CFD Modelling and Analysis of Pulverized Coal Injection in Blast Furnace: An Overview

In order to understand the complicated phenomena of pulverized coal injection (PCI) process in blast furnace (BF), several mathematical models have been developed by the UNSW and BSR cooperation. These models are featuring from coal combustion in a pilot‐scale test rig, to coal combustion in a real BF, and then to coal/coke combustion in a real BF, respectively. This paper reviews these PCI models in aspects of model developments and model applicability. The model development is firstly discussed in terms of model formulation, their new features and geometry/regions considered. The model applicability is then discussed in terms of main findings followed by the model evaluation on their advantages and limitations. It is indicated that the three PCI models are all able to describe PCI operation qualitatively. The model of coal/coke combustion in a real BF is more reliable for simulating in‐furnace phenomena of PCI operation qualitatively and quantitatively. Such model gives a more reliable burnout prediction over the raceway surface, which could better represent the amount of unburnt char entering the coke bed. These models are useful for understanding the flow‐thermo‐chemical behaviours and then optimising the PCI operation in practice.     

高炉喷吹煤粉性能研究

提高高炉喷煤量对于降低炼铁焦比和成本有着重要影响。选择安钢高炉喷吹用煤煤源进行了可磨性、燃烧性实验。对安钢喷吹煤粉的物理特性以及煤粉粒度、富氧率、风温对燃烧率的影响进行了分析研究。     

高炉大量喷吹煤粉的探讨

通过煤粉燃烧研究成果和喷煤实践的分析得出如下初步认识：煤粉在高炉风口区燃烧过程与一般工业炉不同，因风速高，煤粉停留时间短，煤粉在风口前端很难达到较高燃烧率；氧煤枪对延长煤粉停留时间的作用有限，据国内外多数大喷煤量高炉的实践，２００ｋｇ／ｔ以下喷煤量不一定要使用氧煤枪，风口未燃煤粉并不可怕，因其气化率比焦炭高若干倍，能优于焦炭参加还原反应，有利于改善矿石高温性能，减少焦炭粉化和高炉顺行，粒煤具有节约     

Research on Utilization Factor of Injected Pulverized Coal into BF at Large PCI Rate

The carbon mass fraction of blast furnace (BF) dust (gravitational dust and sludge) was determined under normal production conditions in industrial tests. The mass fraction of unconsumed coal and coke particles in BF dust at different PCI rates was obtained based on microscopic and chemical analysis. A relationship between PCI rate and mass fraction of unconsumed coal in BF dust was derived. The amount of unconsumed coal and coke particles in BF dust at different PCI rates was obtained. The utilization factor of injected pulverized coal into BF was determined under different PCI rates at Baosteel. This result provides a necessary analysis method at large PCI rate in BF.     

高炉喷吹石油焦的可行性研究

选用石油焦替代部分高炉喷吹用煤,并通过对其着火点、反应性、燃烧性能、可磨性及输送性能的系统研究发现,高炉喷吹石油焦可改善煤粉的燃烧性能、降低能耗。综合考虑输送性能及高炉所能承受的硫负荷,高炉喷吹石油焦的配比不宜过高。     

我国高炉喷煤技术的发展

论述了我国高炉喷吹煤粉技术的发展过程,分析了提高高炉喷煤比的措施,通过提高焦炭质量、改善鼓风质量、采用氧煤喷吹、混合喷吹等技术和工艺措施可有效提高喷煤比。同时指出,研究回旋区条件下煤粉的燃烧过程,开发高效喷煤助燃剂,最大限度地提高煤粉在风口区域的燃烧率和喷煤置换比,是当前喷煤技术攻关的课题。     

Influence of conveyance methods for pulverised coal injection in a blast furnace

Pulverised coal injection (PCI) is a widely adopted industry practice for reducing blast furnace coke rates. The conditions under which pulverised coal (PC) is injected and combusted, including the co-injection of natural gas (NG), can lead to complex combustion phenomena inside the blast furnace, which must be understood to provide improved furnace performance. This research examines computational simulations of the co-injection phenomena, as well as the industrial drivers behind the project. A wide-ranging parametric study was conducted utilising numerous variations in furnace operating conditions, as well as a new technique for the conveyance of PC. It was found that utilising NG as the carrier gas for PCI could increase coal burnout across the raceway region from about 71% to approximately 87% without altering the design of the tuyere/blowpipe region, with an increase to 96% possible if a shift to a dual lance design for NG injection is considered.     

无烟煤J在高炉喷吹的应用研究

主要分析了某无烟煤J的工艺性质及其在宝钢高炉喷吹应用的实践。该煤的灰分、硫分和挥发分较低,其燃烧特性优于常用的无烟煤A,低位热值与无烟煤A接近;其可磨性较低,需与可磨性好的喷吹煤混合制粉才能满足高煤比制粉要求。从工艺性质分析看,该煤可部分替代无烟煤A在高炉中的使用。在高炉喷吹实践中配入该煤后,高炉各项操业指标表现良好,具有较高的理论置换比,可有效替代焦炭的部分作用。     

A Modified Model for Calculating Theoretical Flame Temperature in Blast Furnace and Its Application

The theoretical flame temperature(TFT)before tuyere,always highly concerned by blast furnace(BF)operators,is one of the most important parameters for evaluating the thermal state of hearth.However,some influencing parameters,for example,the SiO2 reduction by carbon,were always neglected or inaccurate when calculating the TFT.According to the definition of TFT,the temperature of coke into raceway and the reduction rate of SiO2 in ash of coke and pulverized coal were obtained by analyzing the samples before tuyere in blast furnace.Taking full account of different factors,a modified model for calculating the TFT in blast furnace was established.The effects of the oxygen enrichment rate,the reduction rate of SiO2 in raceway,the ash content in coke and pulverized coal and the pulverized coal injection(PCI)rate on TFT were determined quantitatively.The modified model was applied to selecting the used coal for PCI in blast furnace.Considering the different SiO2 contents of mixed coal,the calculated TFT remained a stable level.This showed that the selected coal could be suitable for PCI in blast furnace.     

炼铁过程使用木炭和生物质以及废塑料减少CO2的排放

根据实验室研究,提出了两种可应用于钢铁行业降低CO2排放的方法:利用可再生的生物质或木炭以及利用可回收的含氢废旧塑料。该方法可通过以下两个途径实现:①风口喷吹;②混入入炉炉料,例如:通过混入炼焦煤而进入焦炭,在生产用于高炉或直接还原的球团原料中添加含碳原料和塑料。为考察现代高炉风口喷吹木炭的益处,重点研究了木炭在风口回旋区的气化行为和在风口回旋区外的二次反应。采用实验室装置及其相应的检测设备,研究了几种木头在不同炭化条件下所得到的木炭的转化效率。研究结果表明,对于风口喷吹,所测试木炭的燃烧行为都不逊于矿物质煤;在模拟的高炉炉身条件下,木炭的熔损反应速率高于试验所用的矿物质煤。使用塔姆曼炉试验装置及检测仪研究了可用于直接还原和高炉的冷固结含碳、废塑料和木炭球团的还原和体积变化行为。使用该种球团可抑制和减小还原膨胀,甚至出现体积收缩。球团的自还原行为受还原气的量、气氛和操作条件的影响。采用电阻炉进一步研究了固结废塑料(聚乙烯和垃圾衍生燃料)的氧化铁的还原行为。     

武钢高炉经济性喷煤研究

为了使武钢高炉达到经济性喷煤的目标,通过煤资源调查,掌握了适合武钢喷吹用煤的煤源情况;通过对高炉大煤比条件下的风口理论燃烧温度进行计算,分析了影响高炉喷煤的主要因素;通过对武钢高炉炉尘中的残碳量及其来源进行分析,发现目前操作条件下炉尘中源自煤粉的碳量占总碳量的10%左右,此结果已用于研究未燃煤粉在炉内的利用状况及评估高炉喷吹煤粉的燃烧情况;通过对高炉操作指标进行统计分析,发现煤比在160~170 kg/t时,高炉燃料比较低。实践结果表明,上述经济性喷煤技术在5号高炉应用后,在煤比仅略增加0.8 kg/t的情况下,焦比降低了9.7 kg/t。     

高炉两段式喷吹煤粉工艺的生产实践

两段式喷吹煤粉工艺应用于瑞典SSAB Oxel(o)sund 2号高炉,效果显著.结果表明:若维持风口喷吹煤粉量不变,两段式喷吹煤粉工艺可以提高喷煤量,降低焦比,当第二段喷吹煤粉量5 kg/t时,焦比下降5 kg/t;改善高炉料柱透气性,降低料柱压差,使炉内煤气流分布更加合理,有助于高炉操作稳定,提高煤气利用率;第二段喷入的煤粉可以在高炉内被充分利用,并可以有效地抑制焦炭强度在高炉内的劣化,有助于降低在实施大喷煤工艺时对焦炭质量的苛刻要求;有助于减少炉墙热损失.     

焦粉与兰炭对高炉混煤燃烧特性的影响

 为了探究焦粉、兰炭替代无烟煤进行喷吹对混煤燃烧的影响,使用新型高炉喷煤燃烧模拟试验装置与热重分析设备,研究了焦粉、兰炭以及混煤粒度对混煤燃烧的影响。利用扫描电镜(SEM)与能谱仪(EDS)观察了未燃煤粉的外观形貌。研究结果表明,粒度降低对燃烧有促进作用,焦粉用于喷吹的粒度应低于0.074 mm;兰炭替代无烟煤没有明显影响,而焦粉作用明显;当焦粉添加量超过15%时,混煤燃烧性能急剧下降。兰炭与焦粉对混煤燃烧性的影响不同,主要原因是兰炭与焦粉具有不同的化学性能与结构。从混煤燃烧性能的角度考虑,少量焦粉替代无烟煤用于高炉喷吹是可以被接受的。     

韶钢750 m3高炉喷煤系统技术进步

韶钢750m^3高炉喷煤系统采用了自动配煤、中速磨制粉、低压长袋收粉器收粉、浓相输送等国内先进技术．喷煤系统投产后，高炉煤比达到了150kg／t以上，入炉焦比降到400kg／t以下，取得了良好的经济效益．     

高炉喷吹生物炭研究进展

摘要：高炉喷煤可以降低焦比,但同时加剧温室效应和环境污染。近年来人们开始探索可以替代煤粉的新型燃料,如生物炭、兰炭、城市有机废物等,其中生物质因其来源丰富、环境友好而受到广泛关注。生物炭中的碳含量与煤相近,具备替代煤粉用于高炉喷吹的基本条件。对高炉喷煤技术、生物炭的制备和高炉喷吹生物炭的国内外现状进行了论述,并将生物炭的理化性质、热值、燃烧特性等指标与煤粉进行了对比,分析了生物炭替代煤粉用于高炉喷吹的技术可行性,并对下一步实施高炉喷吹生物炭进行展望。     

高炉下部气体动力学条件与产量优化

 从高炉下部气体动力学条件出发，建立了反映高炉重要操作参数和最大产量之间对应关系的产量优化模型。模型计算结果表明，炉腹和死料堆焦炭的平均粒度增加5 mm，产量约提高20%；渣比下降100 kg/t，产量约提高8%；炉渣粘度下降01 Pa·s，产量约提高4%；炉顶压力增加50 kPa，产量约提高6%；富氧增加1%或提高风温100 ℃，产量约提高2%。如果维持合适的理论燃烧温度不变，高煤比时提高富氧率对产量提高的作用比煤比小时更大。结合合理的上部调剂手段，提高未燃煤粉在炉内的利用率，在大喷煤比下将大型高炉的利用系数提高到30 t/(m3·d)的水平是完全可能的。     

莱钢1080m~3高炉大煤比喷吹技术

莱钢1080m3高炉以稳定顺行为基础,研究并实施大煤比喷吹技术,经过对动力系统及喷吹系统的优化改造,从焦炭冶金性能研究、富氧量研究、高炉调剂参数控制等关键技术入手,实现了200kg/t大煤比喷吹,其他各项主要技术经济指标也均大幅度提升。     

评武钢的合理配煤炼焦

随着高炉的日趋大型化和喷煤工艺的采用，对高炉用焦炭的热稳定性的要求越来越高，因此，对我国含有一定碱金属的大型高炉的生产，如何合理组织配煤炼焦，是大型高炉顺产的重要因素。作者通过多年的研究，对武钢配煤炼焦提出了一些新的看法。     

重新认识高炉用焦炭与CO2的反应性

简要介绍了现行焦炭反应性试验方法的来源,主要表达焦炭在高炉内进入风口回旋区前抗CO2,气化能力以及反应后的抗粉化能力,是一种规范性试验方法。回顾了国内外对焦炭反应性的认识和变化,20世纪认为反应性表达焦炭在高炉抗CO2,的气化能力,反应性高反应后强度低对高炉生产不利。进入21世纪,新日铁提出反应性只是表达了焦炭的活性,认为提高反应性可以提高高炉反应效率,对高炉生产有利,不同时期认识水平不同认知也会完全相反。通过CO2,含量和反应温度对焦炭反应性影响试验和高炉碳平衡计算,分析了喷吹煤粉高炉内焦炭的行为．确定了焦炭进入风口回旋区前的反应失重率。提出现行国家标准“焦炭反应性及反应后强度试验方法”的反应性表达的是焦炭与CO2,反应的活性,高炉内焦炭反应失重率控制因素是矿石的还原性能和未燃煤粉率,与焦炭实验室测定的反应性无关。     

高炉富氧喷吹还原性气体工艺分析

为降低高炉炼铁中固体碳耗、高效利用冶金高温副产煤气,提出高炉富氧喷吹还原性气体工艺流程,建立基于物料平衡与热平衡的高炉数学模型,并修正了理论燃烧温度计算公式。应用该模型分别对传统高炉、炉缸富氧喷吹还原性气体以及炉身喷吹循环煤气的炼铁流程进行技术参数分析。结果表明,炉缸富氧喷吹还原性气体以及炉身喷吹循环煤气的炼铁流程中,当氧气浓度达到50%、炉缸还原性气体喷吹量为267 m3/t时,焦比为291 kg/t,煤比为150 kg/t,直接还原度为0.195,相比传统高炉,燃料比降低109 kg/t,综合能耗降低4.8%。还原性气体温度每升高100 ℃,可多喷吹5.8 m3左右的还原性气体,降低焦比约5.5 kg/t;还原性气体喷吹量对理论燃烧温度影响较大,炉缸每喷吹1 m3/t、1 000 ℃的还原性气体,理论燃烧温度可降低约1.9 ℃。