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)造了必要動力學(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，燃料顆粒存留時間縮短。氧濃度為21%時，燃料顆粒存留時間約為0．205 s; 而氧濃度達(dá)到30%時，燃料顆粒存留時間減小到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，這是因為，較純的工業(yè)用氧在鼓入熱風(fēng)時損失掉了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］。

對于富氧和全氧噴煤的實現(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了專利，該專利中設(shè)計了一種氧煤噴槍，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)了孔洞可實現(xiàn)煤粉與氧氣進(jìn)行預(yù)混，旋流裝置具有強旋流，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)簡單，便于安裝調(diào)節(jié)，燃燒穩(wěn)定、安全，可實現(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，整個燃燒器呈現(xiàn)出彎曲形狀，可避免高速煤粉與氧氣流對風(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)處于水蒸氣等強氧化性氣氛時，氧化速度加快; 當(dāng)超過該材質(zhì)的開始氧化溫度時，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，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，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: ( 1) 工藝簡單，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，個別可達(dá)1 年以上。

2 氧煤槍對煤粉燃燒效果的研究

2．1 氧煤槍對煤粉燃燒影響的機理研究

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)的時間會越長，延伸進(jìn)入爐內(nèi)的距離也會越大。氧煤槍富氧以后，煤粉離開煤槍時，包裹煤粉的氧增多，從而在有限的時間內(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，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，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)，但實際生產(chǎn)中，煤粉燃燒效果不是太好。大量氮氣包裹著煤粉進(jìn)入風(fēng)口回旋區(qū)，煤粉燃燒僅為幾十毫秒，時間很短，氮氣包裹煤粉會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氣是否可以提高煤粉附近氧氣濃度從而提高其燃燒效果，為此采用數(shù)值模擬方法對調(diào)整后效果進(jìn)行評價分析。

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。

計算得到風(fēng)口內(nèi)的氣體流動情況屬于湍流，因此使用標(biāo)準(zhǔn)k－epsilon 模型對風(fēng)口內(nèi)流場進(jìn)行模擬;并利用組分傳輸模型對氮氣、氧氣的混合過程進(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)行計算，計算的收斂標(biāo)準(zhǔn)是溫度場的計算殘差小于1×10^－6，流場的計算殘差小于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) 氧氣代替氮氣后溫度場變化。冷卻氣為氮氣和氧氣時的溫度場分別如圖5、圖6 所示。從圖中可以看出，冷卻氣氛的變化對溫度場無影響。

( 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)口中心線以氮氣和氧氣作為冷卻氣和時氧濃度的變化對比曲線如圖13 所示。

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

以氮氣作為冷卻氣時風(fēng)口中心線上最高富氧率為23%，以氧氣作為冷卻氣時風(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氣后的Fluent 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)造了必要動力學(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)的氮氣置換為氧氣，豐富了高爐富氧操作的思路和理念，是高爐實現(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)燃料中碳存留時間與氧氣濃度的模擬結(jié)果如圖15 所示。中碳存留時間縮短。氧濃度為21%時，燃料顆粒存留時間約為0．205 s; 而氧濃度達(dá)到30%時，燃料顆粒存留時間減小到0．17 s。

進(jìn)一步對燃燒產(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，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，這主要是因為前期有未燃盡碳的存在，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，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算

以某大型高爐生產(chǎn)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)計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 個百分點，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) 通過研究氧煤槍對煤粉燃燒機理的影響認(rèn)為，氧煤槍富氧以后，煤粉離開煤槍時，包裹煤粉的氧氣增多，從而在有限的時間內(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)造了必要動力學(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，燃料中碳存留時間縮短。氧濃度為21% 時，燃料顆粒存留時間約為0．205 s; 而氧濃度達(dá)到30%時，燃料顆粒存留時間減小到0．17 s。

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