5.5 高炉喷吹燃料
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5.5
喷吹燃料
喷吹燃料是继高炉使用熟料(人造富矿)之后炼铁技术的又一重大发展。 喷吹燃料的主要目的是以其他形式的廉价燃料代替宝贵的冶金焦炭，降低焦 比。于是便可减少炼焦生产的负担，节省焦炉基建投资、节约过程能耗。 高炉喷煤技术产生于160年前，但直到20世纪50年代才在工业生产中应 用。1968—1978年，前苏联顿涅茨克钢铁厂在1033m³ 和700m³ 两座 高炉上进行了长期喷吹煤粉和天然气的试验，喷煤比达到60-80kg／tFe 。1964—1965年，美国的威尔顿公司在3、4号高炉进行了喷煤操作，最 大喷吹比达43kg／tFe;1973年在阿达曼高炉上建成了一套喷煤系统，平 均喷煤比58.3kg／tFe。 20世纪70年代，由于国际市场油价便宜、喷油工艺简单．各国纷纷开始 采用喷油操作．只有中国等少数国家坚持发展喷煤技术。80年代初，大规
5.5.3
限制喷吹量的因素
实际生产中，限制喷吹量的因素有以下几方面： （1）风口前喷吹燃料的燃烧速率是目前限制喷吹量的薄弱环节。如前所述，喷 吹燃料最好能在燃烧带内停留的短暂时间里100％氧化成CO和H2，否则重油、天 然气形成的烟炭和未完全气化的煤粉颗粒将影响高炉冶炼。燃烧动力学的研究和高 炉工业性试验表明，影响燃烧速率的因素主要是温度、供氧、燃料与鼓风的接触界 面等。 生产实践表明，喷吹的煤粉在风口燃烧带内的燃烧率保持在85％以上时，剩余 的未气化煤粉不会给高炉带来明显的影响，因为它们随煤气流上升过程中能继续气 化：1)遇焦炭粘附在其上，随焦炭下降进入燃烧带气化；2)少量的进入炉渣，成 为渣中氧化物直接还原的碳，3)遇滴落的铁珠成为渗碳的碳；4)粘附在矿石、石 灰石上成为直接还原的碳而气化。 （2）高温区放热和热交换状况，高炉冶炼需要有足够的高温热量保证炉子下部 物理化学反应顺利进行。允许的最低值至少应高于冶炼的铁水温度．允许的炉缸煤 气温度下限应保证能过热铁水和炉渣，以及保证其他吸热的高温过程(例如锰的还 原，脱硫等)的进行。如前所述．喷吹燃料将降低理论燃烧温度，这样允许的最低t 理就成为喷吹量的限制环节。当喷吹量增加．使t理降到允许的最低水平时．就要采 用措施(如高风温或富氧等措施)，维持理论燃烧温度不再下降，以进一步扩大喷吹 Your company slogan 量。
喷吹燃料以后，由炉缸上升到炉顶的煤气主要由三部分组成：风口前焦炭中碳燃
烧形成的煤气、喷吹燃料燃烧形成的煤气和直接还原形成的煤气。生产实践和理 论计算表明：喷吹燃料燃烧形成的煤气的增加总是超过其他两顶的减少，最终炉 顶煤气量总是有所增加(喷吹无烟煤时例外)。与此同时，单位生铁的焦炭消耗量 减少和炉料中矿／焦比上升．这就造成料柱透气性变差。两者的作用使炉内的压 差Ap升高，导致炉身温度和炉顶温度略有升高。喷吹无烟煤时，由于煤气量不增 加，炉身和炉顶温度无明显变化。
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5.5.1
喷吹燃料对高炉冶炼的影响
炉缸中心温度和两风口问的温度略有上升的原因是：1)煤气量及其动能增加．燃 烧带扩大使到达炉缸中心的煤气量增多，中心部位的热量收入增加；2)上部还原 得到改善，在炉子中心进行的直接还原数量减少，热支出减少；3)高炉内热交换 改善，使进入炉缸的物料和产品的温度升高。 5.5.1.2 料柱阻损与热交换
模石油危机爆发，喷煤操作又有了经济优势，高炉喷煤理论和技术从此开始
全面发展，全球喷煤高炉总数迅速增加，高炉喷吹量也不断提高。
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目前，欧洲一些高炉的平均喷煤比已经达到180一200kg／tFe。l 997 年以来，荷兰霍戈文公司6号高炉(2828m³ )、7号高炉(4650m³ )月喷煤 比达210kg／tFe，平均焦比降至234kg／tFe，日本1998年新日铁、 NKK、川崎、住友和神户五大钢铁公司平均高炉利用系数为1．83t／ (m³ ∙d)，总燃料比516kg／tFe，焦比386kg／tFe，喷煤比127.8kg／ tFe。英国钢铁公司斯肯索普厂从1984年起一直采用独特的粒煤喷吹技术， 月喷煤比已达200kg／tFe以上。此外，美国、比利时、意大利、韩国等国家 近几年来喷煤技术也有较大发展、正向250kg／tFe努力。 我国从60年代就开始在首钢发展高炉喷煤．是较早实现高炉喷煤工业生产 的国家之一。“九五”期间．喷煤成绩较好的鞍钢、马钢、宝钢、邯钢等高炉 煤比达到150一200kg／tFe。1998—1999年初．宝钢高炉喷煤取得重大 突破，高炉喷煤比突破250kg／tFe。1999年，1号高炉利用系数为 2.328t／(m³ ∙d)，年平均喷煤比达238kg／tFe．焦比270kg／tFe，燃 料比503.5kg／tFe。2001年宝钢高炉平均喷煤比稳定在200kg／tFe以 上，达到世界先进水平。 喷吹燃料的来源非常广泛，气、液、固体燃料均可用。我国由于资源条件 和能源政策的限制，应以喷吹煤粉为主。
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5.5.1
喷吹燃料对高炉冶炼的影响
碳氢化合物与氧的反应仅在它的热解温度下明显进行，如果重油未能很好雾化 而迅速变成蒸气．并达到其热解温度，氧化反应就会产生烟炭，未完全氧化的 CH4也可能裂解为烟炭，这种烟炭在燃烧带内不气化的话。就会随煤气流离开燃 烧带，这不仅导致炉缸热收入减少，而且这些炭质点(包括喷吹煤粉时，在燃烧带 内未气化的煤粉质点)大量混入炉渣而使炉缸工况恶化：炉缸堆积，炉腹渣皮不稳 定而脱落，风口和渣口大量烧坏。因此为避免烟炭形成和残炭不能完全气化，必 须使燃料与鼓风尽可能完全和均匀地混合。 (2)炉缸煤气量增加，燃烧带扩大。喷吹燃料因含碳氢化合物在风口前气化后
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5.5.1
喷吹燃料对高炉冶炼的影响
5.5.2
置换比与喷吹量
5.5.3
限制喷吹量的因素
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5.5.1
5.5.1.1
喷吹燃料对高炉冶炼的影响
对风口前燃烧的影响
与焦炭在风口前燃烧相比，喷吹燃料与鼓风中氧燃烧的最终产物都是CO，H2和 N2，并放出一定的热量。不同之处在于： (1) 焦炭在炼焦过程已完成煤的脱气和结焦过程，风口前的燃烧基本上是碳的 氧化过程，而且焦炭粒度较大，在炉缸内不会随煤气流上升。而喷吹燃料却不同， 煤粉要在风口前经历脱气、结焦和残焦燃烧三个过程，而且它要在喷枪出口处到循 环区内停留的千分之几到百分之儿秒内完成；重油要经历气化，然后着火燃烧。天 然气、重油蒸气和煤粉脱气的碳氢化合物燃烧时，碳氧化成CO放出的热量，有部 分被碳氢化合物分解为碳和氢的反应所吸收，这种分解热随H／C重量比的增加而 增大。因此，随着这一比例的增加，风口前燃料燃烧的热值亦降低(表5—4)。
产生大量的H2．使炉缸煤气量增加(见表5-5)。煤气量的增加是与燃料的H／C有 关的，H／C值越高．增加的煤气量越多。无烟煤燃烧产生的煤气量略低于焦炭， 而烟煤燃烧产生的煤气量大干焦炭。煤气量的增加．将增大燃烧带。造成燃烧带 扩大的另一原因是部分燃料在直吹管和风口内就开始燃烧，在管路内形成高温(高 于鼓风温度100-800℃)的热风和燃烧产物的混合气流，它的流速和动能远大于 全焦冶炼时的风速和鼓风动能。
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5.5.2
置换比与喷吹量
喷吹燃料的主要目的足用价格较低廉的燃料代替价格昂贵的焦炭，因此喷吹1kg或 1m³ 燃料能替换多少焦炭是衡量喷吹效果的重要指标。 喷吹燃料的置换比取决于： （1）喷吹燃料的种类。含碳和氢高的燃料，置换比就高，重油含碳和氢最高，置 换比最高，一般1.2-1.4kg/kg；无烟煤中含量最少，置换比也最低，一般在 0.8左右。 （2）喷吹燃料在风口气化程度。如前所述，喷吹燃料气化时产生烟炭或残焦，不 仅产生的热量和还原性气体减少，还可能恶化炉况，影响喷吹效果，使置换比降低 （3）鼓风参数。通过对比高风温、高压、富氧和喷吹燃料对高炉冶炼的影响，可 以看出它们的作用和影响有相反之处，例如提高风温和富氧鼓风可提高理论燃烧温 度，降低炉顶煤气温度、喷吹燃料时降低理论燃烧温度，提高炉顶煤气温度，又加 高风温和富氧使rd上升，而喷吹燃料可降低rd ；再如高风温、富氧和喷吹燃料都 使∆p上升，而高压却可使∆p降低。因此风温的高低，是否富氧等都影响置换比的 高低。 （4）煤气流利用程度，既然喷吹燃料主要影响是改善高炉煤气的还原能力，操作 上改进煤气流和矿石的接触是发挥喷吹作用的重要方面，各高炉的置换比的差异与 这一点有很大关系。 焦炭在高炉内起的作用为：热源、还原剂、生铁渗碳的碳源、作为料柱透气性 的骨架。人们普遍认为喷吹燃料可以代替焦炭除骨架以外的作用。所以，最大喷吹 量亦即最低焦比应由焦炭骨架作用决定。 Your company slogan
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5.5.1
喷吹燃料对高炉冶炼的影响
(3) 理论燃烧温度下降，而炉缸中心温度略有上升。 理论燃烧温度降低的原因在于：1)燃烧产物的数量增加，用于加热产物到燃烧 温度的热量增多；2)喷吹燃料气化时因碳氢化合物分解吸热，燃烧放出的热值降 低；3)焦炭到达风口燃烧带已为上升煤气加热(约达到1500℃)，可为燃烧带来 部分物理热，而喷吹燃料的温度一般在100℃左右
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5.5.1
5.5.1.3
喷吹燃料对高炉冶炼的影响
直接还原和间接还原的变化
喷吹燃料以后．改变了铁氧化物还原和碳气化的条件，明显地有利于间接还原的 发展和直接还原度的降低：
(1)煤气中还原性组分(CO+H2)的体积分数增加，N2的则降低；
(2)单位生铁的还原性气体量增加，因为等量于焦炭的喷吹燃料产生的CO+H2 量 大于焦炭产生的，所以尽管焦比降低．(CO+H2)的绝对量仍然增加； (3) H2的数量和体积分数显著提高，而H2较CO在还原的热力学和动力学方面均 有一定的优越性； (4)炉内温度场变化使焦炭中碳与CO2发生反应的下部区温度降低，而氧化铁间 接还原的区域温度升高，这样前一反应速度降低。后一反应速度则增快； (5)焦比降低减少了焦炭与CO2反应的比表面积，也就降低了反应速度； (6)焦比降低和单位生铁的炉料容积减少使炉料在炉内停留的时间增长。
5.5.3
限制喷吹量的因素
（3）产量和置换比降低是限制喷吹量的又一因素。实践表明，随着喷吹量的增加， 喷吹燃料的置换比下降，图5—8为喷吹碳氢化合物燃料时的情况。我国喷吹煤粉的实 践也表明，随着喷煤量的增加，置换比呈下降趋势。置换比降低可能导致燃料比过高 、经济效益不合理。 在风中含氧固定和综合冶炼强度一定的情况下，随着喷吹量的增加，高炉产量如同置
换比那样呈下降趋势。在实际生产中，这种产量的降低被置换比的下降所掩盖。例如
在冶炼强度一定时，由于喷吹燃料使焦比降低5％，产量本应提高5％，但是实际提高 了2％，也就是产量下降3％。要使产量不下降，就得采用富氧鼓风。
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限制喷吹量的因素
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喷吹燃料
喷吹燃料是继高炉使用熟料(人造富矿)之后炼铁技术的又一重大发展。 喷吹燃料的主要目的是以其他形式的廉价燃料代替宝贵的冶金焦炭，降低焦 比。于是便可减少炼焦生产的负担，节省焦炉基建投资、节约过程能耗。 高炉喷煤技术产生于160年前，但直到20世纪50年代才在工业生产中应 用。1968—1978年，前苏联顿涅茨克钢铁厂在1033m³ 和700m³ 两座 高炉上进行了长期喷吹煤粉和天然气的试验，喷煤比达到60-80kg／tFe 。1964—1965年，美国的威尔顿公司在3、4号高炉进行了喷煤操作，最 大喷吹比达43kg／tFe;1973年在阿达曼高炉上建成了一套喷煤系统，平 均喷煤比58.3kg／tFe。 20世纪70年代，由于国际市场油价便宜、喷油工艺简单．各国纷纷开始 采用喷油操作．只有中国等少数国家坚持发展喷煤技术。80年代初，大规
5.5.3
限制喷吹量的因素
实际生产中，限制喷吹量的因素有以下几方面： （1）风口前喷吹燃料的燃烧速率是目前限制喷吹量的薄弱环节。如前所述，喷 吹燃料最好能在燃烧带内停留的短暂时间里100％氧化成CO和H2，否则重油、天 然气形成的烟炭和未完全气化的煤粉颗粒将影响高炉冶炼。燃烧动力学的研究和高 炉工业性试验表明，影响燃烧速率的因素主要是温度、供氧、燃料与鼓风的接触界 面等。 生产实践表明，喷吹的煤粉在风口燃烧带内的燃烧率保持在85％以上时，剩余 的未气化煤粉不会给高炉带来明显的影响，因为它们随煤气流上升过程中能继续气 化：1)遇焦炭粘附在其上，随焦炭下降进入燃烧带气化；2)少量的进入炉渣，成 为渣中氧化物直接还原的碳，3)遇滴落的铁珠成为渗碳的碳；4)粘附在矿石、石 灰石上成为直接还原的碳而气化。 （2）高温区放热和热交换状况，高炉冶炼需要有足够的高温热量保证炉子下部 物理化学反应顺利进行。允许的最低值至少应高于冶炼的铁水温度．允许的炉缸煤 气温度下限应保证能过热铁水和炉渣，以及保证其他吸热的高温过程(例如锰的还 原，脱硫等)的进行。如前所述．喷吹燃料将降低理论燃烧温度，这样允许的最低t 理就成为喷吹量的限制环节。当喷吹量增加．使t理降到允许的最低水平时．就要采 用措施(如高风温或富氧等措施)，维持理论燃烧温度不再下降，以进一步扩大喷吹 Your company slogan 量。
喷吹燃料以后，由炉缸上升到炉顶的煤气主要由三部分组成：风口前焦炭中碳燃
烧形成的煤气、喷吹燃料燃烧形成的煤气和直接还原形成的煤气。生产实践和理 论计算表明：喷吹燃料燃烧形成的煤气的增加总是超过其他两顶的减少，最终炉 顶煤气量总是有所增加(喷吹无烟煤时例外)。与此同时，单位生铁的焦炭消耗量 减少和炉料中矿／焦比上升．这就造成料柱透气性变差。两者的作用使炉内的压 差Ap升高，导致炉身温度和炉顶温度略有升高。喷吹无烟煤时，由于煤气量不增 加，炉身和炉顶温度无明显变化。
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喷吹燃料对高炉冶炼的影响
炉缸中心温度和两风口问的温度略有上升的原因是：1)煤气量及其动能增加．燃 烧带扩大使到达炉缸中心的煤气量增多，中心部位的热量收入增加；2)上部还原 得到改善，在炉子中心进行的直接还原数量减少，热支出减少；3)高炉内热交换 改善，使进入炉缸的物料和产品的温度升高。 5.5.1.2 料柱阻损与热交换
模石油危机爆发，喷煤操作又有了经济优势，高炉喷煤理论和技术从此开始
全面发展，全球喷煤高炉总数迅速增加，高炉喷吹量也不断提高。
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目前，欧洲一些高炉的平均喷煤比已经达到180一200kg／tFe。l 997 年以来，荷兰霍戈文公司6号高炉(2828m³ )、7号高炉(4650m³ )月喷煤 比达210kg／tFe，平均焦比降至234kg／tFe，日本1998年新日铁、 NKK、川崎、住友和神户五大钢铁公司平均高炉利用系数为1．83t／ (m³ ∙d)，总燃料比516kg／tFe，焦比386kg／tFe，喷煤比127.8kg／ tFe。英国钢铁公司斯肯索普厂从1984年起一直采用独特的粒煤喷吹技术， 月喷煤比已达200kg／tFe以上。此外，美国、比利时、意大利、韩国等国家 近几年来喷煤技术也有较大发展、正向250kg／tFe努力。 我国从60年代就开始在首钢发展高炉喷煤．是较早实现高炉喷煤工业生产 的国家之一。“九五”期间．喷煤成绩较好的鞍钢、马钢、宝钢、邯钢等高炉 煤比达到150一200kg／tFe。1998—1999年初．宝钢高炉喷煤取得重大 突破，高炉喷煤比突破250kg／tFe。1999年，1号高炉利用系数为 2.328t／(m³ ∙d)，年平均喷煤比达238kg／tFe．焦比270kg／tFe，燃 料比503.5kg／tFe。2001年宝钢高炉平均喷煤比稳定在200kg／tFe以 上，达到世界先进水平。 喷吹燃料的来源非常广泛，气、液、固体燃料均可用。我国由于资源条件 和能源政策的限制，应以喷吹煤粉为主。
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喷吹燃料对高炉冶炼的影响
碳氢化合物与氧的反应仅在它的热解温度下明显进行，如果重油未能很好雾化 而迅速变成蒸气．并达到其热解温度，氧化反应就会产生烟炭，未完全氧化的 CH4也可能裂解为烟炭，这种烟炭在燃烧带内不气化的话。就会随煤气流离开燃 烧带，这不仅导致炉缸热收入减少，而且这些炭质点(包括喷吹煤粉时，在燃烧带 内未气化的煤粉质点)大量混入炉渣而使炉缸工况恶化：炉缸堆积，炉腹渣皮不稳 定而脱落，风口和渣口大量烧坏。因此为避免烟炭形成和残炭不能完全气化，必 须使燃料与鼓风尽可能完全和均匀地混合。 (2)炉缸煤气量增加，燃烧带扩大。喷吹燃料因含碳氢化合物在风口前气化后
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喷吹燃料对高炉冶炼的影响
5.5.2
置换比与喷吹量
5.5.3
限制喷吹量的因素
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5.5.1.1
喷吹燃料对高炉冶炼的影响
对风口前燃烧的影响
与焦炭在风口前燃烧相比，喷吹燃料与鼓风中氧燃烧的最终产物都是CO，H2和 N2，并放出一定的热量。不同之处在于： (1) 焦炭在炼焦过程已完成煤的脱气和结焦过程，风口前的燃烧基本上是碳的 氧化过程，而且焦炭粒度较大，在炉缸内不会随煤气流上升。而喷吹燃料却不同， 煤粉要在风口前经历脱气、结焦和残焦燃烧三个过程，而且它要在喷枪出口处到循 环区内停留的千分之几到百分之儿秒内完成；重油要经历气化，然后着火燃烧。天 然气、重油蒸气和煤粉脱气的碳氢化合物燃烧时，碳氧化成CO放出的热量，有部 分被碳氢化合物分解为碳和氢的反应所吸收，这种分解热随H／C重量比的增加而 增大。因此，随着这一比例的增加，风口前燃料燃烧的热值亦降低(表5—4)。
产生大量的H2．使炉缸煤气量增加(见表5-5)。煤气量的增加是与燃料的H／C有 关的，H／C值越高．增加的煤气量越多。无烟煤燃烧产生的煤气量略低于焦炭， 而烟煤燃烧产生的煤气量大干焦炭。煤气量的增加．将增大燃烧带。造成燃烧带 扩大的另一原因是部分燃料在直吹管和风口内就开始燃烧，在管路内形成高温(高 于鼓风温度100-800℃)的热风和燃烧产物的混合气流，它的流速和动能远大于 全焦冶炼时的风速和鼓风动能。
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置换比与喷吹量
喷吹燃料的主要目的足用价格较低廉的燃料代替价格昂贵的焦炭，因此喷吹1kg或 1m³ 燃料能替换多少焦炭是衡量喷吹效果的重要指标。 喷吹燃料的置换比取决于： （1）喷吹燃料的种类。含碳和氢高的燃料，置换比就高，重油含碳和氢最高，置 换比最高，一般1.2-1.4kg/kg；无烟煤中含量最少，置换比也最低，一般在 0.8左右。 （2）喷吹燃料在风口气化程度。如前所述，喷吹燃料气化时产生烟炭或残焦，不 仅产生的热量和还原性气体减少，还可能恶化炉况，影响喷吹效果，使置换比降低 （3）鼓风参数。通过对比高风温、高压、富氧和喷吹燃料对高炉冶炼的影响，可 以看出它们的作用和影响有相反之处，例如提高风温和富氧鼓风可提高理论燃烧温 度，降低炉顶煤气温度、喷吹燃料时降低理论燃烧温度，提高炉顶煤气温度，又加 高风温和富氧使rd上升，而喷吹燃料可降低rd ；再如高风温、富氧和喷吹燃料都 使∆p上升，而高压却可使∆p降低。因此风温的高低，是否富氧等都影响置换比的 高低。 （4）煤气流利用程度，既然喷吹燃料主要影响是改善高炉煤气的还原能力，操作 上改进煤气流和矿石的接触是发挥喷吹作用的重要方面，各高炉的置换比的差异与 这一点有很大关系。 焦炭在高炉内起的作用为：热源、还原剂、生铁渗碳的碳源、作为料柱透气性 的骨架。人们普遍认为喷吹燃料可以代替焦炭除骨架以外的作用。所以，最大喷吹 量亦即最低焦比应由焦炭骨架作用决定。 Your company slogan
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(3) 理论燃烧温度下降，而炉缸中心温度略有上升。 理论燃烧温度降低的原因在于：1)燃烧产物的数量增加，用于加热产物到燃烧 温度的热量增多；2)喷吹燃料气化时因碳氢化合物分解吸热，燃烧放出的热值降 低；3)焦炭到达风口燃烧带已为上升煤气加热(约达到1500℃)，可为燃烧带来 部分物理热，而喷吹燃料的温度一般在100℃左右
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5.5.1
5.5.1.3
喷吹燃料对高炉冶炼的影响
直接还原和间接还原的变化
喷吹燃料以后．改变了铁氧化物还原和碳气化的条件，明显地有利于间接还原的 发展和直接还原度的降低：
(1)煤气中还原性组分(CO+H2)的体积分数增加，N2的则降低；
(2)单位生铁的还原性气体量增加，因为等量于焦炭的喷吹燃料产生的CO+H2 量 大于焦炭产生的，所以尽管焦比降低．(CO+H2)的绝对量仍然增加； (3) H2的数量和体积分数显著提高，而H2较CO在还原的热力学和动力学方面均 有一定的优越性； (4)炉内温度场变化使焦炭中碳与CO2发生反应的下部区温度降低，而氧化铁间 接还原的区域温度升高，这样前一反应速度降低。后一反应速度则增快； (5)焦比降低减少了焦炭与CO2反应的比表面积，也就降低了反应速度； (6)焦比降低和单位生铁的炉料容积减少使炉料在炉内停留的时间增长。
5.5.3
限制喷吹量的因素
（3）产量和置换比降低是限制喷吹量的又一因素。实践表明，随着喷吹量的增加， 喷吹燃料的置换比下降，图5—8为喷吹碳氢化合物燃料时的情况。我国喷吹煤粉的实 践也表明，随着喷煤量的增加，置换比呈下降趋势。置换比降低可能导致燃料比过高 、经济效益不合理。 在风中含氧固定和综合冶炼强度一定的情况下，随着喷吹量的增加，高炉产量如同置
换比那样呈下降趋势。在实际生产中，这种产量的降低被置换比的下降所掩盖。例如
在冶炼强度一定时，由于喷吹燃料使焦比降低5％，产量本应提高5％，但是实际提高 了2％，也就是产量下降3％。要使产量不下降，就得采用富氧鼓风。
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