1、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
2、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、H 2O的反应。在高炉内特定条件下所进行
3、的燃烧反应，主要是 C 与 O2、CO 2 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）molKJC/40928焦燃烧初期的产物 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）lCJO/16572焦又因鼓风中带入有氮气，风口前燃烧反应式变成为：（6-3） molCKJNCOCl/2351 17921792 _679 ) /408 222焦 焦焦由式（6-
4、3 ） 可计算出炉缸初始煤气成分：%.3402179O20%6.791当鼓风中有水份时，在高温下将发生以下反应：（6-4）OmolHKJCH222 /1焦由此可见，在实际生产条件下，焦炭燃烧的最终产物是由 CO、H 2 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
5、行不完全燃烧的反应。2CO 2CO （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）QmnCHmn22（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，CH 4 在高温下分解：（6-7）olkJ/178924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，CH 4 可能全部分解为 C 和 H2。图 6
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、C 3H8、C 4H10、C 5H12 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）QnCOHn22)1(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
7、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）kgJQSHCQ/ 92601340低分 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 8371047kJ/kg；重油 1465 188 kJ/kg，天然气3140 3559 kJ/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。
8、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 0.83重油 86.00 11.50 0.25 0.19 1.00 0.25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
9、CO(m3)H2(m3) 还原性气体(m3)N2(m3) 煤气(m3)(CO+H2)%焦炭 1.553 0.055 1.608 2.920 4.528 35.50煤粉 1.408 0.410 1.818 2.040 4.458 40.80重油 1.605 1.290 2.895 3.020 5.915 48.94天然气 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
10、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 ）25.01)(ffCO（6-11）7902N（6-12）H（6-13）%102HNCO（6-14）2（6-15）2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 CO N2 H20 0 34.70 65.30 01 8.05 34.96 64.22 0.822 16.10 35.21 63.16 1.633 24.15 35.45 62.12 2.434 32.20 35.70 61.08 3.22喷吹燃料时，由于燃料中 H2 含量较
11、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炉缸煤气成分 (%)喷油量(kg/tFe)鼓风湿度(%) CO N2 H20415260942.551.502.812.271.6935.334.134.534.132.362.561.8
12、59.359.358.42.14.16.26.79.3表 6-6 富氧鼓风对炉缸煤气成分的影响炉缸煤气成分(%)鼓风含氧(%) 鼓风湿度(%) 喷煤量(kg/tFe) CO N2 H221.022.523.324.525.50.750.941.191.131.9514521918126532333.534.835.936.737.862.259.658.756.054.64.25.65.47.37.6二、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
13、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，CO 2 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，CO 2 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
14、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，N 2 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，N 2 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
15、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 1.251.30 倍，炉顶煤气量增大到风量的 1.401.45 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
16、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
17、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，CH 4 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
18、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、H 2 和 N2，炉顶煤气的成分为 CO、CO 2、H 2、CH 4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
19、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
20、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200300mm 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：O 2 不是逐渐地而是跳跃式地减少，在离风口200300mm 处甚至增加，之后，在 300900mm 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；CO 2 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
21、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，O 2 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，CO 2 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，CO 2 总有一个消失的地点
22、，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（氧化区，还原区）总之
23、，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
24、、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
25、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，m 3/s； P 标准状态下 鼓风压力，为 0.101Mpa；P 实际 鼓风绝对压力，Mpa；T 标
26、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，m 2；r 0标准状态下的鼓风重度， （空气重度为 1.293kg/m3）kg/m 3；n风口数目；g重力加速度，9.8m/s 2。（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
27、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
28、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
29、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
30、。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
31、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
32、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
33、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%，燃烧带由 1800mm 缩到 1300mm，缩短了 500mm。图 6-8 焦炭气孔度对燃烧带的影响a-气孔率 36% b-气孔率 40%4、喷吹燃料对燃烧带的影响高炉喷吹燃料后，由于部分燃料在风口中燃烧，放出热量，产生气体产物，因此鼓入高炉的不只是空气，而是空气、燃烧产物和喷吹燃料的混合气流。显然
34、混合气流的动能要比鼓风动能大得多，因此燃烧带必然扩大。计算喷吹燃料时混合气流的动能，首先必须确定气体体积增加量和温度升高值，两者都取决于燃料的喷吹量及其在风口内的燃烧率。燃料在风口内燃烧率取决于喷吹燃料的种类、喷吹量、风温和雾化与混合程度等因素，需要在实际中测定。根据我国高炉喷吹燃料时测定的风口出口处气体成分推算，喷吹燃料在风口内的燃烧率约为 25% 40%，气体体积增加约 10%，温度上升约 500 600 。此外，喷吹燃料中的碳氢化合物在风口内和风口前端首先燃烧成 H2O。H 2O 消失的速度比 CO2 消失的速度慢得多，使燃烧带的实际还原区（进行 CO2+C2CO 和H2O+CH2+CO
35、 反应的区域）扩大，因此燃烧区必然扩大。图 6-9 为高炉喷吹天然气时炉缸煤气成分的变化。由图可见，CO 2 在距风口约 1150mm 处从气相中消失，而 H2O 却延伸到 2250mm 处才消失。所以，高炉鼓风湿度大（加湿程度高）或喷吹燃料时，以 H2O 消失处作为燃烧带的边界更符合实际情况。图 6-9 高炉喷吹天然气时的炉缸煤气成分5、上部炉料分布对燃烧带的影响如果燃烧带上方的炉料分布为边缘矿石少、焦碳多的边缘发展型，则燃烧带缩小；若实行的是中心加焦技术，边缘矿石多、而中心焦炭多的中心发展型，则燃烧带向中心延伸。如果上部炉料负荷重、堆密度大，作用于回旋区止的有效重力大，回旋区会缩小；而焦炭
36、粒度大，落入回旋区的液态物数量多，它们受鼓风冲击而运动时消耗鼓风动能多，鼓风动能衰减快，回旋区和燃烧带都会缩小。四、高炉内的热交换高炉内的热交换是指上升的煤气流与下降的炉料之间的热量传递。高炉各个区域中化学反应能否进行和进行的程度如何，温度高低是决定性的条件。煤气流既是还原剂又是载热体，在煤气上升过程中既还原了矿石又将热量传给了炉料，提供加热及各种物理化学变化所需的热量。因此，煤气与炉料之间的热交换进行程度如何，对高炉冶炼起决定性的作用。（一）炉料（或煤气）的水当量炉料的水当量（或煤气水的当量）是指单位时间内炉料（或煤气流）温度升高 1（或降低 1 ）时所吸收（或放出）的热量。炉料的水当量和煤
37、气的水当量，可分别用下式表示：1、炉料水当量（W 料 ）： W 料 =G 料 C 料 （6-17）2、煤气水当量（W 气 ）： W 气 =V 气 C 气 （6-18 ）式中：W 料 炉料的水当量（ kJ/h ） ；W 气 煤气的水当量（kJ/ h ） ；G 料 单位时间内通过高炉某一截面的炉料量（ /h） ；V 气 单位时间内通过高炉某一截面的煤气量（m 3/h） ; C 料 炉料的比热，kJ/ ；C 气 煤气的比热，kJ/ 。炉料的水当量越大，则炉料升高 1 时所需要的热量就越多；煤气的水当量越大，则煤气温度下降 1 时传给外界的热量也就越多；反之亦然。在现代高炉上，水当量沿高炉高度上的变化
38、规律是：煤气水当量上、下部基本相同（约 2000 2500kJ/（t ） ） ，这是因为 V 气 上部大，下部小，而 C 气 相反，上部小，下部大，两者乘积基本相同；炉料水当量上部小，下部大（上部 1800 2200kJ/（t ） ，下部5000 6000kJ/（ t ） ） ，这是由于上部不仅吸热反应少，而且 CO 间接还原放热，所以表观 C 料 小，下部则有大量的吸热反应，还有炉渣和生铁熔化耗热，所以表观 C 料 很大。（二）理论燃烧温度1、理论燃烧温度的概念由于高炉内实际的燃烧温度难以计算，所以，通常用理论燃烧温度来代表燃烧温度。所谓理论燃烧温度，是指风口前焦炭燃烧所能达到的最高温度，也
39、即是炉缸煤气参与炉料热交换之前的原始温度。用下式计算：（6-19）煤煤 分燃风碳理 CVQt式中：t 理 理论燃烧温度， ；Q 碳 碳燃烧为 CO 时放出的热量，kJ/kg ； Q 风 热风带入的热量，kJ /kg ；Q 燃 焦炭和喷吹燃料带入的物理热，kJ/kg ； Q 分 鼓风和喷吹燃料中的水分以及喷吹燃料的分解热，kJ /kg ；V 煤 燃烧生成的煤气量，m 3/kg ；C 煤 煤气的平均比热，kJ/m 3 。从式 6-19 知：风温越高，则带入的热量越多，因而 t 理 越高；鼓风湿度越大，则水分分解耗热越多，因而 t 理 越低；鼓风含氧量越高，则生成煤气量越少，因而 t 理 越高；喷吹
40、量越大，喷吹燃料分解耗热越多，并且生成煤气量增加，因而 t 理 越低。理论燃烧温度的高低对高炉冶炼有很大的影响。理论燃烧温度高，表明同样体积的煤气含有较多的热量，可以把更多的热量传给炉料，有利于炉料的加热、分解、还原过程的进行。尤其是高炉喷吹燃料后，较高的 t 理 可以加速喷吹物的燃烧，改善喷吹燃料的利用。但是过高的 t 理 使煤气体积增大，煤气流速加快，炉料下降所受阻力增高，同时还导致SiO2 大量挥发，不利于炉况顺行。因此，应维持适宜的 t 理 。应当指出，t 理 与炉缸温度有本质区别，而且也没有严格的依赖关系。t 理 是指燃烧带燃烧焦点的温度（燃烧带中的最高温度） ，炉缸温度是指炉缸渣铁
41、水的温度。例如：当 t 理 达18002400 时，而炉缸温度一般只有 14001500 左右。又例如：喷吹燃料后，t 理 降低而炉缸温度却往往升高；富氧鼓风后，t 理 升高，但由于煤气量显著减少，炉缸中心煤气量不足，炉缸温度还可能降低。因此，t 理 不能作为衡量炉缸温度的主要依据。2、影响理论燃烧温度的因素影响理论燃烧温度的因素有：鼓风温度、鼓风富氧度、喷吹燃料、鼓风湿度。（1）鼓风温度鼓风温度升高，则鼓风带入的物理热增加，理论燃烧温度升高。鼓风湿度为 1.5%且无富氧无喷吹时，鼓风温度和理论燃烧温度的数值对应如表 6 6 和表 6-7。表 6-6 鼓风温度和理论燃烧温度的关 表 6-7 鼓
42、风含氧量与理论燃烧温度的关系风温/ 理论燃烧温度/800 1994900 20131000 21541100 22371200 2319（2）鼓风富氧度鼓风含氧量提高以后，N 2 含量减少，此时虽因风量减少而使 Q 风 有所降低。但由于VN2 降低的幅度大，理论燃烧温度显著升高。风温为 1100 ，鼓风湿度为 1.5%，无喷吹时的数值对应关系如表 6-7。（3）喷吹燃料由于喷吹物分解吸热和 VH2 增加，理论燃烧温度降低。由于各种喷吹燃料的分解热不同：含 H222% 24%的天然气分解热为 3350kJ/m3，含 H211% 13%的重油分解热为1675kJ/kg，含 H22% 4%的无烟煤分
43、解热为 1047kJ/kg，所以，喷吹天然气降低理论燃烧温度最剧烈，重油次之，无烟煤降低最少。（4）鼓风湿度鼓风湿度的影响与喷吹物相同，由于水分分解吸热，理论燃烧温度降低。（三）炉内温度的变化和分布规律1、风口至炉缸中心温度的分布炉缸内的实际温度与 t 理 、焦比、炉渣成分、生铁品种、炉缸内的直接还原以及冷却水带走的热量等因素有关。各高炉由于冶炼条件和操作制度的不同，炉缸实际的温度也不尽相同。但炉缸温度沿半径方向的变化趋势是相似的如图 6-10 所示。图 6-10 沿半径方向炉缸温度变化燃料在靠近风口的燃烧带内燃烧，产生的高温煤气向上和向炉缸中心穿透，把热量传递给焦炭、炉渣和铁水，而煤气本身的
44、温度逐渐降低。因此炉缸内温度的分布与煤气的分布密切相关。在风口附近（燃烧带） ，由于燃烧生成 CO2 时放出的热量最多，温度达到最高点（即燃烧焦点） 。燃烧焦点的温度取决于风温、鼓风成分、燃料性质、焦点处煤气中的 CO2 含量以及炉缸温度水平等因素。燃烧焦点在冶炼钢生铁时为 1900 左右，在冶炼锰铁及硅铁时可达到 2000 以上。从风口到炉缸中心温度降低的程度，主要取决于炉缸中直接还原反应发展的程度和到达炉缸中心的煤气量。显然，直接还原越少，到达中心的煤气越多，则温度降低越少。中心温度过低时，中心渣铁的流动性差，易形成难熔的物质，导致炉缸中心堆积。由此可见，炉缸温度沿半径方向分布是不均匀的。
45、2、沿炉身高度上的炉内温度分布高炉从上往下温度是逐渐降低的。其原因是温度高达 17002000 的炉缸煤气在上升过程中，不断地把热量传递给下降的炉料，仅几秒钟时间到炉顶后降至 150300 ，而常温的炉料在下降过程中不断被煤气加热、还原，到达炉缸时呈液态的渣铁，定时排出炉外。研究表明，高炉内的温度场虽因高炉具体情况不同，沿圆周半径方向依煤气流的分布而千差万别，但沿炉内高度上的温度分布却有如图 6-11 的共同规律。鼓风含氧量/% 理论燃烧温度/21 223722 226723 231424 236025 2404图 6-11 高炉热交换过程示意图在高炉上部与下部，即新的炉料刚刚进入炉内和煤气刚
46、刚从风口燃烧带产生之处，煤气与炉料间温差较大，热交换强烈。而在炉身中下部区域内，煤气与炉料的温差很小，大约只有 1020 左右，是热交换极其缓慢的区域，常称为热交换的空区域或热贮备区。（四）热交换规律由图 6-11 可知：从热交换角度出发，可以把高炉划分为三个区，即上部热交换区、下部热交换区和空区。下面分别讨论这三个区域的热交换。1、上部热交换区在此区域中，主要进行炉料的加热、水分的蒸发、结晶水的分解、炉料挥发分的挥发、部分碳酸盐的分解和部分间接还原。而高级氧化物的间接还原是放热反应，炉料吸热量少，因此炉料水当量小于煤气水当量，即 W 料 W 气 。所以，在此区域内，炉料温度上升的速度大于煤气
47、温度下降的速度；同时，上升煤气遇到刚入炉的冷料，煤气与炉料之间有较大的温度差，所以热交换激烈，炉料由 20 30 常温升高到中部空区 950 ，而煤气温度则从 950 下降到炉顶温度 200 300 ，最上面的温度差约为 100300 。2、下部热交换区在此区域中，由于进行着 Fe、Mn、Si、P 等元素的直接还原、部分碳酸盐的分解、炉料的熔化以及渣铁的过热等物理化学过程，炉料消耗的热量很大，因此 W 料 W 气 ，即炉料温度上升的速度小于煤气温度下降的速度，炉料与煤气也一直保持着较大的温度差，而且越往下温度差越大，煤气从离开燃烧带时的温度 1800 2000 下降到中部空区 950 ，而炉料
48、从中部空区的 950 上升到渣铁出炉温度 1500 ，最大时温差可达 400500 。在此区域内热交换进行得最激烈。3、空区在高炉的中部由于进行的吸热反映（主要为部分碳酸盐分解和直接还原）和放热反应（间接还原）的热效应值接近，炉料消耗的热量少，因此 W 料 W 气 ，即炉料温度上升的速度约等于煤气温度下降的速度。在此区域内，炉料与煤气的温差很小（约 1020 ） ，因而热交换进行的很缓慢，甚至基本上不进行。所以，此区域被称为热交换的“空区” 。空区约占整个料柱高度的 50%左右。空区和下部热交换区的界线是碳酸盐开始大量分解和碳的气化反应（CO 2+C2CO）明显发展的温度线，即 950 110
49、0 的区域。（五）改善煤气利用的途径1、保持适宜的高炉高径比由于高炉有热交换的空区存在，高炉的高度愈高，空区也必然愈长。因此，过高的高度对热交换没有什么益处。所以，适当降低高度和炉腰直径之比 Hu/D，不但不会恶化热交换过程，相反有利于强化高炉冶炼和改善煤气的利用。这已为许多生产实践所证实。但是，不能因为高炉内有热交换的空区，就可以认为高炉的有效高度可以大大降低，从而缩短空区，而不会导致炉顶煤气温度升高。因为高炉内热交换空区的出现，不是由于高炉炉型方面引起的后果，而是冶炼过程本身的必然结果，高炉毕竟不是一个简单的热交换器，在热交换的空区内进行着间接还原，因此热交换的空区可以缩短，但不能取除。试验研究表明，即使在有效高度为 1225mm（为正常高炉的 l/20）
