毕业设计(论文)含铁料直接喷吹技术的研究.doc
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1、含铁料直接喷吹技术的研究目 录1前言12 高炉喷吹物料及其演变趋势12.1高炉喷吹煤粉12.2 高炉喷吹焦粉12.3 高炉喷吹焦炉煤气22.4 高炉喷吹废塑料33 含铁物料直接喷吹技术43.1喷吹铁矿粉43.1.1 技术产生背景43.1.2目前有关高炉喷吹矿粉方面的研究成果53.2 喷吹护炉剂73.3 喷吹含铁粉尘83.3.1试验分析83.3.2 国内外成功的工业试验案例104 结束语10参考文献:11致 谢121前言高炉喷吹物料作为为高炉生产服务的一个辅助车间,它的作用是加入喷吹物料为高炉提供燃料。高炉喷吹物料的产生主要是由于高炉净焦冶炼铁成本较高,为降低高炉成本,合理利用低价原料的一种工艺
2、。2 高炉喷吹物料及其演变趋势2.1高炉喷吹煤粉高炉喷吹煤粉是从高炉风口向炉内直接喷吹磨细了的无烟煤粉或烟煤粉或这两者的混合煤粉,以替代焦炭起提供热量和还原剂的作用,从而降低焦比,降低生铁成本,它是现代高炉冶炼的一项重大技术革命 2。石油危机、环保和炼焦煤资源日益短缺等问题的出现,使得高炉喷煤不仅成为高炉调节的一项重要手段,还成了弥补焦炭不足的主要措施。就世界范围而言,高炉喷煤已成为高炉技术发展的必然趋势。全球的高喷煤比指标大多产生于20世纪90年代中后期。20世纪90年代初期,西欧德国、荷兰、英国部分高炉煤比已经达到或超过了200kg/t铁。随后亚洲日本也进入了高喷煤比的行列。公认的高炉喷煤
3、世界纪录是由日本福山厂3号高炉(3223m3)在1998年 6月创造的,当月的月均吨铁喷煤量为266kg/t,焦比289kg/t,喷煤率47.9%。3中国的高炉喷煤技术在20世纪70年代因其资源广、喷吹量大、时间长、效益显著,受到了国际钢铁界的关注,高炉喷煤普及率和喷煤量在世界上一度处于领先水平。90年代起,中国的一些高炉开始喷吹烟煤或混合煤。与此同时,重点企业高炉入炉品位上升,风温提高,原燃料条件逐步改善,新型煤粉喷吹工艺的形成和改善及高炉装备水平的提高,使得喷煤比指标不断刷新。1995年重点企业平均喷煤比仅为58.5 kg/t,到了上世纪末喷煤比翻了二番,达到118 kg/t。全国高炉喷煤
4、总量也在不断增加,1998年全国喷煤总量为750万t,2001年喷煤总量为1360万t,2002年为1400万t。1999年6月,宝钢1号高炉月均喷煤比为260.6kg/t,喷煤率51%,是至今中国大型高炉月度喷煤的最好记录。42.2 高炉喷吹焦粉煤炭的高效清洁利用是目前煤化工研究的热点,其方法之一就是将煤炭热解,分别得到热解气、热解焦油和热解焦,从而提高煤炭的利用率,提升其经济价值。为了解决煤热解产生的半焦的利用问题,煤化工学者提出了高炉喷焦这一路5。中国的高炉大多喷吹无烟煤或无烟煤与烟煤的混煤。无烟煤无爆炸性、置换比较高,但反应性差,影响喷煤比的提高。烟煤包括高挥发分和低挥发分两种,高挥发
5、分烟煤反应性高、燃烧性好,但其置换比较低,挥发分较高,具有较强的爆炸性,因此不宜单独喷吹;低挥发分烟煤反应性比无烟煤好,有微弱爆炸性,但与高挥发分烟煤相比爆炸性要小得多,且置换比也比高挥发分烟煤高。半焦是煤热解的产物,半焦化过程中挥发分降低,热解水及内在水分被去除,固定碳含量、热值以及反应性均得到提高,反应性变好。此外,半焦的可磨性指数比煤高,有利于降低制粉的动力消耗;半焦的着火点比煤高,有利于提高喷吹系统的安全性;半焦的硫含量比煤低,有利于高炉喷吹。以上理论分析均表明半焦能够满足高炉喷吹用煤的技术要求,是一种理想的高炉喷吹原料。实践中,王雅军6等进行了喷吹低温半焦的实验室研究,通过对三种低温
6、半焦进行煤质分析、可磨性测试、爆炸性测试以及燃烧性测试得出如下结论:(1)该研究的低温半焦挥发分含量可达到2021的水平,能满足高炉喷吹的最佳成分要求,且具有低灰、低硫、高发热值等特点,是高炉喷吹的一种优质煤种。(2)低温半焦的可磨性能可满足喷煤制粉的要求,其HGI值高于现用无烟煤。(3)低温半焦属于弱或中等爆炸性煤种,可单独用于新系统;或添配无烟煤用于老系统。(4)低温半焦的燃烧性能良好,单种煤燃烧性能接近目前生产用烟煤,比无烟煤高30以上。吴平生7等研究了无烟煤焦在高炉喷吹中的应用,结果表明:所研究煤焦燃烧特性优于常用无烟煤,低位热值与无烟煤接近,可磨性较低,需与可磨性好的喷吹煤混合制粉才
7、能满足高煤比制粉的要求。工艺上,该煤焦可部分替代无烟煤在高炉中的使用,在高炉喷吹实践中配入该煤后,高炉各项操作指标表现良好,具有较高的理论置换比,可有效替代焦炭的部分作用。焦阳8等对兰炭作为酒钢高炉喷吹用煤的可行性进行了实验,结果表明:酒钢使用的新疆兰炭具有硫含量比较低、高炉喷吹不结焦和燃烧性能良好等优良特性,尽管灰分含量略高,氢含量略低,但仍处在高炉正常冶炼可以接受的范围之内。因此,兰炭块煤和兰炭粉煤作为酒钢高炉喷吹用煤可以满足高炉正常冶炼的需要。2.3 高炉喷吹焦炉煤气高炉喷吹焦炉煤气是指将来自焦化厂的焦炉煤气经过净化处理后,加压使其压力高于高炉的风口压力,然后利用喷吹设施,通过各个风口直
8、吹管喷入高炉,该工艺技术可靠、简单易行。焦炉煤气属于氢系还原剂,在高炉内经燃烧和分解反应,为高炉提供热量和还原剂,用于高炉可替代一部分焦炭。与碳系还原剂相比,焦炉煤气在还原铁矿石时产生的是水而非CO2,所以更有利于减少CO2的排放。美国等发达国家已开征碳税,中国也拟于近期开征企业碳税,在这种形势下,实施高炉喷吹焦炉煤气不仅可以充分发挥煤气中H2的价值,提高能量利用率,通过节焦产生一定的经济效益,同时也起到减排CO2的作用。高炉喷吹焦炉煤气最大的问题就是焦炉煤气的来源,焦炉煤气作为一种优质的燃料在钢铁厂普遍存在供应紧缺的现象。中国存在着大量独立的焦化厂,每年产生的大量焦炉煤气都存在直接燃烧排放的
9、现象,将这部分焦炉煤气就近引至现有的钢铁企业用于高炉喷吹有着巨大的经济效益。近年来随着燃料价格的上涨以及焦炉煤气产量的增加等,越来越多国内的钢铁企业开始关注焦炉煤气利用途径的研究。2010年承德钢铁公司率先在450m3高炉上进行了高炉喷吹焦炉煤气的工业级实验,取得了良好的效果,减少了CO2的排放,同时消除了焦炉煤气的放空燃烧,提高了能源利用率。2.4 高炉喷吹废塑料废塑料具有较高的碳含量和氢含量,传统的掩埋和焚烧处理不但造成了严重的二次污染,而且浪费了大量的可利用资源。高炉喷吹废塑料技术由德国人于1995年率先开发成功,它综合利用了废旧塑料的高热值和化学能。废塑料粒子进入高炉后,在炉内高温和还
10、原性气氛的作用下,气化为H2和CO,这些还原性气体在随炉内热风上升的过程中作为还原剂,将铁矿石还原成铁。该技术真正实现了变废为宝,从根本上解决了传统废旧塑料的处理方法所带来的二次污染问题,具有广阔的市场前景和良好的社会经济效益。9国外废塑料的高炉喷吹技术已经开发成功,并成功运用到高炉炼铁生产中。德国不莱梅钢铁公司率先于1994年对高炉喷吹废旧塑料技术进行了小规模试验,并于1995年6月建成了世界上第一套高炉喷吹废塑料设备,喷吹能力为7万t/a。该高炉喷吹废塑料技术中,混合废旧塑料经回收、清洗、分选、除去有害物质等步骤后再破碎造粒,得到粒度90%的颗粒,最后按与重油1:1的比例用于高炉喷吹。混合
11、塑料中主要有聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)以及少量聚氯乙烯(PVC),所以使用前必须先对废塑料进行脱氯处理。该工艺每月喷吹的废旧塑料可替代约3000t重油,不仅极大的降低了生产成本,而且节约了大量不可再生的石化能源。国内外关于高炉喷吹废塑料的研究结果均表明:该技术对用于喷吹的废塑料中氯含量有着严格的要求,且对废塑料颗粒有一定的粒度要求。粒度过小,容易阻塞喷枪,喷枪枪口与风口高温区接触,其温度也相当高,如果废塑料的粒度很小,则可能在进入风口前就已经在喷枪内软化,粘结在喷枪内壁,严重时堵死喷枪;粒度过大,则塑料的表面积较小,与热空气的接触表面相对较小,在进入风口前可能会出现反应不充分的现象,导致燃
12、烧效果不好,从而影响到塑料的燃烧率和还原效果。10高炉喷吹废塑料的工业实践数据表明:废塑料完全可燃料化用于高炉喷吹,其能量利用率高达80%,同时有害气体二噁英和呋喃等剧毒物质的排放量仅为焚烧处理的0.1%1%。国内目前高炉喷吹废塑料技术还处于理论研究阶段尚无工业化技术产生,但其作为高炉喷吹燃料技术的一个新动向,尽管目前还处于起步阶段,但已显示出其广阔的发展前景。3 含铁物料直接喷吹技术3.1喷吹铁矿粉3.1.1 技术产生背景高炉喷吹铁矿粉技术二十世纪 80 年代始于日本,其最初目的是使生铁降硅, 后来则作为在高风温、高富氧条件下确保高炉顺行、强化生产的一项重要而灵活的调剂手段。实际生产中所喷吹
13、的铁矿粉是广义的, 既有精矿粉、富矿粉,又有烧结矿、球团矿的粉末,还有高炉、转炉炉尘及炉前、料仓的除尘灰等。因此,该项技术在强化生产、综合利用资源、消除污染及调剂炉况等方面有重要意义。所喷的含铁粉料在炉缸内完成熔态还原,可以促进富氧喷煤,进而强化高炉生产。这一技术措施是传统高炉冶炼工艺与近年来兴起的熔态还原技术的结合点。炼铁界把近年来在熔态还原研究中取得的成果单元性地应用于高炉冶炼 ,使之在节焦、增产两方面均有所突破。我国首钢先后于1991年和1992年,分别在19m3和576m3高炉上进行了喷吹铁矿粉工业试验,并获得成功11。喷吹用铁精矿粉的理化性能见表1。喷吹介质为压缩空气, 使用煤氧喷枪
14、。表 1 喷吹用铁精矿粉的理化性能 %当全焦冶炼、不富氧时,在19m3小高炉上进行喷吹试验。试验结果表明:随着喷吹铁矿粉比(10-26 kgt)的增大,铁水含硅量基本呈下降趋势,且下降幅度趋向增大,Si平均下降0.039%-0.424%,铁水温度也明显下降,大部分处1420-1480 ,比不喷吹铁矿粉时约降低 20-40。当富氧率为2.67%、煤比为80 kgt 及高风温(1066-1071)时,在576m3高炉的两个风口上进行了喷吹铁矿粉试验。结果表明:炉况一直顺行,(FeO)增高、平均Si有所降低。喷吹精矿粉使Si降低的原因有二:一是铁矿粉喷入炉缸后必然造成(FeO)含量增加、氧势增强,由
15、反应:Si + 2(FeO) = (SiO2) + 2Fe 而使Si下降;二是由于常温铁矿粉由常温空气喷入炉缸,升温、降温、分解和直接还原均需要吸热, 吸收的都是炉缸热量。如无热补偿措施,然导致风口前理论燃烧温度和渣铁温度下降,即使Si下降。在热补偿措施中,提高风温时其热能利用率为100%,喷吹煤粉时为60%,而增加焦炭的热能利用率仅为40%。德国也在高炉上进行了喷吹含铁工业细粉尘的试验12。在喷煤量为600kg/h、细矿粉喷吹量为600kg/h时,取得了高炉操作保持稳定顺行的结果。高炉喷吹铁矿粉是一项新兴的、具有多方面功能的新技术,它可作为高炉热制度的一种机动而灵活的调剂手段。如当炉温偏高、
16、转热或热难行时,可以此手段来调剂,它比降风温、停喷煤或增加焦炭负荷更经济、更及时和更有效。3.1.2目前有关高炉喷吹矿粉方面的研究成果(1)喷吹矿粉的可行性由于可用于炼焦的优质煤日趋枯竭 ,新建焦炉的成本又大,所以向高炉喷吹廉价的烟煤已经被广大的炼铁工作者所接受,然而喷煤使得炉腹的煤气量增加,同时使矿焦比增大,导致料柱透气性变差。为了解决这两个问题,人们采用了富氧(同时又提高了煤粉的燃烧率),富氧的结果使炉缸过热 ,同时可引起高炉产生热悬料。在这种情形下,从风口喷入铁矿粉就成为高炉顺行的必要手段。据测算,其吸热效果约为同重量煤粉在炉内加热及热分解所吸热量的两倍。 喷矿的实质是铁氧化物高温分解,
17、产生的氧相当于提高了鼓风富氧率。测算结果表明,喷矿70kg/t,相当于提高富氧率1%。喷矿不仅仅是为了上述原因,为了下个世纪高炉生产能取得较大突破,目前已作为一种强化生产的手段。在炉缸内,随着喷矿比的逐渐增大,炉缸的温度会随之逐渐降低,甚至会降到正常水平以下,这就有了一个为了维持高炉正常生产的热补偿问题。(2) 热补偿的判据一般认为 ,若回旋区内焦炭温度与全焦操作时基本相同,即实现了热补偿。人们把回旋区内焦炭温度Tc和火焰温度Tf的比值Tc/Tf=0.75作为回旋区是否达到热补偿的依据。依此为据,人们进一步分析了在各种条件下高炉喷吹矿粉量的上限。(3) 各种条件下高炉喷吹矿粉量的上限在回旋区获
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