06.6高炉内的燃料燃烧过程和热交换定.doc

第六章 高炉内的燃料燃烧过程和热交换焦炭是高炉炼铁主要的燃料随着喷吹技术的发展，煤、重油、天然气等已代替部分焦炭作为高炉燃料使用风口前燃料燃烧对高炉冶炼过程起着重要的作用：首先，焦炭在风口前燃烧放出的热量，是高炉冶炼过程中的主要热量来源高炉冶炼所需要的热量，包括炉料的预热、水分蒸发和分解、碳酸盐的分解、直接还原吸热、渣铁的熔化和过热、炉体散热和煤气带走的热量等，绝大部分由风口前燃烧焦炭供给其次，风口前燃烧反应的结果产生了还原性气体CO、H2等还原剂,为炉身上部固体炉料的间接还原提供了还原剂，并在上升过程中将热量带到上部起传热介质的作用第三，由于风口前燃烧反应过程中固体焦炭不断变为气体离开高炉，为炉料的下降提供了40%左右的自由空间，保证炉料的不断下降第四，风口前焦炭的燃烧状态影响煤气流的初始分布，从而影响整个炉内的煤气流分布和高炉顺行第五，风口前燃烧反应决定炉缸温度高低和分布，从而影响造渣、脱硫和生铁的最终形成过程及炉缸工作的均匀性，也就是说风口前燃烧反应影响生铁的质量总之，风口前燃料燃烧在高炉冶炼过程中起着极为重要的作用，正确掌握风口前燃料燃烧反应的规律，保持良好的炉缸工作状态，是操作高炉和达到高产优质的基本条件。

一、燃料燃烧反应燃烧反应是指可燃物C、CO和H2等与氧化合的反应，或者是C、CO与CO2、H2O的反应在高炉内特定条件下所进行的燃烧反应，主要是C与O2、CO2和H2O的反应，以及CnHm和O2的反应一）焦炭燃烧反应焦炭中的碳部分参与直接还原、进入生铁和生成CH4外，有70%以上在风口前燃烧，产生氧化性气体CO2，并释放出大量的热能其化学反应式为： （6-1）燃烧初期的产物CO2在向炉缸内部扩展时，与赤热的焦炭相遇发生碳的气化反应，CO2全部转变为还原性气体CO：　 （6-2）又因鼓风中带入有氮气，风口前燃烧反应式变成为：　 （6-3） 由式（6-3）可计算出炉缸初始煤气成分： 当鼓风中有水份时，在高温下将发生以下反应： （6-4）由此可见，在实际生产条件下，焦炭燃烧的最终产物是由CO、H2和N2组成的二）喷吹燃料燃烧反应高炉采用喷吹技术时，煤粉、重油、天然气等作为喷吹燃料使用1）煤粉的燃烧无论是无烟煤或烟煤，它们的主要成分碳的燃烧，和前述焦炭的燃烧具有类似的反应但是由于煤粉和焦炭有不同的性状差异，所以燃烧过程不同煤粉的燃烧要经历三个过程：加热蒸发和挥发物分解；挥发分燃烧和碳结焦；残焦燃烧。

即在风口前首先被加热，继之所含挥发分气化并燃烧，最后碳进行不完全燃烧的反应2C＋O2＝CO （6-5）（2）重油的燃烧重油的主要成分是重碳氢化合物CnHm，重油被加热后，碳氢化合物气化，再热分解和着火燃烧，燃烧生成物为CO和H2，燃烧反应如下： （6-6）（3）天然气的燃烧天然气的组成主要是碳氢化合物，且以CH4为主，CH4在高温下分解：　　　　 （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6－1 CH4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1465～188 kJ/kg，天然气3140～3559 kJ/kg2）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H2H2OSON2焦炭83.0014.000.49－0.50－－煤粉75.3016.823.660.830.323.560.83重油86.00－11.500.250.191.000.25天然气CH498.15C2H60.325C3H80.11C4H100.01H21.10H2S0.05CO20.25表6-2燃烧后生成的还原气体和煤气体积CO(m3)H2(m3)Σ还原性气体(m3)N2(m3)Σ煤气(m3)(CO+H2)%焦炭1.5530.0551.6082.9204.52835.50煤粉1.4080.4101.8182.0404.45840.80重油1.6051.2902.8953.0205.91548.94天然气1.3702.7804.1502.5806.73062.00（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/m3CON2H20034.7065.30018.0534.9664.220.82216.1035.2163.161.63324.1535.4562.122.43432.2035.7061.083.22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(%)CON2H20415260942.551.502.812.271.6935.334.134.534.132.362.561.859.359.358.42.14.16.26.79.3表6-6富氧鼓风对炉缸煤气成分的影响鼓风含氧(%)鼓风湿度(%)喷煤量(kg/tFe)炉缸煤气成分(%)CON2H221.022.523.324.525.50.750.941.191.131.9514521918126532333.534.835.936.737.862.259.658.756.054.64.25.65.47.37.6二、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CO 2体积和。