胡慕凱

( 江陰興澄特種鋼鐵有限公司，江蘇 江陰 214400)

摘 要: 研究了高爐富氧大噴煤操作工藝，探討了不同富氧率下的關(guān)鍵參數(shù)變化以及它們對(duì)高爐性能的影響。研究表明: 富氧率的調(diào)整與控制策略對(duì)高爐操作具有重要意義。隨著富氧率的增加，煤粉噴射效率提高，爐膛溫度分布變寬，CO 和 H₂氣體濃度上升，爐渣中 SiO₂含量下降而 Al₂O₃ 略微上升，這些變化影響了還原反應(yīng)效率、熱流動(dòng)性和爐渣特性，為高爐操作提供了改進(jìn)和優(yōu)化的方向。

關(guān)鍵詞: 高爐; 富氧大噴煤; 煤粉噴射效率; 還原反應(yīng)效率; 熱流動(dòng)性

0 引言

高爐富氧大噴煤操作作為現(xiàn)代冶金工業(yè)中的關(guān)鍵工藝備受關(guān)注。通過(guò)調(diào)整富氧率以及有效控制策略，高爐運(yùn)行的性能和效率得以顯著改善。通過(guò)研究高爐富氧大噴煤操作工藝，關(guān)注不同富氧率對(duì)其性能的影響，并關(guān)注煤粉噴射效率、爐膛溫度分布、CO和 H2氣體濃度以及爐渣中 SiO₂和 Al₂O₃ 含量等關(guān)鍵參數(shù)的變化，通過(guò)數(shù)據(jù)分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定這些參數(shù)如何影響高爐操作的穩(wěn)定性和產(chǎn)量，為高爐富氧大噴煤操作工藝的優(yōu)化和改進(jìn)提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 工藝概述

高爐富氧大噴煤操作工藝代表了一項(xiàng)關(guān)鍵的冶金技術(shù)，其核心目標(biāo)是通過(guò)優(yōu)化富氧率的搭配，以提高高爐的燃燒效率和鐵礦石的還原性能。該工藝結(jié)合了高爐煉鐵和燃燒工程學(xué)的原理，旨在實(shí)現(xiàn)更高的生產(chǎn)效率、降低燃料消耗和減少環(huán)境排放。具體而言，富氧大噴煤操作涉及將富氧氣體與精細(xì)磨碎的煤粉混合并噴射到高爐燃燒室內(nèi)，與高爐料層中的鐵礦石發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生可還原的 CO 和 H₂氣體，從而促進(jìn)鐵的還原反應(yīng)。富氧率的優(yōu)化是整個(gè)工藝的核心^［1］，在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)調(diào)整富氧率，可實(shí)現(xiàn)多重目標(biāo)，包括提高高爐出鐵的產(chǎn)量和質(zhì)量、降低燃料消耗、減少 CO₂排放等。實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)需要了解富氧率與高爐性能之間的復(fù)雜關(guān)系，考慮到爐內(nèi)的煤粉噴射效率、燃燒穩(wěn)定性、爐渣性質(zhì)以及冷卻水溫度等因素。在高爐富氧大噴煤操作中，技術(shù)性要求極高。操作員需要熟練掌握煤粉噴射裝置的調(diào)整和控制，以確保穩(wěn)定的操作和富氧率的及時(shí)調(diào)整。此外，高爐的實(shí)際操作需要監(jiān)控和調(diào)整多個(gè)參數(shù)，以保證最佳的性能。這些參數(shù)包括富氧氣體的流量、噴射速度、煤粉粒度、氣體分布、溫度和壓力等。高爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

2 富氧大噴煤操作與富氧率的搭配

理解富氧率與煤粉噴射效率的關(guān)系至關(guān)重要。富氧率的增加通常會(huì)提高煤粉噴射效率，但過(guò)高的富氧率可能導(dǎo)致過(guò)多的富氧氣體流過(guò)煤粉，降低了CO和 H₂的產(chǎn)生，從而降低還原反應(yīng)效率。因此，須精確調(diào)整富氧率，以確保充分的混合和反應(yīng)。燃燒穩(wěn)定性對(duì)于高爐操作至關(guān)重要，不僅關(guān)系到產(chǎn)生的氣體溫度和濃度分布，還關(guān)系到爐膛內(nèi)的溫度分布和爐壁的耐火材料磨損。通過(guò)適當(dāng)?shù)母谎趼收{(diào)整，可以維持燃燒的穩(wěn)定性，減少氣體分布不均勻所帶來(lái)的問(wèn)題^［2］。另一個(gè)關(guān)鍵因素是富氧率與爐渣性質(zhì)的關(guān)系。富氧率的變化會(huì)影響爐渣的粘度、流動(dòng)性和化學(xué)成分，這直接影響了高爐操作的穩(wěn)定性和鐵礦石的還原性能。因此，必須進(jìn)行細(xì)致的爐渣分析，以確定最佳的富氧率范圍，以提高高爐性能。最終，富氧率的選擇還應(yīng)考慮冷卻水溫度的影響，以防止?fàn)t膛內(nèi)的高溫區(qū)域過(guò)熱，造成爐壁材料的磨損和損壞。在實(shí)際操作中，操作員需要精確監(jiān)控和調(diào)整富氧率，以充分利用高爐富氧大噴煤工藝的潛力。這要求技術(shù)性高超的操作和全面的數(shù)據(jù)采集與分析，以確保在不同操作條件下達(dá)到最佳的富氧率搭配，以實(shí)現(xiàn)高爐的高效穩(wěn)定運(yùn)行。

3 操作實(shí)踐研究

3．1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和方法

為了研究高爐富氧大噴煤操作工藝以及富氧率的搭配對(duì)高爐性能的影響，采用了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和方法。實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)是獲取詳實(shí)的數(shù)據(jù)，以驗(yàn)證不同富氧率下的操作效果，并進(jìn)一步優(yōu)化高爐操作^［3］。首先，建立一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，模擬高爐的燃燒室，包括合適的煤粉噴射裝置和富氧氣體供給系統(tǒng)。

選擇多個(gè)富氧率水平，涵蓋一定范圍內(nèi)的變化，以探究最佳的搭配。每個(gè)富氧率水平下，進(jìn)行多次試驗(yàn)以獲取穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，并排除隨機(jī)誤差。在實(shí)驗(yàn)中，首先確定基準(zhǔn)操作參數(shù)，如富氧氣體流量、煤粉粒度、氣體分布和溫度。然后，逐一調(diào)整富氧率，記錄關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如煤粉噴射效率、爐膛內(nèi)的溫度分布、產(chǎn)生的CO 和 H₂氣體濃度以及爐渣的化學(xué)成分和流動(dòng)性。這些數(shù)據(jù)是實(shí)驗(yàn)的核心，用于后續(xù)的分析。為了確保實(shí)驗(yàn)的可靠性，對(duì)煤粉和富氧氣體的流量進(jìn)行了精確的校準(zhǔn)，以避免任何測(cè)量誤差。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)前后對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了全面的校驗(yàn)和清洗，以消除任何外部因素的干擾。實(shí)驗(yàn)期間嚴(yán)格控制了環(huán)境參數(shù)，如溫度和濕度，以確保實(shí)驗(yàn)條件的一致性。數(shù)據(jù)的采集和記錄是實(shí)驗(yàn)的另一個(gè)關(guān)鍵部分。使用高精度的傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以獲取實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的各種參數(shù)。這些數(shù)據(jù)的詳實(shí)記錄使能夠在后續(xù)的數(shù)據(jù)分析中準(zhǔn)確評(píng)估不同富氧率下的高爐性能。不同富氧率的相關(guān)氣體量見(jiàn)表 1。

3．2 數(shù)據(jù)采集與分析

觀察到煤粉噴射效率在不同富氧率下發(fā)生顯著的變化。由表 1 可知，隨著富氧率的增加，煤粉噴射效率逐漸提高，從 88．5%增加到 90．5%，直接反映了富氧率對(duì)煤粉與富氧氣體的混合效果。更高的富氧率有助于改善煤粉的噴射和分布，確保了更充分的混合，從而提高了燃燒效率。其次，爐膛內(nèi)溫度分布數(shù)據(jù)揭示了不同富氧率下的熱流動(dòng)情況。隨著富氧率的增加，爐膛內(nèi)的溫度逐漸升高，同時(shí)溫度分布范圍也相應(yīng)擴(kuò)大，這可能表明更高的富氧率有助于改善爐膛內(nèi)的熱流動(dòng)性，但也需要更嚴(yán)格的溫度控制來(lái)避免溫度過(guò)高的區(qū)域。這對(duì)于高爐操作的穩(wěn)定性和溫度分布的均勻性具有重要意義。CO 和 H₂兩種氣體濃度數(shù)據(jù)提供了關(guān)于不同富氧率下反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性的信息。隨著富氧率的升高，CO 和 H₂氣體濃度呈上升趨勢(shì)，這表明更高的富氧率導(dǎo)致更高的還原反應(yīng)效率。這些氣體濃度的變化是反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性的重要指標(biāo)，表明了不同富氧率下的反應(yīng)速率和平衡。最后，爐渣數(shù)據(jù)提供了關(guān)于不同富氧率下?tīng)t渣特性的見(jiàn)解。隨著富氧率的增加，爐渣中 SiO₂含量逐漸降低，而 Al₂O₃ 含量略有上升。這可能是由于更高的富氧率改變了爐內(nèi)氣氛，影響了鐵礦石的還原性能。這些數(shù)據(jù)有助于理解不同富氧率下的冶煉過(guò)程和爐渣特性，為高爐操作提供了重要信息。

3．3 富氧率的調(diào)整與控制策略

通過(guò)監(jiān)測(cè) CO 和 H₂氣體濃度的變化，可以清晰地看到富氧率對(duì)還原反應(yīng)的影響。觀察到在該實(shí)驗(yàn)中，隨著富氧率的逐漸增加，CO 和 H₂兩種氣體濃度也呈上升趨勢(shì)。例如，當(dāng)富氧率從 10%增加到 30%時(shí)，CO 濃度從 5．2%增加到 6．2%，H₂ 濃度從 4．1%增加到 4．5%。這些數(shù)據(jù)顯示，高爐在更高的富氧率下實(shí)現(xiàn)了更高的還原反應(yīng)效率。其次，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煤粉噴射效率，可以了解煤粉與富氧氣體的混合質(zhì)量^［4］。數(shù)據(jù)表明，實(shí)驗(yàn)中當(dāng)煤粉噴射效率下降時(shí)，控制系統(tǒng)能夠迅速響應(yīng)并調(diào)整富氧率，以提高混合效果。這保證了高爐操作的穩(wěn)定性，并減少了混合不均勻性的風(fēng)險(xiǎn)。此外，通過(guò)監(jiān)測(cè)爐膛內(nèi)的溫度分布，可以驗(yàn)證控制策略對(duì)于改善溫度均勻性的有效性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在該策略下，爐膛內(nèi)的溫度分布范圍得到了控制，并與預(yù)期的溫度分布相符，這有助于保持高爐的燃燒穩(wěn)定性和性能。最后，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)冷卻水溫度數(shù)據(jù)進(jìn)一步證明了策略的有效性。觀察到，富氧率的調(diào)整使得冷卻水溫度能夠在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)維持，避免了高溫區(qū)域的過(guò)熱，從而減少了對(duì)爐壁材料的損害。不同富氧率的溫度變化見(jiàn)表 2。

3．4 結(jié)果與討論

監(jiān)測(cè)了 CO 和 H2兩種濃度，這些是直接與還原反應(yīng)效率相關(guān)的參數(shù)。由表 2 可知，隨著富氧率的增加，CO、H₂濃度呈上升趨勢(shì)。當(dāng)富氧率從 10%增加到 30%時(shí)，CO 氣體濃度從 5．2%增加到6．2%，H₂氣體濃度從 4．1%增加到4．5%。這表明富氧率的調(diào)整與控制策略能夠顯著提高還原反應(yīng)的效率，增加了可還原氣體的產(chǎn)生，這對(duì)高爐操作的效果至關(guān)重要。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煤粉噴射效率，能夠驗(yàn)證煤粉與富氧氣體的混合質(zhì)量。當(dāng)煤粉噴射效率下降時(shí)，此控制系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)，通過(guò)調(diào)整富氧率來(lái)改善混合效果。這保證了高爐操作的穩(wěn)定性，減少了混合不均勻性可能引發(fā)的問(wèn)題，并提高了還原反應(yīng)的效率。監(jiān)測(cè)爐膛內(nèi)的溫度分布數(shù)據(jù)進(jìn)一步支持了的研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，調(diào)整富氧率有助于改善爐膛內(nèi)的熱流動(dòng)性^［5］，減少了溫度分布的不均勻性，有助于維持高爐的燃燒穩(wěn)定性和性能。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)冷卻水溫度，證實(shí)了控制策略對(duì)于維持適當(dāng)?shù)睦鋮s的有效性。確保了冷卻水溫度在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)維持，避免了高溫區(qū)域的過(guò)熱，從而減少了對(duì)爐壁材料的損害。

4 結(jié)語(yǔ)

富氧率的調(diào)整與控制策略對(duì)高爐性能具有顯著的影響。不同富氧率下，煤粉噴射效率、爐膛溫度分布、CO 和 H2濃度以及爐渣特性均表現(xiàn)出明顯的變化。更高的富氧率有助于提高煤粉噴射效率，改善爐膛內(nèi)的熱流動(dòng)性，并增加了還原反應(yīng)的效率，這對(duì)高爐操作的穩(wěn)定性和性能提出了新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。數(shù)據(jù)分析顯示，煤粉噴射效率的提高直接與更高的富氧率相關(guān)，這證明了富氧率對(duì)于煤粉與富氧氣體的混合效果具有直接的影響，有助于確保更充分的混合，提高了燃燒效率。爐膛內(nèi)溫度分布的變化表明，富氧率的增加會(huì)引發(fā)更高的爐膛溫度，同時(shí)也增加了溫度分布范圍，這為改善高爐操作的熱流動(dòng)性提供了新的視角，但也需要更嚴(yán)格的溫度控制，以避免溫度過(guò)高的區(qū)域?qū)t壁材料造成損害。同時(shí)，CO、H₂ 濃度的變化反映了不同富氧率下的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性。更高的富氧率導(dǎo)致更高的 CO、H₂濃度，表明更高的還原反應(yīng)效率。這為優(yōu)化高爐操作提供了有力的依據(jù)，以提高鐵礦石的還原性能和產(chǎn)量。最后，爐渣中 SiO₂和 Al₂O₃ 含量的變化提示了不同富氧率下的爐渣特性的變化。更高的富氧率降低了SiO₂含量，并略微提高了 Al₂O₃ 含量，這可能與爐內(nèi)氣氛的改變和鐵礦石的還原性能有關(guān)。這些發(fā)現(xiàn)有助于更好地理解高爐操作中爐渣的特性和演化。

綜上所述，研究為高爐富氧大噴煤操作工藝提供了深刻的見(jiàn)解，強(qiáng)調(diào)了富氧率的調(diào)整與控制策略對(duì)高爐性能的重要性。提出的數(shù)據(jù)和分析結(jié)果為高爐操作的優(yōu)化和改進(jìn)提供了實(shí)際可行的方案，并為未來(lái)的研究和工程應(yīng)用提供了有力的依據(jù)。高爐富氧大噴煤操作工藝的進(jìn)一步發(fā)展和提高將繼續(xù)受益于研究成果。

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