第四章燃料燃烧及煤气在高炉内的变化

第四章燃料燃烧及煤气在高炉内的变化 4.1 炉缸内燃料的燃烧 4.2 热交换

4.1 炉缸内燃料的燃烧 从炉顶加入的焦炭，其中70~75%是在风口前与鼓风中的O2燃烧，17~21%参加直接还原反应，10%左右溶解进入铁水。焦炭在风口前燃烧：（1）产生热量和气体还原剂；（2）产生空间使炉料下降。 1）风口前碳素的燃烧反应 (a) 碳素燃烧反应完全燃烧：不完全燃烧：假定鼓风中没有水分（称为干风），这时炉缸煤气成分由CO、N2组成

实际鼓风中除O2和N2外，还有一定量的水分： f (b)炉缸煤气成分 1-f 设鼓风湿份为（体积百分比），则： 1m3鼓风中的干风体积： 1m3鼓风 1m3鼓风中水的体积： 1m3鼓风中氧的体积：

1m3鼓风的燃烧反应： CO的体积= H2的体积= N2的体积= 1m3鼓风产生的煤气总体积：

武汉地区气象资料 （1955年平均）燃烧反应产物成分

结论：鼓风湿份越高，煤气中CO、H2浓度增加，还原势增大结论：鼓风湿份越高，煤气中CO、H2浓度增加，还原势增大相当于：相当于10

(C）1kgC燃烧需要的风量和产生的煤气量 i）燃烧1kg碳素所需要的风量 24kg 22.4m3 1kg x=22.4/24=0.933m3O2/kgC 当时当时 ii）燃烧1kg碳素生成的煤气体积

，其中 已知1kgC燃烧需要的风量：其中：

时时时时结论：（1）湿份增加，炉缸煤气体积变化不大；（2）炉缸煤气体积大约是风量的1.21倍；（3）但炉顶煤气体积是鼓风量的1.3~1.4倍。

2）燃烧带与风口回旋区 （1）风口回旋区鼓风以100~200m3/s的速度从风口吹入充满焦炭的炉缸区域，在风口前形成一个近似球形的空间。在球形空间内部，气流夹带着焦炭作回旋运动，焦块的运动速度4~20m/s（前苏联测定），称这一球形区域为风口回旋区。（2）燃烧带在回旋区外围有一层100~200mm的焦炭疏松层称中间层，将回旋区和中间层统称为燃烧带。实践中常以CO2降至1~2%的位置定为燃烧带界限。大型高炉的燃烧带长度在1000~15000mm左右

（3）燃烧带对高炉冶炼的影响 i）燃烧带是炉内焦炭燃烧的主要场所，而焦炭燃烧所腾出来的空间是促使炉料下降的主要因素。生产中的高炉的燃烧带上方总是比其它地方松动，且下料快（称焦炭松动区或活性焦炭区），燃烧带内燃烧的焦炭的80%来自风口上方。因此，当燃烧带占整个炉缸面积的比例大时，炉缸活跃面积大，料柱比较松动，有利于高炉顺行。因此，从高炉顺行的角度来说，希望燃烧带水平投影面积大些，多伸向炉缸中心，并尽量缩小风口之间炉料的呆滞区（多风口设计思想） ii）燃烧带是炉缸煤气的发源地，燃烧带的大小影响煤气流的初始分布。燃烧带伸向中心，则中心气流发展，炉缸中心温度升高；相反，燃烧带小，边缘气流发展，中心温度较低，对各种反应进行不利。炉缸中心不活跃和热量不足，对高炉顺行极为不利。因此，从煤气流分布合理和炉缸中心温度充足的角度来说，也希望燃烧带向中心延伸回旋区截面积占炉缸截面积的47~48%时高炉生产指标最好，小高炉可达50%。对d = 6.8~13.4m（相当于1000~4000m3）的高炉，回旋区深度L = 0.424 + 0.068 d + 0.003 d2。

4）鼓风动能 定义：单位时间内进入高炉的鼓风质量所具有的动能，它是选择风口直径的主要依据。鼓风动能大，燃烧带加长，有利于吹透中心。，（） —单位时间的鼓风质量（） —风速（）每秒钟进入一个风口的鼓风质量：（） —高炉风量（） —标态下空气重度（1.2875 ） —送风风口个数 —重力加速度（）

若风温为T（=273+t），风压 ，则每秒进入一个风口的实际鼓风体积：注：为吹入高炉的实际风量（Nm3/min），用每天烧掉的焦炭量来反推：

每天加入高炉的焦炭 高炉中加入1吨焦炭需要的风量 ——每天加入高炉的焦炭（t）； ——焦炭固定碳含量（%）； ——风口前烧掉的碳量占入炉总碳量之比，则高炉内每加入1吨焦炭所需要的风量一般波动在2500~3000Nm3/t，若取

当休风率为0时： ，即每天装入高炉内的焦炭的2倍。日本统计了大型高炉鼓风动能与高炉有效容积的关系：我国：1000m3以上的高炉鼓风动能在40~70kW 300m3左右的高炉 30~40kW 100m3以下的小高炉 10~15kW 55m3高炉 6~9kW 13m3高炉 2~5kW 随冶炼强度升高，鼓风动能相应减小。

高炉的下部调剂 • 下部调剂的作用是通过改变进风状态控制煤气流的初始分布，使整个炉缸温度分布均匀稳定，热量充沛，工作活跃。也就是控制适宜的燃烧带与煤气流的合理分布。 • 通过日常鼓风参数的调剂实现合适的鼓风动能，可达到控制燃烧带大小的目的。 • 调剂的鼓风参数有风温、风量、喷吹量、鼓风湿度、风口数目、风口直径。

3）燃烧温度及炉内温度分布 （1）理论燃烧温度定义：风口前焦炭燃烧所能达到的最高温度，即假定风口前焦炭燃烧放出的热量全部用来加热燃烧产物时所能达到的最高温度。 ——风口前碳燃烧成CO放出的热量（kCal/t铁）； ——鼓风带入的物理热（kCal/t铁）； ——燃料带入的物理热，包括进入高温区的焦碳的物理热（1500℃）、煤粉的物理热； ——鼓风和喷吹煤粉中的水分解吸热（kCal/t铁）； ——煤粉分解吸热（kCal/t铁）； ——CO和N2的比热，； ——H2的比热，； ——炉缸煤气中CO、N2、H2的体积，m3/tFe。

理论燃烧温度可达1800~2400℃，它代表风口区最高温度，其数值表示了传热推动力的大小，但它并不代表炉缸铁水温度和生铁含硅量的高低。理论燃烧温度可达1800~2400℃，它代表风口区最高温度，其数值表示了传热推动力的大小，但它并不代表炉缸铁水温度和生铁含硅量的高低。在实际使用过程中，各高炉根据实际生产数据，以及按上述定义公式计算的，经过回归得到使用方便的经验公式：日本君津厂：日本中山厂：澳大利亚BHP： ——鼓风温度（℃）；以上各式中： ——鼓风富氧量（m3/1000m3鼓风）； ——喷吹重油量（kg/1000m3鼓风）； ——喷煤量（kg/1000m3鼓风）； ——鼓风湿份（g/m3）

首钢1高炉： 武钢1高炉： kg/t g/m3 从以上公式可以看出：富氧1%：提高理论燃烧温度40~45℃；湿份1g/m3：影响理论燃烧温度6℃左右； 100℃风温：影响理论燃烧温度75~80℃；喷煤10kg/t：影响理论燃烧温度15~20℃；高炉冶炼过程中必须维持一定的理论燃烧温度才能保证顺行。过低：传热推动力小，渣铁温度不足，流动性差，脱硫困难；过高：炉缸煤气体积膨胀，压差升高，且大量产生SiO。

日本高炉理论燃烧温度与高炉有效容积的关系 首钢1号高炉燃料比与理论燃烧温度的关系 ↑ 燃料比↓——要求喷煤100kg/t，需要补偿风温130~180℃ 武钢100℃风温可增加喷煤59kg/t

理论燃烧温度与焦比关系不大： ① K=600kg/t、C固=82%、冶炼1吨生铁需在风口前燃烧的碳量 = 600×0.82×0.7 = 344.4kg 鼓风物理热燃料带入高温区的物理热水份分解热煤粉分解热

② 当K=700kg/t时， 结论：与焦比关系不大，但焦比升高，吨铁煤气量增加，每吨生铁的总热量增加，炉子变热。

（2）炉缸内温度分布

当炉缸中心渣铁温度<1400℃时，炉缸中心堆积，排泄渣铁能力变差当炉缸中心渣铁温度<1400℃时，炉缸中心堆积，排泄渣铁能力变差

4.2 热交换 1）煤气上升过程中体积、成份变化炉缸煤气中CO%达35%左右，高炉喷煤及富氧后，CO％可达40％以上。 CO︰煤气上升过程中，首先吸收直接还原产生的CO，但至中温区，由于间接还原反应消耗了CO，故CO先增加后减少。 CO2：在炉缸、炉腹处几乎为零，以后由于间接还原和石灰石分解才逐渐增加。由于间接还原时气体体积不变，图中虚线之左半部为间接还原产生，而右半部为石灰石分解产生。 H2：风口前鼓风中的水分分解、喷吹煤粉中的H2、焦炭有机物和挥发份中的H2是H2的主要来源，它在上升过程中有1/3~1/2参加还原反应变成水。炉内煤气成分变化

CH4：在高温下少量H2与C反应生成CH4，上升过程中又加入了焦炭挥发份中的CH4，但数量很少。CH4：在高温下少量H2与C反应生成CH4，上升过程中又加入了焦炭挥发份中的CH4，但数量很少。 N2：鼓风带入的N2，焦炭有机物和挥发份中的N2，上升过程中N2的绝对量不变。炉顶煤气成分：CO2 CO N2 H2 CH4 16~22% 18~25 55~57 ~4 ~0.3 CO2 +CO ≈ 40% 一般情况下：鼓风量：炉缸煤气量：炉顶煤气量 = 1：1.21：1.35~1.42 2）与炉顶煤气成分有关的现场计算炉顶煤气是炉内反应的产物，它的变化反应了炉内冶炼情况的变化，所以用炉顶煤气成分可以推断炉况的变化。设炉顶煤气成分： CO2 %、CO%、 N2 %、 H2 %、 CH4 高炉焦比：K （kg/t），焦炭含碳量C%K 生铁含碳：[C] 石灰石量：Φ（kg/t），石灰石中的CO2含量为CO2%Φ 喷煤量：M（kg/t），煤粉含碳C%m；

（1）根据碳平衡计算1吨生铁的煤气量 1m3煤气含碳量= 1吨生铁生成的煤气中的碳= 气化的碳量那么，1吨生铁的煤气体积（2）根据N2平衡计算风量忽略焦炭及煤粉中的N2：

知道后也可以反推风口前燃烧的碳量 风口前碳素燃烧率风口前焦炭燃烧率例题：某高炉冶炼条件如下：焦比：K=650kg/t、C%K = 82%、C炉尘=10kg/t 熔剂：Φ=120 kg/t，CO2%φ=43% 鼓风湿度 =1% 炉顶煤气成分：CO212.3%、CO27.2%、CH40.3%、N257.7% 求：吨铁煤气量、风量及风口前碳素燃烧率？

解：吨铁煤气量 吨铁风量风口前碳素燃烧率

3）高炉内换热过程 热量传递给炉料炉料下降过程中温度升高 — — — — —→ 煤气上升过程中本身温度下降高炉下部：煤气温度比渣铁温度高＞500℃ 煤气温度>2000℃，渣铁温度1450~1550℃ 高炉上部：煤气温度比炉料温度高100~200℃ 概念：水当量（热容比）W：流股每小时流量（质量或体积）与相应流股比热的乘积，即单位时间内通过高炉某一截面的炉料（或煤气），其温度升高（或降低）1℃所产生的热量变化。由于散料在热交换时还有化学反应，所以把比热的概念加以扩展，它包括了化学反应热效应对炉料温度变化的影响。：每小时通过高炉某一截面的炉料质量（t/h）：每小时通过高炉某一截面的煤气体积（m3/h）

水当量在高炉高度上的变化： 煤气水当量：高炉上下的煤气成分及体积流量稍有变，化引起变化不大；炉料水当量：高炉上部水当量较小（炉料吸热、水分蒸发、石灰石分解吸热+间接还原放热）； H 高炉下部水当量很大（直接还原大量吸热、熔化渣铁及过热吸热）高炉上部： W 高炉中部：高炉下部：

（1）上部热交换区：矿、焦进入高炉后温度很快升高，煤气温度则下降很慢，到900~1000℃范围内，二者温差很小，热交换趋于停止：（1）上部热交换区：矿、焦进入高炉后温度很快升高，煤气温度则下降很慢，到900~1000℃范围内，二者温差很小，热交换趋于停止：特点：炉料温度升高（950-20）=930℃＞煤气温度降低（950-250）根据热平衡关系：理想高炉纵向温度分布

（2）下部热交换区 煤气温度降低：2000－950 = 1050℃ 炉料温度升高：1550－950 = 600℃ 炉料进行直接还原大量吸热、渣铁熔化及过热耗热根据热平衡关系：（3）热交换空区（热储备区）煤气与炉料的温差很小（25~50℃），空区的温度一般在850~1000℃。不加熔剂时为900~1000℃（取决于直接还原开始温度），加大量熔剂时为石灰石大量分解温度850~1000℃。空区起着缓冲作用，如高炉偶然间坐料或崩料，不会影响到焦比。空区越大，高炉热惯性越大、波动就越小；相反，空区越小，高炉热惯性小，炉矿容易波动。大、小高炉空区高度比较

（4）炉顶煤气温度和渣铁温度 上部热交换区：煤气量↓ a）焦比K： K↓ 上部换热区 b) 富氧：煤气量↓ c) 风温：风温↑ K↓ 煤气量↑ d) 喷煤：

e）热烧结矿： 同步变化（料速↑） f）冶炼强度： g) 炉顶打水：下部热交换区：

煤气量↓ a）焦比K： ↓ 下部换热区 K↑ b) 富氧：煤气量↓ c) 风温：风温↑ K↓ d) 喷煤：煤气量↑

第四章 燃料燃烧及煤气在高炉内的变化