高炉喷吹贫瘦煤最低着火温度

高炉喷吹贫瘦煤最低着火温度 高炉喷吹贫瘦煤最低着火温度 第28卷第8期 2006年8月 北京科技大学 JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeUing V01.28NO.8 Aug.2006 高炉喷吹贫瘦煤最低着火温度 张俊燕宋存义王丽颖金岩辉 北京科技大学土木与环境工程学院,北京100083 摘要从工业安全角度出发,对实验煤样进行了元素分析和工业分析,在高德伯儿格格瑞瓦尔 德炉中对潞安常村,漳村贫瘦煤的最低着火温度进行了比较全面,系统的实验研究,探讨了煤粉质 量浓度,喷吹压力以及粒度对最低着火点的影响.结果表明,最低着火温度随煤粉质量浓度的减小 而升高,随喷吹压力和煤粉粒度的增大而升高.对实验数据进行线性回归分析,得出影响因素与最 低着火温度的函数关系,从而为贫瘦煤工业应用的安全性提供了一定的参考依据. 关键词高炉喷吹;贫瘦煤;最低着火温度(TIM);爆炸性能;数学模型 分类号TF538.6 当前炼铁系统工艺结构优化的核心是大量喷 煤.高炉喷吹可节约焦炭用量,减少焦炉投资和 焦化污染,增加高炉铁产量.近几年,国内高炉喷 吹技术得到了大力发展,喷吹用煤量呈逐年递升 之势[?.由于无烟煤资源有限,不能满足高炉喷 煤发展的需要,根据贫煤,贫瘦煤挥发分比无烟煤 略高,燃烧性和反应性好等特点,积极利用不粘 煤,贫煤,贫瘦煤等煤种开发高炉喷吹煤具有广泛 的应用前景. 贫瘦煤挥发分较无烟煤高,安全性能比无烟 煤差,因此安全问题更为重要.现在我国各钢铁 企业高炉喷吹煤粉系统一般按喷吹无烟煤种设 计,当改喷贫瘦煤时,如何解决喷吹时的安全问题 将是整个喷吹系统的关键_2].在高炉喷煤的过程 中,可燃性煤粉弥散在空气中,如果遇到点火源使 粉尘的温度达到该粉尘的点火温度,就有可能着 火燃烧或发生爆炸,因此测定煤粉粉尘云最低着 火温度,对预防粉尘爆炸和进行防爆设备的设计 都是必要的. 我国大多数冶金企业过去采用无烟煤作为高 炉喷吹煤,"八五"期间烟煤喷吹技术在鞍钢获得 成功后,现在全国大多数冶金企业已转向喷吹烟 煤或烟煤与无烟煤混合煤,因此对煤粉最低着火 温度的研究也仅限于无烟煤和高挥发性烟煤.本 次实验着重对介于无烟煤与烟煤之间的贫瘦煤进 收稿日期:2005-07—19修回日期:2006—04—29 基金项目:国家技术创新项目(No.D2CJ-07—0117)和北京市教 育委员会共建项目建设计划资助(No.xk100080432) 作者简介:张俊燕(1972一),女,讲师,博士 行研究,针对这一领域的空白对其爆炸特性参数 中的煤粉粉尘云最低着火温度进行了实验测定. 煤粉的最低着火温度不仅与物化性能如种类,粒 度有关,还与测试条件如喷吹压力,煤粉质量浓 度,氧气质量浓度以及环境温湿度等有关.此次 实验选取粒度,喷吹压力和煤粉质量浓度三种主 要的影响因素为研究对象. 1实验装置及煤样 1.1实验装置 本次研究粉尘云的最低着火温度采用的是国 际上比较成熟,通用的标准测试装置——高德伯 儿格一格瑞瓦尔德炉(简称高一格炉),测试系统见 图1.高一格炉采用内壁光滑,下口敞开的高强耐 热石英玻璃管,内径为36.5mm,长216.0mm,炉 管容积为226mL.炉管上端,储粉室,空气压缩机 通过橡胶管相连.炉管中插有电热偶,它与温控 仪相连,温控仪可以直接显示测试温度. 图1最低着火温度测试系统图 Fig.1TestingsystemofTIM 北京科技大学2006年第8期 经过安装,调试和对比实验,表明本装置测出 的数据是可靠的.装置性能指标:温控仪的恒温 范围为0,1000?;温度测量分辨率为0.1?;控 制精度为?1?;空气压缩机所提供的压力范围 为0-0.7MPa. 高一格炉的测试原理是:将一定量的待测粉 尘装入贮粉室,开启空气压缩机的两通阀,使贮气 室充气至所需喷粉压力时,关闭阀门;当炉温升至 并恒定在设定的温度时,开启电磁阀,使高压气体 将粉尘吹入炉内,如果粉尘在炉内燃烧,则从炉子 的下端敞口处可观察到火焰和亮光.粉尘的最低 着火温度可由使通过炉管中的粉尘刚刚不着火时 的炉管的内壁面的最低温度[]来表示. 1.2煤样分析 本文所用两种煤样采集于潞安矿区漳村贫瘦 煤和常村贫瘦煤,其元素分析及工业分析见表1 所示. 表1贫瘦煤煤质特性分析 Table1Characteristicofmeager-leancoal 2实验结果 2.1煤粉质量浓度对最低着火温度的影响 两种煤样在80?下烘干2h,取100,200目 之间和200目筛下的煤粉在喷气压力为0.5MPa 的条件下进行实验.由实验结果绘制煤粉质量浓 度对最低着火温度的趋势图,如图2和图3所示. , 赠 椰 竖 略 图2煤粉质量浓度对常村贫瘦煤最低着火温度的影响 Fig.2Effectofdustconcentrationontheminimumignition temperatureofChangcunmeager-leancoal 煤粉的着火过程直接关系到高炉喷煤的操作 安全和喷吹效果.从安全的角度看,煤粉的最低 着火点是煤粉爆炸的重要引爆参数,T越高,对 安全操作越有利,另一方面,从喷吹效果看,Ti 越低,煤粉燃烧效果应该越好. 由图2可见:常村贫瘦煤最低着火温度随粉 尘粒度减小下降.另外,随着煤粉质量浓度增大, 着火温度降低,但是降低幅度是逐渐减小的,粒度 大的粉尘(100,200目),温度随质量浓度的变化 比粒度小的粉尘(200目以下)更加明显.在质量 浓度从88.5mg?LI1变化到442.5mg?LI1时, 100--200目的常村贫瘦煤的最低着火温度为 480--340?,200目筛下的常村贫瘦煤最低着火 温度为380,310?. , 赠 梅 竖 略 图3煤粉质量浓度对漳村贫瘦煤最低着火温度的影响 Fig.3Ef~ctofdustconcentrationontheminimumignition temper~ureofZhangcunmeager-leancoal 由图3可以看出:漳村贫瘦煤最低着火温度 随煤粉质量浓度的增大是逐渐下降的,但是88.5 mg?L到132.75mg?L的下降趋势最明显, 221.25mg?L到442.5mg?L之间温度随质量 浓度的变化趋于平缓.质量浓度从88.5mg?L 变化到442.48mg?L时,100,200目的漳村贫 瘦煤最低着火温度为460,340?,200目筛下的 漳村贫瘦煤最低着火温度为370,300?. 2.2喷吹压力对最低着火温度的影响 实验条件:炉管为226mL;煤粉质量浓度为 221.25mg?L(即测试煤粉质量50mg).由实验 结果绘制喷粉压力对最低着火温度的趋势图,如 OOOOOOOOOO.寸蛔铊?如 VOI.28NO.8张俊燕等:高炉喷吹贫瘦煤最低着火温度 图4和图5所示. 由图4可以看出:常村贫瘦煤最低着火温度 随喷粉压力的增大略有升高.粒度较大的煤粉着 火温度仍然比粒度较小的煤粉高.在压力从0.2 变化到0.6MPa时,100,200目的常村贫瘦煤最 低着火温度为360,430?,200目筛下的常村贫 瘦煤最低着火温度为300,340?. , 赠 栖 蟹 略 喷粉压力/MPa 图4喷吹压力对常村贫瘦煤最低着火温度的影响 Fig.4Effectofspray-airpressureonTIMofChangcunmea? get-leancoal 由图5可以看出:漳村贫瘦煤最低着火温度 随喷粉压力的增大而升高.当压力从0.2变化到 0.6MPa时,100,200目的漳村贫瘦煤最低着火 温度为340,380?,200目筛下的漳村贫瘦煤最 低着火温度为300,320?. , 赠 竖 略 喷粉压力/MPa 图5喷吹压力对漳村贫瘦煤最低着火温度的影响 Fig.5Effectofspray?airpressureonTIMofZhangcummea? ger?leancoal 3实验结果分析 3.1原理分析 (1)煤粉质量浓度对最低着火温度的影响. 煤尘质量浓度影响煤尘云最低着火温度的原因 为J:靠近热表面的煤尘云粒子,首先通过热传 导和热辐射,从外界获得热量,使表面温度急剧升 高,化学反应加剧,放出更多的热量,并且把热量 辐射给其他的颗粒,使更多的粒子发生化学反应. 如果最初的粒子点火后能使火焰自行传播,则整 个系统点火就能成功.当粉尘质量浓度小,单位 体积煤尘颗粒少的情况下,反应放的热就很难使 火焰自行传播下去,因此就需要提供更大的初始 能量.当质量浓度增大到某一值后,颗粒的辐射 影响较小或几乎不影响,即辐射的影响达到饱和, 所以质量浓度再增大,最低着火温度变化也不会 很大. (2)粉尘粒度对最低着火温度的影响.粉尘 粒度是粉尘爆炸中一个很重要的参数[5].粉尘的 表面积比同质量的整块固体的表面积可大好几个 数量级.表面积的增加,意味着与空气的接 触面积增大,这就加速了固体与氧的反应,增加了 粉尘的化学活性,使粉尘点火后燃烧更快.根据 可燃性粉尘的燃烧机理[6],由于其反应是在粒子 的表面进行的,所以当粒子的比表面积增大时(即 粉尘粒径减小),反应热的生成速度超过热损失速 度而聚集起来,粉尘容易着火,因而最低着火温度 也就下降. (3)喷吹压力对最低着火温度的影响.喷吹 压力影响煤尘云最低着火温度的原因为[7】:第 一 ,喷粉压力增大,会带进更多的氧气;第二,喷粉 压力增大,会加速粒子的沉降速度,还会带进更多 的冷空气.由于高一格炉的炉管长度固定,压缩空 气将煤尘喷入炉管时,如果喷粉压力增大而加速 了粒子的沉降速度,那么反应时间就相应缩短了, 煤粉不易发生反应.这时要使煤粉燃烧,就必须 提供较高的炉壁温度.两方面的因素是共同作用 的,对实验中的两种煤尘来讲,最低着火温度受第 二条因素影响显着,最低着火温度随喷粉压力增 大而升高. 3.2实验结果的多元线性回归分析 多元线性回归的数学模型可写成矩阵的形 式: Y=x+,. 其中为系数矩阵,s为常数矩阵,采用最小二乘 法,设bo,b一,b分别是参数卢o,卢1,…,的 最小二乘估计,则回归方程为: 多=bo+blz1+…+6肛. 由于 , . ,,. , L=XX,L=XY, 有: , X= 一Z1Z12一Z2…Z1一Z 一工1工22一工2…工2k一工k 一工1zH2一工2…z一工k 一 北京科技大学2006年第8期 I vIl ,B= l _J 61 62 i b St=?(一)=?[(一)+(五一)]=t=1t=1 ?(多一)+?(一)LS+S.. 式中,Y是实测值;多是理论计算值;S,S和 S分别总偏差平方和,回归偏差平方和及剩余偏 差平方和. 统计量: Sf}k S./(,z一是一1)' 设实验中最低着火温度丁与煤粉质量浓度 l0,喷吹压力P之间的关系为T=b0+blP+b2P, 通过计算得出两种煤粉不同粒度的数学模型及方 差分析如表2.查表可知F0川(2,7)=9.55,所以 以上线性回归高度显着,可以很好地反映变量间 的变化关系. 表2实验数据的数学模型与方差分析 Table2Mathematicalmodelandvarianceanalysisoftestdata 4结论 (1)两种煤样的最低着火温度都随煤粉质量 浓度增加而降低,变化幅度逐渐减小,不同煤粉的 变化幅度虽略有不同,但总趋势是相同的.在相 同实验条件下,漳村贫瘦煤比常村贫瘦煤的着火 温度低. (2)对同煤种而言,在其他条件相同的情况 下,粒度的减小可以使煤粉的着火温度降低,有利 于改善煤粉的着火过程;而增加煤粉粒度可以使 高炉喷煤更加安全,而且可以节省磨煤工艺的 成本. (3)随着喷吹压力的升高,煤粉的喷吹速度 增加,通过炉膛时加热的时间缩短,两种煤粉的最 低着火温度随压力的升高而升高.当压力增加 0.4MPa时,200目筛下的常村贫瘦煤最低着火 温度上升40?,200目筛下的漳村贫瘦煤最低着 火温度上升20?.根据结果观察,压力对最低着 火温度的影响并不十分显着,但对于煤粉喷吹的 均匀性却有很好的作用,而且气体流量加大可以 使对流传热得到加强,防止局部过热,因此适当提 高喷吹压力是必要的. (4)对实验结果进行了多元线性数学模拟, 并对回归方程进行了方差分析,每个回归方程的 F值都大于F?1(2,7),说明所得的数学模型高 度显着,可以很好地反映变量之间的函数关系. 参考文献 [1]许冠衷.高炉喷煤的新发展.鞍钢技术,1995,5:1 [2]张涿,姚启康,张志冰,等.贫瘦煤作高炉喷吹用煤的研 究.冶金能源,2002,8:12 [3]粉尘爆炸l燃温度测试方法和装置的研究.天津:公 安部天津消防科学研究所,1990 [4]尹燕鸣,曾象志.含能材料粉尘爆炸下限浓度的实验研究. 北京理工大学,1996(2):106 [5]费?巴尔特克纳西特.爆炸过程和防护措施.北京:化学工 业出版社.1985 【6]RindnerR,RetinoG.Dustexplosionsensitivitytests.Compo— sitionBandHMX.1999 [7]兆衡阳.气体和粉尘爆炸原理.北京:北京理工大学出版 社.1996 ? 一 L— == B%,????/,??【 一一一 一 = ,y Vo1.28No.8张俊燕等:高炉喷吹贫瘦煤最低着火温度?789? Minimumignitiontemperatureofmeager—leancoalforBFinjection ZHANGJunyan.SONGCunyi,WANGLiying,jINYanhui CivilandEnvironmenta1EngineeringSchool,UniversityofScienceandTechnologyBeijin g,Beijing100083,China ABSTRACTInviewofsafetytheelementaryandindustrialanalysesofcoalsampleswerecon ducted,a systematicexperimentwasperformedtoinvestigatetheminimumignitiontemperature(MI T)ofZhangcun andChangcunmeager—leancoalinaG-Gfurnace,andtheeffectofdustconcentration,spray —airpressure anddustparticlesizeontheMITwasanalyzed.TheresultsshowthattheTIMincreaseswiththedecrease ofdustconcentrationandtheincreaseofspray— airpressureanddustparticlesize.Alinearregressionwas conductedandthefunctionalrelationshipwasfound,whichcanaffordreferenceforthesecurityofmeager- leancoal'Sindustryapplication. KEYWORDSblastfurnaceinjection;meager— leancoal:minimumignitiontemperature(TIM);explo— sionproperties;mathematica1mode1 Crystallizationkineticsof(Ni0.75Fe0.25)78一NbSi10B12(x=0,5)amorphousal— loys CHENXueding,WrEfHengdOU,WANGXiaojun StateKeyLaboratoryofAdvancedNewNon.ferrousMaterials,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou730050,China ABSTRACTAmorphousribbonsof(Ni0.75Fe0.25)78一 zNbzSi10B12(=0,5)werepreparedbyasingle rollermelt —.spinningtechniqueinairatmosphere.Thecrystallizationkineticsofthealloyswereinvestigated bymeansofcontinuousheating,andtheactivationenergiesofthealloyswerecalculatedusingKissinger plotmethodandOzawaplotmethodonthebasisofdifferentialthermalanalysisdata.Thecrystallization productswereanalyzedbyX— raydiffraction.Afterthe(Nio.75Feo.25)78SiloB12amorphousalloywasan— nea1edatthetemperatures715and745K,asinglephaseofy一 (Fe,Ni)solidsolutionwithgrainsizesof about10.3and18.5nm,respectively,precipitatesintheamorphousmatrix.Thecrystallizedp hasesarey 一 (Fe,Ni)solidsolution,Fe2Si,Ni2Si,andFe3Bafterannealingat765K.The(Nio.75Feo.25)73Nb53ilo B】2amorphousalloywasannealedat720,750,and800K;andthecrystallizationphases,y一 (Fe,Ni)sol— idsolution,(Fe,Ni)23B6,Ni31Si12andNb2NiB0.16formsimultaneously. KEYWORDSamorphousmaterials:therma1analysis;crystallizationkinetics;activationenergy 『摘自RareMetals,2006,25(4):342]