高炉多样化喷吹简介

2019-03-11 19:03:00 zixun
高炉喷吹燃料技术简介 摘要:概述了高炉喷吹现状,介绍了高炉喷吹技术,高炉喷吹燃料的种类概况,并列举出近年来新发展 的新型喷吹燃料,分析了喷吹工艺的发展趋势。 关键字:高炉喷吹;多样化喷吹;工艺技术;发展与应用 Abstract Summarizes the present status of injection in the blast furnace, introduced the injection in the blast furnace technology, injection fuel of blast furnace profile types, citing new development in recent years a new type of fuel injection, analyses the development trend of injection technology. Keywords The blast furnace blowing; diverse injection; process technology; development and application; 1 前言 钢铁工业是中国经济和社会发展的基础性产业,近年来随着钢铁行业的高速发展, 矿石资源和焦炭资源日趋紧张,节能降耗已经成为钢铁行业刻不容缓的重要课题,而炼 铁系统又占钢铁行业能耗的 70%左右,是名副其实的耗能大户,高炉炼铁的高能耗性, 给高炉节能创造了广阔的空间,对中国可持续发展战略具有重要意义。降低高炉综合焦 比或燃烧比是高炉节能的重点。以 2006 年的消耗速度,估计中国的主焦煤和肥煤资源 在 70 年内将消耗殆尽,全世界的主焦煤和肥煤资源也将在 90 年内消耗殆尽。炼焦煤资 源的日渐枯竭,也促使各大钢厂发展各种高炉喷吹技术,如喷吹煤粉、重油、天然气或 还原煤气、废塑料、石油焦和生物质等。 2 喷吹燃料技术 喷吹燃料将气体、液体或固体燃料通过专门的设备从风口喷入高炉,以取代高炉炉 料中部分焦炭的一种高炉强化冶炼的燃料。它可改善高炉操作,提高生铁产量,降低生 铁成本。高炉炼铁是以冶金焦作为燃料和还原剂的,喷吹燃料在风口区的高温下转化为 CO 和 H2,可以代替风口燃烧的部分焦炭,一般可取代 20%~30%,高的可达 50%,喷吹燃 料已成为当代高炉降低焦比的主要措施。喷吹燃料还可以促进高炉采用高风温和富氧鼓 风,这几项技术相结合,已成为强化高炉冶炼的重要途径。 喷吹燃料的主要目的以其他形式的廉价燃料代替宝贵的冶金焦炭,降低焦比,减少 炼焦的负担,节省焦炉基建投资,节省过程能耗。喷吹燃料的来源非常广泛,气、液、 固体燃料均可用。传统的喷吹的燃料有煤粉、天然气、重油,近年来新兴的喷吹燃料技 术包含喷吹废塑料、喷吹生物质,喷吹石油焦等。[1] 2.1 高炉喷吹煤粉 2.1.1 高炉喷吹煤粉概述 喷吹煤粉燃料是继高炉使用熟料(人造富矿)之后炼铁技术的又一重大发展。喷吹煤 粉的主要目的是以其它形式的廉价燃料替代焦炭起提供热量和还原剂的作用,降低焦 比。于是便可减少炼焦生产的负担,节省焦炉基建投资、节约过程能耗。 喷煤工艺种类繁多,按喷吹方式可分为直接喷吹和间接喷吹,按喷罐布置可分为并 罐布置和串罐布置,按喷吹管路可分为多管路喷吹和单管路加分配器喷吹,按制粉系统 烟气循环方式可分为引热风炉废气和烟气自循环方式。完整的高炉喷煤工艺流程应包括 原煤储运系统、制粉系统、煤粉输送系统、喷吹系统、供气系统和煤粉计量系统,最新 设计的高炉喷煤系统还包括整个喷煤系统的计算机控制中心。[2] 2.1.2 工艺流程简介 高炉喷煤就是把原煤(无烟煤、烟煤)经过烘干、磨细,用压缩空气输送,通过喷煤 枪从高炉风口直接喷入炉缸的生产工艺。高炉喷煤系统的工艺流程主要由原煤贮运、煤 粉制备、煤粉喷吹、热烟气和供气等几个部分组成。如下图 1 所示: 图 1 高炉喷吹煤粉系统工艺流程图 1.原煤储运系统:为保证高炉喷煤作业的连续性和有效性,在喷煤工艺系统中,首 先要考虑的是建立合适的原煤储运系统,该系统应包括综合煤场、煤棚、储运方式。为 控制原煤粒度和除去原煤中的杂物,在原煤储运过程中还必须设置筛分破碎装置和除铁 器。筛分破即可以控制磨煤机入口的原煤粒度,除铁器则主要用于清除煤中的磁性金属 杂物。 2.煤粉制备系统: 煤粉制备是指通过磨煤机将原煤加工成粒度和含水量均符合高 炉喷吹需要的煤粉。制粉系统主要由给料、干燥与研磨、收粉与除尘几部分组成。 3.喷吹系统:喷吹系统由不同形式的喷吹罐组和相应的钟阀、流化装置等组成。煤 粉喷吹通常是在喷吹罐组内充以压缩空气,在自混合器引入二次压缩空气将煤粉经管道 和喷枪喷入高炉风口。 4.供气系统: 供气系统是高炉喷煤工艺系统中不可缺少的组成部分,主要涉及压缩 空气、氮气、氧气和少量的蒸汽。压缩空气主要用于煤的输送和喷吹,同时也为一些气 动设备提供动力。氮气和蒸汽主要用于维持系统的安全正常运行。而氧气则用于富氧鼓 风或氧煤喷吹。 5.热烟气系统: 将高炉煤气在燃烧炉内燃烧生成的热烟气送入制粉系统,用来干燥 煤粉。[3] 2.2 高炉喷油 2.2.1 工艺流程 一般用油罐车将重油运到油站卸油,油站有 2~4 个罐位,可以同时卸油,采用低压 大流量齿轮泵,重油通过粗滤网送到储油罐,其间再过滤 1~2 次,然后输到炼铁设备高 炉炉台送油环管,再分送到各风口,喷人高炉炉缸。 2.2.2 主要设备 重油喷吹设备由进油设备、储油设备、过滤器、喷油泵、计量装置、加热器、喷油 管、回油管及喷枪等组成。 重油喷吹系统的主要设备及其作用见表 2。 表 2 重油喷吹系统的主要设备及其作用 序号 1 2 设备名称 储油罐 过滤器 主要类型 作用 储油并将油加热到一定温度 (90~110 冗>) 保证喷油泵安全运转,防止油枪雾化喷嘴 堵塞 3 喷油泵 活塞泵、齿轮 将油提高到一定压力送往高炉 泵、蜾杆泵 4 回油管进 使稂个供油系统在任何情况下都有油在管 内流动 5 喷枪 无冷却型、水 将重油由风口喷人炉缸 冷型、风冷型 6 喷嘴 高压喷嘴、机 安装在喷枪的前端,起雾化的作用 械雾化喷嘴 2.2.3 喷油枪插入高炉的方式 (1)从风口视孔盖插人喷枪。 (2)将喷枪斜插人直吹管。 (3)在风口小套上开孔。 (4)在风口近旁的炉墙上开孔,安上水冷固定式喷枪。 氧气雾化嘴(即氧油喷枪)是用氧气作为雾化剂。这种水冷套管式喷嘴燃烧性能良 好。机械雾化喷嘴由套管、雾化片、旋流片、油管组成,它是借助于重油射流本身的脉 动离心作用使重油雾化。 废气分析和火焰观察法, 虽然在一定程度上也能保障热风炉燃烧的合理性, 但必定 要增加工人的劳动强度,且有局限性,难以收到满意的效果。自动燃烧就是利用机械、 电气或计算机等组合的自动控制系统,保证热风炉在燃烧的过程中达到空气、煤气配合 比最佳;炉顶温度在短时间内达到最高值;废气中氧气含量适中,一氧化碳量为零。使 热风炉燃烧更加合理, 即在最大限度地节约燃料的前提下, 充分发挥热风炉的蓄热能力, 提供最高的风温,使燃烧控制更科学、可靠、省力又不受条件限制是自动燃烧今后的发 展方向。 [4] 2.3 喷吹天然气 高炉喷吹天然气是综合鼓风的重要内容之一。天然气资源比较丰富的国家或地区, 在消耗能量较多的黑色冶金企业中,在高炉上喷吹天然气较在其他加热装置中能获得较 高的热效率,而且可节约价格昂贵的冶金焦炭。因此,天然气资源丰富的国家,近年在 高炉上广泛实施了喷吹天然气技术,并获得良好成效。 国外在大量喷吹天然气时,多与富氧和高风温相结合。然而,从国外实验数据分析, 即使不富氧所获得的效果也是比较理想的。 喷吹天然气装置采用原设置的喷吹煤粉设施,并稍加改进,以便分别能喷吹天然气 和煤粉。这样,就能在某种喷吹物中断时,可随时跟换喷吹物。该装置示意图 3 如下 图 3 天然气、煤粉喷吹装置图 喷吹煤粉该喷天然气时,关闭压缩空气阀 5,打开气包放散阀,关闭喷吹罐阀门及 盲板 8,再打开天然气阀门,然后关闭放散阀门即可往高炉吹天然气。[5] 该系统只是稍有改进喷吹煤粉管路即可实现喷吹天然气,造价低廉,操作简便。 2.4 喷吹废塑料技术 2.4.1 喷吹废塑料技术的产生 传统的废旧塑料处理方式主要是通过掩埋和焚烧处理,会造成严重的二次污染。同 时也浪费了大量的可利用资源,而高炉喷吹技术则是将钢铁工业与塑料工业有机结 合.综合利用了废旧塑料的高热值和化学能,使进入高炉的废塑料粒子在炉内高温和还 原气氛下,被气化成 H2 和 CO,随热风上升的过程中,它们作为还原剂,将铁矿石还原 成铁。该技术从根本上解决了传统废旧塑料的处理方式所带来的严重的二次污染问题。 能够真正实现变废为宝的目标,合理利用社会资源。同时使废旧塑料的分类简化,只需 要将含氯的成分剔取,有效地降低了塑料废弃物分拣工作的劳动量,具有广阔的市场前 景和良好的社会经济效益。[6] 1.塑料固体废弃物处理的迫切性塑料以其质轻、耐用、美观、价廉等特点,取代了 一大批传统的材料,但是出乎人类预料的是,恰恰是塑料的这些优良性能制造了大量耐 久不腐的塑料垃圾。用后丢弃的大量塑料废弃物已成为危害环境的一大祸害,其主要原 因就是这些塑料垃圾难以处理,无法使其分解并化为尘土。从全球来看,塑料垃圾已占 全球垃圾的 8%,占海洋漂浮物的 60%以上.我国废塑料占世界的 10%,约为 500~600 万 t。其中,沿海城市的塑料在垃圾中的比例更高,约为 8%~10%,已达到发达国家 水平,并且每年大约以 8%的速度在增长。 “白色污染”已经成为继“空气污染”和“水 污染”之后的第三污染,己引起全社会的关注,成为全球亟需解决的问题。废塑料对环 境污染主要有两种危害:其一是视觉污染,这种污染是指散落在环境中的废旧塑料制品 对现代城市市容和旅游景点的影响, 塑料垃圾满天飞的景象到处可见; 其二是潜在危害, 即废旧塑料制品进入自然环境后不易降解而带来长期的深层次的二次污染,从而污染地 表水和地下水,同时散落在环境中的农地膜及含氯废旧塑料使农作物减产,也危及野生 动物的生命安全。 2.塑料固体废弃物的处理方式国内塑料废弃物的处理方式通常是通过混入城市垃 圾中填埋、再生利用和焚烧处理和催化分解等方式。废 J 日塑料再生利用过程中塑料品 种和数量都受到限制,其工艺过程会对环境和水质产生污染;塑料焚烧会产生卤化氢、 氰和二恶英等有害气体,造成对大气环境的污染;催化分解成本过高,难以普及;而填 埋无需预处理,其成本较低,因此,填埋是目前国内处理废塑料最常用的方法,但填埋 时,塑料留在土壤内长期不分解,使土壤处于不稳定状态,并有可能使塑料中的有害物 质如增塑剂的添加剂溶出,造成二次污染,而且随着固体废物排出量的增加,可供填埋 的土地不断减少,沿海地区已经开始围坝填海,不仅严重污染了海洋环境,同时由于塑 料垃圾体积大导致了垃圾填埋场封场速度加快,同时也给封场后的绿化和开发利用带来 困难。由此可见填埋是处理废塑料的最下策的办法。20 世纪 70 年代初,工业发达国家 如美国、意大利、德国、日本、法国等也采用填埋和焚烧并用的方法处理废旧塑料等固 体废弃物. 到了 20 世纪 90 年代, 为了解决废旧塑料因焚烧和填埋带来的二次污染问题, 同时也使废旧塑料向无害化、资源化、减量化的目标发展,德国和日本相继开发和研究 出了废旧塑料回收利用的新技术——高炉喷吹。高炉喷吹技术能使废旧塑料变废为宝, 真正做到消除“白色污染”,从而开拓了废旧塑料综合利用的崭新途径。 3.焦炭是高炉炼铁的能源和还原剂,是炼铁工业不可缺少的主要原料。在炼铁工业 的实践中,人们为了降低炼铁成本,采用喷吹煤粉代替部分焦炭的工艺,已是成熟的技 术。目前,我国宝钢已达到每吨铁水喷吹 200kg 煤粉的水平.世界先进国家每吨铁水喷 吹煤量远大于我国.而被称为“白色污染”的废塑料和煤的化学组成基本相同,主要成 分都是碳氢化合物, 具有很好的燃烧性能和燃烧热值。 完全可以代替煤粉进行喷吹炼铁, 废旧塑料可作为高炉炼铁良好的还原剂和发热剂。将分类、清洗、干燥等处理后的废塑 料制造成粒径为 6mm 左右的颗粒,单独或与煤粉混合用于高炉炼铁。[7] 塑料的主要化学成分是高分子碳氢化合物。从理论上讲,所有的塑料都可以作为高 炉炼铁的还原剂和发热剂使用,但由于用途不同,塑料的成分和性能有很大差异,直接 关系到高炉喷吹废塑料能否可行。在实际应用中,对环境无害的无毒性废塑料是研发重 点,聚乙烯和聚丙烯等就属于不含氯的无毒塑料,燃烧后只产生 CO2 和 H2O,对大气无 污染。有毒塑料主要是指如聚氯乙稀(PVC)等,因其主要成分除含有碳氢化合物外,还 含有氯、溴等卤族元素,燃烧时会产生氯化氢气体,对设备和环境产生侵蚀和污染,这 一类塑料主要包括塑料薄膜、人造革、电缆料、塑料管材、塑料门窗等。根据我国经济 技术现状,处理这类有毒废塑料还有一定的困难,所以还是应当从无毒塑料着手开展高 炉喷吹废塑料技术的研究。 2.4.2 喷吹废塑料的社会经济效益 由于废塑料的价格比煤、油等燃料价格低很多,因此高炉喷吹废塑料炼铁可以更大 幅度地降低生铁成本。另外,从能源利用的角度看,由于塑料喷入高炉后,其中的碳氧 化合物在高炉下部转变成温度达 2000℃的高温煤气,煤气在上升过程中将铁矿石加热、 还原,从高炉出来的富化煤气还可以来预热空气或用于发电,因而塑料所含的能量可得 到较为充分的利用,使塑料的能量转化率超过 50%,能源利用率明显优于其他废塑料的 回收利用技术。目前我国每年产生的废塑料量在 600 万吨左右,其中聚乙烯比例最大, 其次是聚氯乙稀和聚丙烯,据统计,目前可用于高炉喷吹的无毒废塑料占废塑料年总量 的 71%,约 420 万吨以上,如能完全用于高炉喷吹,其经济效益是十分可观的。 高炉喷吹废塑料技术的推广应用在我国还处于起步阶段,但应用前景十分广阔,可 以减少废塑料对环境所造成的白色污染,为废塑料的回收利用开辟了一条新途径。与其 他几种回收利用废塑料技术相比,高炉喷吹塑料技术具有投资省、收效好、容易被社会 所接受的优点。因此,政府部门、有关企业、消费者和废塑料回收机构应大力支持发展 高炉喷吹塑料技术的推广应用。[8] 2.5 喷吹生物质 2.5.1 生物质 生物质只要是指来自农林作物收获和加工过程中所产生的秸秆、糠皮、山茅草、灌 木枝、木屑、刨花以及食品行业排放的残渣等在农业林业生产过程中产生的废弃物。 农作物和竹木等农林产品是依靠吸收大气中的二氧化碳和利用太阳的光能生长发 育。因此,生物质不仅是一种可再生能源,而且在燃烧时不会额外增加大气中的二氧化 碳,即是一种二氧化碳中性物质。我国拥有极其丰富的生物质能资源,生物质年产出食 物量为 20.29 亿 t,其中可用于生物质生产的实物量为 13.24 亿 t(折算为 3.82 亿 t 标 准煤) 。很明显,将生物质应用到高炉炼铁将有效减少化石燃料的消耗,对我国乃至世 界节能减排事业做出重要贡献。生物质除可用于高炉喷吹,还可以用于炼焦和铁矿石造 块。 小麦、玉米等秸秆中的含碳量约占 40%,谷壳中的碳、氢总含量达到 48%以上,与 煤粉一样具有燃料价值。农作物废弃物中的灰分和硫、磷等杂质含量一般都很低,与煤 粉混合喷吹有利于降低高炉渣量和提高生铁质量。其含有的 7% 以上的氢元素还将发挥 促进还原和降低焦比的作用, 含有的 43% 以上的氧元素可起到增加风量和扩大产量的作 用。近年来,农村不再需要农作物秸秆作为炊事的主要燃料,剩余的农作物秸秆被废弃 于田间地头、场院房头,不仅占压了大量的土地,影响了农村环境卫生,还成为农村火 灾的一大隐患。尤其是“三夏”、“三秋”季节,一部分农民为了抢收抢种则把这些剩 余秸秆绝大部分在田间直接焚烧处理掉。大量剩余秸秆的露天焚烧不但造成极大的资源 浪费,破坏土壤地力,而且带来严重的大气污染,甚至影响飞机的正常起降和汽车行驶, 并频繁引发火灾和交通事故。PM2.5 是指大气中直径小于或等于 2.5μ m 的颗粒物,也 称为可入肺颗粒物。 与较粗的大气颗粒物相比, 对人体健康和大气环境质量的影响更大。 2011 年 12 月 5 日制定的《环境空气质量标准》新标准拟于 2016 年全面实施,京津冀、 长三角、珠三角三大地区及九个城市群可能会被强制要求先行监测并公布 PM2.5 的数 据。郑有飞等基于 2007 年夏季秸秆焚烧卫星遥感检测资料,发现秸秆焚烧与郑州市 PM2.5 日均浓度有较好的相关性。高炉混合喷吹农作物废弃物有助于解决直接焚烧大量 农作物秸秆的难题。实现农作物废弃物在高炉中的有效利用,需解决一系列理论与技术 问题。 2.5.2 高炉喷吹生物质应用的前景 芬兰专家曾经分析了高炉喷吹生物质对于炼钢成本的影响,关键因素是部分热解生 物质与其他还原剂(煤粉和焦炭)的价格对比,但在不同转炉产量水平下,起决定作用的 价格因素可能会发生变化。 煤炭的供应地集中,而农林剩余产物的产地分散,能量密度低,存在明显的区域性 和季节变化,所以收集、运输及贮存的环节较繁,其产生的费用是生物质成本的主要部 分。煤炭的运输多半采用铁路或水路,运价较低;而农林剩余物的堆密度很小,体积庞 大,运输只能采用以汽油、柴油为燃料的汽车,运价较高。煤粉可以直接磨细,磨机的 效率高,而生物质在细磨之前一般要经过干馏和炭化处理,磨机的产率较低,电耗高。 以上原因使得高炉喷吹生物质粉末比喷吹煤粉技术成本略高。这是推广高炉喷吹生物质 技术的不利因素。 针对以上的不利因素,寻求解决的办法。首先应降低成本;其次要研究预处理技术 和专用设备,降低制粉成本。生物质是碳中性物质,应用于高炉喷吹将大量减少二氧化 碳的排放,中国政府正在研究制定环境的政策法规。这是推广高炉喷吹生物质技术的有 利因素。政府的主导作用对高炉喷吹农林剩余物技术发展至关重要。 但是与传统燃料相比,生物质用于高炉喷吹具有量方面的优势。第一能够充分利用 生物质所含氢元素的化学能,节省更多的化石燃料;第二所节省的燃料不是资源丰富、 价格低廉的动力煤,而是日渐枯竭、价格较高的的高炉喷吹煤和冶金焦。因此将生物质 用于高炉喷吹,不仅在成本上具有优势,而且在合理利用资源上也具有优势。大力研究 和发展高炉混合喷吹生物质是一种必然。[9] 3 总结 喷吹燃料的主要目的以其它形式的廉价燃料代替宝贵的冶金焦炭,降低焦比,减少 炼焦的负担,节省焦炉基建投资,节省过程能耗。喷吹燃料的来源非常广泛,气、液、 固体燃料均可用。采用多种喷吹燃料技术,能有效缓解目前焦炭等资源的紧缺与匮乏, 对保护环境和资源的有效利用起到了明显效果,但由于技术和成本的局限性,有些还停 留于实验阶段和初步尝试阶段,更广泛的运用,还有耐于技术和实验的进一步发展和进 步。从目前来看,高炉采用多样化喷吹技术有着广阔的发展空间和前景。 参考文献: [1] 虞日升,《高炉煤粉喷吹系统工艺简介》《现代经济信息》 , ,2010 年 09 期 [2] 陈林森,高炉煤粉喷吹技术及发展趋势 [3] 顾立新,李玉才,高炉喷吹煤粉的开发前景 [4] 李洪志,高炉喷油及操作 [5] 徐同晏,高炉喷吹天然气的初步分析 [6] 李博知,高炉喷吹废塑料技术的现状及发展 [7] 赵娟,崔怡,高炉喷吹塑料废弃物技术研究进展 [8] 曹枫,龙世刚,高炉喷吹废塑料技术及应用前景 [9] 毕学工,饶昌润,彭伟,高炉混合喷吹农林剩余物的发展现状与前景
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