季節變化對高爐冶煉的影響

曾凡波, 劉喜華, 毛東輝, 殳哲君

(1.中天鋼鐵集團有限公司,江蘇 南通 226000)

高爐煉鐵生產實踐努力追求穩定、順行,以實現最優的經濟技術指標,然而在實際生產過程中受季節、原燃料供應等因素的影響,高爐冶煉表現出一定的周期性。煉鐵學者從長年生產數據總結出季節變化對高爐生產的影響,并從實踐角度出發提出了不同季節高爐生產應該注意的問題和操作思路[1-4]。

本文從理論角度系統地分析了季節變化對進風參數的影響,指出濕度、溫度的季節性變化是造成高爐冶煉季節性變化的兩個重要因素,為季節交替時高爐生產可能產生的問題與生產操作調整的方向提供理論依據。

1 大氣濕度對高爐冶煉的影響

標態下大氣飽和含水含量隨溫度變化如圖1所示。

圖1 標準大氣壓下大氣飽和水分含量隨溫度變化

由圖1可以看出,溫度越高大氣飽和水分含量增加愈明顯,即溫度同樣增加10 ℃,飽和水分含量增加量不同:如由0 ℃增加到10 ℃,飽和水分含量只增加4.5 g/m3;而溫度由20 ℃增加到30 ℃,飽和水分含量增加13 g/m3,同樣溫度梯度,飽和水分增加值近3倍的差距。大氣飽和濕度的這一特征是季節變化對高爐冶煉產生影響的重要因素。

大氣中絕對濕度表示大氣中的實際含水量,由飽和水分含量決定并受水文條件影響[5]。如:在0 ℃時,大氣飽和水分是4.85 g/m3,擬定某地相對濕度60 %,則空氣中絕對濕度為:4.85×60%=2.91 g/m3;在30 ℃時,大氣飽和水分是30.30 g/m3,擬定相對濕度95%,則空氣中絕對濕度為:30.30×95%=28.79 g/m3。

由上述分析可以看出不同季節條件下,大氣含水量(絕對濕度)變化較大,這一變化將對鼓風含氧量、燃耗、理論燃燒溫度、爐腹煤氣量等產生較大影響,以下從大氣濕度這一因素進行系統分析。

1.1 絕對濕度的富氧作用

因大氣中水分分解后產生氧氣,其分解化學式如下:

H2O=H2+1/2O2

(1)

每份水汽分解能產生0.5份氧氣,因此大氣絕對濕度對高爐鼓風具有富氧作用,不同絕對濕度的富氧效果如下表1所示。

表1 絕對濕度的富氧效果

由表1可以看出,水分分解后從不含水分的干富氧空氣到絕對濕度28 g/m3,相當于鼓風中富氧率增加了0.98 %,接近1 %。僅從水分分解后產生氧的角度分析看,大氣濕度的富氧作用明顯。但大氣水分在風口前分解需要消耗大量的熱,致燃耗增加、噸鐵耗風量增加。因此,水分分解后的富氧作用將大幅降低。

1.2 絕對濕度對燃耗的影響

大氣中絕對濕度對燃耗的影響分為“兩增一降”:大氣中水蒸氣升溫耗熱、水蒸氣在風口前分解耗熱以及水蒸氣分解后的氫參與爐內還原降耗作用[6-7]。其中,水蒸氣升溫到鼓風溫度耗熱在熱風爐區域,將使熱風爐煤氣消耗增加;水蒸氣在風口前分解耗熱在爐缸風口區域,將使高爐消耗增加;風口前水分分解產生的氫參與了鐵氧化物還原,該反應可以減少還原過程中的碳素消耗,具有降低燃耗作用。

(1)水蒸氣升溫耗熱:水蒸氣在200 ℃條件下(風機后溫度)熱熔為34.28 kJ/mol·K,1180 ℃時熱熔為39.35 kJ/mol·K,則1 kg水蒸氣升溫到鼓風溫度耗熱量為2276 kJ。

(2)水分分解耗熱:1 kg水蒸氣在風口區域分解消耗熱量為10 800 kJ。

(3)水分分解產生的氫參與還原的降耗:由于高爐中CO、CO2、H2和H2O之間存在平衡關系,使H2在還原過程中的利用率受到極大地限制,有研究表明高爐中H2的利用率一般為30 %～50 %[8]。為計算方便,本文假定氫的還原率與一氧化碳45%相當。根據方程式

FeO+C=Fe+CO

(2)

該反應過程中生成每摩爾金屬鐵需要在爐缸吸收熱量152.2 kJ,而氫參與的直接還原方程式為:

FeO+H2=Fe+ H2O

(3)

該反應中生成每摩爾金屬鐵需要在爐缸吸收熱量只有27.7 kJ,因此每摩爾氫參與爐缸內鐵氧化物還原能夠減少124.5 kJ的熱量支出,則1 kg水蒸氣在爐內參與還原可減少6917 kJ熱量支出。

綜合上述分析可以看出絕對濕度最終將使燃耗增加,其對燃耗影響的定量化計算涉及濕度的富氧作用、濕度對噸鐵耗風量等交互作用,利用文獻[9]中煉鐵計算模型,假定高爐基本操作參數:干焦比370 kg/t、干煤比150 kg/t,煤粉揮發份19 %,氫含量4.26 %,富氧4 %,絕對濕度對噸鐵耗風量、高爐燃耗的影響如下圖2所示。

圖2 絕對濕度對噸鐵燃耗及噸鐵耗風量的影響

由圖2可以看出:隨著絕對濕度增加,噸鐵耗風量逐漸降低,絕對濕度每增加5 g/m3,噸鐵耗風量降低3 m3,噸鐵燃耗增加約1.16 kg。若冬夏季絕對濕度變化25 g/m3,將影響噸鐵焦比約6 kg,而影響噸鐵耗風量約1.6 %。

因此,季節變化引起的絕對濕度變化對噸鐵耗風量影響較小,但對燃耗的影響不可忽略。

1.3 絕對濕度對理論燃燒溫度的影響

大氣中絕對濕度增加,水分在風口分解過程中吸收大量的熱,對理論燃燒溫度、爐缸熱制度造成較大影響[10]。

綜合考慮絕對濕度對燃耗影響,在富氧4 %、煤比150 kg/t、焦比350 kg/t的條件下,絕對濕度增加時,理論燃燒溫度變化情況如圖3所示。從圖3可以看出,大氣絕對濕度每增加1 g/m3,理論燃燒溫度將降低7 ℃;大氣絕對濕度超過27 g/m3時理論燃燒溫度將降到2050 ℃以下,將對爐缸熱狀態造成較大影響,不利于高爐穩定順行。

圖3 大氣絕對濕度對理論燃燒溫度的影響注:本文理論燃燒溫度計算將噴煤中吸附水蒸發分解熱也計算在內,如此更能夠貼近現實生產。

1.4 大氣濕度對噸鐵爐腹煤氣量、熱風壓力及鼓風動能的影響

絕對濕度的富氧作用,區別于工業氧氣。首先,前文已分析大氣絕對濕度增加后燃耗增加,致噸鐵耗風降低量較工業氧氣少;其次,根據水蒸氣分解反應式(1)可以看出,每份水汽在風口前分解產生1.5份氣體產物,因此大氣濕度增加時風口前噸鐵煤氣量與爐腹噸鐵煤氣產生量隨之增加,綜合影響如圖4所示。

圖4 煤氣產生量隨絕對濕度變化

根據圖4可以看出,絕對濕度雖有富氧作用,使噸鐵耗風量降低,但綜合考慮燃耗因素,風口及爐腹位置噸鐵煤氣量增加,折合絕對濕度增加1 g/m3,風口與爐腹噸鐵煤氣量增加約1.3 m3,以冬夏季節絕對濕度變化25 g/m3,該增加量約為2 %。這是夏季壓差高、順行條件劣于冬季的一個因素。

2 氣溫對高爐冶煉的影響

高爐操作實踐中,利用系數相同條件下秋冬季節鼓風壓力較春夏季節低,除上述絕對濕度的影響外,還與大氣溫度改變有關。氣溫對高爐冶煉的影響目前研究的較少,本文從大氣溫度這一單因素著重分析其對高爐冶煉的影響。

2.1 大氣溫度對鼓風動能的影響

圖5 大氣溫度對鼓風動能的影響

由圖5可以看出,對于冬季大氣溫度0 ℃、操作315 kPa的高爐,大氣溫度每升高5 ℃影響熱風壓力約3 kPa,致鼓風動能降低約1.88 %。同時,壓力越高(或爐容越大)氣溫對熱風壓力、鼓風動能影響越大。以冬夏季節溫度變化25 ℃,夏季壓力將升高到338 kPa,鼓風動能降低量約為10 %,這是夏季不易吹透中心的重要原因。

2.2 大氣溫度對高爐冶煉的影響

下面從定風量和定風壓操作兩種情況分析。

(1)定風壓操作:根據方程:PV=nRT,兩種工況下:

(4)

(5)

當高爐操作采取定風壓操作時P1=P2(冷風壓力,下同),因風機后冷風溫度不同,造成單位時間進入高爐內的有效風量不同,恒容條件下(即V1=V2),不同季節、溫度下n1與n2的關系如下:

(6)

由上式可以看出,在定風壓操作時,單位時間內有效風量與冷風溫度T成反比。例如:高爐冬季風機后冷風溫度180 ℃(大氣溫度0 ℃),即T1=453 K;夏季風機后冷風溫度220 ℃(大氣溫度32 ℃),即T2=493 K。在此條件下:n冬=1.09×n夏,即定風壓操作條件下冬季有效風量為夏季的1.09倍,不考慮其他因素可以認為冬季產量為夏季產量的1.09倍。

(2)定風量操作:根據方程:PV=nRT,兩種工況下:

(7)

(8)

大氣密度隨溫度變化致不同季節噸鐵耗風量(干風)實際體積產生改變,但經溫壓補償為標態風量相同,即噸鐵耗風所含各項組成物質的量不變n1=n2;恒容條件下(即V1=V2),不同季節、溫度下P1與P2的關系為:

(9)

大氣溫度對高爐冶煉的主要影響在鼓風機后的冷風溫度T上,大氣溫度低,風機后冷風溫度T相對也低。例如:高爐冬季風機后冷風溫度180 ℃(大氣溫度0 ℃),即T1=453 K;夏季風機后冷風溫度220 ℃(大氣溫度32 ℃),即T2=493 K;在此條件下P冬=0.929×P夏,因定風量操作時單位時間內有效風量相同、產量相同,即產量相同條件下冬季風壓只有夏季風壓的92.9%。

高爐操作過程中多采用定風壓操作,假定某一高爐夏季熱風壓力340 kPa,日產量3200 t,則冬季相同熱風壓力340 kPa條件下可以產鐵3444 t,實際操作過程中往往因為爐腹煤氣量關系,冬季不能達到如此冶煉強度,需要適量減少壓力、風量來降低冶強,但依然出現冬季壓力低、產量高的現象。

3 結論

(1)季節變化造成的大氣濕度改變對高爐富氧作用不明顯,但對噸鐵燃耗影響較大。由于水分在風口前分解產生的有富氧作用,但綜合考慮水分增加將在風口前分解耗熱使燃耗增加,噸鐵耗風量沒有因為濕度的富氧作用降低,反而有所增加,但這種增加量較小,25 g/m3水分影響噸鐵耗風量約1.6%;而濕度對燃耗的影響則不可忽略,若冬夏季絕對濕度變化25 g/m3,將影響噸鐵焦比約6 kg。

(2)季節變化造成的大氣濕度改變對理論燃燒溫度的影響明顯。絕對濕度每增加1 g/m3,理論燃燒溫度將降低7 ℃,若冬夏季絕對濕度變化25 g/m3,將影響理論燃燒溫度175 ℃,這將對高爐爐缸熱制度產生極大影響。

(3)季節變化造成的大氣濕度改變對爐腹煤氣量的影響明顯。綜合考慮燃耗因素,風口及爐腹位置噸鐵煤氣量增加,折合絕對濕度增加1 g/m3,風口與爐腹噸鐵煤氣量增加約1.3 m3,以冬夏季節絕對濕度變化25 g/m3,該增加量約為2 %,這是夏季壓差高、順行條件劣于冬季的一個重要因素。

(4)季節變化引起的氣溫變化對鼓風動能影響顯著。定風壓操作條件下,冬季風量高,動能大;夏季風量低,動能小。定風量操作條件下,冬季壓力低,動能高;夏季壓力高,動能低。在季節溫差顯著地區鼓風動能的差值接近甚至超過10 %。

(5)季節變化引起的氣溫變化對高爐冶煉影響顯著。單一考慮氣溫因素采取定風壓操作,冬季低溫時有效風量明顯較夏季高溫時多,在季節溫差顯著地區這種有效風量的差值接近甚至超過10 %;單一考慮氣溫因素條件采取定風量操作,在季節溫差顯著地區,相同產鐵量條件下,在冬季低溫時,風壓較夏季高溫時低很多,這一差值高的接近甚至超過10 %。