新型高炉喷煤模拟燃烧实验装置设计

新型高炉喷煤模拟燃烧实验装置设计张建良1)　黄冬华1,2)　张曦东3)　常　健1)1)北京科技大学冶金与生态工程学院,北京100083　2)北京科技大学期刊中心,北京1000833)钢铁研究总院冶金工艺研究所,北京100081摘　要　设计了一种适合模拟高炉喷煤燃烧的实验装置,满足热风既高温又高速的煤粉喷吹条件,可以模拟氧气高炉条件下的煤粉喷吹.喷吹瞬间流场的数值模拟结果表明,当喷吹气体速度达到最大值时,直吹管气体平均速度为162135m ・s -1.利用该装置研究了氧气高炉条件下煤粉的燃烧规律.结果表明:煤粉的燃烧率随O/C 原子比的增加而增加;在低O/C 原子比条件下,煤粉的燃烧率较低,但其增幅比较明显;无烟煤的燃烧率低于烟煤.关键词　喷煤;实验装置;煤粉燃烧;高炉分类号　TF 53816+3Design of an experimental device to simulate coal injection in blast f urnacesZHA N G Jian 2liang 1),HUA N G Dong 2hua 1,2),ZHA N G Xi 2dong 3),CHA N G Jian 1)1)School of Metallurgical and Ecological Engineering ,University of Science and Technology Beijing ,Beijing 100083,China 2)Journals Publishing Centre ,University of Science and Technology Beijing ,Beijing 100083,China 3)Metallurgical Technology Institute ,Central Iron &Steel Research Institute ,Beijing 100081,ChinaABSTRACT An experimental device was designed to simulate coal injection in blast furnaces.The device meets the need of coal in 2jection with high temperature and high speed by hot air ,and it can be used to simulate coal injection in a nitrogen 2free blast furnace.Numerical simulation of the flow field in the device at the injection moment was performed.The results show that when the velocity of injected air reaches the maximum ,the average velocity of air in the blow pipe is 162135m ・s -1.The combustion regularity of pul 2verized coal was investigated using the device.The results show that the burning rate of coal increases with an increase in O/C atomic ratio.In the low O/C atomic ratio range ,the burning rate of coal is comparatively low ,but it increases more rapidly compared to that in the high O/C atomic ratio range.The burning rate of anthracite is lower than that of bituminous coal.KE Y WOR DS coal injection ;experimental device ;combustion of pulverized coal ;blast furnace收稿日期:2008201222作者简介:张建良(1965—)男,教授,博士生导师,E 2mail :jl.zhang @ 研制模拟高炉直吹管内煤粉燃烧的实验装置,一直是高炉炼铁工作者渴望解决的课题.由于高炉的热风温度很高,热风在直吹管又处于高速运动的湍流状态,使得煤粉一旦喷入直吹管中即被迅速加热,加热速率高达103～106℃・s -1,且在直吹管中停留时间很短,只有10ms 左右,因此要想在实验室模拟高炉喷煤这种高温、高速的煤粉燃烧状况极为困难.目前国内采用两段电加热的方法模拟高炉喷吹[1-2],即先采用电阻炉将空气加热到900℃左右,再由硅碳管炉将热风进一步加热到1100℃左右,并在硅碳炉1500℃左右的高热环境中喷入煤粉,进行煤粉燃烧的研究;其最大不足是难以实现热风既高温又高速的要求.过多的冷风使热风温度难以达到起码的要求,要使热风温度达到1100℃左右,风量就不能太大,导致反应管内气流不能达到湍流状态[3],且煤粉在反应管内的燃烧时间较长,不能反映出煤粉在直吹管内与热气流强烈的热量、动量和质量交换.如果缩小反应管直径勉强达到湍流状态,也会由于反应管太细、煤粉燃烧空间太小而使模拟失真.可见这类装置的关键问题是冷风与加热元件的热交换能力较差,且这种实验装置每次试样用量大,耗时较长.第31卷第5期2009年5月北京科技大学学报Journal of U niversity of Science and T echnology B eijingV ol.31N o.5May 2009澳大利亚的BHP 公司从1981年开始研制高炉喷煤模拟装置[4],经过改进达到中试规模,用功率150kW 的等离子焰炬可将950℃热风加热至1300℃,但能耗高,体积庞大,不适合小型实验室使用.文献[5-6]模拟煤粉燃烧的实验装置,实验过程为煤粉被连续喷吹的一次风输送,然后与二次热风相遇并燃烧,结构和原理与两段式燃烧炉相似,但不是用来模拟高炉喷煤.为了深入研究高炉内喷吹煤的燃烧效果和影响因素,杨天钧和K orthas 在德国亚琛工业大学开发出适合实验室使用的卧式高炉喷煤模拟燃烧实验装置[7].其特点是变连续喷吹为脉冲喷吹,热风在实验前达到指定温度,煤粉用量由kg 级变为mg 级.本文在此基础上进行了改进,开发出新型高炉喷煤模拟燃烧实验装置.1　实验装置原理卧式高炉喷煤模拟燃烧实验装置原理如图1所示[7].新型高炉喷煤模拟燃烧实验装置原理如图2M —电磁阀;V —预热炉;I —高温燃烧炉;P —压力表;E —样品加入口;F —气渣过滤层;K —冷却器图1　卧式高炉喷煤模拟燃烧实验装置Fig.1　Experimental device for horizontal PCI combustion simula 2tion图2　新型高炉喷煤模拟燃烧实验装置各系统关系Fig.2　Relationship between various systems in the novel PCI simu 2lation experimental device所示,由主体设备、电控制系统、气体分析仪和计算机数据监测系统四大部分组成,实验装置实物见图3.该实验装置实现了热风高温高速的条件,实验操作过程基本实现自动化,且占地面积小,实验样品用量少.实验操作者可通过计算机对电控制系统发出指令,由电控制系统控制主体设备中的电炉升温、反应管充气和煤粉瞬间喷吹等动作;主体设备的实验参数同时被计算机采集;煤粉的喷吹和燃烧瞬间完成后,产生的废气被自动收集到集气瓶中,然后进入气体分析仪;气体分析仪测出的废气成分数据被计算机采集.主体设备由低压部分和高压部分组成,如图4图3　新型高炉喷煤模拟燃烧实验装置实物Fig.3　Novel PCI simulation experimentaldeviceM —电磁阀;V —预热炉;I —高温燃烧炉;P —压力表;E —样品加入口;F —气渣过滤层;K —冷却器图4　主体设备原理图Fig.4　Schematic of main devices・436・北　京　科　技　大　学　学　报第31卷所示.低压部分包括低压一段～低压四段,分别对应图5所示高炉风口及风口循环区的1～4位置.低压一段可将气体加热至高炉热风的温度.低压二段相当于喷煤枪,此处的煤粉被高压部分喷出的气体瞬间喷入低压三段.低压三段模拟风口区,在这里煤粉和热风混合、燃烧.之后煤粉进入高温区域,也就是相当于风口循环区的低压四段,残碳与氧进一步燃烧.煤粉在低压四段燃烧所产生的废气,经一个耐火纤维过滤,最后进入集气瓶.图5　高炉风口及风口循环区示意图Fig.5　Schematic of the tuyere and tuyere cycling zone of a blast fur 2nace2　喷吹流场的数值模拟利用CFX 对该实验装置喷吹瞬间进行模拟.采用壁面函数法,湍流流动核心使用高低雷诺数均适用的k -ω模型,而在黏性层内不布置任何节点,把第1个与壁面相邻的内节点布置在旺盛的紊流区内,也就是说与壁面相邻第1个控制容积取得较大.k 、ω和μ由经验公式来确定.此次模拟没有入口和出口,系统内最初存在的压力差,造成气体的瞬间急剧流动,流动经过煤粉,推动煤粉向与气体流动相同的方向流动,气体没有出口,由右侧的密闭容器收集.不计气体的表面张力,忽略气体的黏度.设定整个装置的初始状态如下:高压段气体压力为0150MPa ,低压段气体压力为0135MPa ,集气瓶压力接近真空如图6所示.经模拟计算,当喷吹气体速度达到最大值时,直吹管气体平均速度为162135m ・s -1,气体速度分布如图7所示.模拟结果表明,0115MPa 的压差可以使气体产生一个很大的速度,在瞬间搅动气体,而膨胀搅动的气体推动管内的煤粉运动.图6　新型高炉喷煤模拟燃烧实验装置的初始压力分布Fig.6　Initial pressure distribution of the novel PCI simulation ex 2perimental device图7　喷吹瞬间气体的速度分布Fig.7　Velocity distribution of air in the device at the injection mo 2ment3　高炉喷煤模拟燃烧实验实验采用无烟煤和烟煤,粒度小于01074mm ,其化学成分见表1.考察煤粉在氧气高炉条件下的燃烧情况.表1　实验用煤粉的化学成分(质量分数)T able 1　Chemical composition of pulverized coal%煤种C H O N S 挥发分无烟煤8114331292148118401589176烟煤701944141131151171015233140 将实验用煤粉放入烘箱中,在105℃充分烘干.样品质量分别为80,100,125,150,175,200,250,・536・第5期张建良等:新型高炉喷煤模拟燃烧实验装置设计300mg ,每种质量的样品取3份样,进行三次实验.实验步骤如下:(1)将预热炉V (低压部分)加热至1100℃,高温燃烧炉Ⅰ升温至1700℃;(2)用氧气将设备的各个部位进行清扫,确保整个主体设备内都为氧气;(3)将集气瓶抽成真空,并与燃烧废气出口联结;(4)将高压部位充压至015MPa ;(5)将煤粉从加入孔加入,然后关闭加入孔;(6)将低压部位充压至013MPa ;(7)点击软件上的“开始实验”按钮,电磁阀M1和M2同时打开(电磁阀门M3和M4处于关闭状态),煤粉被高压部分气体喷入直吹管,与热风相遇后剧烈燃烧,燃烧产生的废气经过F 耐热纤维过滤,进入集气瓶;(8)2s 后电磁阀M1和M2同时关闭,电磁阀M3和M4同时打开,氮气通过耐火纤维上的燃烧残留物,使之不再燃烧;(9)集气瓶收集的气体通入气体分析仪,测出废气中CO 、CO 2和O 2含量.图8　无烟煤与烟煤在纯氧条件下燃烧率比较Fig.8　Burning rates of anthracite and bituminous coal in pure oxy 2gen4　实验结果与分析此处煤粉的燃烧率定义为煤中的C 转化为CO 、CO 2的比例.通过分析废气中的CO 、CO 2含量,可知已燃烧的C 量,再结合其他实验参数,即可确定煤粉在不同氧碳原子比O/C 条件下的燃烧率.如图8所示,无烟煤与烟煤在纯氧条件下的燃烧率随着O/C 原子比的增加而增加,对应着煤比逐渐减少.通常氧气高炉所对应的O/C 原子比为115左右,而传统喷煤高炉风口区的O/C 原子比大都在215以上.对于传统高炉,O/C 原子比越高,剩余的氧量也就越多,这意味着煤比越低,在煤粉颗粒附近局部氧越充足,有利于煤粉的燃烧.相反,对于氧气高炉,煤粉喷吹率较高,O/C 原子比相应地降低,剩余的氧量也就越少,相对于传统高炉,局部过剩氧量降低的幅度要大得多,由于煤粉周围有效氧量的减少,导致残碳颗粒在初期的燃烧效果降低,未燃尽部分的数量增加.图9为碳与CO 2、O 2反应的标准吉布斯自由能与温度的关系曲线,喷吹煤粉在高炉风口区的燃烧反应由下列反应构成[8]:C +O 2CO 2(1)CO 2+C2CO(2)图9　C 与CO 2、O 2反应的标准吉布斯自由能Fig.9　Standard G ibbs free energy of the reactions of C with CO 2and O 2式(1)+式(2)得:2C +O 22CO (3)式(1)和式(2)的反应速率已有大量研究,虽然燃烧理论纷纭杂呈,但燃烧动力学宏观规律仍可由Arrhenius 公式表示[9].式(1)的反应速率R 1可以用下式表示:R 1=A 1T Nexp (-E 1/R T )p nO2(4)式(2)的反应速率R 2可以用下式表示:R 2=A 2exp (-E 2/R T )p nCO2(5)式中,A 1、A 2分别为式(1)、式(2)的Arrhenius 指数因子,R 为气体常数,T 为热力学温度,p O 2、p CO 2分别为O 2、CO 2的气体有效分压,n 为反应级数,N 为温度的幂指数.对各参数的研究结果表明,在高炉风口条件下,式(4)和式(5)中表现氧作用的反应级数n =1,而N =0.在实际反应条件下,式(4)中p O 2=(O 2)-(CO 2)/K 1,而式(5)中p CO 2=(O 2)-(CO )/K 2.令k 1=A 1exp (-E 1/R T ),k 2=A 2exp (-E 2/R T ),代入各相关式,并在两式(CO 2)相等和R 1=R 2=R 3条件下经整理得出:R 3=k 1K 1(O 2)-(k 1/K 2)(CO )2K 1+k 1/k 2(6)在高炉风口高温下K 2→∞,则式(6)为・636・北　京　科　技　大　学　学　报第31卷R3=k1K1(O2)K1+k1/k2(7)式中,R3为式(3)的反应速率,k1为碳燃烧反应速率常数,k2为CO2+C2CO反应速率常数,K1为碳燃烧反应平衡常数,K2为CO2+C2CO反应平衡常数,(O2)、(CO2)和(CO)分别为反应条件下O2、CO2、CO的气相分压.由式(7)得出高炉风口煤分的燃烧速度与氧分压(浓度或O/C原子比)呈线性关系,但氧气高炉条件下的煤粉燃烧实验数据(图8)表明这一关系仅在O/C原子比较低情况下(210以下)成立.从图8可以看出,无烟煤和烟煤的燃烧率都随着O/C原子比的增加而增加,剩余氧越多,煤粉燃烧率越高.在低O/C原子比区域(210以下区域),煤粉燃烧率随O/C原子比的增加快速增加;在高O/C原子比区域,煤粉燃烧率增加的幅度较小.无烟煤的燃烧率低于烟煤.5　结论(1)新型高炉喷煤模拟燃烧实验装置在喷煤开始前可将助燃气体加热至所需温度,解决了热风温度不足的问题,且在高压气体和低压气体的共同作用下,达到了高速喷吹的要求.与两段式燃烧炉相比,占地面积小,实验样品用量少,耗时少,实验操作过程基本实现自动化.(2)喷吹瞬间流场的数值模拟结果显示,当喷吹气体速度达到最大值时,直吹管气体平均速度为162135m・s-1,说明实验装置中初始压差可以使气体产生很大的速度,在瞬间搅动气体.(3)通过对无烟煤和烟煤在氧气气氛下的喷吹燃烧实验发现,在氧气高炉风口低O/C原子比条件下,煤粉的燃烧速度与氧分压(浓度或O/C原子比)呈线性正比关系.无烟煤和烟煤的燃烧率都随着O/C原子比的增加而增加.在低O/C原子比区域(210以下区域),煤粉燃烧率随O/C原子比的增加快速增加;在高O/C原子比常规高炉风口条件下,两种煤粉的燃烧率仍随O/C原子比的增加而增加,但其幅度较小.无烟煤的燃烧率低于烟煤.参　考　文　献[1]　Xu Y,Hu B S.Influence of CeO2and La2O3as additives on burn2ing process of pulverized coal injection into blast furnace.Chi n Rare 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