理論燃燒溫度對高爐生產(chǎn)的影響

馬琦琦，解成成，左 俊，郭其飛，梁 晨

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

高爐風(fēng)口區(qū)理論燃燒溫度是指在絕熱條件下風(fēng)口區(qū)燃料進(jìn)行不完全燃燒，燃料和鼓風(fēng)帶入物理熱及燃燒反應(yīng)放出的熱量全部傳給燃燒產(chǎn)物所能達(dá)到的溫度［1］，也稱燃燒帶絕熱溫度。絕熱過程就是燃料燃燒放出的熱量全部用來加熱燃燒產(chǎn)生的煤氣，而不考慮實(shí)際過程中的熱損失［2］。爐缸是高爐煤氣發(fā)源地和冶煉進(jìn)程的終結(jié)區(qū)，爐缸初始煤氣分布狀況決定了爐缸截面積的溫度與熱量分布，它不僅對爐缸的滲碳、脫除硫等有害元素、鐵水溫度、渣鐵流動性有很大影響，也對上部各高度的溫度與煤氣流分布及軟融帶形狀與位置有很大影響。好的爐缸狀態(tài)需要有足夠的熱儲備、鐵水溫度達(dá)標(biāo)，渣、鐵有良好的流動性、有很強(qiáng)的精還原與脫除有害雜質(zhì)的能力和初始煤氣的合理分布［3］。

理論燃燒溫度作為表示爐缸熱狀態(tài)特征參數(shù)，其高低不僅決定爐缸熱狀態(tài)，也對爐料的熱傳遞、還原反應(yīng)、造渣、脫硫以及渣鐵溫度、化學(xué)成分等方面產(chǎn)生極大的影響［4-6］。實(shí)際高爐生產(chǎn)中通常以理論燃燒溫度作為判斷爐缸熱狀態(tài)的重要參考指標(biāo)。以鐵水含硅量來判斷爐缸熱狀態(tài)具有滯后性，而以理論燃燒溫度來判斷爐缸熱狀態(tài)具有及時性、實(shí)時性的特點(diǎn)。從理論上分析，t理是高爐爐缸內(nèi)高溫的極限，生產(chǎn)中要求爐缸具有充沛的高溫?zé)崃浚@就取決于t理的水平。

在高爐的實(shí)際生產(chǎn)中操作者選擇和控制t理應(yīng)該考慮爐渣堿度、產(chǎn)品溫度、爐腹煤氣量及上升過程的分布、爐內(nèi)熱交換保證tC=0.75t理（tC焦炭進(jìn)入爐缸中的溫度=0.75t理）等；通過風(fēng)溫、富氧、燃料品質(zhì)、濕度、配煤量等的調(diào)節(jié)，控制理論燃燒溫度在合理溫度區(qū)間內(nèi)［7］。本文對t理的影響因素及理論燃燒溫度過高過低對高爐的影響進(jìn)行研究分析。

1 t理的計算公式

1.1 設(shè)定基準(zhǔn)參數(shù)

設(shè)定正常爐況下tc=0.75t理，通過燃燒熱平衡導(dǎo)出t理的計算公式［2］：

式中：QC為燃料中碳燃燒成CO時放出的熱量，一般取9 800 kJ/kg·C風(fēng)（C風(fēng)指噸鐵風(fēng)口燃燒的焦炭質(zhì)量kg/t，焦炭在風(fēng)口帶的燃燒率在65%～70%波動）；Q風(fēng)為燃燒用熱風(fēng)帶入熱量Q風(fēng)=V風(fēng)C風(fēng)t風(fēng)，kJ；Q水分為熱風(fēng)帶入的濕分和噴煤燃料干燥后剩余的水分分解耗熱，一般取10 800 kJ/m3H2O；QM分為噴吹燃料分解耗熱，kJ；C煤氣為煤氣比熱容，C煤氣=VCO·CCO+VH2·CH2+VN2·CN2；K為焦比（全焦）。

1.2 以馬鋼生產(chǎn)實(shí)際實(shí)例計算

（1）主要生產(chǎn)參數(shù)如下：P風(fēng)壓=0.392 kPa；T風(fēng)溫=1 220 ℃；M產(chǎn)量=8 800 t/d；V濕風(fēng)=6 350 m3/min；A富氧率=VO2/（VO2+V風(fēng)）；φ鼓風(fēng)濕度=23 g/m3或0.028 6 m3/m3或2.86%；O干鼓風(fēng)含氧=（1-A富氧率）×0.21+A富氧率O工業(yè)=0.239 8 m3/m3；O濕鼓風(fēng)含氧=［（1-φ鼓風(fēng)濕度）×0.21+0.5φ鼓風(fēng)濕度］（1-A富氧率）+A富氧率O工業(yè)=0.247 7 m3/m3。

（2）V風(fēng)濕指噸鐵消耗的濕風(fēng)量，以日產(chǎn)8 800 t計 算：V風(fēng)濕=1 080 m3/t；V干風(fēng)=（1-φ鼓風(fēng)濕度）V風(fēng)濕=1 049 m3/t。

（3）風(fēng)口前燃燒碳量按反應(yīng)式2C+O2=2CO 計算：C風(fēng)=（2×12/22.4）×V風(fēng)濕×O濕鼓風(fēng)含氧=286.6 kg/t。燃燒帶形成的煤氣量和組分在噴吹煤粉的情況下。

一般以冶煉1 t 生鐵為基準(zhǔn)。VCO燃=（22.4/12）C風(fēng)=535 m3/t，VH2燃=V干風(fēng)φ鼓風(fēng)濕度+（22.4/2）H噴煤=130.16 m3/t，VN2燃=V干風(fēng)（1-O干風(fēng)）+（22.4/28）N噴煤=798.85 m3/t。風(fēng)口前燃料燃燒形成的煤氣量為：V煤氣=VCO燃+VH2燃+VN2燃=1 464.01 m3/t，相應(yīng)的煤氣成分CO、H2、N2所占比 例 分 別為36.54%、8.89%、54.57%；在t理為2 100～2 200 ℃，CO、H2、N2的平均比熱容分別為1.508、1.425、1.495 kJ/（m3·℃），煤氣的 比 熱 容C煤氣=VCOCCO+VH2CH2+VN2CN2=1.493 5 kJ/（m3·℃），熱風(fēng)比熱容C風(fēng)=1.42 kJ/（m3·℃），全焦量K=358 kg/t，煤吹粉含水為4.6%。

以每天1 229 t煤量計算，M噸鐵噴煤量=139.66 kg/t，QC=9 800C風(fēng)=2 808 680 kg/t，Q風(fēng)=V風(fēng)C風(fēng)T風(fēng)=1 870 992 kg/t，Q水分=10 800（V風(fēng)φ鼓風(fēng)濕度+M噸鐵噴煤量φM水）=419 933.80 kg/t，Q噴分=1 150M噸鐵噴煤量=160 609 kg/t，K全焦量=358 kg/t，t理=2 178 ℃（若煤粉含水以1.5%來計算，t理=2 209 ℃，可見煤粉含水量對理論燃燒溫度影響顯著）。

2 t理的影響因子定量分析

為更好地把握生產(chǎn)參數(shù)變化對理論燃燒溫度的影響，做到提前預(yù)判爐況的好壞，現(xiàn)將依據(jù)生產(chǎn)實(shí)際，對不同因素對理論燃燒溫度的影響做具體分析。設(shè)定M產(chǎn)量=8 800 t/d、BT=1 220 ℃、BV=6 600 m3/min、φ鼓風(fēng)濕度=23 g/m3、PCI=139.66 kg/t、A富氧率=3.79%、煤粉含水1.5%、K全焦=358 kg/t。

2.1 風(fēng)溫對t理影響的定量分析

BT取1 190、1 200、1 210、1 220、1 230、1 240、1 250 ℃。通過計算得知，t理分別為2 230、2 238、2 246、2 255、2 263、2 271、2 280 ℃，即每提高10 ℃風(fēng)溫，理論燃燒溫度可提高8 ℃左右。風(fēng)溫提高，熱風(fēng)帶入的熱量增加，降低燃料消耗；煤氣發(fā)生量減少煤氣往上攜帶的熱量減少，此時爐缸溫度提高，爐頂溫度降低。同時，風(fēng)溫提高時可能導(dǎo)致爐內(nèi)煤氣壓差升高。因?yàn)轱L(fēng)溫過高時，爐缸、爐腹煤氣體積因風(fēng)口前理論燃燒溫度的提高而膨脹，煤氣流速增大，從而導(dǎo)致爐內(nèi)下部壓差升高，不利順行；另外理論燃燒溫度過高，導(dǎo)致爐缸內(nèi)SiO 揮發(fā)與上升后重新凝結(jié)，使料柱透氣性惡化。因此，適當(dāng)提高風(fēng)溫，可實(shí)現(xiàn)高爐高效化冶煉，有效降低焦比、提高生鐵產(chǎn)量、提高噴煤比和降低高爐成本的作用。

為實(shí)現(xiàn)高風(fēng)溫，可采取提高煤粉噴吹量降低理論燃燒溫度，便于高爐使用高風(fēng)溫；當(dāng)噴吹量較低時，可適當(dāng)加濕鼓風(fēng)，加濕鼓風(fēng)能因鼓風(fēng)中水分的分解降低爐缸燃燒溫度，有利于實(shí)現(xiàn)高風(fēng)溫等。

2.2 風(fēng)量對t理影響的定量分析

BV取6 300、6 400、6 500、6 600、6 700、6 800、6 900 m3/min。經(jīng)計算得知，t理分別為2 258、2 257、2 256、2 254、2 253、2 252、2 251 ℃，研究結(jié)果表明，在其他冶煉條件不變的情況下，風(fēng)量的變化，對爐缸內(nèi)理論燃燒溫度的變化影響有限。風(fēng)量的基本作用有：提供燃燒焦炭、煤粉所需的氧氣；提供一定的顯熱；提供一定的動能，產(chǎn)生風(fēng)口回旋區(qū)，支托風(fēng)口上部區(qū)域的爐料。另外，生產(chǎn)中風(fēng)量的調(diào)節(jié)主要作用有控制料速、穩(wěn)定氣流、爐涼時減風(fēng)可控制料速，迅速穩(wěn)定爐溫等。風(fēng)量必須與料柱透氣性相適應(yīng)，改善爐料透氣性是增加風(fēng)量的基礎(chǔ)。風(fēng)量變化直接影響爐缸煤氣的體積，因此正常生產(chǎn)時加風(fēng)要適當(dāng)，避免引起爐況不順。

2.3 鼓風(fēng)濕度對t理影響的定量分析

φ鼓風(fēng)濕度取2、5、10、15、18、23、26 g/m3（合和后分別 為0.002 5、0.006 2、0.012 4、0.018 7、0.022 4、0.028 6、0.032 4 m3/m3），t理分別為2 415、2 391、2 353、2 315、2 292、2 254、2 232 ℃。由于四季溫度的變化，早晚溫差不同，大氣的自然濕度大幅波動，高爐爐缸工作條件也隨之變化。穩(wěn)定高爐鼓風(fēng)濕度主要有兩種途徑：一是加濕鼓風(fēng)，另一種是脫濕鼓風(fēng)。都是通過穩(wěn)定鼓風(fēng)濕度達(dá)到穩(wěn)定爐況的目的。二者相比，脫濕鼓風(fēng)可以減少風(fēng)口前水分分解反應(yīng)吸收的熱量，提高風(fēng)口前的理論燃燒溫度，使?fàn)t缸得到充足的熱量，活躍爐缸。此外，脫濕鼓風(fēng)比加濕鼓風(fēng)更容易控制，鼓風(fēng)中的水分含量穩(wěn)定在一個波動幅度很小的范圍內(nèi)，可消除風(fēng)口水分含量變化引起的爐缸熱制度的波動。在南方氣溫波動較高的季節(jié)，高煤比高爐需要脫濕鼓風(fēng)。而那些噴吹燃料較少或無噴煤的高爐，在冬季里宜采用適當(dāng)加濕鼓風(fēng)，以保證在提高風(fēng)溫和富氧的情況下，維持合適的理論燃燒溫度，利于爐況順行。

在風(fēng)口循環(huán)區(qū)，鼓風(fēng)中的水分和原燃料反應(yīng)生成CO、H2，同時水分子分解吸收熱量。由于脫濕的作用，使得風(fēng)口回旋區(qū)擴(kuò)大，理論燃燒溫度升高，爐缸高溫區(qū)擴(kuò)大，還原過程加快，有利于降低燃料比。脫濕鼓風(fēng)應(yīng)與高爐噴煤配合使用，以保持理論燃燒溫度不變。

2.4 噴煤對t理影響的定量分析

PCI取120、125、130、135、139.66、140、145、150 kg/t，t理分別為2 287、2 279、2 271、2 262、2 254、2 253、2 246、2 237 ℃。計算結(jié)果表明，每增加5 kg/t 煤比，理論燃燒溫度降低8 ℃左右。隨著噴吹煤粉的增加，理論燃燒溫度降低，因此可以與高風(fēng)溫高富氧相匹配，實(shí)現(xiàn)高爐的高效冶煉。但隨著噴煤量的增加，置換比逐漸降低，因此生產(chǎn)中要充分考慮置換比降低帶來的不利影響，做到提前預(yù)判，提高置換比。生產(chǎn)實(shí)踐表明，高噴煤比是高爐操作強(qiáng)化的重要手段之一，然而并不意味著越高越好，因此在生產(chǎn)中要根據(jù)噴煤量水平、煤焦置換比和能量消耗利用程度以及焦炭質(zhì)量、風(fēng)溫、渣量、料柱透氣性、透液性等確定噴煤量，做到經(jīng)濟(jì)性噴煤。

2.5 富氧率對t理影響的定量分析

當(dāng)A富氧率取3.03、3.28、3.54、3.79、4.04、4.29、4.55%（對應(yīng)的氧量12 000、13 000、14 000、15 000、16 000、17 000、18 000 m3/min），t理分別為2 230、2 238、2 246、2 225、2 262、2 270、2 278 ℃。通過計算及研究表明，在其他冶煉條件不變的情況下，提高富氧率可顯著提高風(fēng)口前理論燃燒溫度。同時，提高富氧率后：（1）鼓風(fēng)中含氧量提高，其他成分相應(yīng)降低，使得單位生鐵爐缸內(nèi)煤氣量減少，鼓風(fēng)動能相應(yīng)降低，有利于降低料柱壓差，改善高爐順行，提高煤氣中CO 的含量，節(jié)焦降耗；（2）鼓風(fēng)中含氧量提高，單位生鐵的耗風(fēng)量減少，熱風(fēng)帶入熱風(fēng)量減少，同時單位生鐵爐缸內(nèi)煤氣發(fā)生量減少，軟熔帶下移，上部熱交換區(qū)擴(kuò)大，使得爐身中上部溫度下降，爐頂溫度降低；（3）加快碳素燃燒?？傮w來看，高富氧配合高噴煤，控制適當(dāng)?shù)墓娘L(fēng)濕度，與上部料制相匹配，能保持高爐在中等精料水平下的高效操作，實(shí)現(xiàn)爐況的長期穩(wěn)定與順行。

3 t理對高爐生產(chǎn)的影響

一般來說，偏高的t理與爐渣二元堿度較高1.24左右、三元堿度稍低1.4 左右相配合。中國維持的t理與爐渣二元堿度1.05～1.15 和三元堿度1.45～1.50 相配合。同時t理還與噸鐵爐腹煤氣量的多少有關(guān)，爐腹煤氣量低的高爐要維持稍高的t理，以達(dá)到爐缸具有充沛的高溫?zé)崃?，而爐腹煤氣量較大的高爐，則可以維持稍低的t理，同樣達(dá)到充沛的高溫?zé)崃?，以維持爐缸還原和過熱渣鐵的需求。

文獻(xiàn)指出［8］，高爐風(fēng)口前理論燃燒溫度提高以后，一是爐內(nèi)煤氣壓差升高，使?fàn)t內(nèi)尤其是爐腹部位爐料下降的條件明顯惡化，反應(yīng)出來即高爐上部壓差較高；二是爐子下部溫度過高，會使SiO 大量還原并揮發(fā)，煤氣將它帶往上部，并且在爐腹凝聚在焦塊間隙分解成固態(tài)，大大惡化了料柱的透氣性，高爐下部壓差升高，嚴(yán)重時造成爐子難行，并發(fā)展為惡性懸料。而文獻(xiàn)［9］根據(jù)首鋼A、B 高爐的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計整理得出風(fēng)口前理論燃燒溫度不能完全表征爐缸熱狀態(tài)，風(fēng)口前理論燃燒溫度高時鐵水溫度和鐵水［Si］含量不一定很高，用鐵水溫度來表征爐缸熱狀態(tài)可能更合適。

高爐工作者要想管理好爐缸，應(yīng)該是各制度互相配合，要選擇好合適的裝料制度，合適的造渣制度及選擇合適的熱制度；風(fēng)口前理論燃燒溫度與高爐上部壓差和下部壓差不存在相關(guān)關(guān)系。風(fēng)口前理論燃燒溫度高時，高爐下部壓差不一定很高；風(fēng)口前理論燃燒溫度作為高爐調(diào)劑的一個主要參數(shù)意義不大，沒有必要將其作為高爐日常操作調(diào)劑的一個主要指標(biāo)。

4 結(jié)論

（1）高爐生產(chǎn)是一個有機(jī)的統(tǒng)一整體，需要設(shè)備、原燃料條件、操作工藝及高爐操作者的統(tǒng)一配合，每個外部條件的改變都可能或多或少的影響高爐的生產(chǎn)順行。

（2）在實(shí)際生產(chǎn)中，操作者不應(yīng)過分考慮單一條件的變化對高爐的影響，而應(yīng)綜合各方面工藝參數(shù)來看待高爐的生產(chǎn)，只有各有機(jī)單元協(xié)調(diào)一致，高爐操作者根基理論及生產(chǎn)實(shí)際及時做好研判，根據(jù)爐況及時做好操作參數(shù)及變料的調(diào)整，才能使高爐長期穩(wěn)定順行，進(jìn)而在穩(wěn)定順行的基礎(chǔ)上優(yōu)化調(diào)整，而不能采取冒進(jìn)的方式，最終得不償失。

（3）就t理的變化對高爐生產(chǎn)的影響進(jìn)行了分析，t理的變化受到鼓風(fēng)各參數(shù)變化而變化，不能單純考慮某一因素變化對其的影響，在風(fēng)溫、濕度、富氧、風(fēng)量等的變化研究中，每一因素的變化對高爐的影響都不是單一的，而是受到其他因素及高爐順行的限制。

（4）實(shí)際操爐中，應(yīng)根據(jù)爐子自身及原燃料條件等綜合考慮，選擇適合自己的經(jīng)濟(jì)參數(shù)配置，而不應(yīng)一蹴而就的根據(jù)理論研究過分考慮某一工藝參數(shù)變化對高爐生產(chǎn)的影響。

（5）在生產(chǎn)中t理只能作為判斷爐缸熱狀態(tài)的一個重要指標(biāo)參數(shù)，而不是單純依據(jù)t理的高低判斷爐況的順行有否。