炼铁技术高炉内热量利用和热平衡.doc

5. 高炉内的热量利用和热平衡5.1 风口前燃烧反应的理论燃烧温度理论燃烧温度是假定燃烧发生不完全燃烧，并且燃烧放出的热量以及燃料和热风所含的热量全部传给产物（即与周围环境绝热）时，产物所达到的温度。也即炉缸煤气参与炉料热交换之前的原始温度。根据燃烧区域热平衡得出理论燃烧温度t理： (5.1)式中 t理理论燃烧温度，； Q碳碳燃烧生成CO放出热量，9797kJ/kgC； Q风鼓风带入热量，kJ/kgC； Q燃焦炭和喷吹燃料代入的物理热，kJ/kgC； Q水鼓风和喷吹燃料中水分分解热，kJ/kgC； Q分喷吹燃料分解热，kJ/kgC； CCO、N2，CH2CO和N2、H2的比热，kJ/m3； VCO、VN2、VH2炉缸煤气中CO、N2、H2的含量，m3/kgC。由上式可见，风温愈高，带入的燃料愈多，t理升高；鼓风湿度愈大，水分分解耗热愈多，t理愈低，富氧鼓风，煤气量降低，t理升高；喷吹燃料的温度不高，分解又要耗热，煤气量增加，喷吹量愈大，t理愈低。高炉冶炼时要控制适宜的理论燃烧温度。理论燃烧温偏低，表明同样体积的煤气带入的热量较少，炉料得不到充分加热，炉缸温度低，尤其是喷吹燃料时，较高的理论燃烧温度有利于喷吹燃料的燃烧，改善喷吹燃料的利用。相反，理论燃烧温度过高使煤气体积增大，流速加快，炉料下降阻力增大，并使SiO大量挥发，不利于炉况顺行。5.2 煤气上升过程中的体积、成分和温度变化 1. 煤气量 煤气在上升过程中，由于直接还原产生的CO、碳酸盐分解和燃料中的挥发分挥发等不断进入煤气中，煤气量不断增加。大气鼓风和全焦冶炼时，炉缸煤气量约为风量的1,21倍，炉顶煤气量约为1.35-1.37倍，喷吹燃料时更高。 2煤气成分 CO2从炉身下部中温区（约1100），由于直接还原量的减少而逐渐增加，相反CO先由于直接还原而增加，然后在温度更低的区域（约1000）由于参加间接还原而逐渐减少。3炉料和煤气温度 高炉内沿圆周及半径方向随煤气量分布而千差万别，但沿炉高的温度分布却有共同的规律（见图5.1）。在炉子上部和下部，即新的炉料刚刚进入炉内以及煤气刚刚从风口燃烧带产生之处，煤气与炉料间温度差较大，热交换强烈，而在炉身中下部区间内，煤气与炉料的温度差很小，大约只有50左右，是热交换及其缓慢的区域，称为热交换的空区或热储备区。图5.1高炉内炉料和煤气的温度变化5.3 高炉内热交换的基本规律5.3.1 高炉内热交换的传热方程高炉内热交换的传热方程为： (5.2)式中 dQd时间（小时）内煤气传给炉料的热量； F传热系数，kJ/(m2h); F炉料表面积，m2； (tgts)煤气和炉料间温度差，。由于煤气和炉料间不只是简单的热交换，同时还伴随着还原、分解、熔化等过程，单用传热方程不能解释清楚，因此引用“水当量”概念来讨论高炉内的热交换规律。5.3.2水当量 水当量即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（包括化学反应和相变热及热损失）（kJ/h）。 (5.3)式中 Ws、Wg分别表示炉料和煤气的水当量，kJ/h.；图5.3 沿炉高炉料和煤气水当量的变化和温度分布的对应关系 Gs每小时通过的炉料量，kg/h； Vg每小时通过的煤气量，m3/h； Cs炉料的比热，kJ/kg； Cg煤气的比热，kJ/m3。沿炉高炉料和煤气水当量的变化和温度分布的对应关系见图5.3。炉气的水当量基本保持不变。高炉上部Ws小于Wg；炉料被很快加热，高炉下部Ws远大于Wg，煤气被很快冷却，是热交换进行最激烈的区域；高炉中部WsWg，此处Tg与Ts相差50左右，热交换基本停止，但化学反应仍然激烈进行。5.3.3 热交换规律的应用1. 影响炉顶煤气温度的因素从热平衡原理得知，高炉上部热交换区的任意截面上，炉料和煤气带走的热量应等于该截面上煤气原来所含的热量。即： (5.4) (5.5)式中 t空空区温度； tso炉料入炉温度； tgo炉顶煤气温度。 如忽略入炉炉料温度tso，且当t空一定时，炉顶煤气温度tgo只与Ws/Wg有关。所以富氧鼓风、提高风温、降低焦比等使煤气量减少，Wg降低；同时因焦比降低，矿/焦值增大，使Ws提高；这些都能使炉顶温度降低。若热矿入炉，则炉顶温度升高。2. 影响炉缸温度的因素 同理，高炉下部热交换区的任意截面上，炉料和煤气带走的热量应等于该截面上煤气原来所含的热量。 （5.6）式中 t缸、tg炉缸内渣铁和煤气温度，。在空区，WsWg，所以： (5.7) (5.8) 影响炉缸温度的因素为：提高风温焦比不变时，因炉缸煤气温度tg升高，炉缸温度升高；若焦比相应降低，则炉缸温度不变。富氧鼓风时Wg减小，但煤气温度tg增加幅度较大，炉缸温度升高。喷吹燃料时虽Wg增加，因煤气温度和焦比降低，矿/焦比增大，炉缸温度降低，所以喷吹燃料一定要有补偿热量，如提高风温和富氧鼓风等。