高炉喷煤枪布置方式对回旋区煤粉燃烧状态的影响——以中天高煤比喷吹优化示范为例

张非; 孔亚东; 马方清; 张建良; 胡孝天; 史进朋; 徐润生

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2500538

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (3) :970-979 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2500538

论文：矿冶工程

高炉喷煤枪布置方式对回旋区煤粉燃烧状态的影响——以中天高煤比喷吹优化示范为例

张非 ¹ ,
孔亚东 ¹ ,
马方清 ¹ ,
张建良 ² ,
胡孝天 ² ,
史进朋 ² ,
徐润生 ²^,^*

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Influence of Blast Furnace Coal Injection Gun Arrangement on the Combustion State of Pulverized Coal in Raceway: Zhongtian High Coal Ratio Injection Optimization Demonstration

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摘要

高炉在实际生产中,煤枪喷吹方式对煤粉燃烧状态具有多方面影响,适宜的喷煤枪布置方式对煤粉燃烧过程和生产效率提高具有积极影响。根据中天钢铁生产实际条件,为明确喷枪布置方式对回旋区燃烧状态的影响,通过数值模拟方法探究喷煤枪在不同角度和插入深度时回旋区内燃烧状态变化情况。结果表明,不同参数影响下,燃烧变化规律总体一致,差异体现在回旋区内各特征场分布区域与含量大小上,随角度和深度增加,回旋区内温度和煤粉燃尽率均得到提升;在研究参数范围中,5°和7°时适宜的插入深度为310 mm,燃尽率最高达到76.76%;角度对煤粉燃尽率的影响程度小于插入深度对煤粉燃尽率产生的影响。将研究结果应用于喷吹工业试验中,实现了回旋区燃烧状态提升和高炉生产指标的显著改善。

Abstract

In actual production of blast furnace, the injection mode of coal injection gun has many effects on the combustion state of pulverized coal. The suitable arrangement of coal injection gun has a positive impact on the combustion process and production efficiency of pulverized coal. According to the actual production conditions of Zhongtian Steel, in order to clarify the influence of the arrangement of the spray gun on the combustion state in the raceway, the numerical simulation method was used to explore the change of the combustion state in the raceway at different angles and insertion depths. The results show that under the influence of different parameters, the change law of combustion is generally consistent, with differences primarily manifesting in the distribution range and content of each characteristic field within the raceway. As the angle and depth increase, the temperature and pulverized coal burnout rate in the raceway improve. Within the range of the research parameters, the suitable insertion depth is 310 mm at both 5° and 7°, achieving a burnout rate of up to 76.76%. The influence of angle on the pulverized coal burnout rate is less significant than that of insertion depth. The research results are being applied to the injection industrial experiment, and the combustion state of the raceway is improving, along with a significant enhancement in the production index of the blast furnace.

Graphical abstract

关键词

数值模拟 / 三维建模 / 风口回旋区 / 喷煤枪 / 煤粉燃尽率

Key words

numerical simulation / three-dimensional modeling / tuyere raceway / coal gun / pulverized coal burnout rate

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张非, 孔亚东, 马方清, 张建良, 胡孝天, 史进朋, 徐润生. 高炉喷煤枪布置方式对回旋区煤粉燃烧状态的影响——以中天高煤比喷吹优化示范为例[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(3): 970-979 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2500538

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自21世纪以来,中国钢铁产能逐年增加,炼焦煤、冶金焦资源的供应正成为限制高炉稳定发展的“短板”,并且燃料比消耗占75%以上;喷吹煤采用资源丰富且廉价的非炼焦煤代替焦炭,大幅减少焦炭的用量,焦比降低与合理的煤比综合降低燃料比,也使得铁水生产成本降低。因此,高炉喷煤是现代高炉实现节能、降耗、增产和稳定高炉操作的重要技术手段^[1-5]。

高炉喷煤量的增加会降低理论燃烧温度,通过高风温、高富氧率等措施可弥补理论燃烧温度的温降^[6-8]。数据显示,煤比每上升5 kg/t,理论燃烧温度相应下降约8 ℃,相反,若富氧率增加1%,理论燃烧温度约上升43 ℃^[9-12]。2020年9月京唐1号高炉富氧率由5.0%提高至7.2%,煤比达到213 kg/t,燃料比506 kg/t^[13];2021年通才1号高炉富氧率由4.27%提高至8.25%,煤比从143.46 kg/t提高到197.72 kg/t,煤比大幅提高的同时,其他技术经济指标也得到了较好的改善^[14-16]。

高富氧大煤量喷吹是高炉炼铁技术发展的必然趋势,但随着喷吹量的增加,未燃煤粉量也相应增加,煤粉燃尽率有所降低,对高炉的冶炼顺行造成困难^[17]。煤粉燃尽率是评判煤质好坏和在高炉内实际应用效果的重要标准,在有限时间与空间的条件下,助燃剂的添加可提升煤粉燃烧速度,提高煤焦置换比和煤粉燃尽率,但机理并无明确定论^[18-20]。在单因素指标中,影响燃尽率最大的是无烟煤品种的使用,其次是挥发分含量控制,而富氧率和粒度组成对其影响较小,在无烟煤中配入烟煤喷吹具有一定的促燃效果,所以从煤种粒度、搭配、富氧等多角度的探究,可提升煤粉的实际利用效果^[21-22]。以上理论成果均可为进一步高富氧大煤量喷吹奠定实施基础。

随着资源结构变化,高炉需要适应不同种类和品质的煤粉,因此喷煤枪的布置设计、材料选择、工艺参数可提高高炉对煤种的适应性^[23]。使用双煤枪要比单煤枪和氧煤枪燃尽率高,双枪与单枪相比,燃尽率具有提升5%到10%的效果,并且喷煤枪在使用时存在压力与温度集中的区域^[24-25]。传统喷枪存在煤粉分布不均、燃烧效率低的问题,并且随着富氢和生物质燃料的喷吹,需要优化布置方式来更新喷枪布局,促进煤粉有效燃烧,从而降焦降本^[26]。根据中天钢铁1 580 m³高炉建立耦合的回旋区三维物理模型,探究回旋区内温度场、速度场、气相组分以及煤粉燃尽率的变化规律,对比分析其在回旋区内的燃烧行为^[27],通过变化喷煤枪工艺参数,实现喷煤枪组合参数动态优化,量化角度、深度与煤粉燃烧效率的促进关系,实现方法、理论创新的同时揭示燃料燃烧特性与过程以及对高炉操作和冶炼效率的影响,为中天钢铁高炉炼铁过程的优化和改进提供重要依据。

1 模型与方案建立

1.1 回旋区大小

喷吹煤与高温鼓风相遇,借助风力动能将生成的煤气在克服摩擦阻力和料层阻碍后,推送至炉膛顶部。煤气与焦炭在炉内形成交互回旋并持续燃烧的特定区域,这一区域被称为回旋区^[28]。回旋区形态、尺寸及其形成位置均对煤粉燃烧和软熔带位置产生显著影响。因此,精确获取与实际相符的回旋区大小将显著提升结果分析或预测的准确性^[29]。

本文中回旋区尺寸大小采用修正后的Hatano模型,其模型具体表达式如下。

回旋区宽度W_r:

(1)W_r=2.361

D r D t 0.331

D_t

回旋区深度D_r:

(2)D_r=0.409{F_p}^{0.693}D_t

回旋区高度H_r:

(3)

4 H r 2 + D r 2 H r D r

=8.780

D r D t 0.721

穿透因子F_p:

(4)F_p=

ρ 0 ρ s D p q v S t 2 T f 298 P b

回旋区体积V_r:

(5)V_r=0.53D_rW_rH_r

式中:D_t为风口直径,m;F_p为穿透因子;ρ₀为炉腹煤气密度,kg/m³;ρ_s为焦炭真密度,kg/m³;q_v为风口体积流量,m³/s;T_f为理论燃烧温度,K;P_b为鼓风压力,kPa;D_p为风口焦粒度,mm;S_t为风口总面积,m²。

上述计算模型较为全面考虑了煤粉喷吹和反应过程中的传热传质行为,也是目前应用较多且可靠性较高的计算方法。根据以上模型计算出中天钢铁高炉富氧率5.4%时回旋区的大小为:深度1.30 m,高度1.07 m,宽度0.69 m。

1.2 模型建立

将回旋区看作水滴状空腔,物理模型如图1所示,几何模型的建立及模拟条件的确定基于高炉的实际喷吹和操作参数,主要参数如表1所示。

该三维模型包括直吹管、喷煤枪、风口和回旋区,风口直径为120 mm、长度为560 mm、倾斜角度为5°;喷煤枪直(内)径为19 mm,与直吹管所成夹角为12°,出口位于风口中心线上。煤粉输送气体为氮气,热风由直吹管进入。采用非结构化网格对模型进行划分。研究表明,煤粉进入回旋区后大多沿其水平流股方向流动,采取煤粉在回旋区终点的燃尽率代表其在整个回旋区内的燃尽率。因此,本研究主要围绕煤粉在其流股方向上的流动和燃烧进行展开。

1.3 方案设计

基于现场风口喷吹参数和装置尺寸、布置方式等,针对喷煤枪角度和距风口小套前端距离(即插入深度)参数的变化,设计出不同参数组合下的6种方案,具体参数设置如表2所示,参数结构布置如图2所示。

2 结果与讨论

2.1 不同喷枪角度对回旋区煤粉燃烧行为的影响

以喷枪中心线与直吹管中心线夹角分别为5°、7°,喷枪出口距小套前端280 mm为标准工况,进行单煤枪煤粉喷吹数值模拟研究。

2.1.1 回旋区速度场、温度场分布

如图3所示为纵向中心截面的气相速度、温度云图。由于煤枪出口距小套前端存在一定距离,并且沿回旋区方向小套逐渐收缩,因此小套前端截面处速度最大,5°和7°时分别为218、219 m/s。随流股进入回旋区深度的增加,速度逐渐减小,到达回旋区边缘约60 m/s,后改变运动轨迹向上下部区域做回旋运动。由此可知回旋区内速度的大小不仅与初始速度有关,而且与喷枪的结构布置和装置的尺寸等有关。

煤粉喷出后在风口内即与高温富氧鼓风迅速接触,由于喷吹煤和载气温度远低于鼓风温度,煤粉颗粒被热风包围并进行预热,其次是挥发分的挥发需要吸收部分热量,造成了煤枪出口和周围区域的温度较低。由图3(c)、图3(d)可以看出,在煤枪出口周围,煤粉由喷吹温度逐渐升高,低温颗粒逐渐扩散,直至加热到与鼓风温度一致。其次由于温差较大,气固之间传热效果明显,在回旋区内气相中心流股才开始逐渐进行反应,并且中心流股温度最高,上下部区域温度相对较低,计算得到5°和7°时回旋区内的平均温度分别为2 430、2 425 K,最高温度均可达到2 800 K以上。

综上所述,随煤枪角度的增大,小套前端速度和鼓风动能均增加,有利于射流穿透和扩散,平均温度降低、最高温度升高,说明煤枪角度会影响煤粉燃烧反应的程度,也会改变回旋区内发生燃烧反应放热的区域。

2.1.2 回旋区煤气成分分布

根据图4(a)、图4(b)可以看到,风口内无CO₂分布,说明风口内煤粉末发生燃烧反应,而是处于逐渐升温的过程,回旋区中后部速度较低,与速度较大时相比,煤粉具有较长时间与氧气进行混合和燃烧,此时CO₂含量最高。图4(c)和图4(d)中的H₂分布恰好与CO₂相反,由中心流股向四周辐射式增加,最高含量分布在回旋区边缘和中心流股尾部。根据图4结果可知,在煤粉与氧气混合后,反应后的生成物大量集中在回旋区中部,而回旋区上下部仅有少量存在,说明回旋区上下部煤粉与氧气之间并没有得到充分的混合与接触,和温度场的分布结果相互吻合。

2.1.3 煤粉燃尽率

燃尽率计算公式为

(6)燃尽率=1-

M (1 - m a) M 0 (1 - m a, 0)

×100%=

1 - m a, 0 / m a 1 - m a, 0

×100%

式(6)中:M₀和M分别为煤颗粒初始质量和当前质量;m_a,0和m_a分别为煤颗粒初始灰分含量和当前灰分含量。

根据式(6)进行燃尽率计算,结果得到5°和7°时的燃尽率分别为63.47%、68.77%,说明喷枪角度增加有利于煤粉燃尽率的提升。从图5中可以看到,两方案在中心流股周围的燃尽率都已得到较大提升,相同时间内5°时的扩散轨迹在回旋区内密集,说明速度适当减小有利于煤粉颗粒的扩散,但其在回旋区边缘处未燃煤粉较多,导致燃尽率与7°时相比较低。

2.2 不同喷枪插入深度对回旋区燃烧状态的影响

2.2.1 回旋区速度场、温度场分布

根据图6、图7所示整体分布可以看出在角度和插入深度的变化下,各工况的两场分布特征较为相似,速度在小套前端最大,后经过弥散降速在内部区域变化明显。在氧气充足的条件下,喷吹煤燃烧并释放热量,高温沿水平方向集中分布在中部。

计算得到5°和7°随插入深度增加小套前端平均速度依次为219、218、216、220、219、217 m/s,满足喷吹及输送要求,温度依次为2 430、2 408、2 376、2 431、2 425、2 419 K。角度一定、插入深度增加,小套前端平均速度和回旋区内平均温度在减小,但减小幅度不均,最高温度均可达2 800 K以上。

小套前端与气相流股中心温度较低,原因主要如下:首先,由于小套前端速度局部增大的原因,喷吹煤的燃烧反应和放热有所延后,其次,小套前端区域煤粉预热、挥发分析出会吸收部分热量,导致气体温度较低。

2.2.2 回旋区煤气成分分布

从图8可以看出CO₂与温度场的分布相关,当CO₂分布较广时,7°对应深度280 mm,而5°对应深度310 mm,说明角度和插入深度会对回旋区内煤粉燃烧及分布产生影响。从图9可知,小套前端H₂含量极少,由于前期氧气充足,煤粉具备完全燃烧的环境,产物为CO₂和H₂O,随反应进行,中心流股H₂含量依然较低,后在其他区域发生气化反应会产生少量CO和H₂,待氧气被消耗殆尽,还原气产物在回旋区边缘即开始增加。

2.2.3 煤粉燃尽率

从图10可看到,回旋区内煤粉与可燃气混合后可实现较集中的燃烧,插入深度增加,煤粉的燃烧范围也在逐渐扩大。由式(6)得到5°和7°随插入深度增加时的燃尽率分别为63.47%、69.39%、73.33%和68.77%、73.18%、76.76%,可知随喷枪角度和插入深度的增加,其燃尽率也在增加,因此,角度和插入深度的适当增大有利于煤粉的燃尽。插入深度增加时,高温和富氧可通过反应时间和动力学条件来促进煤粉燃烧反应和放热的过程。

2.3 喷枪优化工业应用

在上述进行的喷枪布置方式研究内容中,从所研究的参数变化范围中得到对高炉喷吹冶炼有利的布置参数分别为倾斜角度7°、插入深度310 mm。

结合喷煤枪布置优化研究,中天钢铁现场进行了为期60 d的提煤比工业应用试验,现场喷煤枪布置参数由倾斜角度5°和插入深度280 mm逐渐变化为7°和310 mm,试验期间鼓风富氧率平均值由3.4%增加至6.9%,煤比平均值由初始148 kg/t增加至173 kg/t,最高达到176 kg/t,焦比由350 kg/t降低至336 kg/t,燃料比同比下降9 kg/t。按平均日产5 000 t铁水、焦炭均价1 650 元/t,预计年节约焦炭成本4 200万元,CO₂年减排量约45万t。

从图11中可以看到,试验改进期间,煤气利用率平均增加0.8%、铁水产量升高约800 t/d,Si、Ti含量分别降低0.16、0.003。煤气利用率提高将减少焦炭进行直接还原的消耗量,使得总燃料比降低;富氧率提高使煤粉利用率增加,铁水产量增加的同时杂质含量减少;喷煤枪布置参数的优化使煤粉燃烧效率大幅提高,从而减少未燃煤粉量,高炉透气性指数由19.59增加至21.77。综上所述,中天喷煤枪优化的高煤比喷吹在方式、经济和环保方面取得了显著效果,为传统高炉低碳化改造提供了可量化、可效仿的技术范式。

3 结论

(1)根据回旋区大小模型和建立的三维数值计算域模型,计算结果表明,喷煤枪布置方式的改变对煤粉燃烧行为具有不同的作用效果,将喷煤枪布置改进参数应用于工业喷吹试验中,回旋区内煤粉燃烧状态和高炉生产指标均取得了优化改善,因此,喷煤枪优化可进行高富氧大煤量喷吹,也可节能降耗降本。

(2)喷枪角度和插入深度对回旋区内速度、温度及成分分布影响甚微,结果差异体现在分布区域与含量上。插入深度变化对速度影响小,非主导因素,减小此深度可微幅提升回旋区温度。

(3)角度与插入深度均影响煤粉燃尽率。角度增大略提燃尽率,但幅度有限,插入深度增加,燃尽率总体上升,最高可达76.76%。5°和7°时的最佳插入深度为310 mm,且角度对燃尽率的影响小于插入深度对其的影响。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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