远距离输送煤粉在新建高炉中的应用

摘要随着新疆八钢生产规模的扩大，高炉数量的增加，新建高炉距喷煤车间的距离越来越远，新建5号高炉距离喷煤的管线距离达到850 m。为确保新建高炉实现高喷煤的目的，对新建高炉远距离输送煤粉的可行性进行分析。

关键词 喷煤 气固比 气动输送

1 引言

目前，高炉煤粉输送的固气比达到60k/kg，管道阻力损失的计算已不能按照纯气体输送的方式对待，为此，通过整理计算喷吹较为正常的高炉喷煤参数，计算出煤粉的摩擦系数。再根据现有喷煤始端的能量及始端速度，通过不同方案分析计算新建5号高炉煤粉远距离输送的可能性。

2 煤粉输送应当具备的条件

(1)粉气流处于紊流状态。

(2)由于阻力损失是速度的平方关系，因此，煤粉的输送既要确保煤粉悬浮，同时还要控制速度不得过高，以降低能量消耗。

(3)固气比越高，消耗的压缩空气越少。

(4)罐压、流化风压、二次补气压力必须克服管道阻力损失和热风压力，同时还要保证喷枪出口具备一定的速度。

3 喷煤工艺流程

新钢高炉喷煤工艺流程如图1所示。

喷吹罐罐顶压力P₃至喷吹管道起始点压力P₁之间的压差用于克服喷吹罐内阻力和满足调节喷煤量所需的压差余量。喷吹气源压力P₄至喷吹管道起始点压力P₁之间的压差用于克服管道及操作阀门和调节阀门的阻力，以满足加压、调节流量所需压差要求。管道起始点压力P₁至喷枪口压力P₂之间的压差用于克服煤粉启动和整条喷煤管道、阀门、分配器、喷枪的阻力，其中包括煤粉输送的摩擦阻力损失，局部阻力损失以及位能变化的损失。喷枪出口与高炉风口之间的压力损失用于保证气粉混合物从喷枪出口喷出时具有一定的速度W₂。

4 煤粉摩擦系数和始端悬浮速度的计算

(1)由于煤粉的输送为气固两相，随着输送管道距离的延长，煤粉浓度的提高，当固气比为60kg／kg时，压缩空气的体积是煤粉体积的8．4倍，目前还没有气固两相阻力损失计算的具体方法。为精确计算阻力损失，确保煤粉输送，将整个喷吹管道中的气粉混合流体流动视为无热交换的等温绝热流体(管道已保温)。在参考有关资料的基础上，一是用空气摩擦系数 固气比×煤粉摩擦系数来表示不同浓度情况下气固两相的摩擦系数，二是根据气动输送的典型公式：动压₁ 静压₁ 位压₁=动压₂ 静压₂ 位压₂ h_失计算出目前4号、3号、2号高炉的工况条件下的终端、始端速度。

(2)经过对3座高炉2004年12月10日至12月16日喷煤的操作记录整理计算得到4号、3号、2号高炉(喷吹管线长度分别为532、394、310 m)的终端工况速度分别为53．9、42．4、37．2 m／s(见表1)。4号高炉固气比低于2、3号高炉的情况下始端速度低20％，主要由于分气缸静压已无法提供更多的能量。

5 5号高炉喷煤参数确定

(1)喷煤量确定。为给将来喷煤留有一定余地，当5号高炉(380m³)同利用系数达到3．5，喷煤比为200 kg／t时，小时喷煤量将达到11．08 t／h。

(2)悬浮速度确定。气动输送过程中首先要保证起始点的悬浮速度，其次要有足够的静压来克服管道阻力损失、终端的热风压力和位压的提高。目前，各钢铁企业煤质、煤粉表面积及煤粉水分不同，煤粉悬浮速度差别较大。5号高炉按照4号、3号、2号高炉工况条件下平均悬浮速度2．07m／s来确定。

(3)喷吹管径确定。当喷煤量一定的情况下，不同的固气比决定了压缩空气的消耗量。5号高炉设定4种方案进行对比计算(见表2)。

由表2可知：①当固气比由60 kg/kg变为30kg／kg、20kg／kg时，压缩空气消耗量(补气量)由156m³／h上升到286 m³／h、428 m³／h。由此可以看出，在始端压力、温度不变的条件下，固气比与压缩空气消耗量呈负相关关系，提高流化风量Q₁，将改变煤粉浓度，不但可以降低压缩空气Q₂消耗，同时还可以降低终端流速，减少阻力损失和管道磨损，进而降低煤粉输送对压缩空气压力和喷吹罐压力的依赖程度。②当始端压力为0．55 MPa的条件下，四种方案终端的工况速度分别为36．7 m／s、48．3m／s、55．5 m／s、88．9 m／s，该速度远远超过始端悬浮速度。因此，认为四种方案都可满足高炉喷煤的需要，其中方案一最经济。③高炉喷煤的固气比分为浓相和稀相两种，即煤粉喷吹浓度小于20 kg/kg的为稀相输送，浓度大于30 kg/kg为浓相输送。方案一、二、三投资费用与现有工艺装备一致，只是操作的工艺参数需要调节为稀相或浓相输送。方案三的缺点：终端工况速度为55．5m/s，压缩空气的消耗量是目前固气比的3倍，将造成运行费用升高和管道磨损加速。方案四可以实现浓相输送，但需要在新高炉附近新建收粉和二次喷吹装置，此方案无法提高炼铁分公司整体喷吹能力，效率比较低。

6 目前条件下的喷吹倒罐方式

由于目前集团公司资金较为紧张，5号高炉喷煤系统暂时缓建。但是新建5号高炉采用干法除尘和球式热风炉，干法除尘不但节水，还可以降低煤气中的机械含水量。预计两项技术可以提高热风温度至少100℃，意味着将可以多喷吹约20 k/t煤粉。如果新建高炉不喷吹煤粉，那么风温只能使用到950℃左右，强化冶炼将无法实现。为此在现有高炉喷煤设施的基础上通过管路改造(见图2)实现多喷吹一座高炉的目的。通常两个并列罐对一座高炉喷吹，改造后通过2号阀和l号阀的转换，由2号喷吹罐分别向1号喷吹罐和3号喷吹罐倒罐装粉喷吹。使得过去6个喷吹罐向3座高炉喷吹改变为6个罐向4座高炉喷煤。

7 分析结论

(1)5号高炉距离较远，始端压力已无法提高，造成终端的工况速度36．7 m／s已低于4号高炉终端速度53．9m／s(动压转换成静压)，但仍然可以实现煤粉喷吹。

(2)煤粉输送是一个加速的过程，当始端静压能量足够的情况下，输送距离越远终端速度越高。但当始端静压能量不足时，输送距离越远终端速度将有所降低，最终无法实现喷煤。

(3)适宜的管道截面要根据小时喷煤量、悬浮速度、固气比计算确定，当实际运行中工况参数变化较大时，可以通过调节固气比来满足悬浮速度，确保正常输送煤粉。

(4)尽管新建5号高炉方案一、二、三的终端速度差别较大，但由于三种方案始端分汽缸压力和热风压力基本相同，这种工况条件是造成摩擦阻力损失基本一致的原因。分析认为终端速度较小时，摩擦系数(空气摩擦系数 固气比煤粉摩擦系数)中固气比较高，动能与摩擦阻力损失之和不变(动压 h_失)。

(5)固气比越高对终端速度影响越大。

8存在的问题

(1)目前空压机的额定压力为0．8 MPa，但是由于安全阀的检定值过低，当气包压力达到0．65 MPa时，安全阀开始排放，造成静压过低无法满足远距离输送。

(2)根据煤粉输送的阻力分配流程，远距离输送需要更高的起始点压力，为保证煤粉喷吹，喷吹罐顶压力至少等于喷吹罐下煤阻力与起始点压力之和。目前集团公司氮气平衡有待改善，以确保提高喷煤量。

(3)二次补气器间隙应根据流速进行适宜调节，避免压差过大，能量消耗过多。

9使用效果

5号高炉于2005年6月13日投产，18日开始喷吹煤粉，通过对存在问题的改进，5号高炉正常喷煤11个月。由于制粉能力的限制，累计喷煤比达到123 kg／t，平均风温达到1 065 ℃，为高炉使用富氧、风温创造了条件。因此，只要确保喷枪具有一定的动压，就能实现煤粉的远距离输送。