理論燃燒溫度對高爐生產的影響

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）

高爐風口區理論燃燒溫度是指在絕熱條件下風口區燃料進行不完全燃燒，燃料和鼓風帶入物理熱及燃燒反應放出的熱量全部傳給燃燒產物所能達到的溫度［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生的煤氣，而不考慮實際過程中的熱損失［2］。爐缸是高爐煤氣發源地和冶煉進程的終結區，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。好的爐缸狀態需要有足夠的熱儲備、鐵水溫度達標，渣、鐵有良好的流動性、有很強的精還原與脫除有害雜質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特征參數，其高低不僅決定爐缸熱狀態，也對爐料的熱傳遞、還原反應、造渣、脫硫以及渣鐵溫度、化學成分等方面產生極大的影響［4-6］。實際高爐生產中通常以理論燃燒溫度作為判斷爐缸熱狀態的重要參考指標。以鐵水含硅量來判斷爐缸熱狀態具有滯后性，而以理論燃燒溫度來判斷爐缸熱狀態具有及時性、實時性的特點。從理論上分析，t理是高爐爐缸內高溫的極限，生產中要求爐缸具有充沛的高溫熱量，這就取決于t理的水平。

在高爐的實際生產中操作者選擇和控制t理應該考慮爐渣堿度、產品溫度、爐腹煤氣量及上升過程的分布、爐內熱交換保證tC=0.75t理（tC焦炭進入爐缸中的溫度=0.75t理）等；通過風溫、富氧、燃料品質、濕度、配煤量等的調節，控制理論燃燒溫度在合理溫度區間內［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行研究分析。

1 t理的計算公式

1.1 設定基準參數

設定正常爐況下tc=0.75t理，通過燃燒熱平衡導出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（C風指噸鐵風口燃燒的焦炭質量kg/t，焦炭在風口帶的燃燒率在65%～70%波動）；Q風為燃燒用熱風帶入熱量Q風=V風C風t風，kJ；Q水分為熱風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 以馬鋼生產實際實例計算

（1）主要生產參數如下：P風壓=0.392 kPa；T風溫=1 220 ℃；M產量=8 800 t/d；V濕風=6 350 m3/min；A富氧率=VO2/（VO2+V風）；φ鼓風濕度=23 g/m3或0.028 6 m3/m3或2.86%；O干鼓風含氧=（1-A富氧率）×0.21+A富氧率O工業=0.239 8 m3/m3；O濕鼓風含氧=［（1-φ鼓風濕度）×0.21+0.5φ鼓風濕度］（1-A富氧率）+A富氧率O工業=0.247 7 m3/m3。

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

（3）風口前燃燒碳量按反應式2C+O2=2CO 計算：C風=（2×12/22.4）×V風濕×O濕鼓風含氧=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。VCO燃=（22.4/12）C風=535 m3/t，VH2燃=V干風φ鼓風濕度+（22.4/2）H噴煤=130.16 m3/t，VN2燃=V干風（1-O干風）+（22.4/28）N噴煤=798.85 m3/t。風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·℃），熱風比熱容C風=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=2 808 680 kg/t，Q風=V風C風T風=1 870 992 kg/t，Q水分=10 800（V風φ鼓風濕度+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

為更好地把握生產參數變化對理論燃燒溫度的影響，做到提前預判爐況的好壞，現將依據生產實際，對不同因素對理論燃燒溫度的影響做具體分析。設定M產量=8 800 t/d、BT=1 220 ℃、BV=6 600 m3/min、φ鼓風濕度=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 ℃風溫，理論燃燒溫度可提高8 ℃左右。風溫提高，熱風帶入的熱量增加，降低燃料消耗；煤氣發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，風溫提高時可能導致爐內煤氣壓差升高。因為風溫過高時，爐缸、爐腹煤氣體積因風口前理論燃燒溫度的提高而膨脹，煤氣流速增大，從而導致爐內下部壓差升高，不利順行；另外理論燃燒溫度過高，導致爐缸內SiO 揮發與上升后重新凝結，使料柱透氣性惡化。因此，適當提高風溫，可實現高爐高效化冶煉，有效降低焦比、提高生鐵產量、提高噴煤比和降低高爐成本的作用。

為實現高風溫，可采取提高煤粉噴吹量降低理論燃燒溫度，便于高爐使用高風溫；當噴吹量較低時，可適當加濕鼓風，加濕鼓風能因鼓風中水分的分解降低爐缸燃燒溫度，有利于實現高風溫等。

2.2 風量對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 ℃，研究結果表明，在其他冶煉條件不變的情況下，風量的變化，對爐缸內理論燃燒溫度的變化影響有限。風量的基本作用有：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，產生風口回旋區，支托風口上部區域的爐料。另外，生產中風量的調節主要作用有控制料速、穩定氣流、爐涼時減風可控制料速，迅速穩定爐溫等。風量必須與料柱透氣性相適應，改善爐料透氣性是增加風量的基礎。風量變化直接影響爐缸煤氣的體積，因此正常生產時加風要適當，避免引起爐況不順。

2.3 鼓風濕度對t理影響的定量分析

φ鼓風濕度取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。穩定高爐鼓風濕度主要有兩種途徑：一是加濕鼓風，另一種是脫濕鼓風。都是通過穩定鼓風濕度達到穩定爐況的目的。二者相比，脫濕鼓風可以減少風口前水分分解反應吸收的熱量，提高風口前的理論燃燒溫度，使爐缸得到充足的熱量，活躍爐缸。此外，脫濕鼓風比加濕鼓風更容易控制，鼓風中的水分含量穩定在一個波動幅度很小的范圍內，可消除風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，高煤比高爐需要脫濕鼓風。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加濕鼓風，以保證在提高風溫和富氧的情況下，維持合適的理論燃燒溫度，利于爐況順行。

在風口循環區，鼓風中的水分和原燃料反應生成CO、H2，同時水分子分解吸收熱量。由于脫濕的作用，使得風口回旋區擴大，理論燃燒溫度升高，爐缸高溫區擴大，還原過程加快，有利于降低燃料比。脫濕鼓風應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，因此可以與高風溫高富氧相匹配，實現高爐的高效冶煉。但隨著噴煤量的增加，置換比逐漸降低，因此生產中要充分考慮置換比降低帶來的不利影響，做到提前預判，提高置換比。生產實踐表明，高噴煤比是高爐操作強化的重要手段之一，然而并不意味著越高越好，因此在生產中要根據噴煤量水平、煤焦置換比和能量消耗利用程度以及焦炭質量、風溫、渣量、料柱透氣性、透液性等確定噴煤量，做到經濟性噴煤。

2.5 富氧率對t理影響的定量分析

當A富氧率取3.03、3.28、3.54、3.79、4.04、4.29、4.55%（對應的氧量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口前理論燃燒溫度。同時，提高富氧率后：（1）鼓風中含氧量提高，其他成分相應降低，使得單位生鐵爐缸內煤氣量減少，鼓風動能相應降低，有利于降低料柱壓差，改善高爐順行，提高煤氣中CO 的含量，節焦降耗；（2）鼓風中含氧量提高，單位生鐵的耗風量減少，熱風帶入熱風量減少，同時單位生鐵爐缸內煤氣發生量減少，軟熔帶下移，上部熱交換區擴大，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，控制適當的鼓風濕度，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，實現爐況的長期穩定與順行。

3 t理對高爐生產的影響

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，爐腹煤氣量低的高爐要維持稍高的t理，以達到爐缸具有充沛的高溫熱量，而爐腹煤氣量較大的高爐，則可以維持稍低的t理，同樣達到充沛的高溫熱量，以維持爐缸還原和過熱渣鐵的需求。

文獻指出［8］，高爐風口前理論燃燒溫度提高以后，一是爐內煤氣壓差升高，使爐內尤其是爐腹部位爐料下降的條件明顯惡化，反應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，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，大大惡化了料柱的透氣性，高爐下部壓差升高，嚴重時造成爐子難行，并發展為惡性懸料。而文獻［9］根據首鋼A、B 高爐的生產數據進行統計整理得出風口前理論燃燒溫度不能完全表征爐缸熱狀態，風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可能更合適。

高爐工作者要想管理好爐缸，應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關系。風口前理論燃燒溫度高時，高爐下部壓差不一定很高；風口前理論燃燒溫度作為高爐調劑的一個主要參數意義不大，沒有必要將其作為高爐日常操作調劑的一個主要指標。

4 結論

（1）高爐生產是一個有機的統一整體，需要設備、原燃料條件、操作工藝及高爐操作者的統一配合，每個外部條件的改變都可能或多或少的影響高爐的生產順行。

（2）在實際生產中，操作者不應過分考慮單一條件的變化對高爐的影響，而應綜合各方面工藝參數來看待高爐的生產，只有各有機單元協調一致，高爐操作者根基理論及生產實際及時做好研判，根據爐況及時做好操作參數及變料的調整，才能使高爐長期穩定順行，進而在穩定順行的基礎上優化調整，而不能采取冒進的方式，最終得不償失。

（3）就t理的變化對高爐生產的影響進行了分析，t理的變化受到鼓風各參數變化而變化，不能單純考慮某一因素變化對其的影響，在風溫、濕度、富氧、風量等的變化研究中，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）實際操爐中，應根據爐子自身及原燃料條件等綜合考慮，選擇適合自己的經濟參數配置，而不應一蹴而就的根據理論研究過分考慮某一工藝參數變化對高爐生產的影響。

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