煤粉預熱技術在攀鋼釩高爐的應用實踐

雷 電,宋 劍,何木光

(攀鋼釩煉鐵廠，四川 攀枝花 617024)

高爐噴吹煤粉已成為鋼鐵企業(yè)節(jié)焦增產(chǎn)和改進冶煉工藝最有效的措施，世界各國都在積極開發(fā)和應用高爐噴吹煤技術[1-9]。但隨著噴吹量的提高，噴煤比增加到一定限度后，焦比下降大幅減少，主要原因是噴吹量增大后，風口前的未燃煤粉增多。因此，要實現(xiàn)大噴煤冶煉技術需解決煤粉在風口前的燃燒率問題。

國內(nèi)外噴煤工藝研究人員通過對煤粉在風口前的燃燒機理研究發(fā)現(xiàn)：高爐所噴煤粉的燃燒率與其初始溫度密切相關[10-11]，對高爐噴吹煤粉進行預熱，預熱溫度達到150 ℃～200 ℃后噴吹，高爐噴吹煤比可以提高10 kg/tHM[12]。煤粉初始溫度的提高，可以節(jié)省部分煤粉在爐內(nèi)所耗的熱量，有利于減輕噴煤對熱風的冷卻效應,可顯著提高火焰?zhèn)鞑ニ俣龋偈谷紵磻俣燃涌欤姑悍墼谟邢迺r間、有限空間內(nèi)的燃燒率大幅度提高。因此，新的煤粉預熱技術使煤粉從原來40～60 ℃的預熱溫度提高到120 ℃以上,很好地解決了煤粉在風口前燃燒率低的問題。煤粉預熱技術為高爐進一步降低焦比，增加噴煤量提供可能，同時有效解決了因煤粉含水率高而發(fā)生的堵槍問題。有研究表明高爐噴吹煤粉經(jīng)預熱后，煤粉的流動性基本沒有變化，但是噴流性明顯變好[13-14]，本研究中當煤粉預熱到120 ℃時，流動性也可以得到改善。

攀鋼釩利用自產(chǎn)管道低壓蒸汽，在同一座高爐進行了兩次探索性試驗，對噴吹煤粉進行預熱溫度逐步提升，取得了理想的試驗結(jié)果。為此，2015年年初，攀鋼釩與南京金諾節(jié)能環(huán)保有限公司合作，建立了一套利用過熱蒸汽加熱煤粉結(jié)合煙氣加熱輸煤壓縮空氣的裝置，成功將噴吹煤粉從40～60 ℃預熱到120 ℃以上，高爐冶煉指標得到了明顯的改善。

1 高爐噴吹煤粉預熱工藝

自循環(huán)過熱蒸汽發(fā)生器以焦爐煤氣點火、用高爐煤氣作燃料產(chǎn)生蒸汽，并把蒸汽進一步過熱。將過熱處理的蒸汽通過蒸汽上升管輸送到徑向熱管煤粉加熱器，蒸汽放出潛熱相變?yōu)橐后w，煤粉吸收這部分熱量后達到預熱的目的。換熱后的蒸汽冷凝液通過液體下降管，冷卻后泵打回蒸汽發(fā)生器，再次吸收煙氣的熱量成為過熱蒸汽，如此不斷循環(huán)，從而實現(xiàn)了由煙氣爐煙氣向煤粉的熱量傳遞。

自循環(huán)蒸汽發(fā)生器消耗高爐煤氣約2000 Nm3/h，產(chǎn)生過熱蒸汽量約2000 kg/h，過熱蒸汽的壓力和溫度分別為1.3 MPa和280～300 ℃。徑向煤粉加熱器熱管，安裝在直線段噴吹管道，可由多段徑向煤粉加熱器熱管組成，以滿足噴吹煤粉預熱到更高溫度的需求，其原理圖見圖1，其現(xiàn)場應用布局見圖2、3。

2 預熱噴吹煤粉工業(yè)試驗

2.1 煤粉預熱試驗情況

攀鋼釩三高爐噴吹煤粉預熱系統(tǒng)投入運行后，煤粉溫度從原來的55 ℃升高到130～140 ℃，預熱后的平均煤粉溫度約提高80 ℃。

2.2 三高爐指標變化情況

2.2.1 入爐原燃料情況

高爐試驗的燃料條件見表1，噴吹煤粉情況見表2，高爐爐料結(jié)構見表3。結(jié)合表1和圖4中基準期和試驗期的焦碳質(zhì)量相關數(shù)據(jù)，對比分析之后可以看出，試驗期較基準期焦炭質(zhì)量變化不大，其中灰分上升0.39%，焦炭反應性上升0.55%，反應后強度下降0.27%，冷強度M40上升1.22%。

圖1 徑向熱管煤粉加熱器原理示意圖Fig.1 The schematic diagram of radial heat transport heat pipe for pulverized coal heater

圖2 三號高爐自循環(huán)過熱蒸汽發(fā)生器Fig.2 The self-circulating superheated steam generator of 3#BF

圖3 三高爐煙氣加熱輸煤壓縮空氣、過熱蒸汽加熱煤粉Fig.3 The process of conveying pulverized coal by dry compressed airand the process of heating pulverized coal by superheated steam of 3#BF

表1 焦炭質(zhì)量情況，%

圖4 焦碳質(zhì)量對比Fig.4 The comparison of coke quality

從表2和圖4可以看出，試驗期與基準期相比，噴吹煤粉灰分下降0.87%，揮發(fā)份、粒度<200目的比例有所上升，分別上升1.20%、3.56%。所以，煤粉預熱后可以降低其灰分含量，從而減輕高爐的堿金屬負荷，這為噴吹高灰分的煤種提供了試驗基礎。還可以得出，煤粉預熱后磨煤機獲得的小于0.074 mm的煤粉占比由基準期的58.7%上升到試驗期的62.3%，在相同的能源消耗下，煤粉預熱處理煤粉后可以提高磨煤機的產(chǎn)出效率。

表2 噴吹煤粉情況(按4#磨機分析統(tǒng)計)，%

圖5 噴吹煤粉情況對比Fig.5 The comparison of the status of pulverized coal

煤粉預熱前后高爐爐料結(jié)構發(fā)生相應的變化。從表3對比分析可以看出，基準期的燒結(jié)礦占到了84.57%，應用煤粉預熱技術后，其占比上升了0.93%達到85.50%。同樣的，基準期的塊礦占比為2.58%，試驗期占比達到了2.92%。另外，應用煤粉預熱技術后，可以有效地降低球團礦使用量，試驗期與基準期相比球團礦占比降低了1.26%。試驗期與基準期相比，整體的爐料結(jié)構處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，試驗期綜合入爐品位與基準期爐相比變化不大。

表3 爐料結(jié)構與綜合入爐品位變化情況，%

2.2.2 三號高爐指標變化情況

高爐操作參數(shù)、爐渣成分、重力除塵瓦斯灰和生產(chǎn)主要指標變化情況分別見表4、表5、表6、表7。結(jié)合表4和表5分析發(fā)現(xiàn)，與基準期比，試驗期操作上主要變化有：綜合入爐品位下降0.08%，高爐平均風量上升44 m3/min，平均富氧量上升520 m3/h，平均爐頂溫度上升8 ℃，高爐煤氣利用率下降0.72%；平均爐溫[Ti+Si]下降0.041%。從表6高爐重力除塵瓦斯灰中碳含量分析看出，試驗期煤比提高后，高爐重力除塵瓦斯灰中C含量反而有所降低，這說明煤粉預熱后燃燒率有所提高。從表7高爐主要指標可以看出，與基準期比，試驗期生鐵產(chǎn)量上升76.27 t/d、煤比上升5.21 kg/tHM，焦比下降8.02 kg/tHM，綜合焦比下降3.85 kg/tHM，燃料比下降2.81 kg/tHM。

3 主要指標對比、經(jīng)濟效益初步分析

3.1 生鐵產(chǎn)量、高爐鐵損

與基準期比，試驗期原燃料變化不大，試驗期生鐵產(chǎn)量增加約76.27 t/d、鐵損略下降。

3.2 綜合焦比、燃料比

與基準期比，原燃料變化不大，在綜合入爐品位下降以及煤氣利用率下降情況下，試驗期綜合焦比、燃料比下降明顯，與試驗期煤粉預熱有關。

3.3 經(jīng)濟效益初步分析

由表8可以看出，應用煤粉預熱技術后噸鐵燃料成本減少了9.41元，但煤粉預熱會增加新的能源消耗，其測算情況見表9，新增加的能耗包括了蒸汽加熱和電機的能源消耗，綜合考慮相應的日消耗量和實際單價后計算出新增成本為8717.68元/天。結(jié)合燃料下降成本與新增能耗成本，得出正常生產(chǎn)情況下，不考慮設備投資，使用煤粉預熱月節(jié)能效益如下(高爐按350天作業(yè))：

(3092.73×(885.84-876.43)-8717.68)×30/10000=2.038(萬元/天)

2.038×350=713.30(萬元/年)

表4 主要操作參數(shù)變化情況

表5 生鐵與爐渣分析情況

表6 高爐重力除塵瓦斯灰分析，%

表7 高爐主要指標變化情況

表8 高爐燃料成本變化情況

表9 煤粉預熱增加能源消耗測算情況

4 結(jié)論

煤粉預熱技術是利用高爐煤氣燃燒放熱，經(jīng)過自循環(huán)過熱蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生蒸汽，從而起到加熱高爐噴吹煤粉的作用。經(jīng)過預熱處理的煤粉入爐溫度從40～60 ℃提高到130 ℃以上，生鐵產(chǎn)量上升76.27 t/d、煤比上升5.21 kg/tHM，焦比下降8.02 kg/tHM，綜合焦比下降3.85 kg/tHM，燃料比下降2.81 kg/tHM，高爐降耗效果及經(jīng)濟效益明顯。