高炉炉料和煤气运动

第四章高炉炉料和煤气运动4.1炉缸反应4.2煤气运动4.3炉料运动4.4高炉能量利用计算4.1炉缸反应从炉顶加入的焦炭，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；（3）直接还原、渗碳、渣铁间的反应1.炉缸燃烧反应机理(a)碳素燃烧反应完全燃烧：kgCkcalNCONOC/798021/7921/792222kgCkcalCOCCO/330022不完全燃烧：kgCkcalNCONOC/234021/79221/792222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%7.34%10076.322CO%3.65%10076.3276.32N实际鼓风中除O2和N2外，还有一定量的水分：kgCkcalHCOCOH/5.247722(b)炉缸煤气成分设鼓风湿份为（体积百分比），则：f1m3鼓风中干风的体积(1-f)m31m3鼓风中水的体积：f1m3鼓风中氧的体积：0.21(1-f）1-ffm3m31m3鼓风1m3鼓风的燃烧反应：22276.3276.32NCONOC22HCOOHCCO的体积=3)29.021.0(2)1(21.02mfff；H2的体积=fN2的体积=)1(79.0f1m3鼓风产生的煤气总体积：ffff79.021.1)1(79.0)29.021.0(2%10079.021.1)1(79.0%%,10079.021.1%%,10079.021.1)29.021.0(2%22ffNffHffCO燃烧反应产物成分鼓风湿度(%)燃烧产物组成（%）COH2N20123534.735.035.235.4535.9300.81.62.434.065.364.263.262.1160.06012345010203040506070CO、H2、N2（%）鼓风湿度（%）N2COH2结论：鼓风湿度越高，煤气中CO、H2浓度增加,N2减少33/04.8)/(184.22%11mgkmolkgmf=1.25%相当于10g/m3f=1%相当于：不同鼓风湿度煤气的变化(C）1kgC燃烧需要的风量和产生的煤气量i）燃烧1kg碳素所需要的风量风VCOOC22224kg22.4m31kgx=22.4/24=0.933m3O2/kgC)29.021.0(933.0fV风当时0fkgCmV/44.43风当时%1fkgCmV/39.43风ii）燃烧1kg碳素生成的煤气体积1m3鼓风产生的煤气总体积：ffff79.021.1)1(79.0)29.021.0(2已知1kgC燃烧需要的风量：其中：)29.021.0(933.0fV风)29.021.0(933.02ffVfOH风)29.021.0()1(21.0933.0)1(21.02ffVfO风)29.021.0/()1(737.0)29.021.0()1(79.0933.0)1(79.02ffffVfN风)/(,29.021.0541.0392.029.021.0933.029.021.0933.0)1(21.023kgCmffffffCO体积)/(,29.021.0933.032kgCmffH体积)/(,29.021.0)1(737.032kgCmffN体积kgCmffNHCOV/,29.021.0737.0129.1322煤气fffVV29.021.0737.0129.179.021.1）（风煤气，其中fVV79.021.1鼓风煤气%0fkgCmV/376.53煤气%1fkgCmV/338.53煤气%2fkgCmV/3.53煤气%10fkgCmV/03.53煤气时时时时0123454.55.05.56.0V煤气(m3/kgC)鼓风湿份（%）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。不同鼓风湿度煤气的变化2:燃烧带与风口回旋区（1）风口回旋区鼓风以100～200m/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左右风口回旋风口附近煤气成分的变化强化供风风口附近煤气成分的变化3.燃烧带对高炉冶炼过程的影响1）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）(下)2）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（上）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+0.068d+0.003d2。4.下部调剂原理定义：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。221mVEsmkg/，（）WsJsNmsmkg8.9/8.9/8.9/1mmskg/—单位时间的鼓风质量（）Vsm/—风速（）每秒钟进入一个风口的鼓风质量：gnrQm6000mskg/（）0Qmin/3Nm—高炉风量（）0r3/mkg—标态下空气重度（1.2875）n—送风风口个数g2/8.9sm—重力加速度（）2/033.11cmkgatm影响燃烧带的因素---鼓风动能、燃烧反应速度、炉料分布状况1）鼓风动能及其与燃烧带的关系日本统计了大型高炉鼓风动能与高炉有效容积的关系：11603135.862ddE32000mVu(W)850000uVE)(Nm/s0385.083uVV31800mVu)(Nm/s0113.0138uVV31800mVu我国：1000m3以上的高炉鼓风动能在40~70kW300m3左右的高炉30~40kW100m3以下的小高炉10~15kW55m3高炉6~9kW13m3高炉2~5kW随冶炼强度升高，鼓风动能相应减小。2）影响鼓风动能的因素鼓风动能燃烧带大小a）风量E=f(V2)b）风温E=f(T2)c)风压E=f(1/p2)d)风口截面积E=f(1/S2)5燃烧温度及炉内温度分布（1）理论燃烧温度理t定义：风口前焦炭燃烧产生的煤气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。）（）（、煤水燃风碳理℃2222HHNCONCOVCVVCQQQQQt碳Q——风口前碳燃烧成CO放出的热量（kCal/t）铁）；风Q——鼓风带入的物理热（kCal/t铁）；燃Q——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；水Q——鼓风和喷吹煤粉中的水分解吸热（kCal/t铁）；煤Q——煤粉分解吸热（kCal/t铁）；2NCOC、℃mkCal3/——CO和N2的比热，；2HC℃mkCal3/——H2的比热，；22,,HNCOVVV——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。（2）影响理论燃烧温度的因素在实际使用过程中，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：理t日本君津厂：OHfWWOtt2033.6972.4972.4839.015592油理日本中山厂：OHfWWOtt2775.5974.4866.4818.015732油理澳大利亚BHP：煤油理）（~37.285.54.4372.4808.0157022以上各式中：ft——鼓风温度（℃）；2O——鼓风富氧量（m3/1000m3鼓风）；油W——喷吹重油量（kg/1000m3鼓风）；煤W——喷煤量（kg/1000m3鼓风）；OHW2——鼓风湿份（g/m3）首钢1高炉：煤理WOttf0.2%3.407938.015632武钢1高炉：OHWOttf2292.533.1%3.40753.01568煤理kg/tg/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：提高影响理论燃烧温度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。理t理t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理t有效容积（m3）10002000300040005000下限21152170230023002350上限22402300242024202470理t首钢1号高炉燃料比与理论燃烧温度的关系理t时间1950.61954.31957.51966.21980.1燃料比（kg/t）1050892789532515（℃）19302056216422072263燃料比↓——要求理t↓喷煤100kg/t，需要补偿风温130～180℃武钢100℃风温可增加喷煤59kg/t(100kg/t169℃)理论燃烧温度与焦比关系℃t1000%70风风、①K=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=344.4kgkCal8058962340344.4碳Q鼓风物理热516569kCal10000.33764.44344.429.021.0933.04.344风鼓风风tCfQ燃料带入高温区的物理热kCal226800150036.07.0600燃Q水份分解热0水Q煤粉分解热0煤Q36434.34429.021.0541.0392.0mffVCO368.12084.34429.021.0)1(737.02mffVN(风口前碳素燃烧率)04.34429.021.0933.02ffVH℃mkcalCNCO3/355.02、℃mkcalCH3/331.02℃t23561209643355.0226800516569805896）（理②当K=700kg/t时，℃t2355理结论：t理与焦比关系不大，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。4.2煤气运动1煤气上升过程中体积、成份变化炉内煤气成分变化炉缸煤气中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