SiO2还原对高炉风口前理论燃烧温度的影响

D01:10.13374/i.issnl00103x.2010.11.①6 第32卷第11期 北京科技大学学报 Vol 32 N911 2010年11月 Journal ofUniversity of Science and Technobgy Bejjing Noy 2010 SO还原对高炉风口前理论燃烧温度的影响 张二华吴铿万鹏韦少华李康杨森 北京科技大学治金与生态工程学院.北京100083 摘要风口前理论燃烧温度是衡量炉缸热状态的重要参数之一，而SD,在风口前被碳还原对其产生的影响一直被忽略.通 过实验研究了高炉风口前不同位置的试样，得到进入风口回旋区焦炭的温度和不同位置试样渣中SD的含量，从而确定出在 风口回旋区SD,的还原率，并建立了考虑SQ还原情况下理论燃烧温度的计算公式，最后在富氧喷煤的条件下，分析和讨论 了煤粉中灰分变化对理论燃烧温度的影响因素. 关键词高炉：燃烧温度：二氧化硅；还原：煤粉喷吹 分类号T下511 Effect of SiO,reducton on the theoretical flame tem perature before the tuyere in a b last furnace ZHANG Erhua WU Keng WAN Peng WEI Shaohua LI Kang YANG Sen Schpol ofMelugical and EcokgicalErgineering University of Sc ience and Technopgy Beijing Beijing 100083 China ABSTRACT The theoretical flae tmperature bepre he tuyere n a b ast fimace(BF)is one of he inporant parmeers tomeas ure he hem al sate of the heart However it is ignored hats reduction bepre he tuyere can in pact he theoretical fame temper ature The coke temperature en ered he raceway and hes con ent atd ifferent locations bepre he uyere in he BF were dnined by sudyng uyere level samp les from the BE And hen the reducton rate of S before he tuyere was detemined and the theoretical fime mperature pmua with regard p he efectofSi reducton was esnb lished Finally under he cond ition of pu Nverized coal in jectpn PCI and oxygen enriclm ent he effect of changing the ash conent in coal on the heoretical flme temperaurewas analyzed and discussed KEY WORDS blast fmace flame temn peraue silicon dioxile reduction pu Nerized coal injecton 随着我国钢铁工业的快速发展，我国高炉生产 响是十分必要的 技术水平得到了很大的提高，特别是在大喷煤时采 1高温下S0的还原 用了高风温和高富氧技术，这些对高炉风口前理论 燃烧温度的影响很大.高温下热分解而损失的 为确定纯S在高温下的还原性，以及多元合 热量和高温热分解而引起的燃烧产物生成量和成分 成渣中其他氧化物对S0的影响，在1850~2000℃ 的变化是计算理论燃烧温度时需要特别关注的.在 下，测定了S?和相关氧化物的还原率以及在 高风温、高富氧条件下，带入风口前的热量增加，进 1950℃下，含S0的四元合成渣的碱度对SQ还原 而促进煤粉和焦炭灰分中的SO被C还原61，这 的影响。 一点在迄今为止的计算高炉风口前理论燃烧温度时 11实验设备与还原过程 一直被忽视.为了更准确地计算出高炉风口前理论 实验在高温碳管炉中进行，测温采用钨铼热电 燃烧温度，研究S还原对高炉理论燃烧温度的影 偶.在石墨坩埚上均匀钻三个直径为15m深 收稿日期：2010-04一14 基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目(N?2009AA06☑05)：国家自然科学基金“钢铁联合研究基金"资助项目(N050874129.N0 50934007 作者简介：张二华(1978-)，男，博士研究生：吴铿(195一)，男，教授，博士生导师，E.mail wuker@me tall ust edy cn

第 32卷 第 11期 2010年 11月 北 京 科 技 大 学 学 报 JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing Vol.32 No.11 Nov.2010 SiO2还原对高炉风口前理论燃烧温度的影响 张二华 吴 铿 万 鹏 韦少华 李 康 杨 森 北京科技大学冶金与生态工程学院, 北京 100083 摘 要 风口前理论燃烧温度是衡量炉缸热状态的重要参数之一, 而 SiO2在风口前被碳还原对其产生的影响一直被忽略.通 过实验研究了高炉风口前不同位置的试样, 得到进入风口回旋区焦炭的温度和不同位置试样渣中 SiO2的含量, 从而确定出在 风口回旋区 SiO2的还原率, 并建立了考虑 SiO2还原情况下理论燃烧温度的计算公式, 最后在富氧喷煤的条件下, 分析和讨论 了煤粉中灰分变化对理论燃烧温度的影响因素. 关键词 高炉;燃烧温度;二氧化硅;还原;煤粉喷吹 分类号 TF511 EffectofSiO2 reductiononthetheoreticalflametemperaturebeforethetuyere inablastfurnace ZHANGEr-hua, WUKeng, WANPeng, WEIShao-hua, LIKang, YANGSen SchoolofMetallurgicalandEcologicalEngineering, UniversityofScienceandTechnologyBeijing, Beijing100083, China ABSTRACT Thetheoreticalflametemperaturebeforethetuyereinablastfurnace( BF) isoneoftheimportantparameterstomeas￾urethethermalstateofthehearth.However, itisignoredthatSiO2 reductionbeforethetuyerecanimpactthetheoreticalflametemper￾ature.ThecoketemperatureenteredtheracewayandtheSiO2 contentatdifferentlocationsbeforethetuyereintheBFwereobtainedby studyingtuyere-levelsamplesfromtheBF.AndthenthereductionrateofSiO2 beforethetuyerewasdeterminedandthetheoretical flametemperatureformulawithregardtotheeffectofSiO2 reductionwasestablished.Finally, undertheconditionofpulverizedcoalin￾jection( PCI) andoxygenenrichment, theeffectofchangingtheashcontentincoalonthetheoreticalflametemperaturewasanalyzed anddiscussed. KEYWORDS blastfurnace;flametemperature;silicondioxide;reduction;pulverizedcoalinjection 收稿日期:2010-04-14 基金项目:国家高技术研究发展计划资助项目 ( No.2009AA06Z105) ;国家自然科学基金“钢铁联合研究基金”资助项目 ( No.50874129, No. 50934007) 作者简介:张二华 ( 1978— ), 男, 博士研究生;吴 铿 ( 1951— ), 男, 教授, 博士生导师, E-mail:wukeng@metall.ustb.edu.cn 随着我国钢铁工业的快速发展, 我国高炉生产 技术水平得到了很大的提高, 特别是在大喷煤时采 用了高风温和高富氧技术, 这些对高炉风口前理论 燃烧温度的影响很大 [ 1 -5] .高温下热分解而损失的 热量和高温热分解而引起的燃烧产物生成量和成分 的变化是计算理论燃烧温度时需要特别关注的.在 高风温 、高富氧条件下, 带入风口前的热量增加, 进 而促进煤粉和焦炭灰分中的 SiO2被 C还原 [ 6 -7] , 这 一点在迄今为止的计算高炉风口前理论燃烧温度时 一直被忽视 .为了更准确地计算出高炉风口前理论 燃烧温度, 研究 SiO2还原对高炉理论燃烧温度的影 响是十分必要的. 1 高温下 SiO2的还原 为确定纯 SiO2在高温下的还原性, 以及多元合 成渣中其他氧化物对 SiO2的影响, 在 1850 ～ 2000℃ 下, 测定了 SiO2 和相关氧化物的还原率以及在 1 950 ℃下, 含 SiO2的四元合成渣的碱度对 SiO2还原 的影响. 1.1 实验设备与还原过程 实验在高温碳管炉中进行, 测温采用钨铼热电 偶.在石墨坩埚上均匀钻三个直径为 15 mm、深 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2010.11.006

第11期 张二华等：SO还原对高炉风口前理论燃烧温度的影响 1407° 80的孔.在每个孔内放入试样（纯氧化物或合成 渣).首先将温度升至1400℃后，恒温2m?再用 最大容许电流快速达到实验温度，恒温12m加后断 电降温.实验过程中，炉膛内一直通入氩气.经冷 却后，将渣样取出进行称量.每个试样进行三次平 行实验，其平均值作为最后的结果.另外，对渣样进 56 行X射线衍射分析和化学成分分析.实验中所用含 碳合成渣的配比见表1 0.7 0.9 1.1 1.3 15 熔渣三元碱度rCaO+MgOvr(Sio,) 表1含碳合成渣的配比（质量分数） TableI Conposition of qua temary catbonaceous synthetic sags 图2熔渣碱度对失重率的影响 % Fg 2 Effect of the basicity of synthetic slag a the rate ofweight bse 试样号 1 2 3 4 5 碳粉 180180180180180 由图2可见，在碱度较低的酸性渣系中，失重率 S02 38635831.929.9288 的变化主要取决于S的还原.随熔渣碱度增加， M 4646465.4 54 CO量增加，C0与A!Q或S0可形成一些复合 Co 24327.631.9340357 化合物，如2C0S0AO和C0A0S0, A19 145140136127121 这就使得SO和AQ不易被还原，从而导致失重 wC04M80)/WS0,)0750911.141.32143 率降低.随着CO增加，在碱度为1.14时，失重率 达到最低值，而后随着碱度的提高，失重率上升，表 实验所用的氧化物均为分析纯试剂.单质氧化 明多元渣系在高温条件下的还原反应是较复杂的. 物还原时，氧化物和石墨粉配比的质量分数分别为： 由上述实验可知，在高温条件下，纯SQ极易 S083.3%、C167%:M)76.9%、C23.1%: 被还原.但是，SO与其他氧化物混合成四元合成 A1Q73.6%、C26.4%.混合均匀后放入坩埚内. 渣后，由于复合氧化物的形成，会影响S0的还原. 1.2实验结果和讨论 高炉风口前多种物质间的反应更为复杂，形成 图1为单质氧化物在反应后还原率与温度的关 的复合化合物也不易被判断.同时，影响SQ还原 系图. 的因素极多，通过模拟实验来确定S还原量比较 100 困难.因此，采用高炉风口前不同位置取样的方法， 通过分析渣中SQ变化来确定风口前SQ的还 原率. 60 0 ●-Si0 2高炉风口前S0的还原 ●-Mg0 20 +A山，0 2.1风口前不同位置试样中渣成分的变化 180018501900195020002050 采用钻孔式取样法在2000i高炉进行风口取 温度℃ 样，即在高炉休风后立即取样，用特制芯管从风口插 图1氧化物被碳还原的还原率与温度的关系 入，取出风口前到中心水平方向不同位置的试样，包 Fg 1 Reltins of the reducton rate of ox ides reduced by carbon o 括炉腹焦、回旋区焦、鸟巢焦和炉芯焦。 取样管直径为280m四长为6四等分12个槽 从图1可见，在本实验条件下纯S0在1850℃ 间距为0.5四在高炉休风后，立即用气锤将取样管 以上可被碳完全还原.纯M)要在1900℃以上才 沿风口水平方向打入高炉中心，取出风口前水平方 可被碳完全还原.SQ和M)都是等摩尔配碳， 向上不同位置的试样.将取样管拔出后，用y冷 SO被还原后都形成了S①气体.在高温反应时，随 却.对每个槽内试样中渣的成分进行分析，结果如 炉内排出的气体中有许多白色的细小颗粒，这是被 图3所示. 还原的SO和M的冷凝后产物. 从图3可见，试样中渣成分在距风口前20m 图2为1950℃合成四元渣与过量碳反应的 外变化幅度减小，而在风口前1.5m内变化非常明 结果 显.其原因是喷吹煤粉灰分中带入SQ和A)Q.使

第 11期 张二华等:SiO2还原对高炉风口前理论燃烧温度的影响 80 mm的孔.在每个孔内放入试样 (纯氧化物或合成 渣 ) .首先将温度升至 1 400 ℃后, 恒温 2 min, 再用 最大容许电流快速达到实验温度, 恒温 12 min后断 电降温.实验过程中, 炉膛内一直通入氩气.经冷 却后, 将渣样取出进行称量.每个试样进行三次平 行实验, 其平均值作为最后的结果 .另外, 对渣样进 行 X射线衍射分析和化学成分分析.实验中所用含 碳合成渣的配比见表 1. 表 1 含碳合成渣的配比 (质量分数 ) Table1 Compositionofquaternarycarbonaceoussyntheticslags % 试样号 1 2 3 4 5 碳粉 18.0 18.0 18.0 18.0 18.0 SiO2 38.6 35.8 31.9 29.9 28.8 MgO 4.6 4.6 4.6 5.4 5.4 CaO 24.3 27.6 31.9 34.0 35.7 Al2O3 14.5 14.0 13.6 12.7 12.1 w( CaO+MgO) /w( SiO2 ) 0.75 0.91 1.14 1.32 1.43 实验所用的氧化物均为分析纯试剂.单质氧化 物还原时, 氧化物和石墨粉配比的质量分数分别为 : SiO2 83.3%、 C 16.7%;MgO 76.9%、 C 23.1%; Al2O3 73.6%、C26.4%.混合均匀后放入坩埚内 . 1.2 实验结果和讨论 图 1为单质氧化物在反应后还原率与温度的关 系图. 图 1 氧化物被碳还原的还原率与温度的关系 Fig.1 Relationsofthereductionrateofoxidesreducedbycarbonto temperature 从图 1可见, 在本实验条件下纯 SiO2在 1 850℃ 以上可被碳完全还原, 纯 MgO要在 1 900 ℃以上才 可被碳完全还原.SiO2和 MgO都是等摩尔配碳, SiO2被还原后都形成了 SiO气体.在高温反应时, 随 炉内排出的气体中有许多白色的细小颗粒, 这是被 还原的 SiO和 Mg的冷凝后产物. 图 2 为 1 950 ℃合成四元渣与过量碳反应的 结果. 图 2 熔渣碱度对失重率的影响 Fig.2 Effectofthebasicityofsyntheticslagontherateofweight lose 由图 2可见, 在碱度较低的酸性渣系中, 失重率 的变化主要取决于 SiO2的还原 .随熔渣碱度增加, CaO量增加, CaO与 Al2 O3或 SiO2可形成一些复合 化合物, 如 2CaO·SiO2·Al2 O3和 CaO·Al2 O3·SiO2 [ 8] , 这就使得 SiO2和 Al2 O3不易被还原, 从而导致失重 率降低.随着 CaO增加, 在碱度为 1.14时, 失重率 达到最低值, 而后随着碱度的提高, 失重率上升, 表 明多元渣系在高温条件下的还原反应是较复杂的 . 由上述实验可知, 在高温条件下, 纯 SiO2极易 被还原 .但是, SiO2与其他氧化物混合成四元合成 渣后, 由于复合氧化物的形成, 会影响 SiO2的还原 . 高炉风口前多种物质间的反应更为复杂, 形成 的复合化合物也不易被判断.同时, 影响 SiO2还原 的因素极多, 通过模拟实验来确定 SiO2还原量比较 困难 .因此, 采用高炉风口前不同位置取样的方法, 通过分析渣中 SiO2变化来确定风口前 SiO2的还 原率 . 2 高炉风口前 SiO2的还原 2.1 风口前不同位置试样中渣成分的变化 采用钻孔式取样法在 2 000 m 3高炉进行风口取 样, 即在高炉休风后立即取样, 用特制芯管从风口插 入, 取出风口前到中心水平方向不同位置的试样, 包 括炉腹焦 、回旋区焦 、鸟巢焦和炉芯焦. 取样管直径为 280mm、长为 6 m, 等分 12个槽, 间距为 0.5 m.在高炉休风后, 立即用气锤将取样管 沿风口水平方向打入高炉中心, 取出风口前水平方 向上不同位置的试样 .将取样管拔出后, 用 N2冷 却.对每个槽内试样中渣的成分进行分析, 结果如 图 3所示 . 从图 3可见, 试样中渣成分在距风口前 2.0 m 外变化幅度减小, 而在风口前 1.5 m内变化非常明 显.其原因是喷吹煤粉灰分中带入 SiO2和 Al2 O3, 使 · 1407·

。1408 北京科技大学学报 第32卷 60r 对选择高炉适宜的喷煤比和富氧率，确定炉缸的活 Si(),-Al,0Ca0MgoFr0) 50 跃程度、炉缸温度正常与否起着重要的指导作用. 40 理论燃烧温度是由风口局部区域的热平衡计算 30 得出，其基准温度一般采用常温。以常温为基准则 无需考虑喷吹燃料和输送燃料的压缩空气所带入的 10 物理热.通常计算理论燃烧温度(T)采用下面的 0 公式： 0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.56.0 风口前距离m Qa十Qi十Qm-Qm-Qac (1) 图32000㎡高炉风口试样渣中主要成分 T Ca(Ce Fg 3 Main composition of sample slag in the tuyere of a2000 m 式中：Q为风口前碳素燃烧生成CO放出的热量， blast fumace k」Q为鼓风中带入的物理热，kyQ为焦炭带入的 得两者的百分比最初明显增加，CO含量下降.试 物理热，kdQ为鼓风中湿分分解耗热，kdQ为喷 样中渣的SQ含量随着与风口前距离的增加，出现 吹燃料的分解耗热，k!G为高炉炉缸气体中Q 先增加、后下降，然后略增加，接近稳定，这表明在风 N的平均热容，kJm3。℃：C为高炉炉缸气体中 口前15m发生了S被还原成SO的反应.S0 H的平均热容，km3。℃-：M,和K为高炉 还原会使风口前的热量发生变化，导致风口前理论 炉缸煤气中CQy和H的体积，. 燃烧温度也发生相应的变化 式(1)中焦炭进入风口回旋区的温度取 2.2风口前焦炭和煤粉中S0还原率的确定 1500℃，而通过对高炉风口取出试样中焦炭炭化度 从图3可见，在风口前2.0m之内，试样中渣的 的实验研究，发现其温度为1800~2100℃0-”. S0含量在1.5m处发生了较大的变化.该高炉风 这是由于高炉风口取样是在高炉休风后进行的，高 口回旋区长约1.5四1.5m点与其他两点(05和 炉生产时，风口前回旋区内是空的，风口试样取出的 1.0m处)的S0质量分数平均值0.29相比，下降 焦炭是高炉休风后从炉腹落入风口回旋区的，因此风 了9%，即在15m处有31%的S被还原. 口试样中取出的焦炭不是回旋区的焦炭，而是炉腹进 喷吹煤粉灰分中S门还原率：在高炉生产中， 入风口回旋区的焦炭，即测定出风口试样中的焦炭温 煤粉直接被喷入风口回旋区.根据图3的结果，渣 度为焦炭进入回旋区的温度.因此进入焦炭风口回 中SO含量发生明显变化的位置在1.5m处，该处 旋区的温度取值要比取样测定的温度低很多. 约有3%的SQ被还原，此还原区域的宽度约为 考虑高炉风口前S被还原成气态SO所耗的 0.5四那么喷吹煤粉的灰分落在此还原区域的比例 热量和进入高炉风口焦炭的实际温度，对式(1)修 应为0.51.5=33%（回旋区长度为1.5m,因此认 正得 为高炉喷吹煤粉的灰分中S0的还原率为0.31× Q:+Qi+Qo-Qa-Qkc-QD 0.33=102%. I=G飞+飞)+C+G0 (2) 风口前焦炭中SQ还原率：在全焦治炼条件 式中：Q0为SQ还原成SO的热耗(k),Q= 下，入炉焦炭约有70%是在风口回旋区消耗的，在 △Ho(a,Mm十2M)/60其中a1为风口前焦炭中 大喷煤条件下，消耗率约为60%.可以认为，在 S还原成SO的还原率，a2为喷吹煤粉中S0还 回旋区内33%焦炭的灰分在1.5m的位置，该处有 原成SO的还原率，△Hs为SQ被C还原成SO的 31%的S0被还原，则入炉焦炭灰分中S0的还原 焓变（这里取666570kmot'),M、M分别为 率为0.60×033×0.31=6.1%. 焦炭和煤粉中所含S0的质量(k妈，60为S①的相 对分子质量；C为高炉炉缸气体中SD的平均热 3理论燃烧温度公式的修正 容，km3。℃-；为高炉炉缸煤气中SD的体 理论燃烧温度是在绝热条件下所有入炉燃料进 积，m 行不完全燃烧，燃料和鼓风所含热量以及燃烧反应 4计算公式修正前后的结果 放出的热量全部传给燃烧产物所能达到的温度.由 此定义可知，计算高炉理论燃烧温度的前提是风口 计算风口理论温度时，风温为1200℃富氧率 循环区为绝热系统，采用的是物质平衡和热平衡，它 为25%，湿度为1%，炉顶煤气成分见表2（用于

北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 图 3 2 000m3高炉风口试样渣中主要成分 Fig.3 Maincompositionofsampleslaginthetuyereofa2 000m3 blastfurnace 得两者的百分比最初明显增加, CaO含量下降 .试 样中渣的 SiO2含量随着与风口前距离的增加, 出现 先增加 、后下降, 然后略增加, 接近稳定, 这表明在风 口前 1.5 m发生了 SiO2被还原成 SiO的反应 .SiO2 还原会使风口前的热量发生变化, 导致风口前理论 燃烧温度也发生相应的变化. 2.2 风口前焦炭和煤粉中 SiO2还原率的确定 从图 3可见, 在风口前 2.0m之内, 试样中渣的 SiO2含量在 1.5 m处发生了较大的变化 .该高炉风 口回旋区长约 1.5 m, 1.5 m点与其他两点 ( 0.5 m和 1.0m处 )的 SiO2质量分数平均值 0.29 相比, 下降 了 9%, 即在 1.5 m处有 31%的 SiO2被还原. 喷吹煤粉灰分中 SiO2还原率:在高炉生产中, 煤粉直接被喷入风口回旋区 .根据图 3的结果, 渣 中 SiO2含量发生明显变化的位置在 1.5 m处, 该处 约有 31%的 SiO2被还原, 此还原区域的宽度约为 0.5m, 那么喷吹煤粉的灰分落在此还原区域的比例 应为 0.5 /1.5 =33%(回旋区长度为 1.5 m), 因此认 为高炉喷吹煤粉的灰分中 SiO2的还原率为 0.31 × 0.33 =10.2%. 风口前焦炭中 SiO2还原率 :在全焦冶炼条件 下, 入炉焦炭约有 70%是在风口回旋区消耗的, 在 大喷煤条件下, 消耗率约为 60% [ 9] .可以认为, 在 回旋区内 33%焦炭的灰分在 1.5 m的位置, 该处有 31%的 SiO2被还原, 则入炉焦炭灰分中 SiO2的还原 率为 0.60 ×0.33 ×0.31 =6.1%. 3 理论燃烧温度公式的修正 理论燃烧温度是在绝热条件下所有入炉燃料进 行不完全燃烧, 燃料和鼓风所含热量以及燃烧反应 放出的热量全部传给燃烧产物所能达到的温度.由 此定义可知, 计算高炉理论燃烧温度的前提是风口 循环区为绝热系统, 采用的是物质平衡和热平衡, 它 对选择高炉适宜的喷煤比和富氧率, 确定炉缸的活 跃程度、炉缸温度正常与否起着重要的指导作用 . 理论燃烧温度是由风口局部区域的热平衡计算 得出, 其基准温度一般采用常温 .以常温为基准则 无需考虑喷吹燃料和输送燃料的压缩空气所带入的 物理热.通常计算理论燃烧温度 ( Tf) 采用下面的 公式 : Tf= Qca +Qwi+Qco -Qwa -Qde Cp1 ( VCO +VN2 ) +Cp2 VH2 ( 1) 式中 :Qca为风口前碳素燃烧生成 CO放出的热量, kJ;Qwi为鼓风中带入的物理热, kJ;Qco为焦炭带入的 物理热, kJ;Qwa为鼓风中湿分分解耗热, kJ;Qde为喷 吹燃料的分解耗热, kJ;Cp1为高炉炉缸气体中 CO、 N2的平均热容, kJ·m -3 ·℃ -1;Cp2为高炉炉缸气体中 H2的平均热容, kJ·m -3 ·℃ -1 ;VCO、VH2和 VN2为高炉 炉缸煤气中 CO、N2和 H2的体积, m 3 . 式 ( 1 ) 中焦 炭 进入 风口 回 旋区 的温 度 取 1 500 ℃, 而通过对高炉风口取出试样中焦炭炭化度 的实验研究, 发现其温度为 1 800 ～ 2 100 ℃ [ 10 -11] . 这是由于高炉风口取样是在高炉休风后进行的, 高 炉生产时, 风口前回旋区内是空的, 风口试样取出的 焦炭是高炉休风后从炉腹落入风口回旋区的, 因此风 口试样中取出的焦炭不是回旋区的焦炭, 而是炉腹进 入风口回旋区的焦炭, 即测定出风口试样中的焦炭温 度为焦炭进入回旋区的温度.因此进入焦炭风口回 旋区的温度取值要比取样测定的温度低很多. 考虑高炉风口前 SiO2被还原成气态 SiO所耗的 热量和进入高炉风口焦炭的实际温度, 对式 ( 1)修 正得 Tf = Qca +Qwi+Qco -Qwa -Qde -QSiO2 Cp1 (VCO +VN2 ) +Cp2 VH2 +Cp3 VSiO ( 2) 式中 :QSiO2为 SiO2还原成 SiO的热耗 ( kJ), QSiO2 = ΔHSiO( α1 Mco +α2 Mcl) /60, 其中 α1为风口前焦炭中 SiO2还原成 SiO的还原率, α2为喷吹煤粉中 SiO2还 原成 SiO的还原率, ΔHSiO为 SiO2被 C还原成 SiO的 焓变 (这里取 666 570 kJ·mol -1 ) [ 12] , Mco、Mcl分别为 焦炭和煤粉中所含 SiO2的质量 ( kg), 60为 SiO2的相 对分子质量 ;Cp3为高炉炉缸气体中 SiO的平均热 容, kJ·m -3 ·℃ -1 ;VSiO为高炉炉缸煤气中 SiO的体 积, m 3. 4 计算公式修正前后的结果 计算风口理论温度时, 风温为 1 200 ℃, 富氧率 为 2.5%, 湿度为 1%, 炉顶煤气成分见表 2 [ 9] (用于 · 1408·

第11期 张二华等：SO还原对高炉风口前理论燃烧温度的影响 ·1409 计算炉缸内气体的体积).焦炭和煤粉成分来源于 表5煤粉中不同S门还原率时的理论燃烧温度 生产现场，见表3 Tables Theoretical flae temperature pr different reducton rates of St in coal 表2炉顶煤气成分（体积分数） Tbe2 Conposition of p数s % 煤粉中S0 81 9.1 102 112122 CO co CH 马 y 还原率% 27.2 15.5 06 24 54.3 理论燃烧温度C21142113211221112110 表3煤粉和焦炭成分（质量分数） 表6焦炭中不同S0还原率时的理论燃烧温度 Table 3 Composition of coal and coke % Table6 Theoretical flame temperature fr different reducton rates of 含碳 灰分中的 st in coke 固定碳 挥发分 水分 灰分 物质 SQ 焦炭中S0 41 51 61 7.1 81 煤粉 7651 1493 1.62 694 51.14 还原率% 焦炭 80.22 1.80 5.10 1288 47.55 理论燃烧温度℃2119 21162112 2109 2105 4.1焦炭进入风口回旋区的温度对理论燃烧温度 表7为喷煤比为180k怒'时根据式(1)和 的影响 式(2)热平衡分别计算理论燃烧温度的各项热量收 表4给出了进入风口回旋区焦炭温度为 支状况.式(1)中焦炭带入热量的温度选定 1500~2000℃时，1热铁的喷煤比为180kg的理 为1500℃，不考虑S0还原；式(2)中焦炭带入热 论燃烧温度.结果由式(1)计算得到，即没有考虑 量的温度选定为1800℃，考虑S0还原.为了计算 SO还原的影响. 方便，焦炭和煤粉灰分中SQ的还原率分别取6% 表4焦炭进入风口回旋区不同温度时的理论燃烧温度 和10%，其误差为0.8℃，相对误差为0.04%. Tab 4 Theoretical flame temperaure for different coke tmperaures 表7两公式计算理论燃烧温度的各项热量收支状况 in the combustion zone ℃ Table7 Heatbudget calolat in of theore tica l flame tm perature by the 风口回旋区 15001600170018001900 wo fomulas 2000 MJ 焦炭温度 计算 热收入项 热支出项 理论燃烧温度 214321462148215121532156 方式 Qea Qri Qo Q Qie 由表4可见.焦炭进入风口回旋区的温度越高， 式(1) 6742461.377.8 29.1440 焦炭带入的热值就越大，理论燃烧温度越高.在喷 式(2) 6742461.381.729.1 44019.8 煤比为180k怒T时，焦炭带入的温度每增加 100℃，理论燃烧温度增加2~3℃.由此可见，如按 由表7可以看出，式(1)与式(2)在计算时所取 的温度不同，使得焦炭带入的物理热Q增加.另 焦炭进入回旋区的温度为1500C计算，实质是降低 了理论燃烧温度 外，式(2)计算时考虑了S0被还原成气态SO所 4.2风口前S口还原率对理论燃烧温度的影响 消耗的热量，而且Q。在热支出项中所占比例较 表5和表6分别给出了进入风口回旋区焦炭温 大，不可忽略 度为1800℃，喷煤比为180k8T时，煤粉和焦炭灰 在高炉冶炼其他参数不变，仅喷煤比在100~ 分中S的还原率对理论燃烧温度的影响.结果由 220k8T变化时，对比了由式(1)和式(2)计算的 式(2)计算得到，即考虑了SQ还原的影响.表5和 理论燃烧温度，结果如图4所示（计算条件与表7 表6根据高炉风口取样得到的结果取焦炭和煤粉灰 相同) 分中S0的还原率分别为61%和10.2%. 在式(2)中考虑了焦炭进入燃烧区域的温度为 由表5可见，煤粉灰分中S0还原率在10.2% 1800℃和S①部分被还原成SO的综合结果，得到 的基础上增加%（或减少%），理论燃烧温度就 的理论燃烧温度比式(1)要略低一些，随喷煤比的 会下降1℃（或增加1℃）. 升高，其温度差值逐渐增加.喷煤比从100k'升 由表6可见，焦炭灰分中S0还原率在6.1% 高到220k8,温度差值从6℃增加到19℃，即在 的基础上每增加%（或减少%），理论燃烧温度 220kgT条件下，由修正前后公式计算的理论燃烧 就会下降3~4℃（或增加3~4℃）. 温度相对误差为09%

第 11期 张二华等:SiO2还原对高炉风口前理论燃烧温度的影响 计算炉缸内气体的体积 ) .焦炭和煤粉成分来源于 生产现场, 见表 3. 表 2 炉顶煤气成分 (体积分数 ) Table2 Compositionoftopgas % CO CO2 CH4 H2 N2 27.2 15.5 0.6 2.4 54.3 表 3 煤粉和焦炭成分 (质量分数 ) Table3 Compositionofcoalandcoke % 含碳 物质 固定碳 挥发分 水分 灰分 灰分中的 SiO2 煤粉 76.51 14.93 1.62 6.94 51.14 焦炭 80.22 1.80 5.10 12.88 47.55 4.1 焦炭进入风口回旋区的温度对理论燃烧温度 的影响 表 4 给出 了进 入风 口回旋 区焦 炭温 度为 1 500 ～ 2 000 ℃时, 1t热铁的喷煤比为 180 kg·t 1的理 论燃烧温度.结果由式 ( 1 )计算得到, 即没有考虑 SiO2还原的影响 . 表 4 焦炭进入风口回旋区不同温度时的理论燃烧温度 Table4 Theoreticalflametemperaturefordifferentcoketemperatures intothecombustionzone ℃ 风口回旋区 焦炭温度 1 500 1 600 1 700 1 800 1 900 2 000 理论燃烧温度 2 143 2 146 2 148 2 151 2 153 2 156 由表 4可见, 焦炭进入风口回旋区的温度越高, 焦炭带入的热值就越大, 理论燃烧温度越高.在喷 煤比为 180 kg· t -1 时, 焦 炭带入的温 度每增加 100℃, 理论燃烧温度增加 2 ～ 3 ℃.由此可见, 如按 焦炭进入回旋区的温度为 1 500 ℃计算, 实质是降低 了理论燃烧温度 . 4.2 风口前 SiO2还原率对理论燃烧温度的影响 表 5和表 6分别给出了进入风口回旋区焦炭温 度为 1800℃、喷煤比为 180 kg·t -1时, 煤粉和焦炭灰 分中 SiO2的还原率对理论燃烧温度的影响.结果由 式 ( 2)计算得到, 即考虑了 SiO2还原的影响.表 5和 表 6根据高炉风口取样得到的结果取焦炭和煤粉灰 分中 SiO2的还原率分别为 6.1%和 10.2%. 由表 5可见, 煤粉灰分中 SiO2还原率在 10.2% 的基础上增加 1%(或减少 1%), 理论燃烧温度就 会下降 1 ℃(或增加 1 ℃) . 由表 6可见, 焦炭灰分中 SiO2还原率在 6.1% 的基础上每增加 1%(或减少 1%), 理论燃烧温度 就会下降 3 ～ 4℃(或增加 3 ～ 4 ℃) . 表 5 煤粉中不同 SiO2还原率时的理论燃烧温度 Table5 Theoreticalflametemperaturefordifferentreductionratesof SiO2 incoal 煤粉中 SiO2 还原率 /% 8.1 9.1 10.2 11.2 12.2 理论燃烧温度 /℃ 2 114 2 113 2 112 2 111 2 110 表 6 焦炭中不同 SiO2 还原率时的理论燃烧温度 Table6 Theoreticalflametemperaturefordifferentreductionratesof SiO2 incoke 焦炭中 SiO2 还原率 /% 4.1 5.1 6.1 7.1 8.1 理论燃烧温度 /℃ 2 119 2 116 2 112 2 109 2 105 表 7为喷煤比为 180 kg·t -1时根据式 ( 1) 和 式 ( 2)热平衡分别计算理论燃烧温度的各项热量收 支状 况 .式 ( 1) 中 焦 炭带 入 热 量 的 温 度 选 定 为 1 500 ℃, 不考虑 SiO2还原;式 ( 2) 中焦炭带入热 量的温度选定为 1 800 ℃, 考虑 SiO2还原.为了计算 方便, 焦炭和煤粉灰分中 SiO2的还原率分别取 6% 和 10%, 其误差为 0.8 ℃, 相对误差为 0.04%. 表 7 两公式计算理论燃烧温度的各项热量收支状况 Table7 Heatbudgetcalculationoftheoreticalflametemperaturebythe twoformulas MJ 计算 方式 热收入项 热支出项 Qca Qwi Qco Qwa Qde QSiO2 式 ( 1) 674.2 461.3 77.8 29.1 44.0 — 式 ( 2) 674.2 461.3 81.7 29.1 44.0 19.8 由表 7可以看出, 式 ( 1)与式 ( 2)在计算时所取 的温度不同, 使得焦炭带入的物理热 Qco增加.另 外, 式 ( 2)计算时考虑了 SiO2被还原成气态 SiO所 消耗的热量, 而且 QSiO2在热支出项中所占比例较 大, 不可忽略. 在高炉冶炼其他参数不变, 仅喷煤比在 100 ～ 220 kg·t -1变化时, 对比了由式 ( 1)和式 ( 2)计算的 理论燃烧温度, 结果如图 4 所示 (计算条件与表 7 相同 ) . 在式 ( 2)中考虑了焦炭进入燃烧区域的温度为 1 800 ℃和 SiO2部分被还原成 SiO的综合结果, 得到 的理论燃烧温度比式 ( 1)要略低一些, 随喷煤比的 升高, 其温度差值逐渐增加.喷煤比从 100 kg·t -1升 高到 220kg·t -1 , 温度差值从 6 ℃增加到 19 ℃, 即在 220 kg·t -1条件下, 由修正前后公式计算的理论燃烧 温度相对误差为 0.9%. · 1409·

。1410 北京科技大学学报 第32卷 2350 50 2300 E40 ● 22250l 20 ■一式(1) 10 2100 ●式② 人★◆土★★★★d 0 2 4 6 810121416 2050 100120 140.160180200220 质量分数/% 喷煤比低g 图6煤粉中灰分和固定炭含量对理论燃烧温度的影响 图4两公式计算的理论燃烧温度随喷煤比的变化 Fg 6 Relations of theoretical fkme temperatre o ash content and Fg 4 Variation of theoretical flane mperate with coal injection fixed ca bon content i coal matio by the wo omulas 降低.式(2)中，煤粉中灰分含量对理论燃烧温度的 5焦炭和煤粉中灰分对理论燃烧温度的 影响有两个方面：煤粉灰分增加，相应固定碳的含量 影响 下降，Q值会下降(Q与煤粉的固定碳含量成正 比9)：另外，由于煤粉中灰分增加，而灰分主要以 图5给出了在喷煤比为180k、焦比为 S)为主，进入风口回旋区和还原的SO的量也增 312k81,煤粉和焦炭中灰分质量分数为0~15% 加，产生的Q,也增大.Qo,引起的理论燃烧温度 时理论燃烧温度的变化（计算条件和公式与表5相 降幅要比Q的大，且随着煤粉中灰分含量的增加， 同).当煤粉和焦炭中的灰分含量每增加%，相对 两者的相差越大，因此降低喷吹煤粉中的灰分对提 应的固定碳含量降低%. 高风口理论燃烧温度是有利的.这也可以解释国内 80m 一些铁厂采用价格较高的低灰分煤粉，而得到较好 煤粉 运60 的高炉综合经济效益的原因 一●一焦炭 计算高炉风口理论燃烧温度时，考虑风口回旋 40 区SQ被还原是必要的，因为高温下S还原对理 论燃烧温度的影响是不可忽略的.另外，采用式(2) ● 可更加全面地描述出煤粉中灰分含量增加对风口理 论燃烧温度的影响因素， 46810121416 6结论 灰分的质量分数% 图5理论燃烧温度下降值随焦炭和煤粉中灰分含量的变化关 (1)通过对高炉风口前不同位置取出的试样中 焦炭和渣的研究，确定了焦炭进入风口回旋区的温 Fg 5 Rela tins of the decease in theoetical flame tempera ture o 度在1800C以上及在风口回旋区的焦炭和煤粉灰 ash conents in coaland coke 分中的S0的还原率分别为61%和10.2%. 在图5中，由于考虑了风口前S0还原的影响， (2)对比了修正前、后风口理论燃烧温度的计 焦炭和煤粉中灰分增加都会引起风口前理论燃烧温 算结果.当喷煤比从100k怒T增加到220k怒1 度下降.由于高炉焦比较喷煤比高出许多，因此焦 时，温度差值从6C增加到19℃即由修正前、后公 炭中灰分对理论燃烧温度的影响要比煤粉中灰分的 式计算的理论燃烧温度的最大相对误差为0.9%. 影响大一些，但煤粉灰分的影响也不能忽视 为了计算方便和扩大使用范围，焦炭和煤粉灰分中 图6给出了喷吹煤粉中固定碳和灰分含量变化 的S0的还原率分别选定为6%和10%，引起理论 对理论燃烧温度的影响，按式(2)计算，条件与图5 燃烧温度的变化不到1℃，相对误差为0.04%. 相同. (3)考虑风口回旋区SQ还原的影响后，煤粉 由图6可见，随着煤粉中灰分增加，带入风口回 中灰分含量增加，会引起理论燃烧温度下降，其原因 旋区的SQ被还原的量也增加，风口理论燃烧温度 是理论燃烧温度不仅是受煤粉中固定碳含量下降的

北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 图 4 两公式计算的理论燃烧温度随喷煤比的变化 Fig.4 Variationoftheoreticalflametemperaturewithcoalinjection ratiobythetwoformulas 5 焦炭 和煤粉 中灰 分对 理论 燃烧 温度 的 影响 图 5 给出了在喷煤比为 180 kg· t -1 、焦比为 312kg·t -1 , 煤粉和焦炭中灰分质量分数为 0 ～ 15% 时理论燃烧温度的变化 (计算条件和公式与表 5相 同 ) .当煤粉和焦炭中的灰分含量每增加 1%, 相对 应的固定碳含量降低 1%. 图 5 理论燃烧温度下降值随焦炭和煤粉中灰分含量的变化关 系 Fig.5 Relationsofthedecreaseintheoreticalflametemperatureto ashcontentsincoalandcoke 在图 5中, 由于考虑了风口前 SiO2还原的影响, 焦炭和煤粉中灰分增加都会引起风口前理论燃烧温 度下降 .由于高炉焦比较喷煤比高出许多, 因此焦 炭中灰分对理论燃烧温度的影响要比煤粉中灰分的 影响大一些, 但煤粉灰分的影响也不能忽视. 图 6给出了喷吹煤粉中固定碳和灰分含量变化 对理论燃烧温度的影响, 按式 ( 2)计算, 条件与图 5 相同. 由图 6可见, 随着煤粉中灰分增加, 带入风口回 旋区的 SiO2被还原的量也增加, 风口理论燃烧温度 图 6 煤粉中灰分和固定炭含量对理论燃烧温度的影响 Fig.6 Relationsoftheoreticalflametemperaturetoashcontentand fixedcarboncontentincoal 降低 .式 ( 2)中, 煤粉中灰分含量对理论燃烧温度的 影响有两个方面:煤粉灰分增加, 相应固定碳的含量 下降, Qca值会下降 ( Qca与煤粉的固定碳含量成正 比 [ 9] ) ;另外, 由于煤粉中灰分增加, 而灰分主要以 SiO2为主, 进入风口回旋区和还原的 SiO2的量也增 加, 产生的 QSiO2也增大.QSiO2引起的理论燃烧温度 降幅要比 Qca的大, 且随着煤粉中灰分含量的增加, 两者的相差越大, 因此降低喷吹煤粉中的灰分对提 高风口理论燃烧温度是有利的.这也可以解释国内 一些铁厂采用价格较高的低灰分煤粉, 而得到较好 的高炉综合经济效益的原因 [ 13] . 计算高炉风口理论燃烧温度时, 考虑风口回旋 区 SiO2被还原是必要的, 因为高温下 SiO2还原对理 论燃烧温度的影响是不可忽略的 .另外, 采用式 ( 2) 可更加全面地描述出煤粉中灰分含量增加对风口理 论燃烧温度的影响因素 . 6 结论 ( 1) 通过对高炉风口前不同位置取出的试样中 焦炭和渣的研究, 确定了焦炭进入风口回旋区的温 度在 1 800℃以上及在风口回旋区的焦炭和煤粉灰 分中的 SiO2的还原率分别为 6.1%和 10.2%. ( 2) 对比了修正前、后风口理论燃烧温度的计 算结果.当喷煤比从 100 kg·t -1增加到 220 kg·t -1 时, 温度差值从 6 ℃增加到 19 ℃, 即由修正前 、后公 式计算的理论燃烧温度的最大相对误差为 0.9%. 为了计算方便和扩大使用范围, 焦炭和煤粉灰分中 的 SiO2的还原率分别选定为 6%和 10%, 引起理论 燃烧温度的变化不到 1 ℃, 相对误差为 0.04%. ( 3) 考虑风口回旋区 SiO2还原的影响后, 煤粉 中灰分含量增加, 会引起理论燃烧温度下降, 其原因 是理论燃烧温度不仅是受煤粉中固定碳含量下降的 · 1410·