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高炉喷煤新技术煤粉预热技术研究及工业应用新进展王宏强长治方圣喷吹技术有限公司舞钢中加钢铁有限公司目录高炉操作者关心的问题煤粉燃烧行为研究煤粉预热技术的由来煤粉预热技术的研发及应用结论高炉操作者关心的问题降低综合燃料比是每个高炉操作者的追求，尽可能的多喷煤，提高置换比是降低生铁成本的重要措施。一般的高炉置换出160Kg焦/吨铁是一个适中的水平。高炉操作者关心的问题如果喷吹量进一步提高，高炉操作者会观察到如下现象：1、透气性下降2、置换比下降3、除尘灰量增加4、除尘灰含炭量增加5、炉况稳定性变差高炉操作者关心的问题一般要采取的措施1、提高风温。（受到热风炉的限制）2、提高富氧率。（受到氧气资源的限制）3、改善焦、煤、矿的质量高炉操作者关心的问题除了采取以上的措施以外，是否还有其它的措施能有利于高炉燃料比的降低呢？我们从助燃空气与煤气预热后燃烧（板式换热器）实现高风温中得到启示：煤粉预热后喷吹也可以提高燃烧温度，是否也可以降低燃料比呢？煤粉燃烧行为研究我们不妨从煤粉喷入直吹管开始研究煤粉的燃烧过程：为便于研究煤粉从喷枪吹出到回旋区的燃烧过程，可将直吹管、风口和回旋区分为两个阶段：第一节段为喷枪出口到风口出口；第二节段为风口出口到回旋区外边界。煤粉燃烧行为研究第一段：煤粉在离开喷枪口后，在热风的携带下以每秒150~200米的速度喷向回旋区，在这个区间，煤粉被1100~1250度的热风高速加热并湍流流动，煤粉的脱气和快速热分解几乎同时进行。煤粉燃烧行为研究杨永宜、杨彦慧教授1985年对从鞍钢九号高炉和首钢二号高炉风口前回旋区取出了经过部分燃烧的煤粉试样进行研究的结果表明：煤粉离开喷枪刚进入直吹管就开始了挥发份的挥发和燃烧反应。进一步的研究表明，在喷枪口距风口尖端距离为380mm的条件下，粒度小于58μm的煤粉可以在直吹管内着火，大于58μm的煤粒要进入回旋区后才着火。煤粉燃烧行为研究曾经一个大胆的想法一直困扰着我：高炉喷煤能否喷出的是火，煤一出来就燃烧呢：为此，我就想能否把煤直接喷入热风总管，让热风围管当做一个大的分配器，直接让高炉的热风来把煤粉预热，当我们从窥视孔看到的是预热后燃烧的煤粉呢？煤粉燃烧行为研究↓煤粉从此喷入煤粉燃烧行为研究鉴于以上的想法，笔者于2006年在中加1#高炉上做过一次试验：原喷枪口距风口前端部250mm，试验将10根喷枪在直吹管上的位置往后移300mm，延长喷枪口距风口尖端的距离到550mm图二原喷枪装置图图三改造后的喷枪装置图积瘤区煤粉燃烧行为研究但意想不到的结果出现了：生产过程中，就在喷枪出口100mm的位置慢慢的长出像树皮一样的东西，并且慢慢的生长，长大到鸡蛋大后影响煤粉及鼓风通道。试验被迫终止，喷枪又恢复原状态。煤粉燃烧行为研究后经过对瘤取样分析，其成分和煤粉的灰分基本一致，这说明是煤粉在直吹管里燃烧的残留灰份软熔后结到喷枪前的吹管里的。出现结瘤现象是由于煤的灰熔点低的原因造成，如果灰熔点高于直吹管内的温度，燃烧产生的灰分就会随鼓风吹到炉内的。但这个试验验证了煤粉确实会在直吹管里燃烧。煤粉燃烧行为研究这一现象还说明，只要喷枪口距风口前端部的距离足够，煤粉在离开喷枪到达风口前端前，不仅有挥发分的燃烧，而且有碳颗粒的燃烧。结瘤的速度较缓慢，说明在吹管里仅有少量的碳颗粒煤燃烧，更多是析出的挥发份的燃烧。这一现象彻底否定了我把喷煤变成喷火的想法。也打消了我想依靠原高炉自身设备把煤粉预热的想法。煤粉燃烧行为研究第二节段：煤粉离开风口后，较大颗粒煤粉保持其初始喷射方向向回旋区底部方向流去，小颗粒煤粉质量惯性小，在流场湍流和热力作用影响下偏离初始喷射方向向上回旋。煤粉燃烧行为研究煤粉在回旋区受热后大量的挥发份析出并着火燃烧，氧气含量下降，生成大量的CO2，燃烧释放的热量使回旋区温度迅速升高，同时析出挥发份后的固定碳颗粒继续与回旋煤粉燃烧行为研究区剩余的高温氧气和CO2反应，生成或还原成CO，小粒径与大粒径煤粉相比其面积与体积比更大，与高温氧气有更多的接触面积，预热时间短，挥发份析出与燃烧速度更快。1000~1200煤粉燃烧行为研究这是高栋栋的对煤粉在回旋区燃烧二维模拟的结果：图五图五不同粒径煤粉喷吹条件下燃烧区不同位置挥发分含量煤粉燃烧行为研究这一模拟结果表明，进入回旋区的煤粉颗粒愈小，挥发份析出的时间愈早速度亦愈快，析出终点愈靠近风口高氧浓度区。同时也模拟出大量的煤粉挥发份在回旋区析出的开始点与结束点。煤粉预热器技术的由来多数冶金工作者在熟知富氧率、风温、煤粉的粒度及喷煤量对煤粉的燃尽率的影响外，还有什么措施能改变或者是影响煤粉在喷枪出口到回旋区的燃烧行为呢？学者们提出煤粉预热的概念。煤粉预热器技术的由来最早由巴西EscoladeMinasUFOP公司开发了一种类似高炉风口的实验装置，采用三种煤粉混合喷吹并在喷吹前对煤粉进行预热的方式，在实验室装置上进行了反复实验。得到如下数据：表一:不同挥发份煤粉预热前后燃烬率的变化：煤粉预热器技术的由来项目8.7%挥发分27.1%挥发分18.9%挥发分预热前（25℃）58.574.172预热后（250℃）67.582.984.1比较+9+8.8+12.1煤粉预热器技术的由来根据实验结果，得出如下结论：“目前在业界尚未广泛采用的在喷吹前对煤粉进行预热，以及三种煤混合喷吹的工艺对提高煤粉燃烧率，从而优化喷煤技术是可行的。”但遗憾的是随后多年没有再看见这家公司对煤粉预热技术相关的研究成果或者工业应用实例。2005年，方圣喷吹技术公司开始追踪并研究煤粉预热技术。煤粉预热技术的研发与应用2005年开始关注并研究2006.4第一代煤粉预热器研制成功2007.7中加钢铁3#高炉2013.3第二代煤粉预热器研制成功2014.10与南京工业大学、华中科技大学、潞安矿务局合作煤粉温度150℃中加钢铁1#2#高炉煤粉温度250℃自主研发2016.6中加钢铁3#高炉煤粉温度280℃进一步提高热效率2020年煤粉预热研发十年历程第三代煤粉预热器研制成功煤粉预热技术的研发与应用2006年，方圣公司在与华中科技大学合作完成煤粉预热爆炸性试验的基础上，与南京工业大学、潞安矿务局合作完成煤粉换热器单元的理论基础的研究，最后由方圣公司完成预热系统总工艺设计与设备的研制，将煤粉预热的概念变为工业应用的现实。2007年7月，由方圣公司研制的第一套煤粉预热装置在舞钢中加钢铁公司3#高炉投入工业应用。煤粉预热技术的研发与应用该技术是基于分离式热管的原理，在喷煤制粉系统的烟气升温炉与磨煤机之间切入煤粉预热系统的吸热子模块---蒸发器，蒸发器吸收热量后产生的高压蒸汽远程送至煤粉换热器实现与煤粉的换热。高压蒸汽液体加热器煤粉预热技术的研发与应用这套预热系统可将煤粉稳定预热到150℃，至2016年4月运行七年，中间更换过一次补偿器。它的优点是体积小便于布置，由于是热媒换热，操控非常方便。但由于热媒压力高，补偿器的耐压性能是限制环节。预热温度150℃往上比较困难。粉预热技术的研发与应用用该种形式的预热器，预热后煤粉的能达到的温度与喷煤量的大小影响很大；“在其它条件相同时，喷吹煤粉质量流量越大，煤粉升温越慢，并且最终预热温度越低。蒸发器产生的蒸汽压力越高，单位体积蒸汽携带的焓值越高，煤粉加热的温度就越高。煤粉输送浓度越高，输送单位质量煤粉所消耗的气量越少，煤粉最终预热的温度就越高。粉预热技术的研发与应用从以上结论可以看出第一代预热器有三个个制约环节1、要想获得更高的煤粉温度就需要有更高的蒸汽压力，为了安全，预热元件上必须带的膨胀节就需要选择能承受1.5倍的蒸汽压力。当蒸汽压力选择4Mpa时，煤粉可预热到170度。必须选择高于6Mpa以上的膨胀节，这无论从成本和制作上都存在困难。粉预热技术的研发与应用2、煤粉预热温度在150度，其中的水分还不能完全挥发掉。3、高炉喷吹煤量大时，换热效率会降低。加热不均匀，容易出现中间黑心的现象。不利于向大高炉推广。粉预热技术的研发与应用粉预热技术的研发与应用要想把煤粉预热到更高的温度，需要研发新型预热系统思考1、烟煤的着火点：368℃；无烟煤的着火点：380℃煤粉预热的温度控制在着火点以下保证喷吹系统的安全。思考2、能否考虑用最简单的方式直接用煤作为工质去吸热，尽最大可能提高热效率，把煤粉全预热到200度以上？思考3、适应大型高炉对大喷煤量预热的需求。煤粉预热技术的研发与应用（第二代预热器的研发）方圣公司再次投入新的研发。2014年，方圣公司的第二代煤粉预热器在中加钢铁1#、2#高炉投入工业应用（两个炉喷煤系统合用一套预热器），煤粉温度预热到250℃。煤粉预热技术的研发与应用图七：第二套煤粉预热器工艺流程图煤粉预热技术的研发与应用第二套预热系统工控画面煤粉预热技术的研发与应用第二套煤粉预热系统现场安装画面煤粉预热技术的研发与应用耐高温阀门耐磨球面活接耐高温配器煤粉预热技术的研发与应用这套预热系统同样是利用磨煤用的升温后的热风炉废气作热源，以煤粉直接作为换热工质，通过特殊设计的换热系统实现热交换。从2014年10月投入至今，经过不断的完善与改进、运行，最终破解了系统的保温、耐高温阀门、温度控制与连锁等技术难题，预热系统设备进入稳定运行状态。煤粉预热技术的研发与应用图九250℃时煤粉取出即自燃图十煤粉取样冷却装置250度煤粉预热然后与氧燃烧过程.mp4预热后取出的煤粉样煤粉预热技术的研发与应用（第三代预热器的研发）第二代预热器在经过一年的运行后，我公司技术人员再次对预热器的热效率提出新的挑战。提高热效率，主要从影响热效率的几个因素着手进行研究，比如:保温、烟气炉煤气的燃烧效率、预热器的设计影响热交换效果等。2016.4月，研制出第三代预热器。中加钢铁公司决定将第三代预热器替代安装在3#高炉的第一代预热器，于2016年6月10日安装完成，6月16日投入运行。煤粉预热技术的研发与应用（第三代预热器的研发）第三代煤粉预热器安装现场煤粉预热器煤粉预热技术的研发与应用（第三代预热器的研发）竣工投产仪式煤粉预热技术的研发与应用（第三代预热器的研发）煤粉温度267℃中加钢铁3#高炉2016.6月份第三代预热器投用前后高炉生产指标变化高炉配煤结构为：（60%神木煤+40%焦作煤）煤粉预热技术的研发与应用（第三代预热器的研发）日期煤比Kg焦比Kg燃料比风温℃入炉品位硅含量煤粉温度℃℃℃备注2016.6.1~16149390539119354.430.3840预热器未使用2016.6.17~30154379533119554.270.36227预热器使用变化5-11-62-0.16-0.021879.12~9.18160353513116056.310.34244预热器使用煤粉预热技术的研发与应用从以上数据表可以看出，6月份在煤比增加5公斤，入炉矿品位、风温等重要影响因素变化不大的情况下，高炉燃料比下降6KG/T。进入9月中旬，入炉矿品位提高2%，煤粉温度提高17℃，风温下降30℃的情况下燃料比降低20G/T，说明煤粉在预热后喷吹进高炉内，燃烬率大幅提高。根据生产中对预热器前后煤粉取样监测数据表明，煤煤粉预热技术的研发与应用粉预热到250℃后喷吹，在喷枪前水分已经完全脱尽，少量挥发份析出，但多数挥发份处于临界析出状态。煤粉一离开喷枪，即刻有大量的挥发份析出并燃烧。由于挥发份的提前燃烧使回旋区边界温度快速升高，小颗粒的煤粉也提前燃烧。这一现象证实了河北联合大学刘然、王杏娟等对无烟煤和烟煤进行不同预热温度后煤粉的热差分析及燃烧率测定的结果。煤粉预热技术的研发与应用（第三代预热器的研发）第三代煤粉预热器的特点：1、采用模块化设计方案，更适合于大中型高炉的工业应用。2、传热元件的优化和一体化的保温方案应用使预热器传热效率提高20%；3、智能大数据采集、传输及后台分析、监控服务技术的应用。结论1、煤粉在喷枪前预热到250℃，一出喷枪即刻燃烧，小颗粒煤粉（＜50μm