高炉喷煤交叉式双枪的基础研究

D0I:10.13374/i.issn1001053x.2003.06.007 第25卷第6期 北京科技大学学报 Vol.25 No.6 2003年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2003 高炉喷煤交叉式双枪的基础研究 吴铿魏欣 张向国杨天钧陈春元李安军 北京科技大学冶金与生态学院，北京100083 摘要在冷态模拟实验中，就交叉射流的参数对主变形率的影响进行了研究.增加交角、提 高出口动量比和保持两枪之间适当的距离都有利于提高混合效果，对不同类型喷枪的煤粉 燃烧率进行了热态模拟实验，发现采用交叉式氧煤双枪和双煤枪可以获得比单枪较高的燃 烧率.这表明交叉射流为煤粉在风口前的燃烧提供了良好的传热和传质条件. 关键词高炉炼铁：交叉射流：煤粉喷吹：双枪：燃烧率 分类号TF053 与高炉喷煤相关的研究是近年来较为热门 射流1 的课题”.为在增加高炉喷煤量的同时保持较高 的置换比，就应提高煤粉在风口前的燃烧率和保 射流2 持高炉顺行，这需要对喷枪的结构和形式进行更 深入的研究.“八五”期间，鞍钢六高炉对国内一 些单位研制的氧煤枪进行了工业实验，结果表明 同轴氧煤枪采用旋流形式对强化燃烧起到了一 A-A 定的作用，同时实验中还发现，氧煤分喷的交叉 式双枪有非常好的效果以.这种氧煤交叉双枪通 图1交叉射流及其汇合形状的示意图 过调节适当的夹角和氧量几乎可以完全消除喷 Fig.1 Schematic diagram of cross jets and their joined 煤时风口前出现的黑根现象，这表明交叉射流为 form 喷出的煤粉提供了良好的动力学燃烧条件， 本文通过水模型实验研究了交叉射流的作 的区域，即开始区、过渡区和主要发展区，开始区 用及其特性参数.此外，在实验室进行了不同形 是指交叉射流外部边缘相遇以前的一段，各自具 式喷枪在风口前煤粉燃烧率的热模拟实验，为开 有独立的形状及方向.这一段的长度取决于两喷 发交叉式双煤枪和在高炉进行了工业实验提供 管间的距离和各射流的张角及两个射流交角a的 必要的依据. 大小.过渡区是指射流外边缘开始接触到射流不 再受到变形作用力之间的区域.在此区域内，射 1交叉射流原理 流受到相互冲击力作用而使射流截面发生变形， 两个轴线成一定角度的射流构成的流动为 射流在垂直方向上压扁，水平方向上展宽，外边 交叉射流.当交叉射流相遇时，由于各自惯性力 界呈曲线形.两射流的交角（α）愈大，射流的压扁 的作用，产生相互碰撞和混合，而发生射流变形， 变形愈大.过渡区之后为主要发展区，此时射流 首先被压扁、展宽，然后又逐渐形成一个圆形射 已汇合成单一射流，不再受到变形的作用力. 流（如图1所示）. 2水模型实验 交叉射流相遇前后的情况可分为三个不同 2.1实验装置 收稿日期200304-24吴铿男，52岁，教授，博士 *国家钢铁联合基金资助项目No.50174006) 交叉双枪的射流演示及其特性参数的水模

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 吸 】 高炉喷煤交叉式双枪的基础研究 吴 铿 魏 欣 张 向 国 杨 天钧 陈春元 李安 军 北 京科技 大学 冶 金 与 生 态 学 院 ， 北京 摘 要 在 冷态 模拟 实验 中 ， 就 交叉射 流 的 参 数对 主 变 形 率 的 影 响进 行 了 研 究 增 加 交 角 、 提 高 出 口 动 量 比和 保持两 枪之 间适 当 的距 离都 有 利 于 提 高 混 合 效 果 对 不 同类 型 喷 枪 的煤粉 燃烧 率进行 了热态 模拟 实验 ， 发现采用 交叉式氧 煤双 枪和 双 煤枪可 以获 得 比单枪较 高 的燃 烧 率 这 表 明交叉 射流 为煤 粉在 风 口 前 的燃烧提 供 了 良好 的传 热和 传 质条件 关键 词 高炉炼 铁 交叉 射 流 煤粉 喷 吹 双 枪 燃烧 率 分 类号 吓 与 高 炉 喷 煤 相 关 的研 究 是 近 年 来 较 为 热 门 的课题问 为在增加 高炉 喷煤 量 的 同时保 持 较 高 的置 换 比 ， 就 应提 高煤粉 在风 口 前 的燃烧 率 和保 持 高炉顺 行 ， 这 需要 对 喷枪 的结构和 形 式进行 更 深 入 的研 究 “ 八 五 ” 期 间 ， 鞍钢 六 高 炉对 国 内一 些 单位研制 的氧 煤枪进 行 了工 业 实验 ， 结 果表 明 同轴 氧 煤 枪 采 用 旋 流 形 式 对 强 化 燃 烧 起 到 了一 定 的作用 同时 实验 中还 发现 ， 氧 煤 分 喷 的交叉 式 双 枪 有 非 常 好 的效 果 〔 这 种氧 煤 交 叉 双 枪 通 过 调 节 适 当 的夹 角 和 氧 量 几 乎 可 以完全 消 除 喷 煤 时风 口 前 出现 的黑 根现 象 ， 这表 明交 叉射 流 为 喷 出的煤粉提 供 了 良好 的动 力 学燃烧 条件 本 文 通 过 水 模 型 实 验 研 究 了交 叉 射 流 的作 用 及 其特 性 参 数 此 外 ， 在 实验 室进 行 了不 同形 式 喷枪在 风 口 前煤粉燃烧 率 的热模拟 实 验 ， 为开 发交 叉 式 双 煤 枪 和 在 高 炉 进 行 了工 业 实验 提 供 必 要 的依据 图 交 叉 射 流 及 其 汇 合形 状 的 示 惫 图 交叉 射 流原 理 两 个 轴 线 成 一 定 角 度 的射 流 构 成 的流 动 为 交叉 射流 当交叉 射 流 相 遇 时 ， 由于 各 自惯 性 力 的作用 ， 产 生 相互碰撞和 混 合 ， 而 发 生射 流 变形 ， 首 先 被 压 扁 、 展 宽 ， 然 后 又 逐渐 形 成 一 个 圆形 射 流 如 图 所 示’ ， 交 叉 射 流 相 遇 前 后 的情 况 可 分 为三 个 不 同 收稿 日期 一 吴铿 男 ， 岁 ， 教授 ， 博 士 国家钢 铁联 合基 金 资助项 目 的区域 ， 即开始 区 、 过渡 区和 主 要 发 展 区 开 始 区 是指 交叉 射流 外 部边 缘 相 遇 以前 的一 段 ， 各 自具 有独 立 的形 状及 方 向 这 一 段 的长度 取 决于两 喷 管 间 的距 离和 各射 流 的张 角及 两 个射 流 交 角 的 大 小 过 渡 区是 指射流 外 边 缘 开始接触 到射 流 不 再 受 到变 形 作 用 力 之 间 的区 域 在 此 区 域 内 ， 射 流 受到相 互 冲击 力作用 而使射流 截 面 发 生变形 ， 射 流 在 垂 直 方 向上 压 扁 ， 水 平 方 向上 展 宽 ， 外边 界 呈 曲线 形 两射 流 的交 角 愈 大 ， 射 流 的压 扁 变 形 愈大 ， 过 渡 区之 后 为主 要 发 展 区 ， 此 时射 流 己汇 合 成 单 一 射 流 ， 不 再 受 到变 形 的作用 力 水模型 实验 实验 装 置 交 叉 双 枪 的射 流 演 示 及 其 特 性 参 数 的水 模 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2003．06．007

516· 北京科技大学学报 2003年第6期 拟实验装置如图2所示. 随交角的增加而增大.因此，双枪系统的交角应 在光滑平板上制出30°，40°，50°和60°的标准 尽可能取大些，可以使煤粉的混合得更充分，可 角度，射流出口的直径分别采用3,5,7mm.实验 大大改善动力学条件， 装置为气密的，在水流量计及水流稳定后，测量 在射流出口直径和出口动量不变，两射流的 两股自由射流在不同的交角、出口直径和出口动 交角为30°和喷口沿射流方向上的距离为0mm 量比条件下的主变形率， 的条件下，喷口沿垂直于交叉射流方向上的距离 变化时射流主变形率与轴向距离的关系见图4. 光滑平板 该距离越大，主变形率越小.两射流的交角为50° 流量计 的实验结果，与上述情况完全类似.由此可见，交 水源 叉双枪之间的距离要保持适当，过大后交叉射流 供水装置 水箱 的效果会减弱 图2交叉射流模拟实验装置图 6 Fig.2 Schematic diagram of cold modeling experimental apparatus for cross jet 4 出口直径相等的交叉射流在发展过程中的 三个区域可用交叉射流的主变形率P来划分，它 0mm 8mm 的定义如下回： ★ 13 mm 0=6-2 24 mm Do (1) 10 15 20 25 式中，b为距出口x处的汇合流宽度，mm:D,为距 xID 出口x处的自由射流的截面直径，mm:D,为交叉 图4不同间距的交叉射流的主变形率与轴向距离的关 射流的初始截面直径，mm. 系 对于出口尺寸不等的交叉射流，式(1)中的D Fig.4 Plots of vs x/D,for cross jet in different distances 和D,可分别用单个射流的出口直径D和其相应 的距喷口为x处的自由射流的截面直径D代替. 在两射流出口动量不变，改变出口直径使交 2.2结果与分析 叉射流有不同的出口直径比，测得不同交角时主 图3为两射流在不同交角时主变型率的变化 变形率与两射流出口直径比dld的关系，见图5. 情况.实验条件为等出口直径和等出口动量，出 d,和d山，分别表示两射流出口直径在垂直于交角平 面上的投影长度.由图5可知，d/d越大，射流主 口直径3mm,喷口沿射流方向上的距离为0mm, 沿垂直于交叉射流方向上的距离也为0mm.由 变形率越小；当d/d≥3.5后，射流变形及混合与 图可见，交叉射流交角越大，主变形率越大，过渡 交角不再相关，即不随d/d而变化 段越长，两股射流的混合越强烈.交角越大，两股 在两射流出口直径相等(3mm)和30°交角， 射流的惯性冲撞越激烈.同样，变形区的面积也 不同的出口动量比，交叉射流的主变形率与轴向 15 +30° 12 40° ◆30° +50° 40 *60° 0 0 o 20 30 0 2 x/D dld 图3不同交角的交叉射流主变形率与轴向距离的关系 图5不同交角时交叉射流主变形率与直径比的关系 Fig.3 Plots of o vs x/D.of cross jet with different cross cor- Fig.5 Plots of o vs di/d for cross jet in different cross cor- ners ners

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 拟 实验 装 置 如 图 所 示 〔 在 光 滑 平 板 上 制 出 ， ， 和 的标 准 角度 ， 射 流 出 口 的直 径 分 别 采 用 ， ， 实验 装 置 为气 密 的 ， 在 水 流 量 计 及 水 流 稳 定 后 ， 测 量 两 股 自由射流 在 不 同 的交 角 、 出 口 直 径 和 出 口 动 量 比 条件 下 的主 变 形 率 供水装置 水箱 随 交角 的增加 而 增 大 因 此 ， 双 枪系统 的 交角应 尽 可 能取 大 些 ， 可 以使 煤 粉 的混 合 得 更 充 分 ， 可 大 大 改 善 动 力学 条件 在 射 流 出 口 直 径 和 出 口 动 量 不 变 ， 两射 流 的 交 角 为 和 喷 口 沿 射 流 方 向上 的距 离 为 的条件 下 ， 喷 口 沿 垂 直 于 交叉射 流 方 向上 的距 离 变化 时射 流 主 变 形 率 与轴 向距 离 的关 系 见 图 该距 离越 大 ， 主 变 形 率越 小 两 射流 的交 角为 护 的实验 结果 ， 与上述情 况 完全类 似 由此 可 见 ， 交 叉 双枪 之 间 的距 离要保持 适 当 ， 过大 后 交 叉 射 流 的效 果 会 减 弱 图 交 叉 射流模拟实验装 孟 图 · 认 出 口 直 径 相 等 的 交 叉 射 流 在 发 展 过 程 中 的 三 个 区 域 可 用 交 叉 射 流 的主 变 形 率 尹来 划 分 ， 它 的定 义 如 下 ’司 一 ，口 闷卜 ，卜 曰卜 川 ︸， 哥俐州鉴决 式 中 ， 为距 出 口 处 的汇 合 流 宽度 ， 及 为距 出 口 处 的 自由射 流 的截 面 直 径 ， 马 为 交叉 射 流 的初 始 截 面 直 径 ， 对 于 出 口 尺 寸 不等 的交 叉射 流 ， 式 中 的八 和及 可 分 别 用 单 个 射 流 的 出 口 直 径刀加 和 其 相 应 的距 喷 口 为 处 的 自由射 流 的截 面 直 径 代 替 结 果 与 分 析 图 为两射 流 在 不 同交 角 时主 变 型 率 的变 化 情 况 实验 条 件 为 等 出 口 直 径 和 等 出 口 动 量 ， 出 口 直 径 〔 ， 喷 口 沿 射流 方 向上 的距 离 为 ， 沿 垂 直 于 交 叉 射 流 方 向上 的距 离 也 为 由 图可 见 ， 交 叉 射 流 交 角越 大 ， 主 变形 率越 大 ， 过 渡 段越 长 ， 两 股射 流 的混 合越 强 烈 交 角越 大 ， 两 股 射 流 的惯 性 冲 撞 越 激 烈 同样 ， 变 形 区 的面 积 也 奋一 一 一 一习 戈 图 不 同 间距 的交叉 射 流 的主 变形率 与轴 向距 离的关 系 价 。 伪 陇彻 馏 在 两 射 流 出 口 动 量 不变 ， 改变 出 口 直 径 使 交 叉 射 流 有 不 同 的 出 口 直 径 比 ， 测 得 不 同交 角 时主 变 形 率 与 两射 流 出 口 直径 比试 的关系 ， 见 图 ，和姚分别表示两 射流 出 口 直径 在垂 直 于 交角平 面 上 的投 影 长 度 由图 可 知 ， 试 越 大 ， 射 流 主 变 形 率越 小 当话 七 后 ， 射 流 变 形 及 混 合 与 交 角不 再 相 关 ， 即不 随 】 峨而 变 化 在 两射 流 出 口 直 径 相 等 和 交 角 ， 不 同 的 出 口 动 量 比 ， 交叉 射 流 的主 变 形 率 与轴 向 ‘︶，、产︸ 并粼州姿决 寿未 俐州并芝决 图 不 同 交 角的 交 叉 射 流 主 变形 率 与轴 向距离 的关 系 · 甲 【 一一 一 一－ 一一－ ‘ －一 、 一一一 一习 话 不 同 交 角 时交 叉 射 流 主 变形 率 与直径 比的 关 系 价 试 月免

Vol.25 No.6 吴铿等：高炉喷煤交叉式双枪的基础研究 ·517· 距离的变化如图6所示.随着动量比的增加，变 3.2实验结果分析 形率增大，混合加剧.当交角为50°时，结果与上 喷枪在炉管内最大移动距离为208mm(垂直 面类似. 距离).实验设定了8个位置，间隔26mm,实际煤 在出口直径和交角相等，出口动量不相等和 粉垂直运动距离按喷枪出口至中部测温点位置 两喷口沿交叉射流方向上的距离不为0mm时主 计算.单枪实验时只插入一支枪，双枪实验时，固 变形率与轴向距离的变化下，变形率也是随着动 定一支枪位置（第8点位置），变动另外一支枪位 量比的增加而增大.因此，动量比越大、两喷枪间 置，两支枪均需通入煤粉时，由三通管进行煤粉 距越小、交角越大，越有利于混合， 分配，进行双枪实验. 表1比较了两种喷枪不同喷枪位置对煤粉燃 8 烧率的影响.实验条件为：富氧率1.5%，风温 6 900~950℃，喷煤比180kgt,烟煤和无烟煤配比为 1:1,混合后煤粉的挥发分为23%一26%，粒度组成 4 +0.562 为200目占70%~75%. +0.229 0.374 表1不同喷枪位置对煤粉燃烧率的影响 0 20 30 40 Table 1 Influence of different lance location on pulverized x/Do coal combustion rate 图6不同出口动量比时交叉射流主变形率与轴向距离 喷枪出口距最高 单煤枪煤粉 交叉双煤枪 的关系 测温点的位置/mm 燃烧率% 燃烧率% Fig.6 Plots of vsx/D,for cross jet in different momenta 220 21.61 31.13 at outlet 246 29.45 34.41 272 27.69 31.82 298 23.40 36.89 3热态模拟实验 324 31.00 37.10 350 31.45 33.59 3,1实验装置 376 34.93 38.90 采用立式煤粉燃烧炉，风温可达900-1000℃， 402 35.39 40.11 燃烧管内径为50mm,炉温可达12501300℃.煤 粉在炉管运动的垂直距离在1000mm以上，设有 对表1中的数据进行线性回归，相关系数均 双枪插位，图7给出了实验中喷枪的安装位置m 大于0.8，回归方程如下： 片=9.0389+0.0654x,220≥x≥402； =22.5596+0.0416x,220≥x≥402. 喷枪插入口位置 式中，”和分别为单煤枪和交叉双煤枪的煤粉 燃烧率，%：x为喷枪出口距最高测温点的位置， mm 由实验结果可见，两种形式喷枪的煤粉燃烧 上部测温点位置 率变化规律相同，随喷枪出口距最高测温点的位 1200℃ 置的增加，即煤粉运动距离的增加，燃烧率呈上 φ50 升趋势.喷枪出口离最高测温点越远，燃烧率相 燃烧炉管 总长1000 差得越大.表2给出了用回归算法得出的两种喷 枪在不同位置的煤粉燃烧率的差值.对于单枪而 计算H的 零点位置 中部测温点位置 言，距最高测温点的增加表明煤粉喷吹后垂直运 1250℃ 动距离的增加，提高了煤粉的预热效果和停留时 图7喷枪插入位置示意图（单位：mm) 间，所以燃烧率随着距离增加而升高.而在交叉 Fig.7 Schematic diagram of lance location in experimental 双枪中一支枪是固定在最远的距离，另一支枪是 apparatus 可以移动的.距最高测温点位置的增加，表明两

吴 铿 等 高炉 喷 煤交叉 式双 枪 的基 础 研 究 一 · 距 离 的变 化 如 图 所 示 随着 动 量 比 的增 加 ， 变 形 率增 大 ， 混 合 加 剧 当交 角 为 时 ， 结 果 与 上 面类 似 在 出 口 直径 和 交 角相 等 ， 出 口 动量 不 相 等 和 两 喷 口 沿 交 叉射 流 方 向上 的距 离 不 为 时主 变 形 率 与轴 向距 离 的变化 下 ， 变 形 率也 是 随着动 量 比 的增 加而 增 大 因此 ， 动量 比越 大 、 两 喷枪 间 距 越 小 、 交 角越 大 ， 越 有 利 于 混 合 才寻爪 实验 结 果 分 析 喷枪在 炉 管 内最 大 移 动距 离 为 垂 直 距 离 实验 设 定 了 个位 置 ， 间 隔 ， 实 际煤 粉 垂 直 运 动 距 离 按 喷 枪 出 口 至 中 部 测 温 点位 置 计算 单枪 实验 时只 插 入 一 支枪 ， 双枪 实验 时 ， 固 定 一 支枪 位 置 第 点位 置 ， 变 动 另外 一 支 枪 位 置 ， 两 支 枪 均 需通 入 煤 粉 时 ， 由三 通 管进 行 煤 粉 分 配 ， 进 行 双 枪 实验 表 比较 了两 种 喷枪 不 同喷枪位 置对 煤粉燃 烧 率 的影 响 实验 条件 为 富氧 率 风 温 一 ℃ ， 喷煤 比 ， 烟 煤和 无烟 煤 配 比 为 卜 ， 混 合 后 煤粉 的挥 发 分 为 一 ， 粒 度 组 成 为 目 占 一 表 不 同 喷枪 位 置 对 煤粉 燃 烧 率 的影 响 月免 皿 喷枪 出 口 距 最 高 单 煤枪 煤粉 交 叉 双 煤枪 测 温 点 的位 置 燃烧 率肠 燃烧 率 瓣俐州芝酸 图 不 同 出 口 动量 比时交叉 射 流 主 变形 率与轴 向距 离 的 关 系 们 八，工︸， 八，︸， … 乙 汀 内︸，︼、、 八， 峥八，内月、 ︸，‘ … ， 苦 ，山︸气内、、 片内甘、月﹃ ，︸内乙，山，︸‘ ，︸向，气︶尹 ，︸只“︶ 热 态 模 拟 实验 实验 装 置 采用 立 式煤粉 燃烧 炉 ，风温 可 达 一 ℃ ， 燃 烧 管 内径 为 ， 炉温 可 达 一 ℃ 煤 粉 在炉 管运 动 的垂直距 离在 以上 ， 设有 双枪 插 位 ， 图 给 出 了实验 中喷枪 的安 装位 置 ‘ 喷枪插入 口 位置 上部测温点位置 ℃ 燃烧炉管 总长 陈 扩 尹 上部测 － 心 － 叭 、 －－ 公 闷 一 － － 、咬 － 厂 烧炉管 中 中部测 长 勺 计 算 的 户刁 零点位置 八 中部测温点位置 ℃ · 图 喷枪插入位置 示 意 图 单位 对 表 中 的数 据 进 行 线 性 回 归 ， 相 关 系 数 均 大 于 ， 回 归方 程 如 下 ， 七 七 ， 迁 全 式 中 ， 和必 分 别 为单 煤枪 和 交叉 双 煤枪 的煤 粉 燃 烧 率 ， 为 喷 枪 出 口 距 最 高 测 温 点 的位 置 ， 。 由实验 结 果 可 见 ， 两 种 形 式 喷 枪 的煤 粉 燃 烧 率变 化 规律相 同 ， 随喷枪 出 口 距 最 高测温 点 的位 置 的增 加 ， 即煤 粉 运 动 距 离 的增 加 ， 燃 烧 率 呈 上 升 趋 势 喷 枪 出 口 离 最 高 测温 点越 远 ， 燃 烧 率 相 差得 越 大 表 给 出 了用 回 归算 法 得 出 的两 种 喷 枪在 不 同位 置 的煤粉燃 烧 率 的差值 对 于单枪 而 言 ， 距 最 高测温 点 的增 加表 明煤粉 喷 吹后 垂 直运 动 距 离 的增 加 ， 提 高 了煤粉 的预 热 效果 和 停 留时 间 ， 所 以燃 烧 率 随着距 离 增 加 而 升 高 而 在 交叉 双 枪 中一 支枪 是 固定在 最 远 的距 离 ， 另一 支枪 是 可 以移 动 的 距 最 高测 温 点位 置 的增 加 ， 表 明两

518· 北京科技大学学报 2003年第6期 表2两种喷枪在不同位置的煤粉燃烧率的差值 Table 2 Differences of pulverized coal combustion rate between two type lances 喷枪出口距最高测温点的位置/mm 220 246 272298324 350376402 单双枪的燃烧率差异% 8.29 7.67 7.05 6.43 5.81 5.194.573.95 支枪的水平距离变小，两枪距离过大，会使交叉 实验还比较了普通单煤枪、交义双煤枪、交 射流的混合效果下降，这与前面冷态模拟实验的 叉氧煤枪、同轴氧煤枪等几种喷枪形式在不同的 结果是一致的.交叉双煤枪的燃烧率在相同条件 煤比条件下对煤粉燃烧率的影响，结果如表3所 下都比单煤枪高，这是由于交叉双煤枪改善了煤 示，单枪和双枪出口距最高测温点的位置都为 粉的混合和预热的条件所致. 402mm,风温为950980℃，其余条件与前相同. 表3不同喷枪形式对煤粉燃烧率的影响 Table 3 Influence of different lance types on coal pulverized combustion 高炉喷煤比kgt)交叉氧煤枪燃烧率%交叉双煤枪燃烧率%同轴氧煤枪燃烧率%普通单枪燃烧率% 120 62.46 54.06 46.77 43.92 150 65.43 51.47 46.48 44.45 180 51.26 48.20 46.48 44.45 200 50.69 50.98 45.22 43.87 对表3中的数据进行线性回归，相关系数同 过程，而对传热过程不利，在交叉式喷枪中，交叉 样都大于0.8，回归方程如下： 射流不但提供了很好的传质条件，在射流的开始 z=87.2848-0.1835x,120≥x1≥200： 区得到了较好的预热，在过渡将区可以进行充分 z2=59.3876-0.0505x1,120≥x1≥200： 的混合，提供了很好的传热和传质条件.所以交 z3=48.8718-0.0162x,120≥x1≥200 叉式双枪可以达到较高的燃烧率，较单枪平均提 z4=44.1382-0.0004x,120≥x≥200. 高了5%10%左右. 式中，z,z,和z4分别为交叉氧煤枪、交叉双煤 采用交叉双煤枪，煤粉由两支枪分别喷入， 枪、同轴氧煤枪和单煤枪的煤粉燃烧率，%：高 减轻了单支枪的煤量负荷，有利于进一步提高供 炉喷煤比，kgt. 煤的能力.交叉氧煤双枪和双煤枪在工业上实施 回归方程表明，燃烧率随着煤比的增加都有 的难度并不大，需要对现有的相关设备进行改动 所下降，燃烧率越高的情况下降幅度越大，这与 即可，交叉氧煤双枪氧与煤是从两支枪分别喷 实际情况完全吻合，在相同煤比条件下，交叉氧 入，可以保证每个风口的供氧量. 煤枪的效果最好，喷出的氧流与煤流相交后直接 4 混合，提高了混合均匀性，强化了燃烧过程.交叉 结论 双煤枪的效果仅次于交叉氧煤枪，但比同轴氧煤 (1)交叉射流的交角越大、出口动量比越大、 枪要好得多.这也是由于交叉射流提供了很好的 两喷口的距离越小，主变形率越大，两股射流的 混合和预热条件.在喷煤比为200kgt的条件下， 混合越强烈.两股射流出口直径在垂直于交角平 两种交叉式喷枪的煤粉燃烧率几乎相同.其原因 面上的投影长度比dd越大，射流主变形率越 为实验中的富氧量是固定的，没有随着喷煤量的 小；当d1d≥3.5后，射流变形及混合不再与交角 增加而增加，这表明在提高喷煤量的同时，应该 相关， 适当增加富氧量，来保证较高的燃烧率，同轴氧 (2)随两喷口沿交叉射流方向上的距离变大， 煤枪采用了集中富氧，效果比普通单枪要略好 交叉射流的主变形率变小，双枪的布置要使间距 些.氧气与煤粉从一个枪口喷出，可以提高煤粉 不宜过大，以免影响交叉射流混合的效果，选择 在出口处局部区域的氧浓度，达到较好的混合程 合适的距离是交叉枪的重要参数， 度，但由于氧气在喷枪出口的温度较低，而煤粉 (3)交叉式双枪使煤粉和氧气或煤粉与煤粉 被喷出后，首先被加热，进行干燥、分解，然后才 在热风中先预热后混合，为煤粉的燃烧提供了良 进行燃烧，而煤粉和氧气同时喷出，有利于传质 好的动力学条件.可以获得比单枪高的燃烧率

一 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 表 两种 喷枪在 不 同位 置 的煤粉燃 烧率 的差值 月触 ， 泳 俪 饰 喷 枪 出 口 距最 高 测温 点 的位 置 单双 枪 的燃烧率 差 异 支枪 的水 平 距 离变 小 两 枪距 离 过 大 ， 会 使 交 叉 射 流 的混 合 效 果 下 降 ， 这 与前 面冷 态模 拟 实验 的 结 果 是 一致 的 交 叉双 煤枪 的燃烧 率在 相 同 条件 下 都 比单煤 枪 高 ， 这 是 由于 交 叉 双 煤枪 改善 了煤 粉 的混 合 和 预 热 的条 件 所 致 实验 还 比较 了普通 单煤 枪 、 交叉 双 煤 枪 、 交 叉 氧 煤 枪 、 同轴 氧煤枪 等几 种 喷枪 形 式 在 不 同的 煤 比条 件 下 对 煤 粉 燃 烧 率 的影 响 ， 结 果 如 表 所 示 单 枪 和 双 枪 出 口 距 最 高测 温 点 的位 置 都 为 ， 风 温 为 一 ℃ ， 其 余 条件 与 前 相 同 表 不 同 喷枪形 式 对 煤粉燃 烧 率 的影响 幻 高炉 喷煤 比 ’ 一 今 交叉氧煤枪燃烧 率 交叉双 煤枪燃烧 率 瓜 同轴 氧煤枪燃 烧 率 普通 单枪燃烧 率 机 对 表 中 的数 据 进 行 线 性 回 归 ， 相 关 系 数 同 样 都 大于 ， 回 归方 程 如 下 一 ，， 之 ，七 几 一 ，， 全 、 之 与 一 ，， 之 之 石 一 ， 全 ，全 式 中 ， ， 几 ， 和石 分 别 为交 叉氧 煤枪 、 交 叉 双 煤 枪 、 同轴 氧 煤 枪 和 单 煤 枪 的煤 粉 燃 烧 率 ， 工， 高 炉 喷 煤 比 ， 回 归方 程 表 明 ， 燃烧 率 随着 煤 比 的增 加 都 有 所 下 降 ， 燃烧 率越 高 的情 况 下 降 幅度 越 大 这 与 实 际情 况 完 全 吻合 在 相 同煤 比条件 下 ， 交 叉 氧 煤 枪 的效 果 最 好 ， 喷 出 的氧 流 与煤 流 相 交后 直接 混 合 ， 提 高 了混合 均 匀性 ， 强化 了燃烧 过 程 交叉 双 煤枪 的效 果 仅 次 于 交 叉氧煤 枪 ， 但 比 同轴 氧煤 枪 要 好 得 多 这 也 是 由于 交叉 射 流 提 供 了很 好 的 混 合 和 预 热 条 件 在 喷 煤 比 为 的条 件 下 ， 两 种 交叉 式 喷 枪 的煤粉 燃烧 率 几 乎相 同 其 原 因 为 实验 中 的富氧 量 是 固定 的 ， 没 有 随着 喷煤 量 的 增 加 而 增 加 这 表 明在 提 高喷 煤 量 的 同 时 ， 应 该 适 当增 加 富氧 量 ， 来 保 证 较 高 的燃 烧 率 同轴 氧 煤 枪 采 用 了集 中 富氧 ， 效 果 比普 通 单 枪 要 略 好 些 氧 气 与 煤 粉 从 一 个 枪 口 喷 出 ， 可 以提 高煤粉 在 出 口 处 局 部 区域 的氧浓度 ， 达 到较好 的混 合 程 度 ， 但 由于 氧 气 在 喷枪 出 口 的温 度 较 低 ， 而 煤 粉 被 喷 出后 ， 首 先 被 加 热 ， 进 行 干 燥 、 分 解 ， 然 后 才 进 行 燃烧 而 煤 粉 和 氧 气 同 时喷 出 ， 有 利 于 传 质 过程 ， 而对传 热 过 程 不 利 在 交叉 式 喷 枪 中 ， 交叉 射 流 不 但 提供 了很 好 的传质 条件 ， 在射 流 的开始 区 得 到 了较好 的预 热 ， 在过 渡 将 区 可 以进 行 充分 的混 合 ， 提供 了很 好 的传 热 和 传 质 条 件 所 以交 叉 式双 枪 可 以达 到较 高的燃烧 率 ， 较 单枪 平 均提 高 了 一 左 右 采 用 交 叉 双 煤 枪 ， 煤粉 由两 支 枪 分 别 喷 入 ， 减轻 了单支枪 的煤量 负荷 ， 有 利 于进 一 步 提 高供 煤 的能 力 交叉氧 煤 双 枪 和 双 煤枪在 工 业 上 实施 的难度 并 不大 ， 需要 对 现 有 的相 关 设备 进行 改动 即 可 交 叉 氧 煤 双 枪 氧 与 煤 是 从 两 支 枪 分 别 喷 入 ， 可 以保 证 每 个 风 口 的供 氧 量 结 论 交 叉 射 流 的交 角越 大 、 出 口 动 量 比越 大 、 两 喷 口 的距 离越 小 ， 主 变 形 率越 大 ， 两 股 射 流 的 混 合越 强烈 两 股射 流 出 口 直 径 在垂 直 于 交 角 平 面 上 的投 影 长 度 比 ， 越 大 ， 射 流 主 变 形 率 越 小 当话 七 后 ， 射 流 变 形 及 混 合 不 再 与 交 角 相 关 随两 喷 口 沿 交 叉射 流 方 向上 的距 离变 大 ， 交叉 射 流 的主 变 形 率变 小 双 枪 的布 置 要 使 间距 不 宜 过 大 ， 以免 影 响 交 叉 射 流 混 合 的效 果 选 择 合 适 的距 离是 交 叉 枪 的重 要 参 数 交 叉 式 双 枪 使煤 粉 和 氧气 或 煤 粉 与 煤 粉 在 热 风 中先 预热 后 混 合 ， 为煤粉 的燃烧提 供 了 良 好 的动 力 学条件 可 以获 得 比 单 枪 高 的燃烧 率

Vol.25 No.6 吴铿等：高炉喷煤交叉式双枪的基础研究 ·519 参考文献 1990 1吴铿，陈眷元，刘兴慧，等。高温下高炉渣与碳的还 5吴铿，交叉式双枪的理论基础研究[R].鞍钢课题结 原北京科技大学学报，2000,22(1)：12 题报告，2001 2马政峰，吴铿，杨天钧，等.放宽高炉喷吹煤粉粒度 6杨天钧，仓大强，丁玉龙.高炉富氧煤粉喷吹M北 的工业实验).北京科技大学学报，2003,25(3)：211 京：冶金工业出版社，1996 3刘兴慧，高炉喷吹煤粉技术研究D]北京：北京科 7陈春元.提高包钢高炉喷煤量的基础实验研究心 技大学，2001 北京：北京科技大学，2001 4许晋源，徐道模.燃烧学[M.北京：机械工业出版社， Fundamental Research on the Cross Double Lance for PCI at Blast Furnace WU Keng,WEI Xin,ZHANG Xiangguo,YANG Tianjun,CHEN Chunyuan,LI Anjun Metallurgy and Ecological Engineering School,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China ABSTRACT Through a water simulation experiment,the influence of cross jet parameters on principle strain was studied.It is beneficial to the mixing effect by increasing the cross comner and momentum at outlet and keeping an appropriate distance between the two lances.The effect of different types of lances on the combustion rate of pul- verized coal was researched in laboratory.The results show that the oxygen and coal double lances or the two coal double lances could obtain a higher combustion rate than any type of single lance.It is concluded that cross jet can achieve a good condition of heat and mass transfer for the combustion of pulverized coal in front of a tuyere. KEY WORDS iron-making in BF;cross jet;PIC;double lance;combustion rate

吴铿 等 高炉 喷煤交叉 式 双 枪 的基础 研 究 参 考 文 献 吴铿 ， 陈春 元 ， 刘 兴 慧 ， 等 高温 下 高炉渣 与碳 的还 原 北 京科技 大 学学报 ， ， 马政 峰 ， 吴铿 ， 杨 天 钧 ， 等 放 宽高炉 喷 吹煤粉粒度 的工 业 实验 北 京科技大 学学报 ， ， 刘 兴 慧 高炉 喷 吹煤粉技术研究【 北 京 北 京科 技 大学 ， 许晋源 ， 徐道模 燃烧 学 北 京 机械 工 业 出版社 ， 吴 铿 交 叉 式 双 枪 的理 论 基 础 研 究 鞍钢 课题 结 题 报 告 ， 杨 天 钧 ， 仓大强 ， 丁 玉 龙 高炉 富氧煤粉 喷 吹 北 京 冶金 工 业 出版社 ， 陈春元 提 高包 钢 高 炉喷 煤 量 的基 础 实验 研 究 北 京 北 京科 技 大 学 ， 幻 牙 ， 环便 ， 从搜刃 雌寥碑， 别刃 乃 凡 万 “ 权夕“ ， 理守 助 玫 ， 介 ， ， 汕 ， 叩 州 朴刀 朴刀 笼 、 勺刀 ·