鄭朋超¹ ，陳艷波¹ ，陳輝² ，武建龍² ，王偉²

( 1． 首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司; 2． 首鋼技術(shù)研究院)

摘要：氧煤槍及氧煤燃燒器的開發(fā)近年來備受人們的關(guān)注，并伴隨著富氧大噴煤技術(shù)的發(fā)展而不斷完善。通過模擬研究氧煤槍對(duì)煤粉燃燒的影響，結(jié)果表明采用氧煤槍可以縮短燃燒反應(yīng)延伸長度，起到減少未燃煤粉作用; 通過模擬研究氧煤槍富氧對(duì)風(fēng)口燃燒區(qū)氧濃度的影響，結(jié)果表明在風(fēng)口燃燒區(qū)的風(fēng)口中心線方向氧濃度升高，為風(fēng)口區(qū)含碳物質(zhì)( 煤粉和焦炭等) 的快速燃燒創(chuàng)造了必要?jiǎng)恿W(xué)條件; 通過模擬研究風(fēng)口燃燒區(qū)煤粉燃燒的效果，結(jié)果表明隨著氧氣濃度的增加，燃料顆粒存留時(shí)間縮短。氧濃度為21%時(shí)，燃料顆粒存留時(shí)間約為0．205 s; 而氧濃度達(dá)到30%時(shí)，燃料顆粒存留時(shí)間減小到0．17 s。

關(guān)鍵詞：高爐；氧煤槍；煤粉；燃燒

0 前言

目前，高爐富氧常用的方式有兩種，一種方式是提高鼓風(fēng)含氧量，即是在風(fēng)機(jī)前或者是熱風(fēng)爐前加氧，另一種方式是把氧直接送到高爐風(fēng)口與煤粉一起噴入爐內(nèi)，在煤粉燃燒區(qū)局部富氧。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)得知，采用第一種方式不能很好的促進(jìn)煤粉燃燒，提高噴煤量，降低焦比，這是因?yàn)?，較純的工業(yè)用氧在鼓入熱風(fēng)時(shí)損失掉了10% ～ 15%，且高富氧增加了直吹管的磨損，不能夠很好的增加煤粉周圍氧氣濃度，不能很好的促進(jìn)煤粉燃燒^［1］。

對(duì)于富氧和全氧噴煤的實(shí)現(xiàn)設(shè)備，氧煤槍及氧煤燃燒器的開發(fā)近年來備受人們的關(guān)注，并伴隨著富氧大噴煤技術(shù)的發(fā)展而不斷完善。

高爐風(fēng)口燃燒器工作環(huán)境: ( 1) 燃燒器前端受到高溫?zé)彷椛渥饔? ( 2) 本體受到1 150 ℃以上高風(fēng)溫烘烤; ( 3) 燃燒器內(nèi)管受到高速煤粉流的沖刷作用; ( 4) 氧煤燃燒器在風(fēng)口內(nèi)受其高速氣流作用，很難保證氧煤燃燒器穩(wěn)定燃燒; ( 5) 受高爐風(fēng)口尺寸的限制，要求氧煤燃燒器體積小、功率大、壽命長、效率高。氧煤燃燒器除了要克服以上的缺點(diǎn)外，還要求噴出的煤粉與氧氣混合均勻，燃燒穩(wěn)定，效率高，對(duì)高爐風(fēng)口無磨損，并能有效的保護(hù)本身。

1 氧煤槍型式的發(fā)展及材料選擇

1987 年，日本木村康一發(fā)明了富氧高爐操作方法并申請(qǐng)了專利，該專利中設(shè)計(jì)了一種氧煤噴槍，并帶有水冷保護(hù)。該裝置能夠促進(jìn)煤粉與氧氣的混合燃燒，能夠延長了氧煤槍的使用壽命^［2］。

1992 年，北京科技大學(xué)楊天鈞教授等發(fā)明了高爐風(fēng)口氧－粉煤燃燒裝置并申請(qǐng)了專利，該裝置主要用于促進(jìn)高爐風(fēng)口的氧氣－粉煤的燃燒，主要結(jié)構(gòu)包括中心管、旋流裝置和外套管，中心管壁開設(shè)了孔洞可實(shí)現(xiàn)煤粉與氧氣進(jìn)行預(yù)混，旋流裝置具有強(qiáng)旋流，且可以沿燃燒器出口進(jìn)行調(diào)節(jié)，出口為突然擴(kuò)張的結(jié)構(gòu)。整體裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于安裝調(diào)節(jié)，燃燒穩(wěn)定、安全，可實(shí)現(xiàn)噴吹煤粉達(dá)到130 kg /tHM ～200 kg /tHM^［3］。

1996 年，鋼鐵研究總院董玉貴等人發(fā)明了高爐風(fēng)口氧煤燃燒器。它包含了燃燒器本身和噴嘴并由同軸雙層套管組成，其內(nèi)層管和外層管與噴嘴的內(nèi)層管和外層管是相互連通的，整個(gè)燃燒器呈現(xiàn)出彎曲形狀，可避免高速煤粉與氧氣流對(duì)風(fēng)口的沖刷和燒損，延長風(fēng)口使用壽命^［4］。

2009 年，北京科技大學(xué)吳鏗等人發(fā)明了COREX噴煤模擬風(fēng)口套筒式氧煤槍和斜插式氧煤槍。套筒式氧煤槍通過將煤粉流和氧氣流同軸射流的組合方式，可實(shí)現(xiàn)氧煤槍出口處煤粉與氧氣的充分混合。斜插式氧煤槍通過將煤粉流和氧氣流交叉射流的方式，實(shí)現(xiàn)了煤粉與氧氣在槍口混合的目的。套筒式氧煤槍和斜插式氧煤槍均裝有冷卻裝置，可確保氧煤槍在2 000 ℃的高溫條件下安全使用^［5］。

氧煤槍的結(jié)構(gòu)與雙層氣冷煤槍相似，也是由兩層耐熱鋼管制成的，內(nèi)管通煤粉，外管吹氧。其差別是外管前端設(shè)有由耐高溫、抗磨損材料制成的噴嘴，氧氣通過噴嘴以亞音速度噴出，與煤粉流充分混合燃燒。目前，由于氧氣資源緊張、高爐富氧水平不高以及安全管理要求嚴(yán)格等原因，氧煤槍的應(yīng)用還不普遍。目前，氧煤槍根據(jù)噴嘴型式，可分為直管式( 套筒式) 、多孔式和旋流式等，如圖1 所示。直管式氧煤槍實(shí)際結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

由于氧煤槍前端溫度較高，因此需要選擇較好的氧煤槍鋼管材質(zhì)，一般選用1Cr18Ni9Ti 不銹鋼。該材質(zhì)開始氧化溫度為850 ℃ ～900 ℃，當(dāng)處于水蒸氣等強(qiáng)氧化性氣氛時(shí)，氧化速度加快; 當(dāng)超過該材質(zhì)的開始氧化溫度時(shí)，將產(chǎn)生異常氧化，使原來表面形成的Cr₂O₃氧化膜破裂。由于貧鉻原因，在次層發(fā)生Fe₂O₃的氧化，原來的Cr₂O₃氧化膜向尖晶型的Cr₂O₃氧化皮轉(zhuǎn)化，促使表面氧化速度急劇加速，部分Cr 氧化形成Cr₂O₃氧化膜。當(dāng)氧化膜形成時(shí)，氧化物界面上的金屬中鉻貧化而鐵或鐵鎳富集。防止形成Cr₂O₃的必要條件是鉻貧化到不低于抗氧化的需要值。因此，人們主張當(dāng)使用溫度達(dá)到1 000 ℃以上時(shí)，不銹鋼中的Cr 含量應(yīng)該控制在20%以上，而在工業(yè)環(huán)境中，高溫不銹鋼中的Cr 含量應(yīng)該大于25%。

目前，氧煤槍采用陶瓷內(nèi)襯多采用自蔓延高溫合成( Self－propagating high－temperature synthesis，簡(jiǎn)稱SHS) 技術(shù)制備生產(chǎn)^［6］。首鋼將離心－SHS 陶瓷內(nèi)襯復(fù)合鋼管用做礦山的礦漿輸送管道，與鑄石管和其它材料管道相比，具有如下特點(diǎn): ( 1) 工藝簡(jiǎn)單，產(chǎn)品成本低，能耗少; ( 2) 具有優(yōu)異的耐磨損性能，其耐磨性是普通無縫鋼管的10 倍以上; ( 3) 陶瓷層與鋼管內(nèi)壁界面結(jié)合強(qiáng)度高，陶瓷層不易剝落和脫離; ( 4) 重量輕，可切割和焊接，易安裝; ( 5) 耐腐蝕和耐高溫。

陶瓷內(nèi)襯復(fù)合彎煤槍先后在首鋼和寶鋼的高爐上投入使用，在首鋼的使用結(jié)果表明，在噴煤比為130 kg /tHM 情況下，噴煤槍平均壽命由原來的約19 d提高到81 d。在寶鋼的使用結(jié)果表明，在噴煤比達(dá)200 kg /tHM～250 kg /tHM 情況下，噴煤槍平均壽命達(dá)到半年，個(gè)別可達(dá)1 年以上。

2 氧煤槍對(duì)煤粉燃燒效果的研究

2．1 氧煤槍對(duì)煤粉燃燒影響的機(jī)理研究

煤粉進(jìn)入直吹管后，隨著高爐鼓風(fēng)高速進(jìn)入風(fēng)口前燃燒區(qū)，并且以一定的擴(kuò)張角沿水平軸線方向分散開，在氧氣的作用下在極短的時(shí)間內(nèi)完成燃燒反應(yīng)。噴吹的煤粉量越大，煤粉離開煤槍后與鼓風(fēng)完全混合發(fā)生燃燒反應(yīng)的時(shí)間會(huì)越長，延伸進(jìn)入爐內(nèi)的距離也會(huì)越大。氧煤槍富氧以后，煤粉離開煤槍時(shí)，包裹煤粉的氧增多，從而在有限的時(shí)間內(nèi)起到更好的助燃效果，縮短燃燒反應(yīng)延伸長度，起到減少未燃煤粉作用，進(jìn)而改善冶煉過程，如圖3 所示。

采用氧煤槍噴吹時(shí)，氧濃度和煤粉濃度在直吹管橫截面上類似高斯分布，沿軸線方向按指數(shù)規(guī)律衰減，并可分別形成局部富氧區(qū)域和煤粉富集區(qū)域。局部富氧區(qū)域和煤粉富集區(qū)域的大小與氧煤槍結(jié)構(gòu)有關(guān)，其位置可以由槍位決定。與普通噴煤槍相比，采用氧煤槍有較高的煤粉燃燒率。采用氧煤槍時(shí)，風(fēng)口半徑中部的煤粉燃燒率和CO+CO₂值要比風(fēng)口中心的高。

2．2 氧煤槍富氧對(duì)風(fēng)口燃燒區(qū)氧濃度的模擬研究

京唐高爐噴煤系統(tǒng)采用的是濃相輸送技術(shù)，但實(shí)際生產(chǎn)中，煤粉燃燒效果不是太好。大量氮?dú)獍悍圻M(jìn)入風(fēng)口回旋區(qū)，煤粉燃燒僅為幾十毫秒，時(shí)間很短，氮?dú)獍悍蹠?huì)一定程度造成局部缺氧，不利于煤粉充分燃燒。利用氧氣代替冷卻氣體中的氮?dú)馐欠窨梢蕴岣呙悍鄹浇鯕鉂舛葟亩岣咂淙紵Ч?，為此采用?shù)值模擬方法對(duì)調(diào)整后效果進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。

2．2．1 進(jìn)行三維建模

風(fēng)口內(nèi)部的三維建模模型如圖4 所示。

計(jì)算得到風(fēng)口內(nèi)的氣體流動(dòng)情況屬于湍流，因此使用標(biāo)準(zhǔn)k－epsilon 模型對(duì)風(fēng)口內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行模擬;并利用組分傳輸模型對(duì)氮?dú)狻⒀鯕獾幕旌线^程進(jìn)行模擬。將入口設(shè)為速度入口、出口設(shè)為壓力出口; 網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)性的網(wǎng)格。應(yīng)用Fluent 進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算的收斂標(biāo)準(zhǔn)是溫度場(chǎng)的計(jì)算殘差小于1×10^－6，流場(chǎng)的計(jì)算殘差小于1×10^－3。所模擬高爐風(fēng)口的具體參數(shù)和模擬過程所用到的邊界條件分別見表1、表2。

2．2．2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

( 1) 氧氣代替氮?dú)夂鬁囟葓?chǎng)變化。冷卻氣為氮?dú)夂脱鯕鈺r(shí)的溫度場(chǎng)分別如圖5、圖6 所示。從圖中可以看出，冷卻氣氛的變化對(duì)溫度場(chǎng)無影響。

( 2) 氧煤槍氧氣濃度0 ～ 100%變化后中心截面氧氣濃度分布。冷卻氣體中氧氣濃度由0 ～ 100%時(shí)中心截面的氧氣質(zhì)量分布分別如圖7 ～ 圖12 所示。從圖中可以看出，隨著冷卻氣體中氧氣濃度的增加，中心位置氧濃度明顯開始增加。

風(fēng)口中心線以氮?dú)夂脱鯕庾鳛槔鋮s氣和時(shí)氧濃度的變化對(duì)比曲線如圖13 所示。

結(jié)果表明，以氧氣作為冷卻氣時(shí)，風(fēng)口中心線上任何位置，氧氣濃度均高于以氮?dú)庾鳛槔鋮s氣時(shí)。

以氮?dú)庾鳛槔鋮s氣時(shí)風(fēng)口中心線上最高富氧率為23%，以氧氣作為冷卻氣時(shí)風(fēng)口中心線上最高富氧率為60%，且大部分位置富氧率大于30%。

氧煤槍套管由氧氣置換氮?dú)夂蟮腇luent 仿真結(jié)果表明: 在風(fēng)口燃燒區(qū)的風(fēng)口中心線方向氧濃度升高，為風(fēng)口區(qū)含碳物質(zhì)( 煤粉和焦炭等) 的快速燃燒創(chuàng)造了必要?jiǎng)恿W(xué)條件。

2．3 風(fēng)口燃燒區(qū)煤粉燃燒效果的模擬研究

氧煤槍套管內(nèi)的氮?dú)庵脫Q為氧氣，豐富了高爐富氧操作的思路和理念，是高爐實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步富氧的新工藝。一方面降低了流經(jīng)熱風(fēng)系統(tǒng)的氧濃度，減少了氮氧化物產(chǎn)生可能性和生成量; 另一方面使高爐風(fēng)口內(nèi)供氧強(qiáng)度和濃度進(jìn)一步提高。氧煤槍供氧工藝的效果集中體現(xiàn)在對(duì)風(fēng)口區(qū)燃料燃燒的效率和煤氣中還原氣性組分的改善。

Aspen Plus 是大型通用流程模擬系統(tǒng)，由美國能源部于上世紀(jì)七十年代后期在麻省理工學(xué)院( MIT) 組織開發(fā)的流程模擬軟件。經(jīng)過30 多年來不斷地改進(jìn)、擴(kuò)充和提高，已成為公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)大型流程模擬軟件。本研究嘗試使用該動(dòng)力學(xué)模型模擬噴煤在風(fēng)口的燃燒過程。

使用Aspen Plus 建立的噴煤燃燒過程的模擬如圖14 所示。煤粉首先進(jìn)入一個(gè)YIELD 反應(yīng)器( 收率反應(yīng)器) ，依照煤的元素分析將煤分解成各種穩(wěn)定物質(zhì)即物流R－ELE，而后與空氣( AIR) 混合后進(jìn)入燃燒反應(yīng)器( COMB，為活塞流反應(yīng)器) 完成燃燒過程的模擬。

高爐噴煤過程中，風(fēng)口燃燒區(qū)燃料中碳存留時(shí)間與氧氣濃度的模擬結(jié)果如圖15 所示。中碳存留時(shí)間縮短。氧濃度為21%時(shí)，燃料顆粒存留時(shí)間約為0．205 s; 而氧濃度達(dá)到30%時(shí)，燃料顆粒存留時(shí)間減小到0．17 s。

進(jìn)一步對(duì)燃燒產(chǎn)生的分析，以澄清風(fēng)口區(qū)燃燒過程中煤氣組分CO₂、CO、O₂、C 與氧氣濃度的關(guān)系，如圖16 所示。

從圖16 可以看出，隨著氧氣濃度的增加，未燃盡碳含量減少，至氧氣濃度增加至27%時(shí)，碳元素基本反應(yīng)完全。CO 隨著氧氣濃度的增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，這主要是因?yàn)榍捌谟形慈急M碳的存在，增加氧氣濃度，燃燒產(chǎn)生更多的CO 和CO₂，而后C 元素消耗完全，由于氧氣的存在，CO 繼續(xù)燃燒產(chǎn)生CO₂，所以CO 后面呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)，而CO₂含量一直增加。

2．4 大型高爐氧煤槍以氧代氮的理論計(jì)算

以某大型高爐生產(chǎn)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)計(jì)算氧煤槍中以氧代氮后相關(guān)參數(shù)的變化，結(jié)果見表3。

由表3 可知，氧煤槍的氧氣從0 到10 500 m3·h^－1， 煤氣中CO 的百分?jǐn)?shù)從41%提高至43．16 %，提高了2．16 個(gè)百分點(diǎn)，有利于增加煤氣的還原性，煤氣利用率將有所提高。

3 結(jié)論

( 1) 上世紀(jì)八十年代以來，技術(shù)人員發(fā)明了多種氧煤槍和氧煤燃燒器，根據(jù)噴嘴型式，可分為直管式( 套筒式) 、多孔式和旋流式等。

( 2) 通過研究氧煤槍對(duì)煤粉燃燒機(jī)理的影響認(rèn)為，氧煤槍富氧以后，煤粉離開煤槍時(shí)，包裹煤粉的氧氣增多，從而在有限的時(shí)間內(nèi)起到更好的助燃效果，縮短燃燒反應(yīng)延伸長度，起到減少未燃煤粉作用。

( 3) 通過模擬研究氧煤槍富氧對(duì)風(fēng)口燃燒區(qū)氧濃度的影響認(rèn)為，在風(fēng)口燃燒區(qū)的風(fēng)口中心線方向氧濃度升高，為風(fēng)口區(qū)含碳物質(zhì)( 煤粉和焦炭等) 的快速燃燒創(chuàng)造了必要?jiǎng)恿W(xué)條件。

( 4) 通過模擬研究風(fēng)口燃燒區(qū)煤粉燃燒的效果認(rèn)為，隨著氧氣濃度的增加，燃料中碳存留時(shí)間縮短。氧濃度為21% 時(shí)，燃料顆粒存留時(shí)間約為0．205 s; 而氧濃度達(dá)到30%時(shí)，燃料顆粒存留時(shí)間減小到0．17 s。

4 參考文獻(xiàn)

［1］ 杜鶴貴，賀英倫． 富氧方式對(duì)煤粉燃燒性能影響的研究［J］． 煉鐵， 1997，16( 6) : 1－5．

［2］ 董玉貴，宋陽升． 大功率氧煤燃燒器的研制［J］． 鋼鐵研究學(xué)報(bào)，1997，9( 5) : 63－65．

［3］ 楊天鈞． 高爐噴吹煤粉氧煤槍的開發(fā)與應(yīng)用［J］． 鋼鐵，1992，27( 4) : 5－8．

［4］ 董玉貴，張慧純． 高爐風(fēng)口氧煤燃燒器［P］．中國: 95202552．3，1996－02－14．

［5］ 吳鏗，韋少華，尹曉瑩，等． 一種COREX 噴煤模擬風(fēng)口套筒式氧煤噴槍［P］．中國: 200920106233．4，2009－12－16．

［6］ 王聲宏． 自蔓延高溫合成( SHS) 技術(shù)的最新進(jìn)展［J］． 粉末冶金工業(yè)，2001，11( 2) : 26－34．