高炉冶炼过程中的炉料与煤气运动

高炉冶炼过程中的炉料与煤气运动 高炉冶炼过程中伴随着物质与能量的传递过程 这些物理过程是在流动的物质中发生的 即 反应介质是以一定的速度运动而展开的 形成了以动量传递为基础的物质传递和热量传递 高炉冶炼是在炉料自上而下 煤气自下而上 即在两个相互逆向运动过程中进行的 逆向流 股中热量及动量的传递与输送包括两个物理机理 一种是由物质的分子运动引起的传递过程 另一种是流体微团移动引起的输送过程 高炉的冶炼过程尽管十分复杂 但是它具有的传输 现象的特点仍然是很明显的 例如煤气穿过炉料层而上升是流体力学现象 煤气流加热炉料 是传热现象 煤气流还原铁矿石以及风口前燃烧等都包含着气体扩散的传质现象 因此 高 炉冶炼的工艺原理 由于结合了传输理论的应用而进入新的阶段 一 散料层的流体力学现象分析 1 散料的主要参数 矿石 焦炭 石灰石等粒状物叫散料 它们的透气性对高炉冶炼指标有极大的影响 从 流体力学看 散料各个颗粒间空隙所占的相对体积及单位体积的总表面积 对透气性有 决定性影响 1 空隙度 散料各个颗料间空隙所占的相对体积即孔隙率或空隙度 2 比表面积 散料体积中物料的表面积与体积之比称为比表面积 3 形状系数 4 当量直径 5 平均流速 2 炉料下降的力学分析 物体在运动过程中总会遇到阻力 当炉料在高炉内自上而下运动时也是如此 炉料 要往下运动必须使它自身的重力超过阻力 受到的阻力主要来自三个方面 1 炉料与炉墙之间的摩擦力 P墙 2 炉料与料柱下部死焦堆之间的摩擦力 P料 3 上升煤气对炉料的阻力及阿基米德浮力 P浮 3 煤气经散料层的阻力损失 高炉内煤气穿过炉料的通路近似于许多平行的 弯弯曲曲的 断面形状多变化的 但又 是互相连通的管束 煤气流穿过这些管束的压力降是煤气作用于散料层的一种阻力或浮 力 风压变化即代表这种阻力变化 4 在有液相条件下的煤气流动 高炉下部和炉身干区不同 这里唯一尚存的固体炉料是焦炭 在与煤气流向上的同时 液体渣铁往下滴落穿过焦炭的空隙 在气 固 液三相之间进行着剧烈的传热 还原与 气化反应 5 炉料下降的分析 在入炉风量一定的情况下 高炉顺行时下料速度是均匀稳定的 料线的探尺记录图 表上出现等时间 等距离的相似斜线 下料变得迟缓和不均匀称为 难行 料线完全 不动称为 悬料 炉况难行常常和炉内边缘加的矿石太多 使该处透气性变坏有关 有时是炉内出现管道 即煤气从断面上个别地区大量流过造成的 高炉出现管道和难行时常常伴随着 塌料或崩料 二 燃烧及热量传递现象 高炉冶炼过程中 焦炭 煤粉 重油及天然气在风口前燃烧 燃烧反应的进行 产生了 热量的传递与输送 在通常情况下 这个传输过程很大程度上决定了高炉冶炼过程速率 的快慢 因而对高炉冶炼起了决定性影响 热量从物体的这一部分传输到另一部分 煤 气是传输热量的介质 其温度变化较快时热量传输也快 根据热力学定律 热量总是由 高温的地方向低温的地方传递 煤气与炉料温度差愈大 在相同的条件下 传输的热量 也愈多 1 风口前的燃烧反应 燃料的燃烧实际上是氧的传递伴随着热量的释放 而氧的来源是鼓风中的氧 主要燃烧 反应如下 1 焦炭的燃烧 进入高炉焦炭中的 C 除一部分消耗于 Fe Mn Si P 等直接还原 碳素溶解 渗 碳以及微量 约 0 8 1 0 与 H2合成 CH4外 其余都在风口前与鼓入的热风燃烧 这 部分碳大约占入炉碳素的 75 以上 风口前焦炭燃烧的作用有 提供反应所需的热量 提供还原反应所需的还原剂 提供炉料的下降空间 焦炭中碳的燃烧反应式如下 C O2 CO2 32994kJ kg C 高炉下出现燃烧不完全反应 C 1 2O2 CO2 9798kJ kg C 燃烧形成的 CO2 又与赤热的焦炭作用变成为 CO 反应式为 CO2 C 2CO 13398 kJ kg C 由于鼓风中总含有一部分水蒸气 而且在蒸气鼓风时尤其如此 在风口前的高温条 件下 H2O 与 C 产生以下反应 H2O C CO H2 2H2O C CO2 2H2 2 煤粉的燃烧 高炉喷吹煤粉为无烟煤或烟煤 它的主要成分是 C 经过磨细之后 一般粒度在 0 088mm 以下的占 80 以上 煤粉的燃烧经历三个阶段 第一阶段 煤粉加热和挥发分挥发 第二阶段 结焦脱气 第三阶段 残碳燃烧 根据实验 粒度为 1mm 煤气在空气中完全燃烧要 3 8 4 3s 0 079mm 粒度的煤粉约需 0 01s 煤的燃烧反应与焦炭类似 但煤燃烧有热解过程 3 天然气燃烧 天然气的成分主要是碳氢化合物 在风口前燃烧之后 最终都变成 CO 和 H2两种还原气 体 主要反应式如下 CH4 1 2O2 CO 2H2 3098kJ kg C C2H6 O2 2CO 3H2 5652kJ kg C C3H8 3 2O2 3CO 4H2 6280kJ kg C C4H10 2O2 4CO 5H2 6448kJ kg C C5H12 5 2O2 5CO 6H2 6741kJ kg C C H2O CO H2 4 重油的燃烧 重油的主要成分也是 C 与 H 的化合物 其燃烧反应与天然气燃烧类似 但需要很好的预 先雾化才能充分燃烧 2 炉缸煤气成分与温度的变化 1 风口燃烧带 风口燃烧带又称氧化带 最初研究它时是用冷却水管插入风口前取出燃烧产物 煤气 进行分析后判断氧化带的形状与大小 燃烧带的大小对高炉操作影响到底如何 虽然存在着不同的看法 但是总的来说 燃烧带增大 炉缸中煤气分布得均匀一些 对高炉操作的有利影响是主要的 当然影响 燃烧带的因素很多 但主要决定于 O2与 CO2的扩散速度 如果能将 O2 CO2送到高炉 内更接近中心的区域 则燃烧带就大些 但是决定于 O2 CO2往里深入的因素主要是鼓 风动能 而决定燃烧速度的因素又是温度与扩散两个环节 a 鼓风动能的影响 b 燃烧速度影响 2 炉缸煤气成分计算 风口前燃料产生的炉缸煤气量及其成分的计算方法一般有三种 a 以燃烧 1kg 炭为计算单位 b 以生产 1t 生铁量为计算单位 c 以 1m3的风燃烧为计算单位 3 理论燃烧温度 高炉中热量来源主要是风口燃烧带炭的燃烧 从燃烧反应 C 1 2O2 CO 9798kJ C O2 CO2 33035kJ 可知 CO2含量最高的地方 也是温度的最高点 根据燃烧术语 这点称为燃烧焦点 在现 代风温与高炉条件下 大高炉燃烧带的理论燃烧温度在 2000 以上 有的可能更高一些 而小高炉由于风温低 燃烧温度在 1600 1800 左右 但离开燃烧点后温度不断下降 4 煤气在上升过程中成分的变化 炉缸煤气上升到间接还原区 CO 含量是不断增加的 其原因主要由于直接还原产生 CO 熔剂中分解出的 CO2与 C 作用形成 CO 以及焦炭挥发物中有 CO 以及焦炭挥发物中 有 CO 氮在上升的过程中不参加反应 但焦炭挥发物中含有 N2及有机 N2 煤气再由间接还原区上升到炉顶 其中 CO2不断增加 这是由于间接还原产生 CO2 其 体积等于 CO 的减少量 还有熔剂中分解出的 CO2以及焦炭挥发物中的 CO2 煤气进入间接还原区后 CO 不断减少量 煤气上升的过程中氢稍有降低 主要是形成甲烷 CH4 时消耗了氢 还有部分氢参加 了间接还原 炉顶煤气中含有微量的 CH4 主要来源于 C 与 H2的反应以及焦炭挥发物 其中 CCH4一般为 8C固 CH4 焦为焦炭挥发物中含有的甲烷 由于氮本身的特性 它在煤气上升全过程中成分有变化 而影响煤气成分变化的主要因 素有 a 焦比增加时 CO 及 N2均增大 b 直接还原度增加时 CO 上升 CO2下降 c 熔剂用量增加时 CO2上升 d 富氧时 CO2与 CO 都上升 N2下降 e 喷吹燃料时 H2与 CH4上升 5 煤气温度的变化 风口燃烧带的煤气温度很高 理论燃烧温度可高达 2200 以上 但是当煤气离开炉缸 之后 由于经历热交换现参加化学反应的结果 煤气温度在上升过程中不断下降 测定表明 高炉的上部与下部区域的煤气温度变化较快 而中部有一段区间温度变化较 小 这种现象不论高炉大小如何 其变化规律大体相同 沿高炉横切面上的煤气温度分布也是不均匀的 根据等温线分布的形状可以归纳为三种 形式 即 V 形 倒 V 形与 W 形分布 其温度分布形状主要受煤气流分布的影响 而煤气流分布又是由炉顶布料来调剂的 煤气流大的地方当然煤气温度高 而焦炭多的的地 方又无疑是煤气流大 由于冶炼设备与操作的需要 一般情况下边缘与中心部分通过的煤气 流多些 当然煤气温度也高些 当高炉采用上部调剂增加正装时 则边缘煤气温度低 往中 心部分则不断升高 3 高炉内热交换 1 高炉内热交换的基本规律 高炉内热交换比较复杂 由于炉料与煤气温度沿高炉高度上不断变化 要准确地计算各 种传热方式的比例是很难的 大体上可以说 炉身上部分主要是进行对流热交换 炉身下部 温度很高 对流热交换与辐射热交换同时进行 而料块本身与炉缸渣铁之间主要进行传导传 热 炉内热交换可以用以下基本方式表示 dQ FF tg ts d 式中 dQ d 时间内煤气传给炉料的热量 F 传热系数 F 炉料表面积