理论燃烧温度对高炉生产的影响

马琦琦，解成成，左 俊，郭其飞，梁 晨

（马鞍山钢铁股份有限公司，安徽 马鞍山 243000）

高炉风口区理论燃烧温度是指在绝热条件下风口区燃料进行不完全燃烧，燃料和鼓风带入物理热及燃烧反应放出的热量全部传给燃烧产物所能达到的温度［1］，也称燃烧带绝热温度。绝热过程就是燃料燃烧放出的热量全部用来加热燃烧产生的煤气，而不考虑实际过程中的热损失［2］。炉缸是高炉煤气发源地和冶炼进程的终结区，炉缸初始煤气分布状况决定了炉缸截面积的温度与热量分布，它不仅对炉缸的渗碳、脱除硫等有害元素、铁水温度、渣铁流动性有很大影响，也对上部各高度的温度与煤气流分布及软融带形状与位置有很大影响。好的炉缸状态需要有足够的热储备、铁水温度达标，渣、铁有良好的流动性、有很强的精还原与脱除有害杂质的能力和初始煤气的合理分布［3］。

理论燃烧温度作为表示炉缸热状态特征参数，其高低不仅决定炉缸热状态，也对炉料的热传递、还原反应、造渣、脱硫以及渣铁温度、化学成分等方面产生极大的影响［4-6］。实际高炉生产中通常以理论燃烧温度作为判断炉缸热状态的重要参考指标。以铁水含硅量来判断炉缸热状态具有滞后性，而以理论燃烧温度来判断炉缸热状态具有及时性、实时性的特点。从理论上分析，t理是高炉炉缸内高温的极限，生产中要求炉缸具有充沛的高温热量，这就取决于t理的水平。

在高炉的实际生产中操作者选择和控制t理应该考虑炉渣碱度、产品温度、炉腹煤气量及上升过程的分布、炉内热交换保证tC=0.75t理（tC焦炭进入炉缸中的温度=0.75t理）等；通过风温、富氧、燃料品质、湿度、配煤量等的调节，控制理论燃烧温度在合理温度区间内［7］。本文对t理的影响因素及理论燃烧温度过高过低对高炉的影响进行研究分析。

1 t理的计算公式

1.1 设定基准参数

设定正常炉况下tc=0.75t理，通过燃烧热平衡导出t理的计算公式［2］：

式中：QC为燃料中碳燃烧成CO时放出的热量，一般取9 800 kJ/kg·C风（C风指吨铁风口燃烧的焦炭质量kg/t，焦炭在风口带的燃烧率在65%～70%波动）；Q风为燃烧用热风带入热量Q风=V风C风t风，kJ；Q水分为热风带入的湿分和喷煤燃料干燥后剩余的水分分解耗热，一般取10 800 kJ/m3H2O；QM分为喷吹燃料分解耗热，kJ；C煤气为煤气比热容，C煤气=VCO·CCO+VH2·CH2+VN2·CN2；K为焦比（全焦）。

1.2 以马钢生产实际实例计算

（1）主要生产参数如下：P风压=0.392 kPa；T风温=1 220 ℃；M产量=8 800 t/d；V湿风=6 350 m3/min；A富氧率=VO2/（VO2+V风）；φ鼓风湿度=23 g/m3或0.028 6 m3/m3或2.86%；O干鼓风含氧=（1-A富氧率）×0.21+A富氧率O工业=0.239 8 m3/m3；O湿鼓风含氧=［（1-φ鼓风湿度）×0.21+0.5φ鼓风湿度］（1-A富氧率）+A富氧率O工业=0.247 7 m3/m3。

（2）V风湿指吨铁消耗的湿风量，以日产8 800 t计 算：V风湿=1 080 m3/t；V干风=（1-φ鼓风湿度）V风湿=1 049 m3/t。

（3）风口前燃烧碳量按反应式2C+O2=2CO 计算：C风=（2×12/22.4）×V风湿×O湿鼓风含氧=286.6 kg/t。燃烧带形成的煤气量和组分在喷吹煤粉的情况下。

一般以冶炼1 t 生铁为基准。VCO燃=（22.4/12）C风=535 m3/t，VH2燃=V干风φ鼓风湿度+（22.4/2）H喷煤=130.16 m3/t，VN2燃=V干风（1-O干风）+（22.4/28）N喷煤=798.85 m3/t。风口前燃料燃烧形成的煤气量为：V煤气=VCO燃+VH2燃+VN2燃=1 464.01 m3/t，相应的煤气成分CO、H2、N2所占比 例 分 别为36.54%、8.89%、54.57%；在t理为2 100～2 200 ℃，CO、H2、N2的平均比热容分别为1.508、1.425、1.495 kJ/（m3·℃），煤气的 比 热 容C煤气=VCOCCO+VH2CH2+VN2CN2=1.493 5 kJ/（m3·℃），热风比热容C风=1.42 kJ/（m3·℃），全焦量K=358 kg/t，煤吹粉含水为4.6%。

以每天1 229 t煤量计算，M吨铁喷煤量=139.66 kg/t，QC=9 800C风=2 808 680 kg/t，Q风=V风C风T风=1 870 992 kg/t，Q水分=10 800（V风φ鼓风湿度+M吨铁喷煤量φM水）=419 933.80 kg/t，Q喷分=1 150M吨铁喷煤量=160 609 kg/t，K全焦量=358 kg/t，t理=2 178 ℃（若煤粉含水以1.5%来计算，t理=2 209 ℃，可见煤粉含水量对理论燃烧温度影响显著）。

2 t理的影响因子定量分析

为更好地把握生产参数变化对理论燃烧温度的影响，做到提前预判炉况的好坏，现将依据生产实际，对不同因素对理论燃烧温度的影响做具体分析。设定M产量=8 800 t/d、BT=1 220 ℃、BV=6 600 m3/min、φ鼓风湿度=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 风温对t理影响的定量分析

BT取1 190、1 200、1 210、1 220、1 230、1 240、1 250 ℃。通过计算得知，t理分别为2 230、2 238、2 246、2 255、2 263、2 271、2 280 ℃，即每提高10 ℃风温，理论燃烧温度可提高8 ℃左右。风温提高，热风带入的热量增加，降低燃料消耗；煤气发生量减少煤气往上携带的热量减少，此时炉缸温度提高，炉顶温度降低。同时，风温提高时可能导致炉内煤气压差升高。因为风温过高时，炉缸、炉腹煤气体积因风口前理论燃烧温度的提高而膨胀，煤气流速增大，从而导致炉内下部压差升高，不利顺行；另外理论燃烧温度过高，导致炉缸内SiO 挥发与上升后重新凝结，使料柱透气性恶化。因此，适当提高风温，可实现高炉高效化冶炼，有效降低焦比、提高生铁产量、提高喷煤比和降低高炉成本的作用。

为实现高风温，可采取提高煤粉喷吹量降低理论燃烧温度，便于高炉使用高风温；当喷吹量较低时，可适当加湿鼓风，加湿鼓风能因鼓风中水分的分解降低炉缸燃烧温度，有利于实现高风温等。

2.2 风量对t理影响的定量分析

BV取6 300、6 400、6 500、6 600、6 700、6 800、6 900 m3/min。经计算得知，t理分别为2 258、2 257、2 256、2 254、2 253、2 252、2 251 ℃，研究结果表明，在其他冶炼条件不变的情况下，风量的变化，对炉缸内理论燃烧温度的变化影响有限。风量的基本作用有：提供燃烧焦炭、煤粉所需的氧气；提供一定的显热；提供一定的动能，产生风口回旋区，支托风口上部区域的炉料。另外，生产中风量的调节主要作用有控制料速、稳定气流、炉凉时减风可控制料速，迅速稳定炉温等。风量必须与料柱透气性相适应，改善炉料透气性是增加风量的基础。风量变化直接影响炉缸煤气的体积，因此正常生产时加风要适当，避免引起炉况不顺。

2.3 鼓风湿度对t理影响的定量分析

φ鼓风湿度取2、5、10、15、18、23、26 g/m3（合和后分别 为0.002 5、0.006 2、0.012 4、0.018 7、0.022 4、0.028 6、0.032 4 m3/m3），t理分别为2 415、2 391、2 353、2 315、2 292、2 254、2 232 ℃。由于四季温度的变化，早晚温差不同，大气的自然湿度大幅波动，高炉炉缸工作条件也随之变化。稳定高炉鼓风湿度主要有两种途径：一是加湿鼓风，另一种是脱湿鼓风。都是通过稳定鼓风湿度达到稳定炉况的目的。二者相比，脱湿鼓风可以减少风口前水分分解反应吸收的热量，提高风口前的理论燃烧温度，使炉缸得到充足的热量，活跃炉缸。此外，脱湿鼓风比加湿鼓风更容易控制，鼓风中的水分含量稳定在一个波动幅度很小的范围内，可消除风口水分含量变化引起的炉缸热制度的波动。在南方气温波动较高的季节，高煤比高炉需要脱湿鼓风。而那些喷吹燃料较少或无喷煤的高炉，在冬季里宜采用适当加湿鼓风，以保证在提高风温和富氧的情况下，维持合适的理论燃烧温度，利于炉况顺行。

在风口循环区，鼓风中的水分和原燃料反应生成CO、H2，同时水分子分解吸收热量。由于脱湿的作用，使得风口回旋区扩大，理论燃烧温度升高，炉缸高温区扩大，还原过程加快，有利于降低燃料比。脱湿鼓风应与高炉喷煤配合使用，以保持理论燃烧温度不变。

2.4 喷煤对t理影响的定量分析

PCI取120、125、130、135、139.66、140、145、150 kg/t，t理分别为2 287、2 279、2 271、2 262、2 254、2 253、2 246、2 237 ℃。计算结果表明，每增加5 kg/t 煤比，理论燃烧温度降低8 ℃左右。随着喷吹煤粉的增加，理论燃烧温度降低，因此可以与高风温高富氧相匹配，实现高炉的高效冶炼。但随着喷煤量的增加，置换比逐渐降低，因此生产中要充分考虑置换比降低带来的不利影响，做到提前预判，提高置换比。生产实践表明，高喷煤比是高炉操作强化的重要手段之一，然而并不意味着越高越好，因此在生产中要根据喷煤量水平、煤焦置换比和能量消耗利用程度以及焦炭质量、风温、渣量、料柱透气性、透液性等确定喷煤量，做到经济性喷煤。

2.5 富氧率对t理影响的定量分析

当A富氧率取3.03、3.28、3.54、3.79、4.04、4.29、4.55%（对应的氧量12 000、13 000、14 000、15 000、16 000、17 000、18 000 m3/min），t理分别为2 230、2 238、2 246、2 225、2 262、2 270、2 278 ℃。通过计算及研究表明，在其他冶炼条件不变的情况下，提高富氧率可显著提高风口前理论燃烧温度。同时，提高富氧率后：（1）鼓风中含氧量提高，其他成分相应降低，使得单位生铁炉缸内煤气量减少，鼓风动能相应降低，有利于降低料柱压差，改善高炉顺行，提高煤气中CO 的含量，节焦降耗；（2）鼓风中含氧量提高，单位生铁的耗风量减少，热风带入热风量减少，同时单位生铁炉缸内煤气发生量减少，软熔带下移，上部热交换区扩大，使得炉身中上部温度下降，炉顶温度降低；（3）加快碳素燃烧。总体来看，高富氧配合高喷煤，控制适当的鼓风湿度，与上部料制相匹配，能保持高炉在中等精料水平下的高效操作，实现炉况的长期稳定与顺行。

3 t理对高炉生产的影响

一般来说，偏高的t理与炉渣二元碱度较高1.24左右、三元碱度稍低1.4 左右相配合。中国维持的t理与炉渣二元碱度1.05～1.15 和三元碱度1.45～1.50 相配合。同时t理还与吨铁炉腹煤气量的多少有关，炉腹煤气量低的高炉要维持稍高的t理，以达到炉缸具有充沛的高温热量，而炉腹煤气量较大的高炉，则可以维持稍低的t理，同样达到充沛的高温热量，以维持炉缸还原和过热渣铁的需求。

文献指出［8］，高炉风口前理论燃烧温度提高以后，一是炉内煤气压差升高，使炉内尤其是炉腹部位炉料下降的条件明显恶化，反应出来即高炉上部压差较高；二是炉子下部温度过高，会使SiO 大量还原并挥发，煤气将它带往上部，并且在炉腹凝聚在焦块间隙分解成固态，大大恶化了料柱的透气性，高炉下部压差升高，严重时造成炉子难行，并发展为恶性悬料。而文献［9］根据首钢A、B 高炉的生产数据进行统计整理得出风口前理论燃烧温度不能完全表征炉缸热状态，风口前理论燃烧温度高时铁水温度和铁水［Si］含量不一定很高，用铁水温度来表征炉缸热状态可能更合适。

高炉工作者要想管理好炉缸，应该是各制度互相配合，要选择好合适的装料制度，合适的造渣制度及选择合适的热制度；风口前理论燃烧温度与高炉上部压差和下部压差不存在相关关系。风口前理论燃烧温度高时，高炉下部压差不一定很高；风口前理论燃烧温度作为高炉调剂的一个主要参数意义不大，没有必要将其作为高炉日常操作调剂的一个主要指标。

4 结论

（1）高炉生产是一个有机的统一整体，需要设备、原燃料条件、操作工艺及高炉操作者的统一配合，每个外部条件的改变都可能或多或少的影响高炉的生产顺行。

（2）在实际生产中，操作者不应过分考虑单一条件的变化对高炉的影响，而应综合各方面工艺参数来看待高炉的生产，只有各有机单元协调一致，高炉操作者根基理论及生产实际及时做好研判，根据炉况及时做好操作参数及变料的调整，才能使高炉长期稳定顺行，进而在稳定顺行的基础上优化调整，而不能采取冒进的方式，最终得不偿失。

（3）就t理的变化对高炉生产的影响进行了分析，t理的变化受到鼓风各参数变化而变化，不能单纯考虑某一因素变化对其的影响，在风温、湿度、富氧、风量等的变化研究中，每一因素的变化对高炉的影响都不是单一的，而是受到其他因素及高炉顺行的限制。

（4）实际操炉中，应根据炉子自身及原燃料条件等综合考虑，选择适合自己的经济参数配置，而不应一蹴而就的根据理论研究过分考虑某一工艺参数变化对高炉生产的影响。

（5）在生产中t理只能作为判断炉缸热状态的一个重要指标参数，而不是单纯依据t理的高低判断炉况的顺行有否。