[科普中国]-高炉煤气运动

介绍

高炉炼铁过程中在风口燃烧带产生的炽热煤气穿过料柱上升到炉顶的过程。煤气在运动过程中，将热量传给下降的炉料而本身则被冷却，同时煤气中的CO和H2作为还原剂参加铁矿石的还原反应并转化成CO2和H2O。煤气与铁矿石的接触时间、紧密程度及分布的均匀性将直接影响煤气的热能和化学能的利用程度，即影响燃料消耗；而煤气的机械运动既遇到炉料的阻力又给炉料以支撑力(△p)，其大小直接影响高炉进风量的多少，又影响炉况的顺行情况。因此，使煤气流与炉料充分接触，而对炉料的支撑力又最小乃是获得良好高炉操作技术指标的重要条件。研究高炉煤气运动主要是研究高炉内的压力场和煤气流量的分布，煤气运动过程中成分和温度的变化以及影响上述过程的主要因素，以期获得最好的高炉技术经济指标。1

高炉的压差高炉炉缸产生的煤气，在炉缸与炉喉的压差(△p)的作用下，穿过整个料柱运动到炉喉的料面上。这个压差所反映的能量损失也称压头损失，它主要消耗在克服炉料对煤气运动的阻力上，而阻力损失主要有：一是由于煤气并非理想气体，有一定黏度，会与通道壁产生摩擦而损失能量，这一部分称摩擦阻力损失;另一则由于气体通过料层时，路径时宽时窄，质点的轨迹十分曲折，要克服湍流、漩涡和截面突然变化而造成的能量损失，这一部分称为局部阻力损失。这些阻力损失直接决定着炉内的压力变化和气流分布，气流总是在阻力小的地方通过得多些，阻力大的地方少些。研究高炉煤气运动规律的基本目的是如何减少气体的阻力，多鼓风，多出铁，同时使气流分布均匀，煤气的热能和化学能得到充分的利用，降低冶炼能耗。

块状带△p的表达式 在研究类似高炉炉料的散料层中的气体运动时，通常将气体通过料块空隙的运动，假设为气体沿着彼此平行、有着不规则形状和不稳定截面、互不相通的管束的运动。这样，就可以应用流体力学中关于气体通过无填充管道的压头损失的一般公式，并通过试验，修正公式中的阻力系数得到半经验公式。在研究分析高炉煤气运动时，经常应用的表达式有扎沃隆科夫(Н.М.Жаваронков)公式：

式中γ，ρ为气体的密度，kg/m3;ω为气体的空炉速度，m/s;v为气体的运动黏度系数，m/s;ε为炉料的空隙度(量纲为1);g为重力加速度，m/s;dэ为炉料中通道的当量直径，m;dp为炉料的平均直径，m;Φ为形状系数，即炉料颗粒与球粒的差异程度(量纲为1)。扎沃隆科夫公式过去为俄国学派普遍采用，他认为高炉内煤气运动处在不稳定紊流区，相当于层流转变为紊流的过渡区。厄根公式是欧美学派的代表，他认为高炉煤气运动是紊流状态。现在冶金工作者普遍认为高炉煤气运动是处在紊流区内，所以它已取代扎沃隆科夫公式而广泛应用于世界各国的研究工作和文献中。

影响△p的因素主要是原料特性和煤气特性。原料特性主要是指它的粒度组成和空隙度，煤气特性主要是指煤气流速、温度、黏度和压力;前者决定了炉料的透气性，后者决定了煤气通过料层的能量大小，并集中地反应在△p的表达式中。

沿高炉高度煤气成分变化离开回旋区的煤气含CO35%左右和少量的H2，其余为N2。煤气在上升过程中成分不断变化，其规律如图2所示。N2不参加化学反应，其绝对量不变，但比值在不断降低;在高炉下部，由于直接还原使CO量不断增加，当到达中上部间接还原区时，由于部分CO参加间接还原，CO量不断减少，而生成等量的CO2，所以CO2量有所增加。煤气在上升过程中，由于吸收焦炭的有机氢和挥发分中的H2，H2含量略有增加;在间接还原区域，由于H2参加还原而有部分转化为H2O。穿过料柱到达炉喉料面上的煤气一般含CO17%～25%。焦比高的高炉，CO高;焦比低的CO低。随冶炼铁种和煤气利用率的不同而异。冶炼含Si，Mn等难还原元素多的铁种，以及煤气CO利用率低时，炉喉煤气中含CO高。CO2与CO正相反，焦比低，CO利用率高的高炉，其CO2高。铁氧化物氧化度高的炉料和石灰石用量多时，CO2高些。在一般情况下，CO+CO2之和在39.5%～42%之间，基本上是常数。H2的多少除与初始含量有关外，还与H2参加还原的程度，即H2的利用率有关，利用率高的炉顶煤气中H2低;反之，则H2高。一般H2的利用率为30%～45%。此外，在冷却设备漏水时，煤气中H2含量也会升高。在采用富氧鼓风时，根据富氧率大小，煤气成分将有相应变化，主要是N2%减少，CO%和CO2%升高。

料面上的煤气由炉顶导入重力除尘器，这里的煤气称为混合煤气，生产中便根据它的成分变化来衡量煤气化学能的利用程度。2

沿高炉高度煤气温度分布由回旋区出来的煤气温度，由于测试困难，还缺少实测数据，但可根据热平衡和物料平衡作理论上的计算，计算所得结果称为风口前理论燃烧温度。该值一般在2000～2350℃范围内。在实际应用中此值不应过高，主要原因是：温度过高造成SiO的大量挥发会给操作带来困难。风温低、焦比高的中小型高炉也有低于2000℃者，但这肯定是不经济的。高温煤气在上升过程中很快将热量传给渣、铁和炉料，而自身被冷却，由料面逸出时的温度也即炉顶温度与冶炼条件有关，一般为100～400℃。煤气温度的变化过程也是激烈的热交换过程。炉顶温度是高炉内热能利用的重要标志，该温度愈低，说明热交换愈充分，热能利用愈好;反之，则说明热能利用愈差。

高炉内煤气流速的变化煤气流速对还原过程、热交换过程，煤气的压头损失以及煤气的分布均有很大影响。特别是随着高炉冶炼的日益强化，煤气流速不断增加，煤气运动问题显得愈来愈重要。为此，人们克服高温，粉尘等困难，采用毕托管、示踪原子、热线风速仪、局部煤气速度计等进行了大量的直接测量研究，并用高炉操作数学模型进行了计算分析，但因高炉内影响煤气流速的因素较多，也较复杂，所以获得的结果都不够准确。尽管如此，从众多的测量结果和数模中还是总结出了一些规律：

(1)高压操作使炉内煤气流速降低，而且流速与CO2%和温度有关，流速高处，煤气温度高，CO2含量低。

(2)用同位素氡、氪85和水银蒸气作示踪原子，测量得到：

由此推算煤气的线速度在2.5～6.8m/s之间。计算结果是固定床空隙度为0.416～0.42的炉料在运动时空隙度达到0.457～0.634，也就是增加了1.09～1.51倍。

(3)生产高炉的炉体半径上煤气分布是不均匀的，中心区煤气流速高。但在半径的任何位置上，从料面向下3～4m处煤气流速都达到最大，而在炉腰附近煤气流速最低，再向下在靠近炉缸处速度又有所增加。

沿高炉高度煤气压力的变化炉缸产生的煤气，在炉缸与炉喉的压力差(△p)作用下，穿过整个料柱运动到炉喉料面上。总的压力变化规律是，在正常情况下，沿着炉子高度压力逐渐降低，基本上呈一直线。若某处偏离正常直线，说明该部位透气性发生了变化。炉缸煤气的压力主要决定于风量、风压、炉顶压力和料柱透气性。风量愈大，风温越高炉顶压力愈高，料柱透气性愈差则炉缸煤气压力愈高;反之则愈低。由于高炉上不常测量炉缸压力，生产中在计算炉缸与炉喉之间的压力差时，常用热风压力代替炉缸煤气压力，故而在使用△p时，应该考虑到，其中包括从热风围管、热风支

多数高炉在炉身下部装有测压装置，这样就可以测量出风压与炉身下部之间的压差△p下和炉身下部与炉顶之间的压差△p上。利用△p下和△p上可以算出高炉下部透气性指数和上部透气性指数，并借此判断高炉行程。例如，当出现崩料，悬料(见悬料与坐料)等现象时，就可以利用上、下部压差的变化，判断故障发生的位置并采取相应的措施。也有的高炉在炉身部分设2～3层测压装置，连同风压和炉顶压力便可以取得高炉3～4个区域的压差(图3)，这对分析高炉操作很有帮助。对于沿高炉高度上静压力变化的研究表明，炉料的透气性发生变化和装料制度变更时，主要对高炉上部压差有影响;而风温，风量，造渣制度(初渣数量和初渣性质)等则主要影响下部压差。当炉况不顺，出现悬料时，在悬料区段压差升高，而在管道行程时，该区段压差降低。