

進(jìn)行了十一個方案冷態(tài)氣力輸送試驗，以深入探討潞安煤粉粒度和輸送性能的關(guān)系。試驗結(jié)果為漳村煤-300目百分含量逐漸升高時，其輸送性能也越好，常村煤粉和炭化料也顯示出同樣規(guī)律，表明潞安煤粉的粒度對輸送性能有較大影響，煤粉粒度越細(xì)，輸送性能越好，表現(xiàn)為輸煤穩(wěn)定時間長，平均噴煤量大；漳村煤粉的輸送性能略好于常村煤粉；漳村煤熱處理后，并未起到改善輸送性能的作用。通過電子顯微鏡形貌觀察可知，這與熱處理后的煤樣棱角較多、形狀不規(guī)則有關(guān)；與參考方案阿盟煤粉相比，漳村煤粉氣力輸送性能優(yōu)于參考方案，常村煤粉氣力輸送性能不及參考方案。這與前述流動性分析相同；潞安貧煤、貧瘦煤的氣力輸送性能與煤粉粒度密切相關(guān)。漳村煤-300目含量在67%以上，常村煤粉應(yīng)在72%以上時才能滿足噴吹量要求。

3）高爐噴吹貧煤、貧瘦煤安全技術(shù)研究

<1> 煤粉爆炸機(jī)理及其影響因素的分析

煤粉爆炸機(jī)理及其影響因素的研究有助于科學(xué)系統(tǒng)的測定爆炸參數(shù)，并進(jìn)行理論分析研究，對防燃防爆措施的建立具有理論指導(dǎo)意義。該項目研究了煤粉爆炸機(jī)理，并分析了穩(wěn)定燃燒轉(zhuǎn)化為爆炸的前提條件。對揮發(fā)分、氧濃度、煤粉濃度等影響爆炸性的因素進(jìn)行了深入的研究，確定了反應(yīng)速度與各因素之間的數(shù)量關(guān)系，建立了貧煤、貧瘦煤在高爐中的燃燒模型。

<2> 爆炸參數(shù)的測定與分析

該項目在對國內(nèi)外相關(guān)試驗進(jìn)行分析與研究的基礎(chǔ)上，對煤粉爆炸性的各項參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行了較詳盡研究與測定，參照爆炸分級指標(biāo)，對國內(nèi)幾種具有代表性的貧煤、貧瘦煤的爆炸性進(jìn)行了科學(xué)的定位。具體研究成果有：

a.煤粉最低著火溫度的試驗研究。根據(jù)爆炸敏感度分級情況，幾種貧瘦煤屬于易燃性煤種，在高爐噴吹時應(yīng)該進(jìn)行一定的防護(hù)工作。最低著火溫度都隨煤粉濃度增加而降低，變化幅度逐漸減??；對同種煤種而言，在其他條件相同的情況下，粒度的減小就會使煤粉的表面積增加，提高反應(yīng)的活性，可以使煤粉的最低著火溫度降低；隨著噴吹壓力的升高，煤粉的噴吹速度增加，通過爐膛時加熱的時間縮短，煤粉的最低著火溫度隨壓力的升高而升高。

b.最大爆炸壓力、最大爆炸壓力上升速率的試驗研究。根據(jù)爆炸指數(shù)分級情況，幾種貧瘦煤都屬于弱爆炸性煤，爆炸強(qiáng)度較弱。最大爆炸壓力以及壓力上升速率都隨煤粉濃度的增加先增大后緩慢減小，存在一個臨界濃度使煤塵的爆炸壓力和壓力上升速率最大。

c.煤粉爆炸下限的試驗研究。當(dāng)煤粉濃度低于爆炸下限，煤粉燃燒放出的熱不足，燃燒不能進(jìn)行，可以防止爆炸。四種貧瘦煤的爆炸下限都在60～85g/m³之間。

d.煤粉最小點火能的試驗研究。在本次試驗所選擇的爆炸判據(jù)的前提下，四種煤樣的最小點火能都超出了本試驗設(shè)備所提供的最大能量，因此只能以此作為其最小點火能的參考依據(jù)。

e.返回火焰長度的試驗研究。返回火焰長度反應(yīng)煤粉爆炸性的強(qiáng)弱，在鋼鐵企業(yè)常以此作為爆炸性強(qiáng)弱的判據(jù)，一般認(rèn)為，被測煤粉引爆形成的返回火焰長度大于600mm就可認(rèn)定煤粉具有強(qiáng)爆炸性，在400～600mm之間則煤粉具有中強(qiáng)度爆炸性，小于400mm則煤粉具有弱爆炸性，若僅在火源處出現(xiàn)稀少火星或無火星的屬于無爆炸性煤。幾種貧煤、貧瘦煤返回火焰長度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于400mm，所以都屬于弱爆炸性煤。

<3> 高爐噴吹系統(tǒng)安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

通過運(yùn)用預(yù)先危險性分析和事故樹分析兩種方法對噴煤系統(tǒng)的制粉、噴吹工藝進(jìn)行了安全性評價，并結(jié)合實際工藝狀況制定所需監(jiān)測的參數(shù)，通過計算機(jī)程序模擬高爐噴煤各參數(shù)變化。監(jiān)控系統(tǒng)的具體功能如下：

a.自行設(shè)定報警參數(shù)，使監(jiān)測系統(tǒng)具備自動報警功能。計算機(jī)根據(jù)設(shè)定的報警參數(shù)自行判斷流程中的各監(jiān)測點是否處于危險狀態(tài)，當(dāng)處于警戒狀態(tài)時，自動執(zhí)行報警操作。

b.實現(xiàn)噴吹系統(tǒng)自動控制。根據(jù)設(shè)定好的報警條件及相應(yīng)的處理措施，由計算機(jī)自動執(zhí)行報警和安全控制操作。

c.實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動保存。根據(jù)設(shè)定條件，計算機(jī)自動監(jiān)控數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，并在發(fā)生事故時自動記錄事故的具體時間及造成事故的具體原因。

d.增加了系統(tǒng)保密性控制。只有相關(guān)技術(shù)人員可以操作控制監(jiān)控系統(tǒng)并保存查詢數(shù)據(jù)記錄，確保了數(shù)據(jù)的安全性和保密性。

4）貧煤、貧瘦煤噴吹燃燒試驗研究

煤的著火點、燃燒率等燃燒特性是噴吹用煤的重要特性。通過燃燒試驗，對貧煤、貧瘦煤的燃燒特性進(jìn)行了研究，分析了貧煤、貧瘦煤的顯微結(jié)構(gòu)和不同顯微組分的燃燒方式，在此基礎(chǔ)上研究了富氧對燃燒的影響。

<1> 貧煤、貧瘦煤的顯微結(jié)構(gòu)及其燃燒方式分析

從煤的形成過程看出，煤種一般是根據(jù)其化學(xué)成分來分類的，大體分褐煤、煙煤和無煙煤。事實上，由于每一種煤都是由具有一定變質(zhì)程度的一些顯微組分組合而成的，而且正是其中各種顯微組分的化學(xué)成分構(gòu)成了該煤種的化學(xué)成分，因此，了解不同煤種的顯微組分性質(zhì)和特點是必要的。貧煤、貧瘦煤的性質(zhì)介于高揮發(fā)性煙煤與無煙煤之間，具有基本無結(jié)焦核，揮發(fā)分比無煙煤略高，燃燒性和反應(yīng)性比無煙煤好等特點。通過煙煤、無煙煤與貧煤、貧瘦煤的顯微結(jié)構(gòu)對比分析，發(fā)現(xiàn)焦作洗精煤的微觀組分中以結(jié)構(gòu)均一的鏡質(zhì)體為主，其比例達(dá)到90％，絲質(zhì)體和半絲質(zhì)體僅占5％～8％，其余組分為灰分及雜質(zhì)。從微觀組織上看，焦作煤是一種典型的無煙煤，由于微觀組織中結(jié)構(gòu)均一的鏡質(zhì)體占了絕大多部分，因而焦作煤的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較大，揮發(fā)分含量低，從而導(dǎo)致該煤種可磨性差，制粉后不具有爆炸性，著火溫度較高。

 

 

 表4-1  煤種顯微結(jié)構(gòu)組分體積含量（％）

煤種名	鏡質(zhì)體	絲質(zhì)體+半絲質(zhì)體
焦作洗精煤	90	5~8
潞安漳村洗精煤	50~60	30~35
潞安常村洗精煤	85~90	5~10
鶴壁四礦洗精煤	80~85	10~15
鶴壁六礦洗精煤	75~80	10~15

同樣從煤的微觀結(jié)構(gòu)觀察可看到，潞安漳村煤、潞安常村煤、鶴壁四礦煤和鶴壁六礦煤的微觀結(jié)構(gòu)中鏡質(zhì)體占大部分，同時有一部分的絲質(zhì)體和半絲質(zhì)體，從煤的變質(zhì)程度上分析應(yīng)屬貧瘦煤，其微觀結(jié)構(gòu)決定了這四種煤均具有較好的可磨性，制粉后應(yīng)具有微弱的爆炸性。在這四種煤中，其微觀結(jié)構(gòu)有一定的差別，其中潞安漳村煤和鶴壁六礦煤的鏡質(zhì)體較潞安常村煤和鶴壁四礦煤的鏡質(zhì)體含量少，絲質(zhì)體和半絲質(zhì)體較高一些（見表4-1），決定了潞安常村煤和鶴壁四礦煤的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較潞安漳村煤和鶴壁六礦煤結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高一些，潞安常村煤和鶴壁四礦煤的可磨性稍差一些，爆炸性弱一些，最低著火溫度應(yīng)該高一些，這與性能試驗結(jié)構(gòu)基本相符。

從煤的三大顯微組分的燃燒性能來看，鏡質(zhì)組因其在煤中含量最高，占60%～90%，且隨煤化程度加深，其亞顯微組分的變化較有規(guī)律，故常用來描述整個煤的變質(zhì)程度和化學(xué)性質(zhì)，因此煤中鏡質(zhì)組的燃燒行為在很大程度上也代表了該煤種的燃燒行為。穩(wěn)定組在煤中含量較少，且常分散充填于鏡質(zhì)體中，又因其富含脂肪族成分，在煤粉快速熱分解初期即劇烈分解，殘留物極少，以至于在燃燒過程中取樣做鏡下觀察時很難再找到它，所以其燃燒行為對整個煤的燃燒性能影響很小。絲質(zhì)組在中低變質(zhì)程度的煤中含量較多，約為10%～20%，但因其富含碳，芳構(gòu)化程度極高，在加熱過程中既不軟化變形，氧化反應(yīng)速率又很小，在研究的實驗條件下基本保持不變。因此，這里只需研究鏡質(zhì)組不同亞組分在燃燒過程中表現(xiàn)出的各種燃燒方式即可。

鏡質(zhì)組分在燃燒過程的燃燒方式主要有：層狀燃燒，內(nèi)孔燃燒。由其派生出的還有：內(nèi)外同時燃燒，裂隙燃燒，內(nèi)孔膨脹燃燒，碎裂燃燒，爆裂燃燒等等。不同顯微組分的燃燒方式總的來說應(yīng)該分為外表面燃燒和內(nèi)表面燃燒兩大類，具體的燃燒方式則多種多樣。對于一定變質(zhì)程度的煤種，在鏡質(zhì)組分中一般都包含2～3種變質(zhì)程度相近的亞組分，相應(yīng)地，該煤種的燃燒方式也就具有上述燃燒方式中的2～3種。由此可見，貧煤、貧瘦煤是屬于中低變質(zhì)程度的煤種，其燃燒方式應(yīng)該是內(nèi)孔燃燒和碎裂燃燒，屬于燃燒性能優(yōu)良的煤種。

    <2> 煤粉氧煤燃燒時燃燒率測定

氧煤燃燒試驗裝置是在鞍山熱能院“八五”攻關(guān)期間研建的“氧煤燃燒試驗裝置”上進(jìn)行的。共進(jìn)行了9個熱態(tài)噴吹試驗方案。其中漳村煤Z₁、Z_2-1、Z₇方案，-300目百分?jǐn)?shù)分別約為75、70、65；常村煤C₇、C_1-1、C₈方案，-300目百分?jǐn)?shù)分別約為76、73、70。ZN方案約為-300目占68.4%的漳村煤泥粉。P₃為C_1-1（-300目占73%）和大同煤粉（DT）各50%，P₄為Z_2-1（-300目占60%～73%）和大同煤粉40%。阿盟煤（D）仍作參照對象。氧煤燃燒試驗參數(shù)和結(jié)果見表4-2。

表4-2  氧煤燃燒試驗參數(shù)及結(jié)果

煤種		噴煤量kg/h	輸煤風(fēng)量m3/h	風(fēng)量m3/h	固氣比kg/kg	氧/煤m3/kg	氧量m3/h	富氧率%	風(fēng)溫℃	爐膛壓力,Pa	煙 氣 成 分,%				燃燒率%	校正燃燒率%	燃燒區(qū)平均溫度℃
編號	組成%										H2	O2	CO	CO2
Z1	漳村,100	104.4	5.5	517.6	14.68	1.25	21.15	3.05	1031	164	0.64	1.81	13.66	9.09	76.4	75.5	1446
Z2-1	漳村,100	109.2	5.6	542	15.08	1.25	21.1	2.91	953	171	0.07	5.44	7.75	12.18	68.2	69.6	1402
Z7	漳村,100	93	4.8	512.8	14.98	1.39	21.1	3.07	1030	151	0.12	8.15	2.4	14.85	65.8	64.9	1333
C1-1	常村,100	94.2	4.8	516.7	15.18	1.37	19.9	2.88	999	165	0.28	6.26	4.19	14.27	74.9	75.1	1439
C7	常村,100	92.4	4.8	510.4	14.89	1.38	19.7	2.89	996	152	0.34	3.75	12.43	7.85	82.2	82.5	1478
C8	常村,100	93.6	4.8	507.3	15.08	1.37	21.1	3.11	966	144	0.27	6	4.86	13.61	69.9	70.5	1410
P3	大同,50	100.2	5.2	504	14.9	1.28	21.15	3.13	964	151	1.64	1.75	8.65	12.6	76.5	77.1	1469
	常村,50
P4	大同,40	109.8	5.6	542.4	15.16	1.24	21.1	2.91	950	157	0.2	6.02	11	9	71.5	73	1418
	漳村,60
ZN	漳村煤泥	106.8	5.5	510	15.2	1.21	21.1	3.09	952	139	0.26	5.49	7.21	11.83	63.2	64.2	/
D	阿盟,100	103.2	5.4	531.6	14.78	1.3	21.1	2.97	1031	151	0.74	4.63	12.67	7.5	66.7	66	1401

氧煤燃燒試驗過程的參數(shù)為噴煤量：100kg/h；熱風(fēng)溫度：1000℃；固氣比：15kg/kg；富氧率：3%。本次試驗供風(fēng)量為520m³/h，輸煤空氣量為5.0 m³/h～5.5m³/h，供氧量為21m³/h左右。風(fēng)量、供氧量受系統(tǒng)阻力影響及爐內(nèi)壓力調(diào)整的影響有一定的波動，加之噴煤量的波動，這些都會對煤粉的燃燒有影響。但其本質(zhì)是氧碳原子比對煤燃燒的影響，即氧氣量/煤氣量（m³/kg）對煤燃燒的影響。試驗的氧/煤比平均為1.30m³/kg，標(biāo)準(zhǔn)離差а=0.0678，變異系數(shù)C_v=0.052，說明試驗的氧/煤比約為70%在1.23～1.37間變化，相對誤差約為5%?？梢娫囼灥难?、煤量控制較好，氧、煤量的波動對評價煤的燃燒影響不大。固氣比、風(fēng)溫和富氧率雖也有小的波動，但相對誤差均小于3.5%，為比較各種煤燃燒性能提供了可靠的依據(jù)。為增加可比性，根據(jù)國內(nèi)外經(jīng)驗對各種試驗的風(fēng)溫和富氧率進(jìn)行了校正，校正的基準(zhǔn)為風(fēng)溫1000℃，富氧率3%，校正系數(shù)為：富氧率±1%→燃燒率±2.0%；風(fēng)溫±100%→燃燒率±2.5。

所有方案的燃燒試驗都配以熱像儀拍攝分析。得到了全部工況的彩色燃燒狀況圖、燃燒等溫線分布圖和噴煤曲線圖，其中典型圖示于圖4-1至圖4-3。因為對任何溫度分布的等溫線圖的測定都是以14種顏色來區(qū)分溫度的，即同一顏色在不同的圖像的等溫線上代表不同的溫度，因此分析不同圖像等溫線圖時，應(yīng)從相近的溫度找出對應(yīng)的代表顏色，然后再比較大于某一顏色（即某一代表顏色）的面積。對C₇方案由于熱像儀鏡頭偏離一個角度，使成像偏向噴槍一側(cè)，致使圖像右側(cè)邊偏暗，等溫線分布圖中高溫區(qū)分布面積略小，但燃燒區(qū)平均溫度仍較高，表明此種煤燃燒性能是很好的。由于燃燒爐窺視孔的故障，未能拍攝到ZN方案的燃燒圖像。從15爐（包括重復(fù)試驗）試驗多次取樣分析中，去除干擾較大的爐次及取樣漏氣等爐次，選取10爐測試結(jié)果，列于表4-2中。

 

 

圖4-1  Z₁煤燃燒狀況圖

 

 

 

圖4-2  Z₇煤燃燒等溫線分布

 

 

圖4-3  ZN噴煤曲線

從各方案燃燒率（校正后）分析、比較綜合如下：

a.漳村、常村煤與阿盟煤燃燒性能比較：漳村、常村煤除Z₇方案（-300目占64%）外，燃燒率明顯大于阿盟煤，隨煤粉-300目比例增大，差值增大，二者之差最小為1.47％，最大為15.42％。漳村煤和常村煤比阿盟煤高，著火點比阿盟煤低，所以燃燒性能明顯好于阿盟煤。

b.漳村、常村煤粒度對燃燒性能有較大影響，在本次試驗中，粒度越細(xì)，燃燒率越高。圖4-4為煤粉粒度與燃燒率關(guān)系圖。漳村煤粉Z₁、Z_2-1、Z₇方案-300目含量分別為74.5%、70%、64%，燃燒率分別為75.52%、69.57%、64.93%。漳村煤粉粒度從-300目占70%提高至74.5%，每提高1％，燃燒率提高1.32％，而-300目含量從64%增至70%，每提高1％，燃燒率僅增加0.77％。C₇、C_1-1、C₈方案常村煤粉-300目含量分別為76%、73%、69%，相應(yīng)的燃燒率分別為82.48%、75.12%、69.0%。粒度（-300目含量）從73%提高到76%，每提高1％，燃燒率增加2.45％，而粒度（-300目）從69%提高至73%，則每提高1％，燃燒率增加1.15％，可見潞安煤隨著細(xì)度提高燃燒率提高得更明顯。

圖4-4  煤粉粒度與燃燒率關(guān)系圖

 

從上述幾種煤燃燒溫度譜線圖和等溫分布圖分析也可得出類似的規(guī)律。Z₁、Z_2-1、Z₇方案燃燒區(qū)平均溫度分別為1446℃、1402℃及1333℃，＞1400℃等溫線的面積比例（在等溫線分布圖中分別為粉紅、紅色及黃色區(qū)）也從大到小排列。粒度每提高一個百分點，從Z₇到Z_2-1，燃燒平均溫度提高11.5℃，從Z_2-1到Z₁約提高9.8℃。C₇、C_1-1、C₈方案燃燒區(qū)平均溫度分別為1487℃、1439℃、1410℃，粒度每提高一個百分點，從C₈到C_1-1，平均溫度提高8.8℃，從C_1-1到C₇提高13℃，也說明貧煤、貧瘦煤細(xì)度提高后，燃燒性能改善明顯。

c.漳村和常村煤燃燒性能比較：漳村Z₁和常村C_1-1-300目百分含量為74.5和73.0，相差不大，二種煤粉燃燒率為75.52%和75.12%，差別亦不大。比較Z_2-1和C₃二個粒度相近煤粉的燃燒率，差別亦不大，說明漳村煤和常村煤燃燒性能相近。

d.漳村、常村配合煤燃燒性能。P₃煤為50%C_1-1和50%大同煤配合，雖P₃的粒度比C_1-1粗，但因P₃揮發(fā)分（V_d為22.72%）比C_1-1（V_d為13.14%）高，著火點比C_1-1低，所以燃燒率比C_1-1高2個百分點。P₄為60%Z₂和40%大同煤配合，燃燒率P₄比Z₁高3.38個百分點。漳村煤和常村煤和揮發(fā)分較高的大同煤配合，可更進(jìn)一步改善其燃燒性能。

e.漳村煤泥ZN方案粒度比Z_2-1略粗，-300目占68.4%，燃燒率比Z_2-1低5.37個百分點，為64.20%。因為煤泥大部分為0.5mm以下小顆粒所以磨粉耗功較小。若能找到一種比較經(jīng)濟(jì)的干燥方法，將煤泥用作噴吹原料是合理利用資源的技術(shù)措施，建議進(jìn)行深入研究。

<3> 富氧對貧煤、貧瘦煤煤粉燃燒的作用

比較貧煤、貧瘦煤熱風(fēng)富氧和采用分離式氧煤槍富氧對應(yīng)的燃燒率，可知，當(dāng)氧氣濃度低于24.5%時，前者略高于后者，當(dāng)氧氣濃度在24.5%～27.0%范圍內(nèi)時，前者隨氧氣濃度增加已不再變化，而后者還有較大的增長勢頭；當(dāng)氧氣濃度高于27.0%時，前者隨氧氣濃度增加開始緩慢下降，后者也增加很平緩。

對于中低變質(zhì)程度的煤種在熱分解和固定碳燃燒過程中對溫度的要求均較高。當(dāng)采用分離式氧煤槍時，由于適當(dāng)?shù)乇荛_了煤粉顆粒的加熱和熱分解過程，顆粒先被熱風(fēng)迅速加熱并發(fā)生了部分熱分解反應(yīng)，顆粒溫度已經(jīng)得到較大的提高，此時再接觸到冷的氧氣，則顆粒表面溫度不會下降太多，足以與氧氣發(fā)生反應(yīng)。采用分離式氧煤槍且當(dāng)氧氣濃度低于24.5%時，由于顆粒表面氧氣濃度增加得不明顯，故燃燒效果略低于熱風(fēng)中富氧的情形。當(dāng)氧氣濃度在24.5%～27.0%范圍時，燃燒率由于顆粒表面濃度的增加而明顯高于熱風(fēng)中富氧的燃燒率。當(dāng)氧氣濃度大于27.0%時，采用分離式氧煤槍富氧的燃燒過程也變?yōu)楸砻娣磻?yīng)速率系數(shù)即溫度為限制環(huán)節(jié)的動力學(xué)控制過程?？梢姡诒驹囼灄l件下，對于貧煤、貧瘦煤，氧氣濃度在24.5%～27.0%時，采用分離式氧煤槍富氧較好；氧氣濃度高于27.0%時，富氧的同時還要相應(yīng)提高熱風(fēng)溫度才有效果。

大部分燃燒率變化曲線在氧氣濃度較高時都變得平緩，有些曲線甚至有所下降，即不同煤種采取不同富氧方式燃燒時均存在一最佳的富氧率，亦即最佳的O/C比值，高于此值，既不經(jīng)濟(jì)，燃燒率也不再增加。碳氧反應(yīng)的機(jī)理表明，當(dāng)顆粒表面氧氣濃度C_b較低時，燃燒為一級反應(yīng)，即碳表面上不僅氧的溶解順利，固溶絡(luò)合也很順利，反應(yīng)決定于頻率不很大的氧分子撞擊而引起的離解速度，故燃燒率隨著氧氣濃度的增加而提高。當(dāng)氧氣濃度增加到一定程度，燃燒變?yōu)榱慵壏磻?yīng)。此時碳表面上雖然氧分子的撞擊頻率很大，但反應(yīng)決定于較慢的固溶絡(luò)合速度，而與氧氣濃度及氧分子的撞擊頻率無關(guān)，即燃燒率不再隨氧氣濃度的增加而提高，甚至可能由于顆粒表面氧分子過高，氧分子在表面吸附太多，抑制了反應(yīng)產(chǎn)物的逸出，而導(dǎo)致燃燒率的降低。

<4> 不同粒徑煤粉富氧燃燒

為了了解富氧對不同大小顆粒煤粉燃燒效果的影響，分別選取不同粒徑貧煤、貧瘦煤進(jìn)行試驗。粒徑范圍為150μm～180μm的顆粒在氧氣濃度從21%增加到30%的過程中燃燒率只增加了約3%，結(jié)合其工業(yè)分析可以看出，顆粒中的固定碳基本上尚未開始燃燒；粒徑范圍為80μm～120μm的顆粒在氧氣濃度較高時燃燒率開始有較明顯的增加，氧氣濃度大約在26.5%時，固定碳的燃燒量開始明顯增加；粒徑范圍為50μm～70μm的顆粒，在氧氣濃度約為23.5%時，燃燒率即開始顯著增加。可見，貧煤、貧瘦煤煤種不同粒徑的顆粒富氧時，燃燒效果差異很大，粗顆粒由于加熱所需時間長，表面溫度升高得慢，熱分解開始的時間晚，在有限反應(yīng)空間和一定的停留時間內(nèi)，只能進(jìn)行其熱分解過程。因此氧氣濃度的增加加快了揮發(fā)分的燃燒速度。中等顆粒一方面由于表面溫度升高較快，加熱時間較短，熱分解過程可以較早完成，從而有時間進(jìn)行固定碳的燃燒反應(yīng)；另一方面，由于其外表面積比粗顆粒明顯增大，顆粒內(nèi)部微孔及熱分解物質(zhì)均較少，燃燒以層狀燃燒為主，故外表面積增大即意味著反應(yīng)有效面積的增大，所以此時增大氧氣濃度即可加快固定碳的氧化反應(yīng)，不過要到氧氣濃度高于26.5%左右才有效果。細(xì)顆粒由于在表面升溫速度及燃燒有效面積兩方面都具有很大優(yōu)勢，所以增加氧氣濃度，對燃燒效果有顯著改善。用此結(jié)果還可以從粒徑的角度解釋混合粒度在熱風(fēng)中富氧燃燒的結(jié)果，即由于粒徑越細(xì)，固定碳燃燒對應(yīng)的氧氣濃度越低，所以具有混合粒度的煤粉隨著氧氣濃度的增加，燃燒率逐漸增加。當(dāng)較細(xì)顆粒的固定碳大部分已燒掉，剩余顆粒在實驗條件下由于熱分解尚未完成或燃燒有效面積太低，使得其固定碳無法在氧氣作用下燃燒時，混合顆粒的燃燒率即不再隨著氧氣濃度的增加而增加。氧氣濃度很高時，對燃燒過程還有可能產(chǎn)生前面提到的副作用。對于貧煤、貧瘦煤，粒徑范圍在120μm～180μm的粗顆粒與粒徑范圍為20μm～60μm的細(xì)顆粒在氧氣濃度較低時具有基本相同的燃燒率，而粒徑范圍為60μm～90μm的中等顆粒的燃燒率則在整個富氧范圍均低于粗顆粒的燃燒率。這可能是由于大顆粒膨脹造成的豐富的內(nèi)孔面積及小顆粒較多的外表面積具有的優(yōu)勢使其燃燒率高于相同氧氣濃度下中等顆粒的燃燒率。另外，從粗顆粒和中等顆粒的燃燒率隨氧氣濃度的變化趨勢來看，燃燒率在氧氣濃度較低時增加并不明顯，在氧氣濃度較高時還有所降低，只有氧氣濃度約在24%～27%時燃燒率才有明顯的增加。因此，對于不同煤種和不同粒徑，需要選擇合適的富氧率。

5）回旋區(qū)煤粉燃燒物理數(shù)學(xué)模型

對回旋區(qū)內(nèi)煤粉燃燒進(jìn)行熱態(tài)試驗研究非常困難，關(guān)于回旋區(qū)內(nèi)煤粉的燃燒情況的數(shù)值模擬研究不夠深入，這對煤粉噴吹非常不利。搞清楚回旋區(qū)內(nèi)煤粉燃燒的溫度場、流場、各種成分的百分比以及煤粉的燃燒率，可以對高爐噴煤及其高爐操作提供指導(dǎo)。

由于實際生產(chǎn)中的回旋區(qū)隨操作條件的變化而變化，形狀難以確定。而且現(xiàn)有的回旋區(qū)的研究結(jié)果中說法很多，差異很大，沒有形成一套系統(tǒng)的研究理論。我們主要是考慮煤粉在回旋區(qū)內(nèi)的燃燒狀況，結(jié)合fluent給出的算法，模型采用如下假設(shè)：

假設(shè)回旋區(qū)是一個長方體形狀；

回旋區(qū)中間部分認(rèn)為是空區(qū)，邊緣區(qū)域用多孔介質(zhì)模擬焦炭，認(rèn)為多孔介質(zhì)只起阻力作用，并不參與反應(yīng)。

按照礦焦比及礦石氧含量，計算出作為還原劑的焦炭質(zhì)量。其余的焦炭認(rèn)為是熱源，按照一定的轉(zhuǎn)換比，將其轉(zhuǎn)化為煤粉。

將煤粉看作離散相，顆粒-顆粒之間的相互作用、顆粒體積分?jǐn)?shù)對連續(xù)相的影響均未加以考慮。

對回旋區(qū)進(jìn)行模擬就要建立相應(yīng)的物理數(shù)學(xué)模型及給定適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件，下面對各模型進(jìn)行說明。

<1> 數(shù)學(xué)模型

a.κ-ε模型

熱風(fēng)從風(fēng)口以高速噴入回旋區(qū)，煤粉也是以高速從支吹管噴入回旋區(qū)，為高雷諾數(shù)湍流流動。本研究采用雙微分方程模型如下：

     （５－１）          

             （５－２）

b.非預(yù)混燃燒模型

在一定假設(shè)條件下，燃料、氧化劑及產(chǎn)物由混合分?jǐn)?shù)來描述其質(zhì)量分?jǐn)?shù)，用f表示。換句話說，混合分?jǐn)?shù)就是在所有組分（CO₂、H₂O、O₂等）里，燃燒和未燃燒燃料流元素（C、H等）的局部質(zhì)量分?jǐn)?shù)。因為化學(xué)反應(yīng)中元素是守恒的，所以這種方法極好。反過來，質(zhì)量分?jǐn)?shù)是一個守恒的數(shù)量，因此其控制輸運(yùn)方程不含源項。燃燒被簡化為一個混合問題，并且與非線性平均反應(yīng)率相關(guān)的困難可以避免。一經(jīng)混合，即可用層流小火焰模型將化學(xué)反應(yīng)模擬成為化學(xué)平衡或近化學(xué)平衡。

在相同擴(kuò)散率的假設(shè)下，組分方程可轉(zhuǎn)化為一個單一的關(guān)于混合組分f的方程。由于刪去了組分方程中的反應(yīng)源項，因此f是一個守恒量。由于相同擴(kuò)散率的假設(shè)對層流流動來說還存在疑問，因此對于紊態(tài)對流超過分子擴(kuò)散的湍流通常是可接受的。平均（時間平均）混合分?jǐn)?shù)方程為：

      （５－３）

    源項S_m僅指質(zhì)量反應(yīng)顆粒（煤粉）傳入氣相中。S_user為自定義源項。

除了解平均混合分?jǐn)?shù)，也要解一個關(guān)于平均混合分?jǐn)?shù)均方值的守恒方程

  （５－４）

式中：。常數(shù)、C_g和C_d分別取0.85，2.86和2.0，S_user為自定義源項。

c.煤粉顆粒運(yùn)動的離散相模型

通過積分拉氏坐標(biāo)系下的顆粒作用力微分方程來求解離散相顆粒的軌道。顆粒的作用力平衡方程（顆粒慣性力＝作用在顆粒上的合外力），在笛卡爾坐標(biāo)系下的形式（X方向）為：   

               （５－５）

 

其中為顆粒的單位質(zhì)量曳力，其中，其中，u為流體相速度，u_p為顆粒速度，μ為流體動力粘度，ρ為流體密度，ρ_p為顆粒密度（骨架密度），d_p為顆粒直徑，Re為相對雷諾數(shù)（顆粒雷諾數(shù)）,Fx為其它作用力，這些力中最重要的一項是所謂的“視質(zhì)量力”和熱泳力等等。          

d.P1輻射模型

P1輻射模型是P-N模型中的一種。P-N 模型的出發(fā)點是把輻射強(qiáng)度展開成為正交的球諧函數(shù)。

               （５－6）  

其中，E_p為顆粒的等效輻射，a_p為顆粒的等效吸收系數(shù)。

e.能量方程

求解時以總焓表示的能量方程：

     （5－7）

其中：k_eff是有效導(dǎo)熱系數(shù)；J_j是物質(zhì)j的擴(kuò)散系數(shù)；方程右邊前三項分別代表由于傳質(zhì)、擴(kuò)散和粘性耗散導(dǎo)致的能量傳遞。式中S_h包括化學(xué)反應(yīng)熱和定義的其它體積熱源項。

由上述控制方程構(gòu)成了煤粉在回旋區(qū)的燃燒數(shù)學(xué)模型。

<2> 煤粉參數(shù)和邊界條件

a.煤粉參數(shù)

計算中所用煤粉參數(shù)如表5-1所示。

表5-1  噴吹煤樣理化性能測定表

煤種 分析項目		五陽	漳村	常村
成 分 分 析	Vdaf	14.85	15.01	12.72
	Cdaf	93.44	93.73	91.51
	Hdaf	4.16	3.82	4.16
	Ndaf	1.40	1.48	1.36
	Odaf	0.60	0.64	2.65
Qnet,ar   MJ/kg		29.50	28.23	29.44
真密度  g/cm3		1.4	1.44	1.4
著火點  ℃		372	367	376
粒徑<0.74 mm %		100	100	100
平均粒徑		2.882	2.703	4.186

b.邊界條件的給定

上面給出的物理模型和數(shù)學(xué)模型，只有給出適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件才能求解。其中較細(xì)的圓柱端面設(shè)為煤粉入口，較粗的圓柱端面為空氣入口，與圓柱相對的矩形面設(shè)為平面1，兩側(cè)的平面設(shè)為平面2，底部的平面設(shè)為平面3，上面的平面設(shè)為平面4，邊界條件如表5-2所示。

表5-2  邊界條件

邊界	邊界類型	數(shù)值
煤粉入口	速度入口	三種煤比
空氣入口	速度入口	根據(jù)富氧率確定鼓風(fēng)量
平面1	對稱面	\
平面2	對稱面	\
平面3	墻	\
平面4	壓力出口	3.5atm

<3> 數(shù)學(xué)模型的驗證

為驗證數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性，實測了煤粉在天津鐵廠兩座高爐內(nèi)的燃燒率，并與數(shù)學(xué)模型的計算值進(jìn)行了比較。

天津鐵廠共有爐容300立方米到743立方米高爐5座，總?cè)莘e2600 立方米。全廠5座高爐都噴吹煤粉。噴吹煤粉工藝流程為原煤從煤場通過原料槽和給煤機(jī)送到球磨機(jī)粉碎，然后由粗粉分離器和細(xì)粉分離器分離將粒度合格的煤粉收集到各高爐的風(fēng)口，經(jīng)噴槍噴入高爐風(fēng)口回旋區(qū)。由于高爐噴吹煤粉取得良好經(jīng)濟(jì)社會效益，噴吹量逐年增加，煤質(zhì)要求更加細(xì)化和嚴(yán)格。

從1999年開始天津鐵廠5座高爐噴吹潞安煤。取得的技術(shù)指標(biāo)如下：熱風(fēng)平均富氧1%-2%；平均煤比150kg/t鐵，最高到180kg/t鐵；置換比為0.9；高爐日利用系數(shù)達(dá)2.5。

我們選取了天津鐵廠的1號高爐和2號高爐作為驗證對象，利用數(shù)學(xué)模型分別計算出了煤粉在這兩座高爐內(nèi)的燃燒率，并與實際測量的燃燒率進(jìn)行了比較。表5-3、表5-4和表5-5分別為天津鐵廠高爐的基本參數(shù)和噴吹參數(shù)。實際測得的煤粉燃燒率示于表5-6。

表5-3 高爐基本參數(shù)

表5-4噴吹參數(shù)

 

   表5-5風(fēng)口部位相關(guān)參數(shù)

   

表5-6 實際測得的煤粉燃燒率

將天津鐵廠1號高爐和2號高爐的各項參數(shù)以及所用煤粉的各項參數(shù)輸入到所應(yīng)用的數(shù)學(xué)模型中，從而計算出理論煤粉燃燒率，其結(jié)果見圖5-1和圖5-2。

圖5-1 天津鐵廠1號高爐富氧條件下的煤粉燃燒率

 

圖5-2 天津鐵廠2號高爐富氧條件下的煤粉燃燒率

由圖可知利用數(shù)學(xué)模型計算所得出的煤粉在高爐內(nèi)的理論燃燒率和實際測量的煤粉燃燒率非常接近，這說明所建立的數(shù)學(xué)模型比較符合實際，在此數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上計算出來的理論值具有工程應(yīng)用的指導(dǎo)意義。

6）燃燒模型的計算結(jié)果與分析

根據(jù)上面給出的模型及邊界條件，對三種煤在不同風(fēng)溫、不同煤比、不同富氧率、不同顆粒、不同灰分的條件下進(jìn)行了計算，然后分別對一種無煙煤和一種煙煤進(jìn)行了計算，如表6-1所示，共計計算了116個工況。得到了速度場，溫度云圖、煤粉軌跡、CO濃度云圖以及燃燒率等結(jié)果。典型的計算結(jié)果示于圖6-1至圖6-9。

表6-1  116個計算工況的參數(shù)

煤種	煤比（kg/t）	風(fēng)溫（℃）	富氧率（%）	粒度（μm）	灰分（%）
常村煤 五陽煤 漳村煤	100	900	—
		1100
		1250
	150	900	—
		1100
		1250
	200	900	1
		1100	3
		1250	5
無煙煤	150	1100
煙煤（大友煤）	150	1100
常村煤	150	1100		106
				75
				250
常村煤	150	1100			9
					10
					11

 

  

圖6-1  1250℃風(fēng)溫時速度場             圖6-2  900℃風(fēng)溫時煤粉軌跡

 

  

圖6-3  900℃風(fēng)溫時溫度云圖              圖6-4  1250℃風(fēng)溫時CO濃度場

  

                                                                                       圖6-5不同煤比對下對燃燒率的影響                             圖6-6 不同風(fēng)溫下富氧率對燃燒率的影響（煤比為200kg/t鐵）                                                

 圖6-7  煙煤和無煙煤燃燒率對比  

        

  圖6-8  不同粒度的燃燒率             圖6-9  灰分對燃燒率的影響

通過計算得到以下結(jié)論：

a.三種煤。五陽煤燃燒率最高，其次是漳村煤，常村煤比漳村煤燃燒率低一點，但是差距很小。這種燃燒率的差距主要原因是揮發(fā)分及灰分的影響。

b.煤比。煤比越高燃燒率越低；在富氧1%的情況下，煤比為150kg/t鐵時，理論燃燒溫度最高；主要是因為當(dāng)煤比太大，而富氧率不高時，煤粉揮發(fā)分析出要吸收熱量，導(dǎo)致風(fēng)口熱量不足；煤比越高回旋區(qū)內(nèi)CO濃度越大。

c.富氧。富氧率越高，燃燒率越高，對應(yīng)的理論然燃燒溫度也越高。富氧率提高，回旋區(qū)內(nèi)CO濃度成降低趨勢。

d.風(fēng)溫。風(fēng)溫提高，燃燒率升高；理論燃燒溫度也隨風(fēng)溫的提高而顯著升高，而且提高的幅度較大；風(fēng)溫提高，CO濃度有所增加，但是增加的幅度不是很大。

e.高煤比，高風(fēng)溫配合高富氧率使回旋區(qū)內(nèi)理論燃燒溫度最高，燃燒率也是最高的。

f.煙煤和無煙煤。煙煤的燃燒率遠(yuǎn)大于無煙煤的燃燒率，主要是因為煙煤的揮發(fā)分比無煙煤大很多；噴吹煙煤時回旋區(qū)內(nèi)CO濃度，比噴吹無煙煤大很多。

g.粒度。粒度越大燃燒率越低，理論燃燒溫度越低，CO濃度越低，煤粉越不容易擴(kuò)散；但是當(dāng)粒度減小到一定程度時，燃燒率變化趨于平緩。

h.灰分?；曳衷礁?，燃燒率越低，理論燃燒溫度也越低。

i.揮發(fā)分和灰分比較?；曳謱θ紵实挠绊懸笥趽]發(fā)分的影響；也就是灰分增加一定百分比對燃燒率造成的負(fù)影響，要大于揮發(fā)分增加相同百分比對燃燒率的正面影響。

j.通過計算給出了溫度場，濃度場，速度場和煤粉的軌跡；給出了一組比較直觀的圖片。

7）貧煤、貧瘦煤燃燒促進(jìn)劑研究開發(fā)

<1> 煤粉燃燒促進(jìn)劑的要求

    為提高煤粉燃燒性能，添加燃燒促進(jìn)劑是一種有效手段。煤粉燃燒促進(jìn)劑是通過一定的方法混合在煤粉中能夠強(qiáng)化煤粉燃燒，提高燃燒率的單一物質(zhì)或混合物質(zhì)。作為高爐噴吹燃燒促進(jìn)劑應(yīng)達(dá)到以下要求：

a.具有破壞煤的大分子結(jié)構(gòu)的化學(xué)性質(zhì)。煤結(jié)構(gòu)研究表明，煤分子結(jié)構(gòu)屬于復(fù)雜的大分子結(jié)構(gòu)類型。燃燒過程是其大分子結(jié)構(gòu)單元之間的橋鍵斷裂的化學(xué)過程。因此，燃燒促進(jìn)劑應(yīng)對煤的大分子結(jié)構(gòu)有破壞作用，從而促進(jìn)煤的燃燒。

b.提供活性氧。煤粉燃燒過程首先是揮發(fā)分的燃燒，以后才是殘?zhí)康娜紵?。揮發(fā)性氣體在燃燒過程中消耗了氧，煤粉周圍氧含量降低不利于殘?zhí)康娜紵?。因此，燃燒促進(jìn)劑應(yīng)能在一定程度上提供活性氧以補(bǔ)充氧的消耗。

c.燃燒促進(jìn)劑的熱分解溫度要盡可能與煤粉著火溫度相一致。如果熱分解溫度太高，不能起到促進(jìn)作用；反之，在較低溫度下就分解，其促燃作用得不到充分發(fā)揮。

d.一般情況下化學(xué)物質(zhì)的熱分解具有吸熱效應(yīng)，燃燒促進(jìn)劑在熱分解的過程中同樣需要吸熱，為保證煤粉燃燒釋放出的熱量能夠充分被利用，要求促進(jìn)劑熱分解時吸熱作用要小，以免過量的熱被促進(jìn)劑消耗。

e.本試驗研究的燃燒促進(jìn)劑主要是應(yīng)用于高爐噴吹用煤，因此必須考慮其對高爐的影響。一些對高爐不利的元素，例如鉀，鈉等元素應(yīng)被排除在外。

f.添加方便。促進(jìn)劑要均勻添加到噴吹煤粉之中。 如何結(jié)合高爐噴煤制粉、輸送、噴吹等工藝過程，將促進(jìn)劑加進(jìn)去是促進(jìn)劑使用過程中要解決的重要問題。選擇促進(jìn)劑必須考慮其添加使用的便利性。

g.安全。高爐噴煤工藝對煤粉的爆炸性是有嚴(yán)格要求的，而且煤粉制備形成、輸送、噴吹設(shè)備內(nèi)氧含量和溫度都要進(jìn)行檢測控制。煤粉燃燒促進(jìn)劑在這些過程中不能導(dǎo)致形成爆炸的因素，如釋放氧氣，提高溫度，產(chǎn)生火花等。

<2> 試驗用的促進(jìn)劑

促進(jìn)劑種類繁多，它包括堿金屬、堿土金屬和過渡元素的氧化物、氫氧化物及其鹽類，其中應(yīng)用最多的是堿金屬、堿土金屬的鹽類。

選用促進(jìn)劑應(yīng)盡量做到廢物利用。不少工農(nóng)業(yè)廢物可能是性能優(yōu)良的促進(jìn)劑，例如含有大量Ca（OH）₂的造紙黑液 、用完廢棄的電石、含有NaOH的石灰水、農(nóng)家廢棄的草木灰等等，甚至鍋爐渣和水分除渣的廢水，都可用做促進(jìn)劑，就地取材，因地制宜，設(shè)計適合局部地區(qū)使用的促進(jìn)劑配方是非常重要的。對于高爐噴吹用煤燃燒促進(jìn)劑，應(yīng)首先能促進(jìn)氣相燃燒，加快揮發(fā)分燃燒，迅速補(bǔ)充熱解溫度，提高燃燒溫度。

 此次試驗研究選取了一號促進(jìn)劑,、二號促進(jìn)劑，三號促進(jìn)劑，四號促進(jìn)劑，五號促進(jìn)劑進(jìn)行研究，其中靜態(tài)燃燒促進(jìn)劑為一號促進(jìn)劑、二號促進(jìn)劑和三號促進(jìn)劑；噴吹燃燒促進(jìn)劑為一號促進(jìn)劑、 二號促進(jìn)劑、三號促進(jìn)劑和四號促進(jìn)劑；爆炸性能試驗用促進(jìn)劑為一號促進(jìn)劑、 二號促進(jìn)劑、三號促進(jìn)劑、五號促進(jìn)劑。

<3> 促進(jìn)劑對煤粉靜態(tài)燃燒性能的影響

 將煤粉放入馬弗爐中靜態(tài)燃燒，然后用灰分失重法計算出煤粉在馬弗爐中的燃燒率。一號促進(jìn)劑，二號促進(jìn)劑，三號促進(jìn)劑三種物質(zhì)的不同添加比例用于常村煤的燃燒率示于表7-1。

在試驗范圍內(nèi)，常村煤煤粉的燃燒率與一號促進(jìn)劑添加量幾乎成線性增加關(guān)系。當(dāng)添加量達(dá)到6%時，燃燒率可提高10%以上。添加量較低時，二號促進(jìn)劑的促燃效果不夠明顯，而當(dāng)其添加量超過2%時，其促燃作用增強(qiáng)。三號促進(jìn)劑含量較低時，對煤粉燃燒有一定的促進(jìn)作用，然后，隨著含量的增加，煤粉的燃燒率迅速降低。對于所試驗的三種促進(jìn)劑來講一號促進(jìn)劑助燃效果最好，其次是二號促進(jìn)劑，三號促進(jìn)劑效果最差。

表7-1 靜態(tài)燃燒試驗的燃燒率結(jié)果

<4> 促進(jìn)劑對煤粉噴吹燃燒性能的影響

噴吹燃燒試驗是在如圖7-1所示煤粉燃燒性測試裝置上進(jìn)行的。 試驗所用的煤為常村煤，試驗內(nèi)容示于表7-2，其中每個試驗工況試驗2次。

                                                                  圖7-1 燃燒裝置示意圖

表7-2 噴吹燃燒試驗工況

 

噴吹燃燒試驗的數(shù)據(jù)見表7-3。煤粉的噴吹燃燒率隨一號促進(jìn)劑添加量增加而增加，但當(dāng)一號促進(jìn)劑添加量較低（＜2%）時，燃燒率增加較緩慢，而當(dāng)其添加量繼續(xù)增加時，煤粉燃燒率可以顯著提高，加入5%的一號促進(jìn)劑可使燃燒率提高大約25%。與靜態(tài)燃燒相比，煤粉噴吹燃燒所對應(yīng)的燃燒率較高。

二號促進(jìn)劑對常村煤粉燃燒有促進(jìn)效應(yīng)，且燃燒率隨著二號促進(jìn)劑添加量增加而增加，當(dāng)二號促進(jìn)劑添加量達(dá)到5%時，煤粉燃燒率可增加12%。從表7－3可知二號促進(jìn)劑添加量在2%左右時，其促燃效果最差。

加入1%的三號促進(jìn)劑時燃燒率能提高6%左右，當(dāng)增加三號促進(jìn)劑的添加量時燃燒率明顯下降。

四號促進(jìn)劑對煤的燃燒促進(jìn)作用不明顯，并且加入過多四號促進(jìn)劑使煤的灰分增加，不利于煤粉燃燒，燃燒率也相應(yīng)下降。其變化趨勢與靜態(tài)燃燒率的變化趨勢基本相同。

表7-3 噴吹燃燒試驗結(jié)果

無論是靜態(tài)燃燒試驗還是噴吹燃燒試驗，四種促進(jìn)劑中一號促進(jìn)劑的效果最好，在半工業(yè)試驗中加入3%、5%的一號促進(jìn)劑使常村煤的燃燒率分別提高14%、25%。這主要是由于一號促進(jìn)劑中的陽離子的促燃作用和促進(jìn)劑熱分解出活性氧兩者共同作用起到了提高燃燒率的作用。

二號促進(jìn)劑對常村煤的促燃效果也較好，在半工業(yè)試驗中最多使常村煤的燃燒率提高了10%左右。其原因主要是二號促進(jìn)劑中的陽離子的促燃作用，因而提高了煤粉燃燒率。

三號促進(jìn)劑和四號促進(jìn)劑都有一定的促燃作用，并且都表現(xiàn)在添加量小于2%的情況下，當(dāng)添加過量時都使得燃燒率下降。這主要是兩方面的原因造成的：第一，三號促進(jìn)劑和四號促進(jìn)劑的促燃作用主要是由于其離子交換造成的，并不是靠釋放出活性氧來提高煤粉燃燒率的。這兩種促進(jìn)劑在高溫下分解量有限，因此添加過量時加重了煤樣的灰分，最終表現(xiàn)為燃燒率下降。第二，由于本次試驗均采用直接添加促進(jìn)劑的方法，機(jī)械混合的分散性很差，以至于這兩種物質(zhì)促燃效果不明顯，如果采用浸漬加入的方法三、四號促進(jìn)劑的促燃效果應(yīng)該要比目前的機(jī)械混合好。

<5> 促進(jìn)劑對煤粉爆炸性能影響的試驗研究

本課題對常村煤粉加入一號促進(jìn)劑，二號促進(jìn)劑，三號促進(jìn)劑，五號促進(jìn)劑后的爆炸性能在返回火焰測量儀進(jìn)行試驗，為煤粉燃燒促進(jìn)劑的工業(yè)應(yīng)用提供安全性能依據(jù)。實驗結(jié)果示于表7-4。返回火焰長度由光電轉(zhuǎn)換器測得后直接將數(shù)據(jù)傳送給計算機(jī)，由計算機(jī)記錄并打印出結(jié)果，其結(jié)果顯示原煤返回火焰長度為零，不具爆炸性。由于此次試驗采用的常村煤揮發(fā)分較低，原煤的返回火焰長度為零；加了一號促進(jìn)劑，二號促進(jìn)劑和三號促進(jìn)劑的煤粉存在返回火焰現(xiàn)象，但最長的火焰長度也不超過10mm，說明不具有明顯的爆炸性，可以保證高爐噴吹的安全可行。

 

表7-4  添加促進(jìn)劑后返回火焰長度

 

8）貧瘦煤用于高爐噴吹的工業(yè)性試驗研究

從1999年開始先后在鄂城鋼鐵公司、天鐵冶金集團(tuán)公司、武漢鋼鐵公司、唐山鋼鐵公司、首鋼集團(tuán)等鋼鐵公司的煉鐵廠近二十座高爐上進(jìn)行了長期的工業(yè)試驗。高爐容積有大有小，代表性強(qiáng)，煤比都達(dá)到100kg/t鐵以上，高的大于200kg/t鐵。

<1> 天鐵集團(tuán)煉鐵廠貧煤、貧瘦煤單噴工業(yè)試驗

天鐵集團(tuán)煉鐵廠共有爐容300立方米到743立方米高爐5座，總?cè)莘e2600立方米，年生產(chǎn)鐵約250萬噸。從1999年開始高爐噴吹貧煤、貧瘦煤。采取的工藝為原煤從煤場通過原料槽和給煤機(jī)送到球磨機(jī)粉碎，然后由粗粉分離器和細(xì)粉分離器分離將粒度合格的煤粉收集到粉煤倉，再通過倉式泵將煤粉通過輸粉總管道以及煤粉分配器送到各高爐的風(fēng)口，經(jīng)噴槍噴入高爐風(fēng)口回旋區(qū)。

工業(yè)試驗首先在300立方米高爐上進(jìn)行低比例添加貧煤、貧瘦煤的噴吹試驗，然后逐漸提高添加比例，直至全部采用貧煤、貧瘦煤噴吹，最后擴(kuò)展至5座高爐全部噴吹貧煤、貧瘦煤。期間配合貧煤、貧瘦煤工業(yè)試驗，結(jié)合天鐵高爐噴煤系統(tǒng)的具體情況研發(fā)了高壓容器的充壓和流化均使用氮?dú)狻⒖刂浦品巯到y(tǒng)氧氣含量、全負(fù)壓制粉等適應(yīng)的噴吹安全技術(shù)。

5座高爐全部噴吹貧煤、貧瘦煤后，在熱風(fēng)平均富氧1%～2%；平均煤比150kg/t鐵，最高到180 kg/t鐵，置換比為0.9以上；高爐日利用系數(shù)達(dá)到2.5。

<2> 鄂城鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司貧煤、貧瘦煤單噴工業(yè)試驗

鄂城鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司是湖北省最大的建筑鋼材基地，高爐總?cè)莘e為1544立方米，1999年開始高爐貧煤、貧瘦煤噴吹試驗。制粉系統(tǒng)采用“風(fēng)掃磨”流程。噴吹工藝為采用單罐并列、總管加分配器。

鄂鋼煉鐵廠在高爐噴吹過程中，對單噴貧煤、貧瘦煤、單噴無煙煤、噴混合煤等方式的噴吹效果進(jìn)行了對比試驗與分析。試驗結(jié)果表明：單噴吹貧煤、貧瘦煤比其他兩種方式的噴吹效果更為顯著，經(jīng)濟(jì)上更為合理。因此從2001年開始，鄂鋼煉鐵廠高爐噴煤全部采用貧煤、貧瘦煤，年噴煤總量達(dá)到30多萬噸。置換比達(dá)到0.85，利用系數(shù)達(dá)到2.4至2.66。

<3> 武鋼煉鐵廠貧瘦煤與無煙煤混合噴吹工業(yè)試驗

武鋼煉鐵廠有高爐5座，總?cè)莘e為10949立方米。噴吹工藝流程原為無煙末煤場通過原料槽和給煤機(jī)送到球磨機(jī)粉碎，然后由粗粉分離器和細(xì)粉分離器分離將粒度合適的煤粉收集到粉煤倉，再通過倉式泵將煤粉通過輸粉管道以及煤粉分配器送到各高爐的風(fēng)口，經(jīng)噴槍噴入高爐風(fēng)口回旋區(qū)。

武鋼技術(shù)中心根據(jù)貧煤、貧瘦煤的燃燒特性和安全特性，確定了貧瘦煤配煤比例按10％、20％、30％逐步提高，最高為40％，混合煤粉的揮發(fā)分不大于12％，進(jìn)行了一系列的工業(yè)性試驗。

混合煤噴吹工業(yè)試驗是將混合煤粉制備好后，送到高爐噴吹站進(jìn)行噴吹。混合煤粉由制粉間的倉式泵送到高爐噴吹站的過程中沒有出現(xiàn)輸送困難或管道堵塞及輸粉管道壓力大幅波動的異?，F(xiàn)象。這說明混合煤粉的輸送性能比較好。

高爐噴吹站在試驗期間，噴吹壓力穩(wěn)定，噴吹罐出煤速度穩(wěn)定，噴煤槍噴煤順暢，混煤噴吹試驗期間未出現(xiàn)噴煤槍堵塞，燒毀的故障，同樣反映出混合煤粉良好的流動性。

試驗期間將考察選取的煤樣進(jìn)行了顯微結(jié)構(gòu)分析和工業(yè)成分分析，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了不同貧瘦煤配比混煤的哈氏可磨性試驗、不同配比混合煤粉的爆炸性試驗、不同配比混合煤粉的最低著火溫度試驗等。通過考察噴吹貧瘦煤過程中的工況、主要的技術(shù)指標(biāo)以及經(jīng)濟(jì)效益的計算與分析，可以得出貧瘦煤適用于高爐噴吹，是一種優(yōu)良的煤種。通過以上試驗可得出如下結(jié)論：

a.從煤質(zhì)分析可以看出潞安貧瘦煤和鶴壁貧瘦煤都是低揮發(fā)分、低灰分、低硫的優(yōu)質(zhì)貧瘦煤，焦作無煙煤是一種低灰分、低硫的無煙煤，將此兩種煤粉混合噴吹是可行的。

b.隨著貧瘦煤在混煤比例中的增加，可磨性逐漸變好，在貧瘦煤不同的配比時，各種貧瘦煤對混合煤的可磨性的提高能力是不一樣的。

c.焦作無煙煤無爆炸性，潞安常村貧煤、漳村貧瘦煤、鶴壁四礦貧瘦煤、鶴壁六礦貧瘦煤都為弱爆炸性的貧瘦煤。隨著貧瘦煤配比的增加，混合煤的爆炸性逐漸有所升高，若貧瘦煤的混合比例不超過40%，其混合煤在制粉和噴吹過程中是不會出現(xiàn)爆炸性的。

d.以最低著火溫度為393℃的焦作無煙煤為基礎(chǔ)，隨著貧瘦煤的配比增加，最低著火溫度逐漸降低。

e.混煤噴吹有利于提高球磨機(jī)的生產(chǎn)能力，降低制粉能耗，此次試驗在嚴(yán)格限制球磨機(jī)產(chǎn)量的情況下，球磨機(jī)臺時產(chǎn)量最高增加了15%，在正常生產(chǎn)情況下，當(dāng)貧瘦煤混合比為30%時，球磨機(jī)產(chǎn)量可提高20%～30%；混煤粉在輸送和噴吹過程中性能優(yōu)良，說明該混合煤粉具有較好的流動性；混煤噴吹較原無煙煤噴吹更有利于提高噴煤量，降低焦比，提高置換比，4#高爐和5#高爐焦比分別下降了17.23kg/t鐵和8.44kg/t鐵，噴煤置換比分別提高了5%和7%。

（3）特點：與當(dāng)前國內(nèi)外同類技術(shù)主要參數(shù)、效益、市場競爭力的比較

我國高爐過去常噴吹無煙煤。對無煙煤的噴吹性能進(jìn)行研究表明，無煙煤具有固定碳高、熱值高、置換比高、安全性好等優(yōu)點以及著火溫度高、燃燒性較差、燃燒率相對低等缺點，且我國無煙煤儲量少，造成無煙煤供不應(yīng)求，價格持續(xù)升高。因此，全噴無煙煤將面臨著煤源缺乏、可選擇性差、燃燒率低以及爐內(nèi)未燃煤粉難消化等難題。目前我國噴吹無煙煤的高爐噴煤量少，效益不高，從而影響了無煙煤作為高爐噴吹用煤的效果與前景。貧煤、貧瘦煤與無煙煤相比具有著火溫度低、燃燒性好、可磨性（HGI）高、硫分低、發(fā)熱量高等優(yōu)點，由于其揮發(fā)分、燃燒率都比無煙煤高，所以吸熱量和要求的熱補(bǔ)償量比無煙煤多。如表1和圖1所示。

表1  無煙煤與貧煤、貧瘦煤的各項噴吹性能比較

 

圖1  無煙煤和高爐噴吹貧煤貧瘦煤的相關(guān)技術(shù)參數(shù)比較圖

  

1989年鞍鋼進(jìn)行了大量基礎(chǔ)研究，并對噴煤工藝進(jìn)行了全面的技術(shù)改造，解決了噴吹高揮發(fā)性煙煤的安全技術(shù)問題。1991年寶鋼引進(jìn)日本噴吹煙煤技術(shù)，從此噴吹煙煤的鋼鐵企業(yè)逐漸增加。研究和應(yīng)用實踐表明高揮發(fā)分煙煤爆炸危險性大，安全設(shè)施投入大，而且在噴槍頭及風(fēng)口管壁上易粘附結(jié)渣。因此，我國發(fā)展噴吹煙煤和無煙煤的混合煤。由于混煤比例和性質(zhì)是各個鋼鐵廠根據(jù)自己的高爐技術(shù)條件和原料條件確定的，沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，無法逐一比較。

國外高爐風(fēng)溫水平高，并且均具備一定程度的富氧，高爐提供熱補(bǔ)償?shù)哪芰?qiáng)，因此有條件噴吹高揮發(fā)分煙煤。其研究方向主要針對如何提高煙煤的利用效率。我國高爐的原燃料質(zhì)量和提供熱補(bǔ)償能力這兩方面均低于國外，沒有條件完全噴吹高揮發(fā)分煙煤。在研究開發(fā)方面，國內(nèi)外關(guān)于高爐噴煤的理論與技術(shù)研究主要集中在對無煙煤和高揮發(fā)分煙煤的性能研究領(lǐng)域。在已公開發(fā)表的文獻(xiàn)和專利中有噴吹粉煤和細(xì)鐵礦石的貧煤、貧瘦煤燃燒性能以及噴吹合理粒徑、噴吹過程常規(guī)燃燒和富氧燃燒研究成果、高爐回旋區(qū)狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型；噴吹粉煤和細(xì)鐵礦石的高爐回旋區(qū)狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型；高爐回旋區(qū)粉煤燃燒的理論分析；基于多相流概念的煉鐵高爐瞬時數(shù)學(xué)模型；模擬高爐回旋區(qū)噴吹粉煤流和粉煤燃燒的三維數(shù)值模擬；在熱空氣流中添加化學(xué)燃燒助劑對粉煤的熱解影響；高爐噴吹單粉煤燃燒效率的改進(jìn)及燃燒機(jī)理，以及采用氧擴(kuò)散控制燃燒率等問題；在試驗高爐上進(jìn)行風(fēng)口富氧和800～1000℃情況下粉煤噴吹燃燒試驗，以獲取粉煤的燃燒效率等等方面的研究。   

而在噴吹貧煤、貧瘦煤的研究方面，目前的研究主要集中在對貧煤、貧瘦煤的煤質(zhì)特性分析和市場前景分析兩方面，尚無針對高爐噴吹貧煤、貧瘦煤的系統(tǒng)研究。

本項目系統(tǒng)地研究了貧煤、貧瘦煤的顯微結(jié)構(gòu)、燃燒性能、輸送性能、安全性能，創(chuàng)建了高爐噴吹貧煤、貧瘦煤的系列集成技術(shù)，為高爐噴吹貧煤、貧瘦煤提供了完善的基礎(chǔ)技術(shù)數(shù)據(jù)，填補(bǔ)了高爐噴吹貧煤、貧瘦煤煤種中基礎(chǔ)技術(shù)數(shù)據(jù)方面的空白。系統(tǒng)地研究了貧煤、貧瘦煤噴吹安全行為研究，開發(fā)了高爐噴吹貧煤、貧瘦煤安全監(jiān)控系統(tǒng)，解決了高爐噴吹貧煤、貧瘦煤的安全瓶頸問題。創(chuàng)建了高爐噴吹貧煤、貧瘦煤風(fēng)口回旋區(qū)燃燒數(shù)學(xué)模型，可以系統(tǒng)地預(yù)測回旋區(qū)速度、溫度、一氧化碳濃度以及煤粉燃燒率，并在高爐上得到了實際應(yīng)用，可廣泛用于不同高爐噴吹貧煤、貧瘦煤確定噴煤指標(biāo)、優(yōu)化噴煤操作工藝，大量節(jié)省高昂的工業(yè)試驗費(fèi)用。開發(fā)成功了高爐噴吹貧煤、貧瘦煤的專用燃燒促進(jìn)劑?？萍疾樾卤砻?，以上研究國內(nèi)外尚無類同報導(dǎo)。

過去，在煤炭與冶金行業(yè)貧煤、貧瘦煤被認(rèn)為只宜用作動力煤，價格低廉。經(jīng)過本項目基礎(chǔ)研究開發(fā)，發(fā)現(xiàn)其是一種優(yōu)質(zhì)的高爐噴吹煤種，并且形成了完善的噴吹工藝和安全控制系統(tǒng)，因此得到冶金行業(yè)的廣泛歡迎。煤炭行業(yè)也由此得到了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。2006年僅潞安集團(tuán)生產(chǎn)貧煤、貧瘦煤590萬噸，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益11.1億元。由于貧煤、貧瘦煤的可磨性好，燃燒性好，爆炸性弱，制粉成本低，置換比高，安全設(shè)施投入少，因此冶金行業(yè)噴吹貧煤、貧瘦煤的效益優(yōu)于噴吹無煙煤與混合煤。自2003年以來潞安生產(chǎn)的噴吹煤共為冶金行業(yè)增加了50億元的效益。（圖2顯示了近三年武鋼、天鐵和鄂鋼采用貧煤、貧瘦煤高爐噴吹后新增經(jīng)濟(jì)效益情況。）

我國約有1500億噸的貧煤、貧瘦煤資源，冶金行業(yè)每年的噴吹煤需求量在6000萬噸以上，因此貧煤、貧瘦煤擁有巨大的市場競爭力。

 

圖2  武鋼、天鐵和鄂鋼采用貧煤、貧瘦煤后新增經(jīng)濟(jì)效益

（4）應(yīng)用情況

潞安礦業(yè)集團(tuán)1997年開始研究開發(fā)高爐噴吹貧煤、貧瘦煤技術(shù)以來，先后在鄂鋼、天津鐵廠、唐鋼、武鋼等企業(yè)進(jìn)行工業(yè)性試驗取得成功后，目前已在全國20余家鋼鐵公司大面積推廣應(yīng)用，并銷售到日本、韓國等國外的一些鋼鐵公司。

潞安貧煤、貧瘦煤儲量大，質(zhì)量穩(wěn)定，2006年生產(chǎn)煤炭3000余萬噸，可為高爐噴吹用煤提供穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。2002年——2006年潞安銷售噴吹煤產(chǎn)品1279.45萬噸，應(yīng)用該項技術(shù)，晉東南地區(qū)的郭莊煤礦、襄垣煤礦等地方煤炭企業(yè)也生產(chǎn)銷售貧煤、貧瘦煤產(chǎn)品。將低價位的煤變成了高附加值的產(chǎn)品，為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

鋼鐵企業(yè)推廣應(yīng)用高爐噴吹貧煤、貧瘦煤技術(shù)，大大降低了制粉能耗，有利于提高噴煤量，降低焦比，從而降低煉鐵成本。據(jù)測算，2006年全國高爐噴吹貧煤、貧瘦煤1156萬噸，每噸鐵節(jié)約成本70.95元，取得經(jīng)濟(jì)效益50余億元。通過高爐噴吹貧煤、貧瘦煤實踐表明，各項技術(shù)指標(biāo)滿足高爐噴吹的要求，并有利于控制環(huán)境污染，是一種理想的高爐噴吹用煤。

我國是煉鐵大國，年噴煤量持續(xù)快速增長，預(yù)計將達(dá)到每年6000萬噸。同時我國有約1500億噸的貧煤、貧瘦煤儲量，貧煤、貧瘦煤高爐噴吹技術(shù)產(chǎn)品的開發(fā)成功，為資源豐富的低價值煤帶來高附加值的巨大市場空間，通過技術(shù)的轉(zhuǎn)讓和輻射，對于我國節(jié)約焦煤戰(zhàn)略資源，實現(xiàn)煉鐵工業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高鋼鐵質(zhì)量，節(jié)能降耗具有重大的促進(jìn)作用。因此，該成果具有非常廣闊的推廣應(yīng)用前景。

發(fā)現(xiàn)、發(fā)明及創(chuàng)新點：（1）第一次對貧煤和貧瘦煤的理化性能、顯微結(jié)構(gòu)、噴吹性能以及輸送性能進(jìn)行全面的研究與分析，豐富了高爐噴吹用煤的技術(shù)數(shù)據(jù)；成功地將貧煤、貧瘦煤開發(fā)成為優(yōu)質(zhì)噴吹煤。

（2）首次系統(tǒng)地確定了貧煤、貧瘦煤爆炸行為參數(shù)，研究了煤比、富氧、風(fēng)溫等噴煤工藝因素對貧煤、貧瘦煤爆炸行為的關(guān)系，揭示了貧煤、貧瘦煤噴吹安全行為特征，開發(fā)了貧煤、貧瘦煤噴吹安全監(jiān)控平臺，形成了系統(tǒng)的貧煤、貧瘦煤噴吹安全控制技術(shù)。    

（3）采用紅外熱像等先進(jìn)的實驗手段，對貧煤、貧瘦煤在高爐內(nèi)的燃燒方式、常規(guī)燃燒以及富氧燃燒進(jìn)行了系統(tǒng)研究，首次揭示了貧煤、貧瘦煤噴吹燃燒特性。

    （4）首次建立了高爐噴吹貧煤、貧瘦煤煤粉在風(fēng)口回旋區(qū)的燃燒數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)了對不同成分、不同粒徑的貧煤、貧瘦煤煤粉在不同風(fēng)溫、煤比、富氧率條件下風(fēng)口回旋區(qū)的軌跡、速度場、溫度場、CO濃度場以及燃燒率進(jìn)行定量預(yù)測，為指導(dǎo)冶煉行業(yè)各種高爐噴吹貧煤、貧瘦煤操作和工藝優(yōu)化提供了技術(shù)手段。

（5）首次研制成功了提高貧煤、貧瘦煤煤粉燃燒效果的五種促進(jìn)劑，并在不同添加比例條件下對貧煤、貧瘦煤煤粉進(jìn)行了靜態(tài)燃燒、噴吹燃燒試驗以及爆炸性試驗進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

應(yīng)用情況：潞安礦業(yè)集團(tuán)1997年開始研究開發(fā)高爐噴吹貧煤、貧瘦煤技術(shù)以來，先后在鄂鋼、天津鐵廠、唐鋼、武鋼等企業(yè)進(jìn)行工業(yè)性試驗取得成功后，目前已在全國20余家鋼鐵公司大面積推廣應(yīng)用，并銷售到日本、韓國等國外的一些鋼鐵公司。

潞安貧煤、貧瘦煤儲量大，質(zhì)量穩(wěn)定，2006年生產(chǎn)煤炭3000余萬噸，可為高爐噴吹用煤提供穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。2002年——2006年潞安銷售噴吹煤產(chǎn)品1279.45萬噸，應(yīng)用該項技術(shù)，晉東南地區(qū)的郭莊煤礦、襄垣煤礦等地方煤炭企業(yè)也生產(chǎn)銷售貧煤、貧瘦煤產(chǎn)品。將低價位的煤變成了高附加值的產(chǎn)品，為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

鋼鐵企業(yè)推廣應(yīng)用高爐噴吹貧煤、貧瘦煤技術(shù)，大大降低了制粉能耗，有利于提高噴煤量，降低焦比，從而降低煉鐵成本。據(jù)測算，2006年全國高爐噴吹貧煤、貧瘦煤1156萬噸，每噸鐵節(jié)約成本70.95元，取得經(jīng)濟(jì)效益50余億元。通過高爐噴吹貧煤、貧瘦煤實踐表明，各項技術(shù)指標(biāo)滿足高爐噴吹的要求，并有利于控制環(huán)境污染，是一種理想的高爐噴吹用煤。

我國是煉鐵大國，年噴煤量持續(xù)快速增長，預(yù)計將達(dá)到每年6000萬噸。同時我國有約1500億噸的貧煤、貧瘦煤儲量，貧煤、貧瘦煤高爐噴吹技術(shù)產(chǎn)品的開發(fā)成功，為資源豐富的低價值煤帶來高附加值的巨大市場空間，通過技術(shù)的轉(zhuǎn)讓和輻射，對于我國節(jié)約焦煤戰(zhàn)略資源，實現(xiàn)煉鐵工業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高鋼鐵質(zhì)量，節(jié)能降耗具有重大的促進(jìn)作用。因此，該成果具有非常廣闊的推廣應(yīng)用前景。

經(jīng)濟(jì)效益：                                      單位：萬元人民幣
項目總投資額	280.00		回收期（年）	1.00
年 份	噴吹煤總銷量	平均單價	取得經(jīng)濟(jì)效益	其他
2004	239.54萬噸	299.76元/噸	24903.42萬元
2005	285.11萬噸	380.63元/噸	35885.88萬元
2006	590.60萬噸	423.35元/噸	111304.12萬元
2007	700.8萬噸	485.58元/噸	117821.01萬元
2008	695.4萬噸	824.73元/噸	301569.4萬元
累  計	2511.45萬噸		591483.83萬元

社會效益：貧煤、貧瘦煤高爐噴吹技術(shù)的研究成果對貧煤、貧瘦煤在高爐上的推廣應(yīng)用起到了巨大的促進(jìn)作用，為科學(xué)合理利用國家資源、提高煤炭企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和冶金企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)，促進(jìn)了煤炭行業(yè)和冶金行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。研究成果對于我國開發(fā)利用煤炭資源、調(diào)整煤炭產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，開拓煤炭應(yīng)用市場、穩(wěn)定高爐噴吹煤源、提高噴煤效益、降低焦炭消耗、減小環(huán)境污染，具有巨大的社會效益和環(huán)境效益。

獎勵情況：

獲獎時間	獲項名稱	獲獎等級	授獎部門（單位）
2004.3	貧瘦煤用于 高爐噴吹技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用	煤炭工業(yè)十大 科學(xué)技術(shù)成果獎	中國煤炭工業(yè) 技術(shù)委員會
2004.12	潞安煤用于 高爐噴吹技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用	特等獎	中國煤炭工業(yè)協(xié)會   中國煤炭學(xué)會
2005.02	潞安煤用于 高爐噴吹技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用	一等獎	山西省科技廳
2006.11	高爐噴吹貧煤、貧瘦煤 燃燒技術(shù)研究	一等獎	中國煤炭工業(yè)協(xié)會 中國煤炭學(xué)會
2006.12	高爐噴吹貧煤、貧瘦煤 安全行為研究及其應(yīng)用	一等獎	國家安全監(jiān)督管理總局
2007.12	貧煤、貧瘦煤 高爐噴吹技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用	二等獎	國家科學(xué)技術(shù)部

專利情況：“用于高爐噴吹的貧瘦煤的優(yōu)化處理方法”項目成功獲得國家專利號（中國  ZL200410030866.3）

 圖6-5 不同煤比下溫度對燃燒率的影響  圖6-6

 不同風(fēng)溫下富氧率對燃燒率的影響（煤比為200kg/t鐵）

圖6-5 不同煤比下溫度對燃燒率的影響  圖6-6

 不同風(fēng)溫下富氧率對燃燒率的影響（煤比為200kg/t鐵）

圖6-5 不同煤比下溫度對燃燒率的影響  圖6-6

 不同風(fēng)溫下富氧率對燃燒率的影響（煤比為200kg/t鐵）

圖6-5 不同煤比下溫度對燃燒率的影響  圖6-6

 不同風(fēng)溫下富氧率對燃燒率的影響（煤比為200kg/t鐵）

圖6-5 不同煤比下溫度對燃燒率的影響  圖6-6

 不同風(fēng)溫下富氧率對燃燒率的影響（煤比為200kg/t鐵）

不同風(fēng)溫下富氧率對燃燒率的影響（煤比為200kg/t鐵）

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