第六章 066高炉内的燃料燃烧过程和热交换##定文档格式.docx
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（6-7）
反应（6-7）受温度和压力的影响，如图6-1所示。
提高温度或降低压力都将促进CH4分解。
该图所示各等压线以上的区域为CH4稳定存在或形成区；
其下则为CH4的分解区。
在炉缸区域的高温条件下，CH4可能全部分解为C和H2。
图6－1CH4分解的气相组成和温度、压力的关系
天然气中的CH4和其他碳氢化合物如C2H6、C3H8、C4H10、C5H12等，以通式CnH2n+2表示，在高炉喷吹条件下也将产生不完全燃烧反应，反应的通式为：
（6-8）
由此可知，天然气所含碳氢化合物无论是高温裂解，还是不完全燃烧，其最终产物应是CO和H2。
但是在生产中由于受到燃烧条件的限制，如风速很大，供氧不足，则天然气中的碳氢化合物有可能未氧化而被煤气带走；
或者分解出的C未燃烧而沉积在炉渣中，这对天然气的利用和炉况的顺行是不利的。
（三）焦炭燃烧与喷吹燃料燃烧的差异
尽管焦炭和喷吹燃料的燃烧都提供热源和还原剂，但它们所起的作用和影响是不尽相同的。
主要表现为：
（1）喷吹燃料都有热分解反应，先吸热后燃烧。
燃料中氢碳比愈高，分解需热愈多。
其分解热可由下述经验式计算：
（6-9）
式中 C、H、S――燃料中该元素的质量百分比；
Q分、Q低――分别为该燃料分解热和低发热值。
各种燃料的分解热：
无烟煤837～1047kJ/kg；
重油1465～188kJ/kg，天然气3140～3559kJ/kg。
（2）喷吹燃料带入炉缸的物理热比焦炭低。
焦炭下降到风口前已加热到1450～1500℃，而喷吹燃料均不大于100℃。
（3）焦炭和喷吹燃料燃烧产生的还原性气体及煤气体积不同。
今以各种燃料燃烧1kg进行计算，结果如表6-1、表6-2所示。
各种喷吹燃料燃烧后，煤气体积皆比焦炭有所增加，还原气体数量增多，其中以天然气为最高，这就改善了煤气的还原能力。
表6-1 各种燃料的组成（%）
C
灰分
H2
H2O
S
O
N2
焦炭
83.00
14.00
0.49
－
0.50
煤粉
75.30
16.82
3.66
0.83
0.32
3.56
重油
86.00
11.50
0.25
0.19
1.00
天然气
CH4
98.15
C2H6
0.325
C3H8
0.11
C4H10
0.01
1.10
H2S
0.05
CO2
表6-2燃烧后生成的还原气体和煤气体积
CO
（m3）
Σ还原性气体
Σ煤气
（CO+H2）
%
1.553
0.055
1.608
2.920
4.528
35.50
1.408
0.410
1.818
2.040
4.458
40.80
1.605
1.290
2.895
3.020
5.915
48.94
1.370
2.780
4.150
2.580
6.730
62.00
（四）燃烧产物炉缸煤气成分计算
通过计算可以得出，全焦冶炼大气鼓风条件下炉缸煤气的成分。
以100m3鼓风量为基础进行计算，则煤气生成量和煤气成分公式为表6-3所示。
表6-3煤气生成量和煤气成分公式
煤气生成量公式
换算成体积百分数的炉缸煤气成分公式
（6-10）
（6-11）
（6-12）
（6-13）
（6-14）
（6-15）
用以上公式，可以计算不同湿度的大气鼓风时炉缸煤气成分（表6-4）
表6-4 不同鼓风湿度时的炉缸煤气成分
鼓风湿度f
炉缸煤气成分%
g/m3
34.70
65.30
1
8.05
34.96
64.22
0.82
2
16.10
35.21
63.16
1.63
3
24.15
35.45
62.12
2.43
4
32.20
35.70
61.08
3.22
喷吹燃料时，由于燃料中H2含量较高，因此，炉缸煤气中H2含量显著升高。
表6-5是某高炉喷吹重油时，炉缸煤气成分的变化。
富氧鼓风时，由于鼓风中O2浓度增加而N2减少，因而生成的炉缸煤气中CO浓度将升高，而N2浓度将下降。
表6-6是某高炉富氧鼓风后煤气成分的变化。
上述煤气成分是碳素燃烧的最后结果。
炉缸内燃烧过程是逐渐完成的，在风口前不同位置上的燃烧条件不同，生成的气相成分也不同。
表6-5喷吹重油对炉缸煤气成分的影响
喷油量
（kg/tFe）
鼓风湿度（%）
炉缸煤气成分（%）
41
52
60
94
2.55
1.50
2.81
2.27
1.69
35.3
34.1
34.5
32.3
62.5
61.8
59.3
58.4
2.1
4.1
6.2
6.7
9.3
表6-6富氧鼓风对炉缸煤气成分的影响
鼓风含氧（%）
喷煤量
21.0
22.5
23.3
24.5
25.5
0.75
0.94
1.19
1.13
1.95
145
219
181
265
323
33.5
34.8
35.9
36.7
37.8
62.2
59.6
58.7
56.0
54.6
4.2
5.6
5.4
7.3
7.6
二、燃烧产物（煤气）成分的变化
（一）风口至炉缸中心煤气成分的变化
风口至炉缸中心初始煤气成分的变化，如图6-2所示。
鼓风一进入高炉遇到炽热的焦炭就开始燃烧，自风口前端向炉缸中心，气体中O2量很快下降，大约在距风口800～1000㎜处消失，而CO2的含量相应上升，至氧消失时，CO2达最大值。
这是由于风口前氧比较充足，C+O2=CO2反应充分进行的缘故。
图6-2沿风口中心线煤气成分的变化
此后，由于氧浓度已很低，并有大量焦炭存在，则发生C+O2=CO反应，CO2开始减少，CO则迅速增多，在CO2消失处，CO达到理论值（34.7%）。
这是因为CO2+C仍缓慢增多，到炉缸中心时CO含量一般可达40%~50%，中心煤气不足时可达80%，说明有直接还原发生。
煤气中H2在氧气开始消失和CO2量最高处开始出现，随后煤气中H2含量微微上升，直到炉缸中心。
影响炉缸煤气成分和数量的因素。
鼓风湿度、鼓风含氧量和喷吹物等因素影响着炉缸煤气成分和数量。
当鼓风湿度增加时，由于水分在风口前分解成H2和O2，炉缸煤气中的H2和CO量增加，N2含量相对下降。
喷吹含H2量较高的喷吹物时，炉缸煤气中含H2量增加，CO和N2量相对下降。
富氧鼓风时，炉缸煤气中的CO浓度增加，N2浓度下降，由于N2浓度下降的幅度较大，煤气中H2浓度相对增加。
前两种情况下炉缸煤气量增加，后一种情况下炉缸煤气量下降。
炉缸煤气成分对高炉冶炼的影响。
煤气中的H2、CO浓度增加，可提高煤气的还原能力，增加间接还原，降低直接还原。
特别是煤气中的H2浓度增加，还能降低煤气的粘度，提高煤气的渗透能力，有利于还原反应进行。
因此，为了充分进行热交换，必须有足够数量的煤气。
煤气量过分减少（如富氧率过高），对高炉冶炼是不利的。
（二）煤气在上升过程中体积和成分的变化
煤气在上升过程中，由于各种反应在不同区域不断地进行，各种组成不断发生变化，煤气总体积也有所增加。
无喷吹燃料时，炉顶煤气体积大致增加到风量的1.37倍。
喷吹燃料后，煤气生成量比纯焦炭冶炼时有明显增加。
炉缸煤气量约为风量的1.25~1.30倍，炉顶煤气量增大到风量的1.40~1.45倍。
这种变化如图6-3所示。
图6-3炉内煤气成分的变化
由图6-3知：
煤气的体积总量在上升过程中是增加的。
其变化量如下：
1、煤气中CO体积和成分的变化。
CO是先增加然后减少。
在高温区煤气上升过程中CO含量逐渐增加，这是因为Fe、Si、Mn、P等元素直接还原反应和脱硫反应生成一部分CO；
一部分碳酸盐在高温区分解放出一个体积的CO2又同碳素作用后生成两个体积的CO的缘故。
在中温区，CO参加了间接还原，因而体积减少，含量逐渐降低。
2、煤气中CO2体积和成分的变化。
在高温区由于碳素气化反应大量进行，炉缸煤气最终成分CO2为零。
在中温区开始，由于间接还原反应和部分碳酸盐的分解放出一定量CO2，使得煤气中的CO2逐渐增加。
图6-3中在表示CO2的一块面积中，虚线左边表示间接还原生成的CO2量，虚线右边表示碳酸盐分解生成的CO2量。
总的煤气体积有所增加。
3、煤气中H2体积和成分的变化。
H2在上升过程中参加了还原，含量逐渐减少。
但当炉料中含有较多的水分（特别是结晶水）时，将使得煤气中的H2含量增加。
高炉喷吹时，炉顶煤气含H2量也增加。
4、煤气中CH4体积和成分的变化。
用焦炭冶炼时，炉顶煤气中CH4很少（0.2%~0.5%）。
喷吹燃料后，由于煤气中含H2量的增加，CH4含量有所增加。
当炉顶煤气中H2含量高时，CH4可达0.6%~0.9%，甚至更高些。
5、煤气中N2体积和成分的变化。
煤气中N2的体积基本不变，只是煤气量增加时，N2的浓度相对降低。
总之，炉缸煤气的最终成分为CO、H2和N2，炉顶煤气的成分为CO、CO2、H2、CH4和N2并且煤气的总体积有所增加。
三、燃烧带及其对冶炼过程的影响
（一）燃烧带
风口前燃料燃烧的区域称为燃烧带，也称氧化带。
通过大量研究工作，已基本查明了炉缸风口平面煤气的分布情况。
由于从风口喷出的鼓风流股的动能大小不同，焦炭在风口前的燃烧情况大致可以分为以下两种情况，在每种情况下煤气的分布是不同的。
1、层状燃烧带
在冶炼强度低的小高炉上可观察到炭块是相对静止的类似炉篦上炭的层状燃烧。
这种层状燃烧的燃烧带特点是：
沿风口中心线O2不断消失，而CO2随O2的减少而增多，达到一个峰值后再下降，直至完全消失。
CO在氧接近消失时出现，在CO2消失处达到或接近碳燃烧的理论值（约35%）。
由于炉缸内进行直接还原，所以，炉缸中心处的煤气中的CO量超过碳燃烧的理论值。
如图6-2。
2、回旋运动燃烧带
在现代强化高炉中，由于冶炼强度高，鼓风动能大，鼓风以很高的速度（100～200m/s）喷射入炉内，由于鼓风流股的冲击挟带作用，焦炭块就在风口前产生回旋运动，同时进行燃烧。
这就是焦炭呈回旋运动燃烧，也称为焦炭的循环运动燃烧。
如图6-4所示。
实际上，现代的高炉正常生产时，均为此种燃烧情况。
图6-4燃烧带煤气成分
当鼓风动能足够大时，就把风口前燃烧的焦炭吹向四周，形成一个近似球形的回旋空间。
煤气流夹着焦炭块作回旋运动的这个空间叫回旋区。
在回旋区外围是一层厚约200~300mm的比较疏松的中间层，它不断地向回旋区补充焦炭。
而在中间层的外面，则是不太活跃的新的焦炭层，该层随着燃烧反应的进行不断地向中间层移动。
在回旋运动状态下燃烧带的特点是：
O2不是逐渐地而是跳跃式地减少，在离风口200~300mm处甚至增加，之后，在300~900mm范围内保持相当高的含量，到燃烧带末端又急剧下降并消失；
CO2的变化与O2的变化相对应，分别在风口附近和燃烧带末端O2急剧下降的地方出现两个高峰；
CO在第二个CO2最高点附近开始出现，然后急剧上升。
第一个CO2高峰的出现和O2的含量的回升，是由于煤气受到回旋运动而产生的煤气流的强烈混合所致。
因为回旋气流中O2较高而CO2较少，加之回旋区内焦炭很少，所以混合后的煤气中CO2下降而O2升高，没有CO出现。
在回旋区的前端，煤气与中间层和紧密的外层焦炭相遇，O2与C激烈反应变为CO2，所以O2急剧下降直至消失，在O2消失之前出现了CO2的二个最高点。
然后，CO2与C进行激烈的反应，使CO2急剧下降而消失，CO出现并急剧上升。
由图6-4和图6-5可见，CO2总有一个消失的地点，理论上讲CO2消失的地点即为燃烧带的边缘。
但是，实践表明，在离风口很远的地方煤气中还含有一定量的CO2。
因此，通常将煤气中CO2含量减少至1%～2%的地点定为燃烧带的边缘，以此确定燃烧带的大小。
必须指出，焦炭回旋区与燃烧带是两个既有联系而又有差异的概念。
回旋区是指焦炭和煤气作回旋运动的区域，而燃烧带则包括回旋区和中间层，即燃烧带大于回旋区。
由以上分析可见，燃烧带由氧化区和还原区构成，如图6-5所示。
有自由氧存在的区域称为氧化区；
从自由氧消失处到CO2消失处的地区称为还原区，在这个区域进行着CO2被C还原为CO的反应。
图6-5燃烧带示意图
（Ⅰ－氧化区，Ⅱ－还原区）
总之，整个燃烧带不论是氧化区还是还原区，完全不同于高炉其它部分，由于有O2和CO2存在，不仅能使燃料中的碳燃烧，而且能使已进入生铁中的Fe、Mn、Si、C等元素氧化，所以又称为氧化带。
（二）燃烧带对高炉冶炼过程的影响
燃烧带对冶炼过程的影响，主要表现在以下两方面
1、对炉料下降的影响
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，是促进炉料下降的主要因素。
生产中燃烧带上方的炉料比较松动且下降速度快。
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，从下料顺行的角度看，希望燃烧带水平截面的面积大些，多伸向炉缸中心，并尽量缩小风口之间的炉料呆滞区。
2、对煤气流初始分布的影响
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。
燃烧带伸向高炉中心，则中心气流发展，炉缸中心温度升高；
反之，燃烧带缩短，则边缘气流发展，炉缸中心温度降低，对各种反应进行不利。
同时，炉缸中心呆滞且热量不足，也不利于高炉顺行。
但是，燃烧带过分伸向中心，将造成中心“过吹”，同时过分减弱边缘煤气流，增加炉料与炉墙之间的摩擦阻力，对高炉的顺行也不利。
由此可见，维持适宜的燃烧带尺寸，尽可能增加风口数目，对于保证炉缸工作的均匀、活跃和高炉的顺行是非常重要的。
（三）影响燃烧带大小的因素
燃烧带的大小是指燃烧带所占空间的体积，它包括长度、宽度和高度。
但对冶炼过程影响最大的是燃烧带的长度；
此外，燃烧带的宽度对炉缸工作均匀化亦有重大影响。
燃烧带的大小不是一成不变的，在冶炼强度低的高炉上，燃烧带大小主要取决于燃烧反应速度方面的因素。
在现代化的高炉上，燃烧带的大小主要受鼓风动能大小所左右，其次与燃烧反应速度、炉料状况有关。
1、鼓风动能的影响
（1）鼓风动能的计算
鼓风动能是指鼓风流股克服风口前焦炭层的阻力向炉缸中心穿透的能力。
它是造成风口前焦炭回旋运动的能量。
鼓风动能可用下式计算：
（6-16）
式中：
E——鼓风动能，kg·
m/s；
m——鼓风质量，kg；
V——风速，m/s；
Q——鼓风风量，m3/s；
P₀——标准状态下鼓风压力，为0.101Mpa；
P——实际鼓风绝对压力，Mpa；
T₀——标准状态下的鼓风温度，为273K；
T——实际鼓风温度，K；
S——一个风口的截面积，m2；
r0——标准状态下的鼓风重度，（空气重度为1.293kg/m3）kg/m3；
n——风口数目；
g——重力加速度，9.8m/s2。
（2）鼓风动能对燃烧带的影响
鼓风动能越大，则焦炭的回旋区越大，鼓风穿透中心的能力越强，因而燃烧带越大。
如图6-6。
图6-6鼓风动能和回旋区长度的关系
可见，回旋区的长度几乎与鼓风动能成直线关系。
随鼓风动能的增加，回旋区长度增长，燃烧带尺寸也相应增大。
前已述及，燃烧带过大过小都对高炉冶炼不利，由此可知高炉应有一个适宜的鼓风动能。
适宜的鼓风动能应保证煤气流分布合理，减少炉料运动的呆滞区，扩大炉缸活跃面积，使整个炉缸活跃，工作均匀。
在不同的条件下，适宜的鼓风动能是不同的。
高炉炉缸直径越大，则要求适宜的鼓风动能应越大。
同一座高炉由于冶炼强度不同，适宜的鼓风动能也不一样。
生产实践表明，适宜的鼓风动能与冶炼强度有线性关系。
即冶炼强度较高时，可采用较低的鼓风动能；
当冶炼强度较低时，则采用较高的鼓风动能。
图6-7为鞍钢某两座高炉鼓风动能与冶炼强度的关系图。
图6-7鼓风动能与冶炼强度的关系
（3）影响鼓风动能的因素
从式6-16可知，鼓风动能取决于风量、风温、风压及风口面积等参数。
因此，改变这些鼓风参数就能改变鼓风动能，从而控制燃烧带的大小。
1）风量
鼓风动能正比于风量的三次方，因此增加风量鼓风动能显著增大，燃烧带也相应扩大。
但是，在一定的原燃料等冶炼条件下，高炉有一适宜的冶炼强度，即有一适宜的风量。
为了获得良好的技术经济指标，高炉要尽可能在适宜的风量下操作。
必须指出，虽然风量对燃烧带的大小有重大影响，但在高炉的实际操作中，并不把风量作为调节燃烧带大小的常用手段。
这是因为风量的变化会引起鼓风动能的急骤变化，引起炉况难行。
2）风温
风温对于不同燃烧状态下和炉缸热状态下的燃烧带的影响不同。
提高风温鼓风体积膨胀，风速增加，动能增大，使燃烧带扩大。
然而另一方面，风温升高，使燃烧反应加速，因而所需的反应空间——燃烧带相应缩小。
这两方面的因素应看谁占主导地位，一般来说，风温升高，燃烧带扩大。
在高炉实际操作中，风温的高低取决于热风炉和原燃料等条件，并服从高炉热制度的需要。
由于风温的提高会引起炉缸煤气体积的急骤膨胀，引起炉况难行，因此，风温一般不作为调节燃烧带的手段，而只是作为处理炉况的一种手段。
3）风速
风速是指热风离开风口的流速。
由式6-16看出，鼓风动能与风速的平方成正比，风速增加，鼓风动能增大，鼓风和煤气更能向中心渗透。
因此，在风量不变的条件下，增加风速，将使燃烧带向中心方向扩大，而燃烧带的宽度和高度将缩小。
4）风口面积
风速是通过改变风口断面积即改变风口直径来调节的。
缩小风口直径，风速增加，鼓风动能增加，燃烧带向中心伸长；
扩大风口直径，风速降低，鼓风动能减小，燃烧带缩短。
在高炉操作中，改变风速是高炉操作中调节燃烧带尺寸的常用的有力手段。
5）风压
由式6-16看出，鼓风动能与风压的二次方成反比。
在风量、风温和风口直径等不变的情况下，风压（通常以热风压力表示）越高，则鼓风体积越小，实际风速也越小，因而鼓风动能越小，燃烧带的长度就越短。
也就是说，风压对燃烧带大小的影响是由于实际风速的变化引起的。
风压取决于高炉大小，原料条件、风量和炉顶煤气压力（常压和高压）等因素。
对于常压高炉操作，一般情况下只有通过改变风量才能调节风压，。
对于常压高炉操作，一般情况下只有通过改变风量才能调节风压，而对于高压高炉操作，则可以通过改变炉顶煤气压力来调节风压。
因此，须指出的是，不仅常压操作高炉不能把风压作为调节燃烧带的手段，而且即使是高压操作高炉也不能把风压作为调节燃烧带的手段。
2、风口的形状和风口伸入炉内的长度对燃烧带的影响
高炉通常采用圆形风口，因为圆形风口便于制造和安装。
不难理解，当采用文杜里氏和椭圆形风口时，燃烧带长度将缩短，而宽度将扩大。
风口伸入炉内的长度愈长，则燃烧带愈向中心延伸。
但是风口伸入炉内的长度是很有限的（一般为200～500mm），过长时风口使用寿命将缩短，而且更换安装也困难。
调节风口长度也是调整炉缸工作的一种措施。
当边缘气流过分发展或中心堆积时，才应用此手段。
也即增加风口伸入炉内的长度，可使燃烧带伸向高炉中心，促使高炉中心活跃，消除中心堆积或减少边缘气流。
反之，则促使边沿活跃。
总之，合适的鼓风动能应保证获得一个既向中心延伸，又在圆周有一定发展的燃烧带，实现炉缸工作的均匀活跃与炉内煤气流的合理分布来保证高炉顺利。
须要指出的是，在高炉日常操作中，通常不改变风口形状和风口伸入炉内的长度。
3、焦炭性能对燃烧带的影响
焦炭的块度、气孔率和反应性对燃烧带的大小也有影响。
在层状燃烧的情况下，焦炭块度愈大，则单位体积焦炭的总面积愈小，反应速度愈慢，因而燃烧带愈大；
在回旋运动燃烧的情况下，焦炭块度愈大，则回旋区愈小，因而燃烧带愈小。
在层状燃烧情况下，焦炭的气孔率愈高和反应性愈好，则反应速度愈快，因而燃烧带愈小；
在回旋运动燃烧的情况下，焦炭的气孔率和反应性好时，可以使CO2的还原反应加快，缩小还原区，因而燃烧带将缩小。
所以，当高炉从用木炭（气孔率80%～90%）改用焦炭（气孔率45%～55%）冶炼时，以及从焦炭改用无烟煤（气孔率很低）冶炼时，燃烧带都将扩大。
图6-8为焦炭气孔率对回旋区的燃烧带的影响。
由此图可以看出，焦炭气孔率增加4
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