高爐煤氣運(yùn)動(dòng)

離開(kāi)回旋區(qū)的煤氣含CO35%左右和少量的H₂，其余為N₂。煤氣在上升過(guò)程中成分不斷變化，其規(guī)律如圖2所示。N₂不參加化學(xué)反應(yīng)，其絕對(duì)量不變，但比值在不斷降低;在高爐下部，由于直接還原使CO量不斷增加，當(dāng)?shù)竭_(dá)中上部間接還原區(qū)時(shí)，由于部分CO參加間接還原，CO量不斷減少，而生成等量的CO₂，所以CO₂量有所增加。煤氣在上升過(guò)程中，由于吸收焦炭的有機(jī)氫和揮發(fā)分中的H₂，H₂含量略有增加;在間接還原區(qū)域，由于H₂參加還原而有部分轉(zhuǎn)化為H₂O。穿過(guò)料柱到達(dá)爐喉料面上的煤氣一般含CO17%～25%。焦比高的高爐，CO高;焦比低的CO低。隨冶煉鐵種和煤氣利用率的不同而異。冶煉含Si，Mn等難還原元素多的鐵種，以及煤氣CO利用率低時(shí)，爐喉煤氣中含CO高。CO2與CO正相反，焦比低，CO利用率高的高爐，其CO₂高。鐵氧化物氧化度高的爐料和石灰石用量多時(shí)，CO₂高些。在一般情況下，CO CO₂之和在39.5%～42%之間，基本上是常數(shù)。H₂的多少除與初始含量有關(guān)外，還與H₂參加還原的程度，即H₂的利用率有關(guān)，利用率高的爐頂煤氣中H2低;反之，則H2高。一般H₂的利用率為30%～45%。此外，在冷卻設(shè)備漏水時(shí)，煤氣中H₂含量也會(huì)升高。在采用富氧鼓風(fēng)時(shí)，根據(jù)富氧率大小，煤氣成分將有相應(yīng)變化，主要是N₂%減少，CO%和CO₂%升高。

料面上的煤氣由爐頂導(dǎo)入重力除塵器，這里的煤氣稱為混合煤氣，生產(chǎn)中便根據(jù)它的成分變化來(lái)衡量煤氣化學(xué)能的利用程度。

由回旋區(qū)出來(lái)的煤氣溫度，由于測(cè)試?yán)щy，還缺少實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，但可根據(jù)熱平衡和物料平衡作理論上的計(jì)算，計(jì)算所得結(jié)果稱為風(fēng)口前理論燃燒溫度。該值一般在2000～2350℃范圍內(nèi)。在實(shí)際應(yīng)用中此值不應(yīng)過(guò)高，主要原因是：溫度過(guò)高造成SiO的大量揮發(fā)會(huì)給操作帶來(lái)困難。風(fēng)溫低、焦比高的中小型高爐也有低于2000℃者，但這肯定是不經(jīng)濟(jì)的。高溫煤氣在上升過(guò)程中很快將熱量傳給渣、鐵和爐料，而自身被冷卻，由料面逸出時(shí)的溫度也即爐頂溫度與冶煉條件有關(guān)，一般為100～400℃。煤氣溫度的變化過(guò)程也是激烈的熱交換過(guò)程。爐頂溫度是高爐內(nèi)熱能利用的重要標(biāo)志，該溫度愈低，說(shuō)明熱交換愈充分，熱能利用愈好;反之，則說(shuō)明熱能利用愈差。

高爐煉鐵過(guò)程中在風(fēng)口燃燒帶產(chǎn)生的熾熱煤氣穿過(guò)料柱上升到爐頂?shù)倪^(guò)程。煤氣在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，將熱量傳給下降的爐料而本身則被冷卻，同時(shí)煤氣中的CO和H2作為還原劑參加鐵礦石的還原反應(yīng)并轉(zhuǎn)化成CO₂和H₂O。煤氣與鐵礦石的接觸時(shí)間、緊密程度及分布的均勻性將直接影響煤氣的熱能和化學(xué)能的利用程度，即影響燃料消耗；而煤氣的機(jī)械運(yùn)動(dòng)既遇到爐料的阻力又給爐料以支撐力(△p)，其大小直接影響高爐進(jìn)風(fēng)量的多少，又影響爐況的順行情況。因此，使煤氣流與爐料充分接觸，而對(duì)爐料的支撐力又最小乃是獲得良好高爐操作技術(shù)指標(biāo)的重要條件。研究高爐煤氣運(yùn)動(dòng)主要是研究高爐內(nèi)的壓力場(chǎng)和煤氣流量的分布，煤氣運(yùn)動(dòng)過(guò)程中成分和溫度的變化以及影響上述過(guò)程的主要因素，以期獲得最好的高爐技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

高爐爐缸產(chǎn)生的煤氣，在爐缸與爐喉的壓差(△p)的作用下，穿過(guò)整個(gè)料柱運(yùn)動(dòng)到爐喉的料面上。這個(gè)壓差所反映的能量損失也稱壓頭損失，它主要消耗在克服爐料對(duì)煤氣運(yùn)動(dòng)的阻力上，而阻力損失主要有：一是由于煤氣并非理想氣體，有一定黏度，會(huì)與通道壁產(chǎn)生摩擦而損失能量，這一部分稱摩擦阻力損失;另一則由于氣體通過(guò)料層時(shí)，路徑時(shí)寬時(shí)窄，質(zhì)點(diǎn)的軌跡十分曲折，要克服湍流、漩渦和截面突然變化而造成的能量損失，這一部分稱為局部阻力損失。這些阻力損失直接決定著爐內(nèi)的壓力變化和氣流分布，氣流總是在阻力小的地方通過(guò)得多些，阻力大的地方少些。研究高爐煤氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基本目的是如何減少氣體的阻力，多鼓風(fēng)，多出鐵，同時(shí)使氣流分布均勻，煤氣的熱能和化學(xué)能得到充分的利用，降低冶煉能耗。

塊狀帶△p的表達(dá)式 在研究類似高爐爐料的散料層中的氣體運(yùn)動(dòng)時(shí)，通常將氣體通過(guò)料塊空隙的運(yùn)動(dòng)，假設(shè)為氣體沿著彼此平行、有著不規(guī)則形狀和不穩(wěn)定截面、互不相通的管束的運(yùn)動(dòng)。這樣，就可以應(yīng)用流體力學(xué)中關(guān)于氣體通過(guò)無(wú)填充管道的壓頭損失的一般公式，并通過(guò)試驗(yàn)，修正公式中的阻力系數(shù)得到半經(jīng)驗(yàn)公式。在研究分析高爐煤氣運(yùn)動(dòng)時(shí)，經(jīng)常應(yīng)用的表達(dá)式有扎沃隆科夫(Н.М.Жаваронков)公式：如圖1 所示。

式中γ，ρ為氣體的密度，kg/m³;ω為氣體的空爐速度，m/s;v為氣體的運(yùn)動(dòng)黏度系數(shù)，m/s;ε為爐料的空隙度(量綱為1);g為重力加速度，m/s;dэ為爐料中通道的當(dāng)量直徑，m;dp為爐料的平均直徑，m;Φ為形狀系數(shù)，即爐料顆粒與球粒的差異程度(量綱為1)。扎沃隆科夫公式過(guò)去為俄國(guó)學(xué)派普遍采用，他認(rèn)為高爐內(nèi)煤氣運(yùn)動(dòng)處在不穩(wěn)定紊流區(qū)，相當(dāng)于層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鞯倪^(guò)渡區(qū)。厄根公式是歐美學(xué)派的代表，他認(rèn)為高爐煤氣運(yùn)動(dòng)是紊流狀態(tài)?，F(xiàn)在冶金工作者普遍認(rèn)為高爐煤氣運(yùn)動(dòng)是處在紊流區(qū)內(nèi)，所以它已取代扎沃隆科夫公式而廣泛應(yīng)用于世界各國(guó)的研究工作和文獻(xiàn)中。

影響△p的因素主要是原料特性和煤氣特性。原料特性主要是指它的粒度組成和空隙度，煤氣特性主要是指煤氣流速、溫度、黏度和壓力;前者決定了爐料的透氣性，后者決定了煤氣通過(guò)料層的能量大小，并集中地反應(yīng)在△p的表達(dá)式中。

煤氣流速對(duì)還原過(guò)程、熱交換過(guò)程，煤氣的壓頭損失以及煤氣的分布均有很大影響。特別是隨著高爐冶煉的日益強(qiáng)化，煤氣流速不斷增加，煤氣運(yùn)動(dòng)問(wèn)題顯得愈來(lái)愈重要。為此，人們克服高溫，粉塵等困難，采用畢托管、示蹤原子、熱線風(fēng)速儀、局部煤氣速度計(jì)等進(jìn)行了大量的直接測(cè)量研究，并用高爐操作數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了計(jì)算分析，但因高爐內(nèi)影響煤氣流速的因素較多，也較復(fù)雜，所以獲得的結(jié)果都不夠準(zhǔn)確。盡管如此，從眾多的測(cè)量結(jié)果和數(shù)模中還是總結(jié)出了一些規(guī)律：

(1)高壓操作使?fàn)t內(nèi)煤氣流速降低，而且流速與CO₂%和溫度有關(guān)，流速高處，煤氣溫度高，CO₂含量低。

(2)用同位素氡、氪85和水銀蒸氣作示蹤原子，測(cè)量得到：

由此推算煤氣的線速度在2.5～6.8m/s之間。計(jì)算結(jié)果是固定床空隙度為0.416～0.42的爐料在運(yùn)動(dòng)時(shí)空隙度達(dá)到0.457～0.634，也就是增加了1.09～1.51倍。

(3)生產(chǎn)高爐的爐體半徑上煤氣分布是不均勻的，中心區(qū)煤氣流速高。但在半徑的任何位置上，從料面向下3～4m處煤氣流速都達(dá)到最大，而在爐腰附近煤氣流速最低，再向下在靠近爐缸處速度又有所增加。

爐缸產(chǎn)生的煤氣，在爐缸與爐喉的壓力差(△p)作用下，穿過(guò)整個(gè)料柱運(yùn)動(dòng)到爐喉料面上。總的壓力變化規(guī)律是，在正常情況下，沿著爐子高度壓力逐漸降低，基本上呈一直線。若某處偏離正常直線，說(shuō)明該部位透氣性發(fā)生了變化。爐缸煤氣的壓力主要決定于風(fēng)量、風(fēng)壓、爐頂壓力和料柱透氣性。風(fēng)量愈大，風(fēng)溫越高爐頂壓力愈高，料柱透氣性愈差則爐缸煤氣壓力愈高;反之則愈低。由于高爐上不常測(cè)量爐缸壓力，生產(chǎn)中在計(jì)算爐缸與爐喉之間的壓力差時(shí)，常用熱風(fēng)壓力代替爐缸煤氣壓力，故而在使用△p時(shí)，應(yīng)該考慮到，其中包括從熱風(fēng)圍管、熱風(fēng)支

多數(shù)高爐在爐身下部裝有測(cè)壓裝置，這樣就可以測(cè)量出風(fēng)壓與爐身下部之間的壓差△p下和爐身下部與爐頂之間的壓差△p上。利用△p下和△p上可以算出高爐下部透氣性指數(shù)和上部透氣性指數(shù)，并借此判斷高爐行程。例如，當(dāng)出現(xiàn)崩料，懸料(見(jiàn)懸料與坐料)等現(xiàn)象時(shí)，就可以利用上、下部壓差的變化，判斷故障發(fā)生的位置并采取相應(yīng)的措施。也有的高爐在爐身部分設(shè)2～3層測(cè)壓裝置，連同風(fēng)壓和爐頂壓力便可以取得高爐3～4個(gè)區(qū)域的壓差(圖3)，這對(duì)分析高爐操作很有幫助。對(duì)于沿高爐高度上靜壓力變化的研究表明，爐料的透氣性發(fā)生變化和裝料制度變更時(shí)，主要對(duì)高爐上部壓差有影響;而風(fēng)溫，風(fēng)量，造渣制度(初渣數(shù)量和初渣性質(zhì))等則主要影響下部壓差。當(dāng)爐況不順，出現(xiàn)懸料時(shí)，在懸料區(qū)段壓差升高，而在管道行程時(shí)，該區(qū)段壓差降低。

BFG是高爐煤氣（Blast Furnance Gas）的英文縮寫(xiě)，高爐煉鐵過(guò)程副產(chǎn)，產(chǎn)率高達(dá)噸鐵約2000m³；但熱值低，CO含量高，毒性較大，以往使用價(jià)值較低。

中文名

高爐煤氣

外文名

Blast Furnance Gas, BFG

BFG因熱值低，常溫下燃燒不穩(wěn)定，理論燃燒溫度只有300℃左右。一般工業(yè)爐都使用BFG與COG配置的混合煤氣。高爐熱風(fēng)爐憑借爐內(nèi)耐火磚砌體熱容量大所形成的高溫環(huán)境,使單一BFG能夠穩(wěn)定燃燒。如要求獲得更高的熱風(fēng)溫度，還需要將BFG和助燃空氣預(yù)熱后送熱風(fēng)爐燃燒。復(fù)熱式煉焦?fàn)t使用單一BFG,是將BFG和助燃空氣通過(guò)蓄熱室的格子磚預(yù)熱到1000℃左右，然后進(jìn)入燃燒室立火道燃燒，可使炭化室爐墻加熱到1100℃以上。

近年來(lái)鋼廠為節(jié)能降耗,紛紛將原先因富余而放散的BFG和LDG送鍋爐摻燒,LDG的回收率已有所提高。BFG燃燒降低爐膛輻射傳熱效果，而且廢氣量又大。摻燒多了影響鍋爐的熱效率。2100433B

高爐煤氣中帶有大量的灰分，灰分含量可達(dá)60～80g/Nm³，而水蒸氣通常是飽和的，所以它是一種低級(jí)燃料。通常，高爐煤氣在使用前應(yīng)進(jìn)行凈化處理，有時(shí)與重油或煤粉摻和作為工業(yè)爐和鍋爐的燃料 。

高爐煤氣在鋼鐵廠的應(yīng)用

燒純高爐煤氣鍋爐發(fā)電技術(shù)、燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組和高溫蓄熱式燃燒技術(shù)的研制成功并在鋼鐵企業(yè)中的廣泛應(yīng)用，為高爐煤氣的有效利用提供了很好的途徑 。

高爐煤氣除作為加熱燃料供鋼鐵廠使用外，還能用于發(fā)電等其它用途，利用好這部分副產(chǎn)能源不僅能降低企業(yè)的能源消耗，還將改善鋼鐵企業(yè)對(duì)周邊環(huán)境的污染。

提高高爐煤氣利用的措施

低熱值高爐煤氣的特點(diǎn)是可燃成分低，燃燒不穩(wěn)定，燃燒溫度低，煙氣量大?；鹧娣€(wěn)定直接關(guān)系到燃燒的安全性，對(duì)低熱值煤氣一般都采用穩(wěn)定強(qiáng)化燃燒的措施，如富化高爐煤氣或采用換熱器對(duì)高爐煤氣和助燃空氣雙預(yù)熱等 。

一、高爐煤氣需要預(yù)熱

同體積的高爐煤氣的發(fā)熱量較焦?fàn)t煤氣低得多，一般為3300—4200KJ/m3。熱值低的高爐煤氣是不容易燃燒的，為了提高燃燒的熱效應(yīng)，除了空氣需要預(yù)熱外，高爐煤氣也必須預(yù)熱。因此使用高爐煤氣加熱時(shí)，燃燒系統(tǒng)上升氣流的蓄熱室中，有一半用來(lái)預(yù)熱空氣，另一半用來(lái)預(yù)熱煤氣。煤氣與空氣一樣，經(jīng)過(guò)斜道進(jìn)入燃燒室立火道進(jìn)行燃燒。

二、燃燒系統(tǒng)的阻力大

用高爐煤氣加熱時(shí)，耗熱量高（一般比焦?fàn)t煤氣高15%左右），產(chǎn)生的廢氣多，且密度大，因而阻力也較大。而上升氣流雖然供入的空氣量較少，但由于上升氣流僅一半蓄熱室通過(guò)空氣，因此上升氣流空氣系統(tǒng)和阻力仍比焦?fàn)t煤氣加熱時(shí)要大。

三、高爐煤氣燃燒火焰較長(zhǎng)

高爐煤氣中的惰性氣體約占60%以上。因而火焰較長(zhǎng)，焦餅上下加熱的均勻性較好。

由于通過(guò)蓄熱室預(yù)熱的氣體量多，因此蓄熱室、小煙道和分煙道的廢氣溫度都較低。小煙道廢氣出口溫度一般比使用焦?fàn)t煤氣加熱時(shí)低40—60℃。

四、高爐煤氣毒性大

高爐煤氣中CO的含量一般為25%—30%，為了防止空氣中CO含量超標(biāo)，必須保持煤氣設(shè)備嚴(yán)密。高爐煤氣設(shè)備在安裝時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按規(guī)定達(dá)到試壓標(biāo)準(zhǔn)，如果閑置較長(zhǎng)時(shí)間再重新使用前，必須再次進(jìn)行打壓試漏，確認(rèn)管道、設(shè)備嚴(yán)密后才能改用高爐煤氣加熱。日常操作中，還應(yīng)對(duì)交換旋塞定期清洗加油，對(duì)水封也應(yīng)定期檢查，保持滿流狀態(tài)，蓄熱室封墻，小煙道與聯(lián)接管處的檢查和嚴(yán)密工作應(yīng)經(jīng)常進(jìn)行。

高爐煤氣進(jìn)入交換開(kāi)閉器后即處于負(fù)壓狀態(tài)。一旦發(fā)現(xiàn)該處出現(xiàn)正壓，應(yīng)立即查明原因組織人力及時(shí)處理，確保高爐煤氣進(jìn)入交換開(kāi)閉器后處于負(fù)壓狀態(tài)。

五、高爐煤氣含塵量大

焦?fàn)t所用的高爐煤氣含塵量要求最大不超過(guò)15mg/m³。2012年以來(lái)由于高壓爐頂和洗滌工藝的改善，高爐煤氣含塵量可降到5mg/m³以下，但長(zhǎng)期使用高爐煤氣后，煤氣中的灰塵也會(huì)在煤氣通道中沉積下來(lái)，使阻力增加，影響加熱的正常調(diào)節(jié)，因而需要采取清掃措施。

另外，高爐煤氣是經(jīng)過(guò)水洗滌的，它含有飽和水蒸汽。煤氣溫度越高，水分就越多，會(huì)使煤氣的熱值降低。從計(jì)算可知，煤氣溫度由20℃升高到40℃時(shí)，要保持所供熱量不變，煤氣的表流量約增加12%。因此要求高爐煤氣的溫度不應(yīng)超過(guò)35℃。當(dāng)煤氣溫度發(fā)生一定變化時(shí)，交換機(jī)工應(yīng)立即調(diào)整加熱煤氣的表流量，以保證供給焦?fàn)t的總熱量的穩(wěn)定。