高炉顶温偏低原因分析及解决途径

高炉顶温偏低原因分析及解决途径邹忠平1；谢皓2；王刚11.中冶赛迪工程技术股份有限公司；2.重庆赛迪冶炼装备系统集成工程技术研究中心有限公司摘要：高炉顶温偏低对干法除尘布袋正常运行影响较大，为此本文分析了顶温偏低的原因，并通过热交换、热平衡以及理论计算，分析各种解决思路的理论依据以及对顶温改善的影响规律，并通过实际高炉生产数据进行分析验证，最终得出提高煤气利用率是解决顶温偏低的根本途径。通过计算，在其它条件不变的情况下，煤气利用率提高1%，顶温可提高约30℃左右。关键词：高炉，炉顶温度，改善途径在高炉操作中，提倡顶温尽可能的低，这样有利于提高炉内能量利用，降低燃料消耗。但随着干法除尘的应用，过低的顶温会使除尘布袋结露粘结灰尘，透气性差，反吹效果也差，箱体压差高，容易使布袋损坏，且易造成净煤气含尘超标，影响除尘效果。因此采用干法除尘的高炉，一般顶温多控制在150℃~200℃之间[1]。但近年来，一些高炉由于操作或者其它的原因，顶温经常出现偏低的情况，尤其是在中小高炉上这种情况更加严重，这给干法布袋的正常使用带来较大影响。很多高炉工作者已经从实践的角度分析了影响炉顶温度过低的因素，并提出解决方法[2]。本文从理论计算及分析入手，试图分析造成高炉顶温偏低的原因，并提出解决途径。1.顶温偏低原因分析在高炉生产中，导致顶温偏低的原因很多[3]，但根本原因主要还是由于物料的下降速度与矿石的还原性能不匹配导致的，即矿石在炉身部位的间接还原未得到充分发展，增加了矿石直接还原耗热，在燃料比条件及其它生产参数不变的情况下，即总的热收入一定，直接还原耗热增加，顶温势必降低。有些高炉在矿石间接还原反应不充分煤气利用率低的情况下，为了降低高炉能耗，又追求低燃料比，更引起了顶温的过度降低。不过在实际生产中，为了应对直接还原增加的耗热，一般都要增加燃料比，根据热平衡原理，这必然会使顶温升高，但容易给人造成顶温升高的原因是由于直接还原增加、煤气利用率不好引起的这样一种错觉。2.改善顶温的途径2.1热交换角度根据热交换原理，可推导出炉顶温度的表达式如下[4]：W料t顶t空1-——（1）W气其中：t空——高炉空区温度；W料、W气——分别为炉料和煤气的水当量；由上式可见，顶温主要取决于空区温度和料/W气。当空区温度一定时，顶温与W料/W气有关，其值越小，顶温越高。因此得到改善顶温的措施如调整燃料比、风温、富氧、炉料种类、煤气分布等，高炉生产中通过这些措施也相应的取得了良好的效果。2.2热平衡角度通过高炉上部区（00℃以下区域）的热平衡计算，也可得高炉顶温的理论计算式。高炉上部区域的热支出QL主要包括：生铁升温耗热、炉渣升温耗热、石灰石分解耗热、上部区域热损失。热收入在忽略炉料带入的少量物理热和某些反应热后，主要由煤气从高温区离开时带入的热量，此外还考虑了煤粉碳素转移给上部区域的热量。由此可得热平衡计算公式如下[5]：QLCTvCpb(900t顶)MCcoal250/100化简得炉顶温度计算公式为：t顶900QL2.5MCcoalCTvCpb——（2）其中：QL——上部区域热支出；CT——风口前燃烧碳素；v——燃烧1kg燃素所需风量；Cpb——鼓风比热；t顶——炉顶温度；M——煤比；Ccoal——煤粉中含碳量；从炉顶温度计算式可以看出，当高炉生产及操作一定时，炉顶温度与风口前燃烧的碳素量CT成正比即当风口前燃烧碳素较高时，有利于顶温的提高。风口前燃烧碳素越多，相应的风口前燃烧碳素比例也越大。在不同煤气利用率情况下，通过对某1000级高炉风口前燃烧碳素比例与顶温之间的关系进行回归，可以得到上述公式中的正比关系。图1顶温随风口前燃烧碳素之间的关系这也为控制顶温提供了一种思路，即通过统计风口前燃烧碳素与顶温的关系，找到适宜顶温下的风口燃烧碳素比例，在生产中做到适时调整，以便合理控制顶温的波动。需要说明的是，式2中燃烧1kg燃素所需风量是富氧一定的情况下得到的，如富氧率增加，其数值则会降低，顶温也随之降低。2.3燃料比、煤气利用率与顶温关系为了进一步分析煤气利用率、燃料比如何影响顶温，根据高炉全炉物料平衡和热平衡原理[6]，计算了不同顶温下煤气利用率和燃料比条件下的关系。计算条件：煤比160，富氧4%，焦炭水分1%，入炉品位58.75%。图2不同顶温下燃料比与煤气利用率之间的关系如图2所示，分别计算了顶温在50、100、150、200℃情况下，燃料比随煤气利用率改变而变化情况可以看出，在相同顶温下，燃料比随煤气利用率提高而降低，在相同煤气利用率下，燃料比随顶温降低而降低。如果燃料比的降低是靠提高煤气利用率来实现的，即操作点是沿图中几条计算曲线的轨迹移动，这炉顶煤气温度就不会下降。而实际情况是，燃料比的降低，主要是靠降低炉顶温度来实现的，这样必然会导致炉顶温度的降低。根据图2所示，如果操作点3的顶温低，要想提高炉顶温度，最合理的办法是向操作点2移动，即改善气流分布，提高煤气利用率，然后适当增加燃料比来实现。如果采用向操作点1的移动方式，即降低煤气利用率，减轻焦炭负荷来提高炉顶温度，虽获得同样的炉顶温度的增加幅度，但需要增加更多的燃料比。因此，从降低燃料比的角度考虑，相对于降低顶温，提高煤气利用率是较为合理的方式。图2中，如果操作点5移动到操作点4，炉顶温度降低150℃的同时，煤气利用率也下降1.5%，则燃料比降低是10kg；操作点5移动到操作点6，炉顶温度下降50℃，煤气利用率提高1.5%，燃料比下降约15kg；显然操作点6更合理。从图2中还可初步估算，炉顶温度200℃时，煤气利用率提高1%，燃料比降低约5kg，相当于煤气利用率不变、炉顶温度降低30℃左右的节焦效果。换言之，当生产条件不变的情况下，维持燃料比不变，煤气利用率提高1%，相当于可提高煤气温度30℃左右。通过对某5000m3级高炉实际生产数据进行统计，在燃料比分别为510kg/t、515kg/t和520kg/t情况下顶温与煤气利用率有一定的正比关系，由此也印证了理论计算中的结果。可以看出回归式的系数与理论计算略微有差异，这主要是由于实际生产中影响顶温的因素较多，单变量回归中难以完全排除这些影响。图3不同燃料比下煤气利用率与顶温之间的关系为更加直观的分析顶温与燃料比、煤气利用率的关系，对某5000级高炉生产数据进行趋势分析，选取外围生产较为稳定的一段时间的数据，在五个时段中，可以清晰的观察出其中的规律。在第1时段，燃料比基本保持稳定，煤气利用率升高，顶温也逐渐升高；第2时段中，燃料比稳定，顶温与煤气利用率变化关系较为一致；第3时段，顶温出现降低时，未通过煤气利用率改善，而采取了增加燃料比的方式，顶温得到了控制；第4时段，前期随煤气利用率的提高，顶温有上升趋势，后期顶温下行，仍然采用增加燃料比的方式进行控制，此时煤气利用率降低；第5时段，采用略增加燃料比，提高煤气利用率的方式，控制顶温下降。图4顶温与燃料比、煤气利用率之间的趋势变化分析2.4焦炭水分的影响鉴于实际生产中，控制焦炭水分波动也会对顶温产生影响，因此又计算了不同焦炭水分下，燃料比和煤气利用率以及顶温之间的关系。图5中显示的是炉顶温度的降低及焦炭水分的变化对操作燃料比的影响。根据计算曲线的结果，相同煤气利用率下，顶温降低150℃可降低燃料比平均约23kg/t，焦炭水分降低11%可降低燃料比平均约5kg/t，这表明顶温变化150℃对燃料比的影响，远大于焦炭水分增加11%的影响。图5不同焦炭水分和顶温下，燃料比与煤气利用率之间的关系（W表示焦炭水分，T表示顶温）3.分析讨论通过上述分析，解决炉顶温度低的问题，从传热角度出发，一切有利于降低炉料水当量，增加煤气水当量的措施，都有利于顶温的提高。从热平衡角度出发，最简单的办法就是增加燃料比，事实上，增加风口前燃烧碳素本质上也是增加了燃料比。但是，从节能降耗考虑，应该尽可能改善气流分布，提高煤气利用率，从而在燃料比不变甚至降低的情况下，提高顶温。在一定条件下，降低顶温确实有利于燃料比的降低，但如果顶温已经低于布袋正常工作所需温度时，降低燃料比应主要通过改善矿石的还原特性，调整操作，提高煤气利用率来实现，而不能简单通过直接降低炉顶温度来降低燃料比，否则会造成顶温偏低，影响布袋除尘正常工作。需要指出的是，炉顶温度提高虽然煤气带走的显热增加，但是有利于发展炉身的间接还原的区域，改善炉身的煤气利用率，有利于降低燃料比，可补偿部分煤气带走的显热。甚至受煤气利用率提高的有利影响，在提高顶温的同时，还可降低燃料比。如图2中，操作点3向操作点5移动，则为提高煤气利用率的情况下，燃料比不变，但顶温升高。操作点3向操作点6移动，则在大幅提高煤气利用率的情况下，顶温升高，同时燃料比出现下降。4.结论（1）炉顶温度偏低的根本原因，在于矿石还原性与炉料下降速度不匹配，间接还原反应不充分，导致直接还原耗热增加，降低了炉顶温度；（2）从热交换角度，应通过降低炉料水当量，增加煤气水当量的措施来提高顶温；（3）从热平衡角度，增加风口前燃烧碳素量有利于顶温的改善，但是从降低燃料比的角度，该措施不宜优先采用；（4）从节能降耗考虑，通过提高煤气利用率是改善顶温的根本途径。通过计算，煤气利用率提高1%，顶温可提高约30℃左右。参考文献：[1]王子金,张明,林晓辉.干法布袋除尘操作影响因素分析及优化措施[J]．山东冶金,2007,29(4):25-26[2]刘元意,王子金.莱钢全干法布袋除尘高炉顶温控制技术[J].炼铁,2008,27（1）：30-31.[3]杨建中．浅谈高炉炉顶温度的控制[J].河北冶金,2013,（4）：32-35.[4]文光远．铁冶金学[M]．重庆:重庆大学出版社,1993．[5]毕学工.高炉焦比、直接还原度及炉顶温度的联合计算[J]．包头钢铁学院学报，1991，10（2）：47-53.[6]项钟庸,王筱留．高炉设计炼铁工艺设计理论与实践[M]．北京:冶金工业出版社,2007．