宣钢3号高炉煤气流控制技术研究及应用

2022-11-22张利波

中国金属通报 2022年8期

张利波

高炉风口前碳素的燃烧状况，决定了高炉初始气流的分布，是影响炉缸活跃性的关键因素，也决定了软融带与块状带煤气的第二次、第三次分布。合理的初始煤气流分布，是高炉稳定顺行的基础，也是影响高炉煤气利用率的重要因素。宣钢炼铁厂3号高炉2010年3月大修，高炉炉容由1350m3扩容至2000m3，为利用上一代高炉的部分设备，设计了2个铁口，27个风口，炉型特殊，“上大下小”，边缘气流不容易控制，操作难度加大，煤气利用率较低，高炉燃耗指标居高不下。2015年10月彻底根治了热风炉热风出口频繁烧红后，通过研究判断，在调整风速和鼓风动能的基础上，结合高炉设计参数、操作参数和冶炼条件等因素，定性、定量的研究了高炉下部送风制度，并合理调剂下部送风参数，控制合理的炉缸煤气流速，不断探索逐步完善，不仅改善了高炉稳定顺行程度，2017年后利用系数、高炉焦比、煤比、燃耗等指标均有所改善。

宣钢3号高炉开炉以来技术经济指标如下：

2011年利用系数2.241t/m3·d，焦比391kg/t，煤比143kg/t，燃料比566kg/t，风温1156℃，入炉品味57.31%，休风率0.886%，CO218.80；2012年利用系数2.241t/m3·d，焦比387kg/t，煤比150kg/t，燃料比575kg/t，风温1171℃，入炉品味56.63%，休风率1.300%，CO219.28%；2013年利用系数2.225t/m3·d，焦比385kg/t，煤比140kg/t，燃料比569kg/t，风温1177℃，入炉品味56.28%，休风率1.073%，CO218.25%；2014年利用系数2.189t/m3·d，焦比385kg/t，煤比124kg/t，燃料比550kg/t，风温1159℃，入炉品味56.35%，休风率3.163%，CO218.71%；2015年利用系数2.186t/m3·d，焦比369kg/t，煤比136kg/t，燃料比540kg/t，风温1158℃，入炉品味56.29%，休风率3.106%，CO218.77%；2016年利用系数2.288t/m3·d，焦比365kg/t，煤比134kg/t，燃料比534kg/t，风温1165℃，入炉品味56.35%，休风率1.678%，CO219.55%；2017年利用系数2.420t/m3·d，焦比350kg/t，煤比154kg/t，燃料比534kg/t，风温1173℃，入炉品味57.06%，休风率1.330%，CO219.82%；2018年利用系数2.392t/m3·d，焦比351kg/t，煤比144kg/t，燃料比528kg/t，风温1163℃，入炉品味57.41%，休风率3.319%，CO219.85%；2019年利用系数2.360t/m3·d，焦比346kg/t，煤比158kg/t，燃料比539kg/t，风温1165℃，入炉品味57.26%，休风率5.095%，CO219.58%；2020年利用系数2.452t/m3·d，焦比349kg/t，煤比154kg/t，燃料比537kg/t，风温1166℃，入炉品味57.86%，休风率4.088%，CO219.14%。

1 高炉回旋区和燃烧带

现代高炉，具有一定质量和能量的鼓风从风口鼓入高炉，风口前的焦炭将会产生回旋运动，出现类似“球形”或“鸟巢”的空间，焦炭产生回旋运动，这就是回旋区。在回旋过程中碳素与热风中的氧气发生燃烧反应，为高炉冶炼提供还原性气体和热量。燃料燃烧的区域就是燃烧带，燃烧带对高炉冶炼进程意义十分重大。回旋区深度比炉缸半径小，到达不了炉缸中心部位。在炉缸中心部位焦炭堆积成圆丘状形成焦炭死料柱，构成滴落带的一部分，在滴落带内还有部分渣铁和焦炭进行直接还原反应。死料柱体积有大有小，将会对高炉冶炼进程产生一定的影响。

送风制度的调整就是在一定的冶炼条件下选择合适的风口送风状态和鼓风参数，形成一定深度的回旋区，确保初始煤气流分布合理、炉缸圆周工作均匀、炉缸活跃、炉缸热量充沛。高炉炉缸的燃烧反应的重要意义决定了选择合理的送风制度的重要性。送风制度的稳定性是高炉全炉煤气流稳定性的基础和前提，是保障高炉稳定顺行、高产、优质、低耗的重要条件。送风制度包括风压、风量、风温、富氧、喷吹燃料、湿分，还包括风口直径、角度和伸入长度。在日常工作中，主要调整实际风速和鼓风动能。

2 送风制度的参数

2.1 入炉风量

高炉风量首先取决于高炉容积，一般是每立方米炉容的2.0，/min～2.2，/min，宣钢3号高炉的风量表安装在冷风管道上，受冷、热风管道的膨胀器、阀门、焊缝、风口连接装置以及相关设备的老化影响，必然存在一定的漏风率。因此，高炉所测量的冷风流量要高于高炉实际入炉风量。高炉实际入炉风量要比表风量准确，是计算准确性和其他鼓风参数的基础。

宣钢高炉的富氧方式是在风机与热风炉之间的冷风管路上进行富氧，仪表冷风流量实际上是风量与富氧量之和。按照有关文献资料计算，能计算出风口前碳素燃烧率和高炉实际入炉风量。再依据高炉实际入炉风量计算标准风速、实际风速和鼓风动能。

2.2 实际风速

实际风速是高炉下部送风制度的重要参数，在风口总进风面积确定的情况下，实际风速的大小取决于风温、风压与风量。

计算实际风速：标准状态下的风量除以60min再除以风口面积得出标准风速，再计算出在标准大气压下的热风压力，两者相乘积得出实际风速。

由于风口连接装置、送风管道以及热风炉系统设备存在一定的漏风率，高炉实际入炉风量比冷风流量表的风量小一些。

2.3 鼓风动能

鼓风动能是热风在风口前端即将进入高炉内时具有的动能。鼓风动能的高低决定了风口前回旋区的大小和形状，从而影响了炉缸工作状态。

鼓风进入高炉后，在炉缸部位的碳素燃耗反应，一方面燃烧放出热量，另一方面产生一定数量、具有还原性的炉缸煤气，并以一定的流速向上运动，是高炉炉缸燃烧能力的具体体现。鉴于炉缸碳素燃烧对高冶炼进程的重大意义，随高炉强化程度的提高，炉内料柱实际通过的煤气流速增加，炉缸煤气流速也能够更准确地反映高炉强化冶炼程度。炉缸煤气流速同炉腹煤气量指数一样，均能衡量高炉强化程度的重要参数。计算鼓风动能：鼓风动能为标准分速与实际风速平方相乘在乘以系数1.293除以2为实际鼓风动能。

3 有关炉缸煤气的计算

提高风量包括富氧率、提高冶炼强度是高炉强化冶炼的重要措施之一。在一定范围内，提高风量能提高产量。但风量提高到一定程度超过冶炼条件允许后，炉缸煤气量增加，煤气流速变快，压差升高，当煤气流速提高到一定程度后，在高炉下部由于气液两相逆流平衡条件被破坏，炉渣不向下流动，出现被煤气流吹向上的液泛现象，出现下部悬料，炉渣如粘结在炉墙上，就能形成炉墙结厚，在高炉上部由于散料体流态化，形成管道行程，高炉顺行程度受到破坏，燃耗升高，产量反而下降。所以，控制高炉内合理的煤气流速至关重要，以获得较低的燃耗和较高的产量。

炉缸煤气在炉内通过料柱上升，遇到的阻力除了与煤气量有关外，还与煤气的黏性、密度、炉料的粒径、形状、空隙率等因素有关。按照卡曼阻力方程，定量描绘高炉料柱的透气能力，并将其作为衡量炉况的重要参数。

3.1 炉缸煤气量

传统的冶炼强度是衡量高炉强化程度的重要指标。现代高炉炉缸部位的碳素燃耗反应具有重大意义，一方面燃烧放出热量，另一方面产生一定数量、具有还原性的炉缸煤气，是高炉炉缸燃烧能力的具体体现，炉缸煤气量和炉腹煤气量指数均能衡量高炉强化程度的重要参数。随高炉强化程度的提高，炉内料柱实际通过的煤气量增加，炉缸煤气量也能够更准确地反映高炉强化程度。考虑喷吹煤粉的氢、水份含量计算炉缸煤气量为：吨铁入炉风量乘以大气含氧及富氧之和再乘以系数、吨铁入炉风量乘以含氮量扣除富氧乘以系数、煤比与每份的氢质量分数乘以2.49、煤比乘以氢质量分数乘以系数在乘以11.4三部分之和。

3.2 理论燃烧温度

高炉的热状态，尤其是炉缸部位的热状态非常重要，因为它是决定高炉热量需求和吨铁燃料消耗的重要因素，而风口前理论燃烧温度是燃料在风口前区域不完全燃烧，燃料和鼓风所含热量及燃烧反应放出的热量，全部传给燃烧产物时所能达到的最高温度。

碳素在风口前回旋区的燃烧是在氧气不足的条件下进行不完全燃烧反应，风口前回旋区燃烧的最终产物是CO、H2、N2。理论燃烧温度是燃料在风口前区域不完全燃烧，燃料和鼓风所含热量及燃烧反应放出的热量，全部传给燃烧产物时所能达到的理论温度。风口前理论燃烧温度理论计算可参照那树人的《炼铁计算辨析》。宣钢3号高炉理论燃烧温度是按照经验公式计算，理论燃烧温度为1565与风温的0.8倍及富氧率的40倍之和，减去煤比的2.5倍。

3.3 理论炉缸煤气量实际流速

风口前的碳素燃烧产生煤气，理论炉缸实际煤气流速以炉缸煤气量为基础，燃烧产物全部被加热至理论燃烧温度，之后通过炉缸整个横截面向上流出，计算炉缸煤气流出时的流速，以衡量高炉的强化程度。理论炉缸实际煤气流速不可过大或过小，有一个适合本高炉的控制范围。

3.4 煤气阻力系数

炉缸煤气在炉内通过料柱上升，遇到的阻力除了与煤气量有关外，还与煤气的黏性、密度、炉料的粒径、形状、空隙率等因素有关。按照卡曼阻力方程，定量描绘高炉料柱的透气能力，并将其作为衡量炉况的重要参数。计算炉内透气阻力系数：先计算标准大气压下炉内压力平方与标准压力顶压平方之差，再计算炉风容积与产量之积与1440比值的1.7方。两者相除即得出炉内透气阻力系数。

4 参数计算及应用

4.1 高炉冶炼条件

现代高炉实行高强度冶炼必须具备的原料条件是品味高、强度耗、粒级均匀、粉末少，燃料条件即焦炭固定碳高、粒级大、冷热强度耗。宣钢3号高炉焦炭结构为40%干熄焦+20%捣固焦+40%外进焦，入炉焦炭平均粒度50mm～51mm，原料结构为烧结矿+球团矿+块矿，综合品位偏低，渣量390kg/t。结合3号高炉冶炼条件和设计参数，计算送风制度的有关参数，用于指导高炉强化冶炼和降低高炉燃耗。

高炉部分涉及参数如下：炉缸直径10.45 m，炉腰直径11.7m，炉喉直径8.0m，炉缸高度4.2m，炉腹高度3.15m，炉腰高度1.8m，炉身高度14.6m，炉喉高度2.0m，有效高度25.75m，高径比2.201，有效体积2054m3，炉腹角度78°46′41″，炉身角度 82°46′41″，炉岗截面积85.77m2，风口个数27个。

4.2 高炉送风制度有关参数的计算

结合设计和冶炼参数计算，入炉风量4190m3/min，标准风速238m/s，实际风速266m/s，鼓风动能12120kg•m·s-1，系统漏风率1.50%，炉缸煤气量1566m3/t，炉缸煤气理论实际流速4.14m/s，理论燃烧温度2305℃，与经验公式计算相符，煤气阻力系数5.05×10-2。通过计算风量表、标准风速、实际风速和鼓风动能均有较大的差距。3号高炉煤气阻力系数偏大，与原燃料条件差、生铁钛含量及操作有一定关系。

高炉送风参数比较：风量：计算风量4190m3/min，仪表风量4466m3/min；标准风速：计算标准风速238m/s，仪表标准风速246m/s；实际风速：计算实际风速266m/s，仪表实际风速284m/s；鼓风动能：计算鼓风动能12120kg·m/s，仪表鼓风动能14630kg·m/s。

4.3 计算有关送风制度的应用

宣钢3号高炉原燃料条件相对较差，品位低渣量大，焦炭热性能差。在一定的操作区间内，为追求较高的产量和较低的燃料比实现效益最大化，是高炉操作的主要目标。为实现这一目标，及送风制度的重要性，应用计算结果指导高炉操作。

由于风口前碳素的燃烧反应产生的煤气量，决定了高炉冶炼强度、回旋区和炉缸工作活跃性，从炉缸理论实际煤气流速与焦比、燃料比和利用系数的关系中，可以发现理论炉缸煤气实际流速3.9m/s～4.0m/s之间时，焦比、燃料比、利用系数技术经济指标较好。

2020年11月份3号高炉表风量4550m3/min，理论炉缸煤气流速超过4.1m/s，煤气阻力系数5.20×10-2，炉墙出现粘结征兆，焦比升高，高炉燃耗大幅度升高，并且利用系数下降，高炉顺行程度变差，经常出现崩料、悬料等特殊炉况。结合现状，3号高炉表风量应控制4450m3/min±50m3/min，并按照此风量调整风口面积，以获取较好的技术经济指标。

在一定的操作区间内，追求较高的产量较低的燃料比实现效益最大化，是高炉操作的主要目标。为实现这一目标，鉴于送风制度对高炉冶炼进程的重要性，应用计算结果指导高炉操作。

结合3号高炉冶炼条件和设计参数，计算送风制度的有关参数，用于指导高炉强化冶炼和降低燃耗。经过计算，表风量比实际入炉风量低约200m3/min，按照经验公式计算的理论燃烧温度2310℃，与理论计算差别不大。

3号高炉按月统计了2017年～2020年的有关数据，扣除休风影响，表风量在4300m3/min左右时，实际入炉风量4050m3/min～4100m3/min，炉缸理论实际煤气流速3.8m/s～4.0m/s之间，统计分析了炉缸理论实际煤气流速与利用系数、焦比和燃料比的对应关系，总结出炉缸理论实际煤气流速3.8m/s～3.95m/s之间时，煤气阻力系数低于5.0×10-2，炉况稳定顺行程度较好，产量高、焦比低、燃耗低。宣钢3号高炉煤气阻力系数偏高，与原燃料质量有很大的关系，配吃捣鼓焦、落地烧结矿，入炉原料粒级差，高炉透气指数低，影响高炉每期阻力系数偏高。

2020年11月、12月期间，为进一步提高产量，尝试提高风量，表风量提高至4500m3/min时，高炉实际入炉风量4190m3/min，炉缸理论实际煤气流速4.14m/s，煤气阻力系数升高至5.20×10-2，高炉顺行程度下降，压差升高，下部冷却壁温度下降、呆滞，加减风频繁，料动变差，出现粘结征兆，12月份高炉焦比由357kg/t升高至367kg/t，燃料比由539kg/t升高至546kg/t，利用系数由2.701t/m3·d下降至2.595t/m3·d，技术经济指标严重下降。

利用炉缸理论实际煤气流速可以指导高炉降耗提产。在一定的原燃料条件下，每座高炉均有合适的炉缸理论实际煤气流速控制范围。当原燃料质量较好时，炉缸理论实际煤气流速可控制上限，适当提高风量，结合上部调节，提高煤气利用率，降低焦比、燃料比，提高产量。如原燃料质量变差，炉缸理论实际煤气流速可控制下限，维持高炉顺行状态，避免炉况失常，减轻经济损失。