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第五章高炉能量利用5.1高炉中能量交换风口前燃料燃烧产生高温还原性煤气（CO+H2），为高炉冶炼提供了热能和化学能。煤气能量是否充分利用，直接关系到焦比、燃料比的高低和其它指标的改善。煤气和炉料之间良好的传热是传质的条件，也是改善高炉能量利用的关键。5.1.1煤气在炉内上升过程中的变化高炉煤气自下而上穿过料层而运动时，以对流、传导、辐射等方式将热量传给炉料，同时进行着传质，使煤气在上升过程中，体积、成分和温度都发生了重大变化。从图5-1看到，煤气的总体积（标准状态即0℃，0.1013Mpa）自下而上有所增加。通常鼓风时，炉缸煤气量（注：这是指体积而言）约为风量的1.21倍；而炉顶煤气量约为风量的1.35倍。喷吹燃料时，炉缸煤气量约为风量的1.30倍；而炉顶煤气量约为风量的1.45倍。5.1.1煤气在炉内上升过程中的变化高炉热效率高达78~86%，是各类冶金炉中最高者。沿高炉截面上，煤气温度分布是不均匀的，它主要取决于煤气分布。一般中心和边缘气流较发展，煤气温度也较高。改善煤气化学能利用的关键是提高CO利用率（ηCO）和H2利用率（ηH2）。炉顶煤气中CO2愈高，CO愈低，则煤气化学能利用愈好。反之，CO2愈低，CO愈高，则化学能利用愈差（传质不良）。5.1.1煤气在炉内上升过程中的变化CO利用率一般表示为（5-1）显然，在（CO2+CO）之和基本稳定不变的情况下，提高炉顶煤气CO2含量，意味着CO必然降低，而ηCO必然提高。这就是说，有更多的CO参与了间接还原变成了CO2，改善了煤气（CO）能量的利用。5.1.1煤气在炉内上升过程中的变化炉顶煤气温度（t顶）是高炉内煤气热能利用的标志。t顶愈低，说明炉内热交换愈充分，煤气热能利用愈好；反之，t顶愈高，煤气热能利用愈差（传热不好）。炉顶煤气中的CO（或CO2）含量和t顶又是互相联系，表现一致的。一般t顶高，CO含量也高，CO2含量则低，煤气能量利用变坏；反之，t顶低，CO也低，CO2则高，煤气能量利用改善。这说明高炉内传热、传质过程是密切相关的。5.1.2高炉热交换前以指出，高炉内煤气温度仅几秒钟就由炉缸内的1750℃左右降低到炉顶处的200℃左右。而炉料（使用冷料）温度则在数小时内，由常温升高到风口水平处的1500℃左右。显然，在煤气和炉料之间进行着激烈的热交换。其基本方程可表示为:（5-2）式中dQ——dτ时间内，煤气传给炉料的热量；a——传热系数；F——炉料表面积；t——煤气与炉料之间的温度差，t=t气-t料。5.1.2高炉热交换由上式可知，单位时间内炉料所吸收的热量与炉料表面积，煤气和炉料温差、传热系数成正比。而a又与煤气速度、温度、炉料性质有关。在风量、煤气量、炉料性质一定的情况下，dQ主要取决于△t。然而，由于沿高度上煤气与炉料温度不断变化，因而△t也是变化的，这种变化规律可用图5-3表示。5.1.2高炉热交换由图可见，沿高炉高度上煤气和炉料之间的热交换分为三段区域：Ⅰ—上段热交换区；Ⅱ—中段热交换平衡区；Ⅲ—下段热交换区。在上、下两段热交换区（Ⅰ和Ⅲ），煤气和炉料之间存在着较大的温差△t，而且下段比上段还大；△t随着高度而变化，在上段是愈向上愈大；在下段是愈向下愈大。因此在这两个区域存在着激烈的热交换。在中段（Ⅱ），△t较小，而且变化不大（＜20℃），热交换不激烈，被认为是炉料和煤气之间热交换的动态平衡区，因此有人把它称为“空段”或“呆区”5.1.2高炉热交换为研究并阐明这个问题，引用“水当量”概念。所谓水当量就是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℃所吸收（或放出）的热量。简言之，水当量就是单位时间内使煤气或炉料温度改变1℃所产生的热量变化。炉料水当量W料=G料×C料煤气水当量W气=V气×C气（5-3）式中:G料、V气——分别为通过高炉某一截面上的炉料量和煤气量；C料、C气——分别为炉料热容和煤气热容。5.1.2高炉热交换实际高炉不是一个简单的热交换器，因为在煤气和炉料进行热交换的同时，还进行着传质等一系列的物理化学反应，有些吸热，有些放热，使得炉料和煤气的水当量沿高度方向上是变化着的。5.1.2高炉热交换在高炉下部热交换区（Ⅲ），由于炉料中碳酸盐激烈分解，直接还原反应激烈进行和熔化造渣等，都需要消耗大量热量，愈到下部需热量愈大，因此，W料＞W气，愈往下愈不断增大。即单位时间内通过高炉下部某一截面使炉料温度升高1℃所需之热量远大于煤气温度降低1℃所放出的热量，热量供应相当紧张，因此煤气温度迅速下降，而炉料温度升高并不快，即煤气的降温速度远大于炉料的升温速度。这样两者之间就存在着较大的温差（△t），而且愈向下愈大。从而推动热交换激烈进行。5.1.2高炉热交换煤气上升到中部某一高度后，由于直接还原等耗热反应的减少，间接还原放热反应的进行，W料逐渐减小，以至在某一时刻与W气相等，即W料=W气，此时煤气和炉料间的温差很小（△t≤20℃），并维持相当时间，煤气放出的热量和炉料吸收的热量基本保持平衡，炉料的升温速率大致等于煤气的降温速率，热交换进行很缓慢，而成为“空段”（Ⅱ）。煤气何时、何温度下进入空段？当用天然矿冶炼使用大量石灰石入炉时，空段开始温度取决于石灰石激烈分解温度，即900℃左右。在使用溶剂性烧结矿，高炉不加石灰石时，则取决于直接还原开始大量发展的温度，即1000℃左右。5.1.2高炉热交换煤气从空段往上进入上部热交换区（Ⅰ）。此外进行着炉料的加热、蒸发和分解以及间接还原反应等。由于所需热量较少，因而，W料＜W气，即此时单位时间内炉料温度升高1℃所吸收的热量小于煤气降温1℃所放出的热量，热量供应充足，炉料迅速被加热，其升温速率大于煤气降温速率。因此，自下而上，始终保持着愈来愈大的温差，从而进行着较激烈的热交换。而自上而下，炉料的温度便很快接近煤气的温度，进入中部“空区”，W料≈W气。5.1.2高炉热交换总的来看，煤气和炉料，一个是放热，一个是吸热；一个是降温，一个是升温。这一对矛盾取决于煤气和炉料水当量的变化。即它们温度升降的速率决定着热交换曲线变化的趋势。5.1.3改善煤气能量利用一、热交换强度与高炉适宜高度的讨论由图5-3可知，煤气和炉料间的温差在风口水平最大（△t=400~500℃），在炉喉料线附近次之（△t=200℃左右），而在炉身（空断）最小（△t=10~20℃），因此，高炉高度上热交换强度的变化规律是两头大，中间小。由于高炉不论大小，都存在着这样一个热交换达到平衡（或缓慢）的空断区，因此，过去有人企图增加高炉高度来降低炉顶温度，改善煤气能量利用，其效果不大。5.1.3改善煤气能量利用既然增加高度徒劳，而空段对热交换作用不大，因此，又有人提出取消空段，大幅度降低高炉高度。这又走向了另一个极端。事实证明，高炉过矮，将妨碍间接还原，使能量利用变坏，焦比升高。因此空段尽管热交换缓慢，但却进行着十分重要的间接还原反应等过程，因此，空段虽可缩短，但不能取消。高炉应维持一个适宜的高度，既适宜的高径比（Hu/D）。5.1.3改善煤气能量利用二、炉料和煤气水当量的比值与炉缸和炉顶煤气温度的关系在高炉操作中，如果炉缸温度（t缸）升高，而炉顶温度（t顶）降低，说明热交换进行得好，煤气能量利用改善。提高t缸，降低t顶，同W料/W气的比值变化不大。根据区域热平衡和热交换原理，在上部热交换区（Ⅰ段）任一截面上，煤气所含的热量应等于固体炉料吸收的热量与炉顶煤气带走的热量之和（不考虑入炉料物理热）。即：5.1.3改善煤气能量利用当上端热交换终了，到达空段时，，于是5.1.3改善煤气能量利用可见，炉顶煤气温度决定于空段温度和的比值。在原料、操作稳定的情况下，t空一般变化不大，故t顶主要决定于.5.1.3改善煤气能量利用提高风温，降低焦比，或采用富氧鼓风等减少煤气量的措施，都可使W气降低，升高，从而使t顶降低。如果由于其它原因，风温的提高并没有使焦比降低，则煤气量不变，W气亦不变，t顶变化也不大。相反，如果风温降低，焦比升高，或者其它任何原因引起焦比升高时，则由于煤气量增加，W气增加，降低，t顶升高。5.1.3改善煤气能量利用5.1.3改善煤气能量利用此处t缸为炉渣温度，t气为炉缸煤气温度。由（5-5）式可见，凡能提高t气和降低W料，提高W气/W料比值的措施，都有利于提高炉缸温度。提高风温，t气升高，t缸增加；但风温提高，焦比降低，W气减少，又使t缸降低，其结果t缸可能变化不大。如果焦比不变，则t缸增加。富氧鼓风时，N2减少，煤气量减少，W气/W料降低；然而富氧可大大提高t气，结果使t缸升高。综上所述，富氧和高风温对于提高炉缸温度，降低炉顶温度，改善煤气能量利用是很有效的措施。两者都可使高温区下移，间接还原区扩展，从而减少直接还原，使焦比降低。5.1.4高炉能量利用计算对于生产高炉，为了能对冶炼过程进行全面、定量的深入研究，发现增产、节焦的薄弱环节，提出努力方向和改革措施，也常要进行物料平衡和热平衡计算。5.1.4.1高炉能量利用计算高炉物料平衡和热平衡以配料计算为基础，并严格遵守质量守恒和能量守恒定律。一、配料计算和物料平衡配料计算的目的是根据已知原、燃料成分和冶炼条件来决定矿石、燃料和熔剂的需要量，以获得性能良好的炉渣和合乎规格的生铁，并为编制物料平衡和热平衡打好基础。5.1.4高炉能量利用计算配料计算和物料平衡必须具备以下数据：1各种原料（包括喷吹物）的全分析（各种成分的总和应调整到100%）；2计算得到或实际所用的各种原料（包括喷吹物）重量，生铁产量、渣量、炉尘吹出量；3冶炼铁种及成分，炉渣成分和碱度，炉尘的成分；4炉顶煤气成分；5鼓风参数（包括富氧程度、湿分等）；6各种元素在生铁、炉渣、煤气中的分配比例等。5.1.4高炉能量利用计算为了编制物料平衡必须进行风量和煤气量的计算。计算风量是根据碳平衡原理，首先计算出风口前被鼓风中的氧所燃烧的碳量（C风）（5-6）式中C氧化——被鼓风和炉料中氧所氧化的碳量，kg；C直——被炉料中氧所氧化的碳量（即Si、Mn、P、Fe直接还原消耗碳量），kg。5.1.4高炉能量利用计算5.1.4高炉能量利用计算5.1.4高炉能量利用计算5.1.4高炉能量利用计算5.1.4高炉能量利用计算5.1.4高炉能量利用计算二、热平衡通过热平衡计算可以了解高炉冶炼过程热量利用情况，从而找到改善热能利用、降低焦比的途径。常见的热平衡计算法有两种。第一种是建立在盖斯定律基础上的，即依入炉物料的初态和出炉产物的终态来计算而与炉内实际反映过程无关。第二种是按炉内实际反应过程来计算热量消耗。前者比较简便，但不考虑实际过程；后者比较实际，但计算较繁。此处还有“区域热平衡法”，可根据高炉特定区域，如高炉下部的实际需要来进行。5.1.4高炉能量利用计算实际生产中多用第一种热平衡法。它是先分别计算出冶炼过程中的热收入项和热支出项，然后编制出热平衡法，根据能量守恒定律，热收入应等于热支出来进行比较和检查。举例如表5-2。其中热支出第九项外部热损失，系根据热收入总和减去前八项热支出之和得出。关键是看它所占百分数是否在合理范围以内。冶炼炼钢生铁时，此值一般为3~6%，铸造生铁一般为6~10%。当然希望外部热损失低一些好。此值过高，说明计算有错误，或焦比选择不当，应予以检查和调整。如果测试手段齐备，外部热损失也可用准确实测数据来计算。5.1.4高炉能量利用计算5.1.4高炉能量利用计算5.1.4高炉能量利用计算5.1.4.2高炉操作线图及其应用长期来，高炉工作者习惯于应用图4-8的rd-C曲线来分析还原和热消耗过程对焦比的影响。但该图没有表达出冶炼过程风量和煤气成分的变化；同时要做出热量消耗曲线，往往需要进行繁杂的热平衡计算。1967年，法国学者A·里斯特（A·Rist）和N·梅依森（N·Meyssem）提出高炉操作线图（简称操作线），能直接表达出高炉冶金过程Fe-O-C体系的变化和高炉各生产指标间的内在联系，对分析高炉冶金全过程甚为方便。这是高炉冶炼理论的一个重要发展。5.1.4高炉能量利用计算一．构成操作线的基本原则高炉冶炼主要反应都涉及