外场耦合协同作用强化高炉喷吹煤粉燃烧性能的基础理论研究

It has become difficult to further improve the combustion property of pulverized coal, which is the dominant restrictive factor in enhancing the pulverized coal injection rate in BF. Therefore, how to intensify the combustion of pulverized coal in the tuyere has become critical to enhance pulverized coal injection rate. Microwave and ultrasonic field coupling technology is utilized to modify pulverized coal for BF injection in this project. Simultaneously TG-DTA-DTG, SEM-EDS, XRD and other methods are applied to thoroughly investigate the combustion property of modified pulverized coal. In order to discover the impact characteristic of microwave and ultrasonic field coupling treatment on pulverized coal combustion property, the principle of microwave and ultrasonic field coupling technology on pulverized coal combustion will be further studied. The influence of energy transformation, resonance and holes as well as heat transformation on ignition point, activation energy, volatile precipitation characteristic, microstructure, surface adsorption and chemical bond energy of pulverized coal will also be revealed. Meanwhile, the mechanism of coupling magnetic field on intensifying the combustion kinetic condition and simultaneously the physical and chemical property of pulverized coal will be deduced by establishing a modified pulverized coal combustion model, which will be the theoretical basis for the application of microwave and ultrasonic field coupling technology in actual ironmaking process.

煤粉自身的燃烧性能难以得到提高是限制高炉提高煤粉喷吹量的主要因素，因此，强化煤粉在风口前的燃烧性能成为提高高炉喷煤比的核心和关键。本项目采用微波-超声波外场耦合协同技术改性处理高炉喷吹煤粉，利用TG-DTA-DTG、SEM-EDS、XRD衍射等分析测试手段对改性煤粉燃烧性能进行综合研究，建立耦合外场协同处理煤粉的技术方法，在此基础上进一步探讨耦合外场强化煤粉燃烧性能的作用规律，认识耦合外场协同处理对煤粉燃烧性能影响的科学特征，揭示外场协同处理过程中场能转换、波场共振、空穴及热转化等对煤粉的着火点、反应活化能、挥发分析出特性、微观结构、表面吸附性及化学键键能的影响机制，同时建立改性煤粉燃烧模型，阐明耦合外场强化煤粉燃烧动力学条件和煤粉理化性能的机理，最终为该技术在高炉炼铁中的实际应用提供理论基础。

本项目在着重考虑提升煤粉燃烧性能的基础上，通过耦合外场协同改性处理高炉喷吹煤粉，分析外场处理对煤粉燃烧率、挥发分析出速率、燃烧特性参数、微观形貌及组织结构的影响，得到对高炉喷吹煤粉燃烧性能提升最佳的协同处理条件，同时分析了耦合外场协同处理对煤粉燃烧性能的提升机理。研究发现，烟煤和无烟煤经过不同条件的微波—超声波耦合外场协同处理后，其燃烧率发生了明显的变化。燃烧率随着耦合改性的时间增大有明显的提高。高功率超声波使煤粉燃烧率在一定时间内有较大程度的提高。超声波和微波耦合作用改变了焦作烟煤和太西无烟煤的粒度分布，具体表现为，微波处理后煤粉粒度有一定程度的降低，超声波和微波耦合处理后煤粉的粒度进一步降低，煤粉的最大粒径区间减小，平均粒径减小。. 对改质煤粉燃烧性提高的机理进行研究的结果表明，煤粉粒度经微波辐射后降低，同时煤粉颗粒内部出现裂纹。燃烧过程中煤粉颗粒比表面积先增大后减小，但反应后期的比表面积相对反应初期仍大幅增加。改质煤粉中-OH等高活性官能团的吸收峰都有较为大幅的增强，说明微波辐射可提高挥发分活性，在燃烧过程中加速挥发分的裂解。因此，改质煤粉在较低温度下即可提供较大的反应界面，加速残炭颗粒的燃烧。随着转化率的增大，改质煤粉和原煤煤粉的活化能逐渐达到同一水平。. 在较高的转化率下，改质煤粉由于灰分含量相对较高，因此活化能较原煤有小幅度升高。煤粉和煤焦燃烧的动力学分析结果表明，烟煤和无烟煤改质后的活化能相对原煤分别降低了12%和10%左右。煤粉活化能在挥发分大幅裂解的区间显著降低的，说明改质煤粉因挥发分活性提高而加速燃烧。此外，项目还基于不同煤种所混合混煤的煤灰结渣指标分析、矿物成分演变、成渣性能预测以及熔融行为分析，分析了影响高炉喷吹煤粉结渣特性的因素，并构建了高炉喷吹煤粉的燃烧过程动力学模型，为提升高炉喷吹煤粉实际应用效果提供了充足的数据支撑与理论依据。