高爐煤氣運動沿高爐高度煤氣壓力的變化

爐缸產(chǎn)生的煤氣，在爐缸與爐喉的壓力差(△p)作用下，穿過整個料柱運動到爐喉料面上。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量、風壓、爐頂壓力和料柱透氣性。風量愈大，風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。由于高爐上不常測量爐缸壓力，生產(chǎn)中在計算爐缸與爐喉之間的壓力差時，常用熱風壓力代替爐缸煤氣壓力，故而在使用△p時，應該考慮到，其中包括從熱風圍管、熱風支

多數(shù)高爐在爐身下部裝有測壓裝置，這樣就可以測量出風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，當出現(xiàn)崩料，懸料(見懸料與坐料)等現(xiàn)象時，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的措施。也有的高爐在爐身部分設2～3層測壓裝置，連同風壓和爐頂壓力便可以取得高爐3～4個區(qū)域的壓差(圖3)，這對分析高爐操作很有幫助。對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，主要對高爐上部壓差有影響;而風溫，風量，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。當爐況不順，出現(xiàn)懸料時，在懸料區(qū)段壓差升高，而在管道行程時，該區(qū)段壓差降低。

煤氣流速對還原過程、熱交換過程，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化，煤氣流速不斷增加，煤氣運動問題顯得愈來愈重要。為此，人們克服高溫，粉塵等困難，采用畢托管、示蹤原子、熱線風速儀、局部煤氣速度計等進行了大量的直接測量研究，并用高爐操作數(shù)學模型進行了計算分析，但因高爐內(nèi)影響煤氣流速的因素較多，也較復雜，所以獲得的結果都不夠準確。盡管如此，從眾多的測量結果和數(shù)模中還是總結出了一些規(guī)律：

(1)高壓操作使爐內(nèi)煤氣流速降低，而且流速與CO₂%和溫度有關，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，測量得到：

由此推算煤氣的線速度在2.5～6.8m/s之間。計算結果是固定床空隙度為0.416～0.42的爐料在運動時空隙度達到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。

由回旋區(qū)出來的煤氣溫度，由于測試困難，還缺少實測數(shù)據(jù)，但可根據(jù)熱平衡和物料平衡作理論上的計算，計算所得結果稱為風口前理論燃燒溫度。該值一般在2000～2350℃范圍內(nèi)。在實際應用中此值不應過高，主要原因是：溫度過高造成SiO的大量揮發(fā)會給操作帶來困難。風溫低、焦比高的中小型高爐也有低于2000℃者，但這肯定是不經(jīng)濟的。高溫煤氣在上升過程中很快將熱量傳給渣、鐵和爐料，而自身被冷卻，由料面逸出時的溫度也即爐頂溫度與冶煉條件有關，一般為100～400℃。煤氣溫度的變化過程也是激烈的熱交換過程。爐頂溫度是高爐內(nèi)熱能利用的重要標志，該溫度愈低，說明熱交換愈充分，熱能利用愈好;反之，則說明熱能利用愈差。

離開回旋區(qū)的煤氣含CO35%左右和少量的H₂，其余為N₂。煤氣在上升過程中成分不斷變化，其規(guī)律如圖2所示。N₂不參加化學反應，其絕對量不變，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?shù)竭_中上部間接還原區(qū)時，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。煤氣在上升過程中，由于吸收焦炭的有機氫和揮發(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化為H₂O。穿過料柱到達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，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，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外，還與H₂參加還原的程度，即H₂的利用率有關，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，在冷卻設備漏水時，煤氣中H₂含量也會升高。在采用富氧鼓風時，根據(jù)富氧率大小，煤氣成分將有相應變化，主要是N₂%減少，CO%和CO₂%升高。

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

高爐爐缸產(chǎn)生的煤氣，在爐缸與爐喉的壓差(△p)的作用下，穿過整個料柱運動到爐喉的料面上。這個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煤氣運動的阻力上，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料層時，路徑時寬時窄，質(zhì)點的軌跡十分曲折，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得多些，阻力大的地方少些。研究高爐煤氣運動規(guī)律的基本目的是如何減少氣體的阻力，多鼓風，多出鐵，同時使氣流分布均勻，煤氣的熱能和化學能得到充分的利用，降低冶煉能耗。

塊狀帶△p的表達式 在研究類似高爐爐料的散料層中的氣體運動時，通常將氣體通過料塊空隙的運動，假設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動。這樣，就可以應用流體力學中關于氣體通過無填充管道的壓頭損失的一般公式，并通過試驗，修正公式中的阻力系數(shù)得到半經(jīng)驗公式。在研究分析高爐煤氣運動時，經(jīng)常應用的表達式有扎沃隆科夫(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為氣體的運動黏度系數(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)。扎沃隆科夫公式過去為俄國學派普遍采用，他認為高爐內(nèi)煤氣運動處在不穩(wěn)定紊流區(qū)，相當于層流轉變?yōu)槲闪鞯倪^渡區(qū)。厄根公式是歐美學派的代表，他認為高爐煤氣運動是紊流狀態(tài)?，F(xiàn)在冶金工作者普遍認為高爐煤氣運動是處在紊流區(qū)內(nèi)，所以它已取代扎沃隆科夫公式而廣泛應用于世界各國的研究工作和文獻中。

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料層的能量大小，并集中地反應在△p的表達式中。

高爐煉鐵過程中在風口燃燒帶產(chǎn)生的熾熱煤氣穿過料柱上升到爐頂?shù)倪^程。煤氣在運動過程中，將熱量傳給下降的爐料而本身則被冷卻，同時煤氣中的CO和H2作為還原劑參加鐵礦石的還原反應并轉化成CO₂和H₂O。煤氣與鐵礦石的接觸時間、緊密程度及分布的均勻性將直接影響煤氣的熱能和化學能的利用程度，即影響燃料消耗；而煤氣的機械運動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風量的多少，又影響爐況的順行情況。因此，使煤氣流與爐料充分接觸，而對爐料的支撐力又最小乃是獲得良好高爐操作技術指標的重要條件。研究高爐煤氣運動主要是研究高爐內(nèi)的壓力場和煤氣流量的分布，煤氣運動過程中成分和溫度的變化以及影響上述過程的主要因素，以期獲得最好的高爐技術經(jīng)濟指標。

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

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溫度，還需要將BFG和助燃空氣預熱后送熱風爐燃燒。復熱式煉焦爐使用單一BFG,是將BFG和助燃空氣通過蓄熱室的格子磚預熱到1000℃左右，然后進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60～80g/Nm³，而水蒸氣通常是飽和的，所以它是一種低級燃料。通常，高爐煤氣在使用前應進行凈化處理，有時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用

燒純高爐煤氣鍋爐發(fā)電技術、燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組和高溫蓄熱式燃燒技術的研制成功并在鋼鐵企業(yè)中的廣泛應用，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是可燃成分低，燃燒不穩(wěn)定，燃燒溫度低，煙氣量大。火焰穩(wěn)定直接關系到燃燒的安全性，對低熱值煤氣一般都采用穩(wěn)定強化燃燒的措施，如富化高爐煤氣或采用換熱器對高爐煤氣和助燃空氣雙預熱等 。

一、高爐煤氣需要預熱

同體積的高爐煤氣的發(fā)熱量較焦爐煤氣低得多，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，除了空氣需要預熱外，高爐煤氣也必須預熱。因此使用高爐煤氣加熱時，燃燒系統(tǒng)上升氣流的蓄熱室中，有一半用來預熱空氣，另一半用來預熱煤氣。煤氣與空氣一樣，經(jīng)過斜道進入燃燒室立火道進行燃燒。

二、燃燒系統(tǒng)的阻力大

用高爐煤氣加熱時，耗熱量高（一般比焦爐煤氣高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空氣，因此上升氣流空氣系統(tǒng)和阻力仍比焦爐煤氣加熱時要大。

三、高爐煤氣燃燒火焰較長

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

由于通過蓄熱室預熱的氣體量多，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爐煤氣加熱時低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，必須保持煤氣設備嚴密。高爐煤氣設備在安裝時應嚴格按規(guī)定達到試壓標準，如果閑置較長時間再重新使用前，必須再次進行打壓試漏，確認管道、設備嚴密后才能改用高爐煤氣加熱。日常操作中，還應對交換旋塞定期清洗加油，對水封也應定期檢查，保持滿流狀態(tài)，蓄熱室封墻，小煙道與聯(lián)接管處的檢查和嚴密工作應經(jīng)常進行。

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

五、高爐煤氣含塵量大

焦爐所用的高爐煤氣含塵量要求最大不超過15mg/m³。2012年以來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，但長期使用高爐煤氣后，煤氣中的灰塵也會在煤氣通道中沉積下來，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)過水洗滌的，它含有飽和水蒸汽。煤氣溫度越高，水分就越多，會使煤氣的熱值降低。從計算可知，煤氣溫度由20℃升高到40℃時，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超過35℃。當煤氣溫度發(fā)生一定變化時，交換機工應立即調(diào)整加熱煤氣的表流量，以保證供給焦爐的總熱量的穩(wěn)定。