5.3--高炉高压操作解析.ppt

5.3 5.3 高高压压操作操作Your company sloganYour company slogan 提高炉顶煤气压力的操作称为高压操作，是相对于常压操作而言的。一般常压高提高炉顶煤气压力的操作称为高压操作，是相对于常压操作而言的。一般常压高炉炉顶压力炉炉顶压力(表压表压)低于低于30kPa，凡炉顶压力超过此值者，均为高压操作。它是通，凡炉顶压力超过此值者，均为高压操作。它是通过安装在高炉煤气除尘系统管道上的高压调节阀组，改变煤气通道截面积，使其比过安装在高炉煤气除尘系统管道上的高压调节阀组，改变煤气通道截面积，使其比常压时为小，从而提高炉顶煤气压力的。由于炉顶压力提高，高炉内部各部分的压常压时为小，从而提高炉顶煤气压力的。由于炉顶压力提高，高炉内部各部分的压力都相应提高。整个炉内的平均压力也提高，使高炉内发生一系列有利于冶炼的变力都相应提高。整个炉内的平均压力也提高，使高炉内发生一系列有利于冶炼的变化，促进了高炉强化和顺行。化，促进了高炉强化和顺行。自自20世纪世纪50年代开始，高压操作成为强化高炉冶炼的有力手段。特别是对年代开始，高压操作成为强化高炉冶炼的有力手段。特别是对2000m以上大型高炉，高压操作更为明显。可以说，高炉容积愈大，为保证强以上大型高炉，高压操作更为明显。可以说，高炉容积愈大，为保证强化顺行所需的炉顶压力应愈高；高炉强化程度愈高。愈需要实行高压操作。因此国化顺行所需的炉顶压力应愈高；高炉强化程度愈高。愈需要实行高压操作。因此国外一些巨型高炉，如日本大分厂外一些巨型高炉，如日本大分厂2号高炉号高炉(内容积内容积5070m)，炉顶压力高达，炉顶压力高达275kPa，1980年年7月平均获得利用系数月平均获得利用系数2.04t(md)，燃料比，燃料比426kg/t铁铁(焦比焦比3834kg/t)的优良结果。日本扇岛的优良结果。日本扇岛1号高炉号高炉(4052m)，炉顶压力高，炉顶压力高于于196kPa，炉顶煤气，炉顶煤气CO2含量达到含量达到20一一30，获得了煤气能量利用的高水，获得了煤气能量利用的高水平。其他平。其他4000m级高炉，炉顶压力一舶都在级高炉，炉顶压力一舶都在200一一300kPa。新设计的巨型高。新设计的巨型高炉，一般都按炉，一般都按250kPa以上的高压操作考虑。以上的高压操作考虑。Your company sloganYour company sloganTable of Contents 5.3.1 5.3.1 高高高高压压操作系操作系操作系操作系统统 5.3.2 5.3.2 高高高高压压操作的影操作的影操作的影操作的影响响响响Your company sloganYour company slogan5.3.1 高高压压操作系操作系统统5.3.1 5.3.1 高压操作系统高压操作系统高炉炉高炉炉顶煤气剩余煤气剩余压力的提高，是由煤气系力的提高，是由煤气系统中的高中的高压调节阀组织控制控制阀门的开的开闭度来度来实现的。前的。前苏联最早最早试验时，曾将，曾将这一一阀组设置在煤气置在煤气导出管上、它很快被煤出管上、它很快被煤气所气所带炉炉尘所磨坏，因而所磨坏，因而试验未未获成功。后来在改成功。后来在改进阀组结构并将其安装在洗构并将其安装在洗涤塔塔之后，才取得成功之后，才取得成功(图54)。长期以来，由于炉期以来，由于炉顶装料装料设备系系统中广泛使用着双中广泛使用着双钟马基式布料器，它既起着封基式布料器，它既起着封闭炉炉顶，又起着旋，又起着旋转布料的作用，布料器旋布料的作用，布料器旋转部位的部位的密封一直阻碍着炉密封一直阻碍着炉顶压力的力的进一步提高。只有到一步提高。只有到20世世纪70年代年代实现了了“布料与封布料与封顶分离分离”的原的原则，即采用双，即采用双钟四四阀、无、无钟炉炉顶等装等装备以后，炉以后，炉顶煤气煤气压力才大幅度力才大幅度提高到提高到150kPa，甚至达到，甚至达到200一一300kPa。Your company sloganYour company slogan5.3.1 高高压压操作系操作系统统应当指出，消耗在当指出，消耗在调压阀组的剩余的剩余压力是由力是由风机提供的，而机提供的，而风机机为此提高了此提高了风压是是消耗了大量的能量的消耗了大量的能量的(由由电动机或蒸汽透平提供机或蒸汽透平提供)。为有效地利用有效地利用这部分部分压力能，人力能，人们从从20世世纪60年代开始，年代开始，试验高炉炉高炉炉顶煤气余煤气余压发电，先后在前，先后在前苏联和法国取得和法国取得成功。采用成功。采用这种技种技术后，可回收后，可回收风机用机用电的的25一一30，节省了高炉省了高炉炼铁的能耗。的能耗。图5-5为采用余采用余压发电后的高后的高压操作系操作系统。Your company sloganYour company slogan5.3.1 高高压压操作系操作系统统Your company sloganYour company slogan5.3.2 高高压压操作的影操作的影响响5.3.2.1 5.3.2.1 对燃烧带的影响对燃烧带的影响由于炉内由于炉内压力提高在同力提高在同样鼓鼓风量的情况下鼓量的情况下鼓风体体积变小从而引起鼓小从而引起鼓风动能的下降。根据能的下降。根据计算由常算由常压(15KPa)提高到提高到80kPa的高的高压后。鼓后。鼓风动能降到原来的能降到原来的76。同。同时，由于炉缸煤气，由于炉缸煤气压力的升高，煤气中力的升高，煤气中O2和和CO2的的分分压升高，促使燃升高，促使燃烧速度加快。鼓速度加快。鼓风动能降低和燃能降低和燃烧速度加快速度加快导致高致高压操作操作后的燃后的燃烧带缩小。小。为维持合理的燃持合理的燃烧带以利于煤气量分布，就可以增加鼓以利于煤气量分布，就可以增加鼓风量，量，这对增加增加产量起着量起着积极的作用。极的作用。Your company sloganYour company slogan5.3.2 高高压压操作的影操作的影响响5.3.2.2 5.3.2.2 对还原的影响对还原的影响 从从热力学上来力学上来说，压力力对还原的影响是通原的影响是通过压力力对反反应CO2十十C2CO的影响的影响体体现的，由于的，由于这个反个反应前后有体前后有体积的的变化，化，压力的增加有利于反力的增加有利于反应向左向左进行，即行，即有利于有利于CO2的存在。的存在。这就有利于就有利于间接接还原的原的进行。同行。同时，高炉内直接，高炉内直接还原原发展程展程度取决于上述反度取决于上述反应进行的程度，高行的程度，高压不利于此反不利于此反应向右向右进行从某种意行从某种意义上上讲，是抑制了直接是抑制了直接还原的原的发展，或者展，或者说将直接将直接还原推向更高的温度区域原推向更高的温度区域进行，同行，同样有有利于利于CO还原原铁氧化物而改善煤气化学能的利用。氧化物而改善煤气化学能的利用。从从动力学上来力学上来说，压力提高加快了气体的力提高加快了气体的扩散和化学反散和化学反应速度，有利于速度，有利于还原反原反应的的进行。但是有的研究者行。但是有的研究者认为压力的提高也加快了直接力的提高也加快了直接还原的速度，因此原的速度，因此压力力对铁的直接的直接还原度不会原度不会产生明生明显的影响，的影响，单从从压力力对还原的影响分析，高原的影响分析，高压操作操作对焦比没有影响。焦比没有影响。研究和研究和实际操作都肯定高操作都肯定高压对Si的的还原是不利的，原是不利的，这表明高表明高压对低硅生低硅生铁的冶的冶炼是有利的。是有利的。Your company sloganYour company slogan5.3.2 高高压压操作的影操作的影响响5.3.2.3 5.3.2.3 对料柱阻损的影响对料柱阻损的影响这是高是高压操作操作对高炉冶高炉冶炼影响的最重要的一个方面。从著名的卡影响的最重要的一个方面。从著名的卡门公式公式不不难看出，料看出，料层的阻力的阻力损失与气流的失与气流的压力成反比。在其他条件不力成反比。在其他条件不变的情况下，可写成的情况下，可写成由于料由于料层的阻力的阻力损失与气流的失与气流的压力成反比，高力成反比，高压操作以后，炉内的操作以后，炉内的总压力力p高高较常常压操作操作时的的p常常大，因而常大，因而常压操作操作时煤气流通煤气流通过料柱的阻力料柱的阻力损失失 p常常大于高大于高压操作操作时的的 p高高。这就使得在常就使得在常压高炉上因高炉上因p过高而引起的高而引起的诸如管道行程，崩料等炉况失常如管道行程，崩料等炉况失常现象在高象在高压操作的高炉上大操作的高炉上大为减少，而且减少，而且还可弥可弥补一些一些强化高炉冶化高炉冶炼技技术使使p升高的升高的缺陷。缺陷。Your company sloganYour company slogan5.3.2 高高压压操作的影操作的影响响研究者研究者们用不同的方式用不同的方式对高高压操作后操作后 p高高下降下降进行了行了测定和定和计算所得算所得结果不果不尽相同，但其平均尽相同，但其平均值约为顶压每提高每提高100kPa，料柱阻，料柱阻损下降下降3kPa。在常。在常压提提高到高到100kPa时，p下降下降值略大于略大于3kPa；而；而顶压由由100kPa进一步提高到一步提高到200一一300kPa时，此，此值降到降到2kPa100kPa。应当指出，高当指出，高压操作以后，炉内料柱操作以后，炉内料柱阻阻损的下降并不是上下部均相同的，的下降并不是上下部均相同的，研究表明，炉子部的阻研究表明，炉子部的阻损下降得多，下降得多，下部的下降得少下部的下降得少(图56)。造成。造成这种种现象的原因是料柱上下部透气不同，象的原因是料柱上下部透气不同，高炉下部由于被高炉下部由于被还原原矿石的石的软熔，空熔，空隙度急隙度急剧下降，下降，压力力对 p的作用的作用为空隙度的下降所减弱。空隙度的下降所减弱。Your company sloganYour company slogan5.3.2 高高压压操作的影操作的影响响众所周知，煤气通众所周知，煤气通过料柱的阻力料柱的阻力损失，相当于自下而上的浮力，它与炉料与炉失，相当于自下而上的浮力，它与炉料与炉墙之之间的摩擦力、炉料与炉料之的摩擦力、炉料与炉料之间的摩擦力等一起，阻碍着靠重力下降的炉料运的摩擦力等一起，阻碍着靠重力下降的炉料运动。高。高压操操作后作后p的下降无疑减少了炉料下降的阻力，可使炉况的下降无疑减少了炉料下降的阻力，可使炉况顺行。如果行。如果p维持在原来低持在原来低压时的水平，的水平，则可增加可增加风量，即提高高炉的冶量，即提高高炉的冶炼强度。度。早期的生早期的生产实践表明，在由常践表明，在由常压改改为80kPa的高的高压后鼓后鼓风量可增加量可增加10一一15，相当于提高相当于提高29.8kPa左右；左右；现在的在的实践表明，再从践表明，再从100kPa往上提高往上提高时，这个个数数值下降到下降到(1.7一一1.8)9.8kPa。这比理比理论计算的算的3左右要低很多造成左右要低很多造成这种差种差别的原因在于：的原因在于：1)高炉内限制冶高炉内限制冶炼强度提高的是炉子下部，如前所述，下部度提高的是炉子下部，如前所述，下部p减少的数减少的数值较小；小；2)高高压以后，焦比有所降低炉以后，焦比有所降低炉尘量大幅度降低，在入炉炉料准量大幅度降低，在入炉炉料准备水平相同的情况下，上部水平相同的情况下，上部块状状带内料柱透气性也内料柱透气性也变差；差；3)高高压以后，燃以后，燃烧带和炉和炉顶布布料料发生生变化，上下部化，上下部调剂跟不上也阻碍着高跟不上也阻碍着高压操作作用的操作作用的发挥。为此，要充分此，要充分发挥高高压对增增产的作用，需要改善炉料的性能，特的作用，需要改善炉料的性能，特别是焦炭的高温是焦炭的高温强度，度，矿石的高温冶金性能和品位石的高温冶金性能和品位(降低渣量降低渣量)，以及掌握燃，以及掌握燃烧带和布料和布料变化化规律，律，应用上下用上下部部调剂手段加以控制。随着手段加以控制。随着这些工作些工作进展的情况不同，各厂家每提高展的情况不同，各厂家每提高10kPa的增的增产幅度波幅度波动在在1.1一一3.0。我国宝。我国宝钢的生的生产经验是是顶压每提高每提高10kPa，风量可增加量可增加200250mmin。Your company sloganYour company slogan5.3.2 高高压压操作的影操作的影响响5.3.2.4 5.3.2.4 对焦比的影响对焦比的影响由于高由于高压操作促操作促进炉况炉况顺行，煤气分布合理，利用程度改善，有利于冶行，煤气分布合理，利用程度改善，有利于冶炼低硅低硅生生铁等，而且使焦比有所下降。国内外的生等，而且使焦比有所下降。国内外的生产经验是，是，顶压每提高每提高10kPa，焦，焦比下降比下降0.2一一1.5。提高炉提高炉顶压力的力的这种增种增产作用只有伴随着作用只有伴随着风量的增加或冶量的增加或冶炼强度的提高才能明度的提高才能明显表表现出来。因出来。因为在焦比不在焦比不变，焦炭，焦炭负荷一定的情况下，高炉生荷一定的情况下，高炉生产率与率与风量，量，亦即亦即单位位时间内燃内燃烧的焦炭量成正比。因此，在一定冶的焦炭量成正比。因此，在一定冶炼条件下，冶条件下，冶炼强度度应与炉与炉顶压力成正比，即提高炉力成正比，即提高炉顶压力可相力可相应地提高冶地提高冶炼强度，从而提高高炉生度，从而提高高炉生产率。率。高高压操作的操作的这种降焦种降焦节能作用已能作用已为越来越多的高炉越来越多的高炉实践所践所证实。根据。根据实践分析，践分析，高高压降低燃耗的原因降低燃耗的原因归结为改善了改善了顺行和煤气利用，行和煤气利用，发展了高炉内的展了高炉内的间接接还原，原，抑制了直接抑制了直接还原。原。首先，高首先，高压操作降低了煤气流速，延操作降低了煤气流速，延长了煤气在炉内与了煤气在炉内与矿石的接触石的接触时间同同时减小或消除了管道行程，改善了煤气分布，从而改善了减小或消除了管道行程，改善了煤气分布，从而改善了铁矿石的石的还原条件使原条件使块料料带内的内的间接接还原得到充分原得到充分发展，煤气能量得到充分利用。展，煤气能量得到充分利用。Your company sloganYour company slogan5.3.2 高高压压操作的影操作的影响响 其次，直接其次，直接还原反原反应取决于反取决于反应CO2十十C2CO的的发展。提高炉展。提高炉顶压力炉内力炉内平均平均压力相力相应提高，促使提高，促使该反反应的平衡向气体体的平衡向气体体积减小的方向减小的方向(逆向逆向)移移动从而从而抑制了直接抑制了直接还原的原的发展，或者展，或者说使直接使直接还原推向更高的温度区域原推向更高的温度区域进行。行。这同同压低低软熔熔带，扩大大块料料带，提高，提高CO利用率的要求相一致。高利用率的要求相一致。高压操作操作对碳的气化反碳的气化反应的的抑制作用，在某种意抑制作用，在某种意义上也相当于降低焦炭的反上也相当于降低焦炭的反应性。性。这对减少碳素溶解减少碳素溶解损失，失，提高焦炭高温提高焦炭高温强度，改善度，改善软熔熔带和滴落和滴落带的透气的透气(液液)性，增加性，增加风口燃口燃烧有效碳量有效碳量都是有利的。都是有利的。同同样，高，高压可抑制硅可抑制硅还原原(SiO2+2C=Si+2CO)，有利于降低生，有利于降低生铁含硅量含硅量促促进焦比降低。研究指出，在提高焦比降低。研究指出，在提高CO压力力时，生，生铁中中Si显著降低，著降低，这是因是因为硅硅在生在生铁中的平衡中的平衡浓度与度与CO分分压的平方成反比。另外，由反的平方成反比。另外，由反应SiO2+CO=SiO+CO2的平衡常数的平衡常数K，可得可得pSiO=XAI)9m。因此提高炉因此提高炉顶压力，力，则气相中气相中pCOpCO2降低，抑制了降低，抑制了SiO的的挥发从而减少了从而减少了硅的硅的还原原导致了燃料的致了燃料的节省。省。高高压操作改善了煤气分布，促操作改善了煤气分布，促进炉况炉况稳定定顺行和炉温行和炉温稳定，因而可减少不必要定，因而可减少不必要的的热量量储备，适当降低炉缸和炉腹温度，使燃料消耗降低，也，适当降低炉缸和炉腹温度，使燃料消耗降低，也为降低生降低生铁含硅量含硅量创造了条件。高造了条件。高压的的顺行作用可保障行作用可保障喷吹燃料和高吹燃料和高风温温发挥更大效用，促更大效用，促进燃耗燃耗进一步降低。一步降低。Your company sloganYour company slogan5.3.2 高高压压操作的影操作的影响响 高高压操作使炉操作使炉尘吹出量吹出量显著减少，著减少，单位位矿石消耗降低石消耗降低实际焦炭焦炭负荷得到保荷得到保证，批料出批料出铁量增加，量增加，铁的回收率提高，焦比的回收率提高，焦比应有所降低。有所降低。实践践证明，明，实行高行高压操作，操作，不断提高炉不断提高炉顶压力水平，是力水平，是强化高炉冶化高炉冶炼，增，增产节能的一条重要途径。根据国内能的一条重要途径。根据国内外外经验，1000m级高炉，炉高炉，炉顶压力力应达到达到120kPa左右；左右；2000m级高炉，高炉，应达到达到150kPa以上；以上；3000m级高炉，高炉，应达到达到200kPa左右；左右；4000m级以以上巨型高炉，上巨型高炉，应达到达到250一一300kPa。高高压操作不可避免地要增加鼓操作不可避免地要增加鼓风机机电耗、但可采取炉耗、但可采取炉顶煤气余煤气余压发电予以回收。予以回收。一般回收的一般回收的发电量相当于高炉量相当于高炉风机机电耗的耗的30。