高炉内煤气流分布及合理控制

1、高炉内煤气流分布及合理控制冯广斌曹锋袁苗苗马腾(首钢长治钢铁公司(安徽首矿大昌公司摘要:鉴于目前的钢铁形势和原燃料质量水平,优化高炉操作成为降低炼铁成本的关键,而提高煤气利用是优化高炉操作的重要内容,合理控制炉内煤气流的分布是提高煤气利用率的核心环节,因此如何控制合理炉内煤气流分布成为主要摸索方向。本文结合长钢9#高炉生产实践,就煤气流的分布和控制进行了讨论。关键词:煤气流分布;调剂手段;合理控制高炉炼铁中,煤气流的分布关系到炉内温度分布、软熔带结构、炉况顺行、煤气的利用状况和高炉长寿,最终影响到高炉冶炼指标。高炉操作也主要是围绕获得合理、适宜的煤气流分布来进行的。鉴于目前的原燃料质量水平,进

2、一步优化存在较大困难,降低炼铁成本的方向就转向了高炉操作。研究炉内煤气流的分布状况对于高炉操作有着很重要的意义。本文主要围绕长钢9#高炉的生产实践,就如何控制合理的煤气流分布进行了研究,为今后的生产调剂提供依据。1.炉内煤气流分布的影响因素高炉生产中热风从风口鼓入,需经过风口回旋区、滴落带、软熔带、块状带,最后从炉顶料面排出,成为炉顶煤气。因而煤气流的分布受各区域透气性分布影响,自下而上可分为风口回旋区的初始流分布、炉腰至炉身下部的煤气流分布和炉身上部的煤气流分布,即煤气在高炉内的三次分布。1.1风口回旋区煤气初始分布的影响因素高炉风口回旋区对冶炼过程起着十分重要的作用。它的形状和大小反映了风

3、口的进风状态,影响气流和温度的分布,决定焦炭的燃烧状态,影响软熔带的形状和位置,是炉况顺行的基础。回旋区前端是死料堆,其透气性较差,对煤气流的阻力较大。而回旋区上方是松散堆积的焦炭,并与软熔带相接,松散的焦炭床虽然有液态的渣铁滴落,但相对透气性较好,对煤气流的阻力较小。回旋区的形成和反应情况,将直接影响着高炉下部煤气的分布、上部炉料的均衡下降、以及整个高炉内的传热传质过程。回旋区中燃料中的碳素与鼓风中的氧进行燃烧而产生煤气,所以,风口回旋区对煤气流分布的影响是极其重要的。回旋区的深度对高炉下部气流影响相当大,过大或过小会造成中心或边缘气流的过分发展。不同炉缸直径需要不同的回旋区直径与之匹配,炉

4、缸直径越大,回旋区越深,以使煤气流向中心扩展,使中心保持一定温度,控制焦炭的堆积数量,维持良好的透气性和透液性。但回旋区面积与炉缸面积比A1/A,随炉缸直径增大而减小。表1 不同炉缸直径的换选区深度(1000级以上13.412.5炉缸直径/m 7.71.881.7回旋区深度/m 0.9651.302 1.211 1.11 1.28 1.36利用系数/(t.m3/d 1.863 1.87 1.534 1.59 1.56 1.92 2 2.29 1.2高炉软熔带煤气二次分布的影响因素高炉软熔带是料柱结构中透气性最差的区域。软熔层、矿石层、焦炭层三者之间的透气性之比为 1 : 4 : 52,软熔层对

5、煤气的运行阻力最大。因此,软熔带的结构、位置、形状对高炉的强化、顺行及煤气利用程度影响很大。软熔带结构与矿石品位和矿石的高温冶金性能有关,提高矿石品位和软化温度可降低软熔层的厚度和宽度,减小煤气运行阻力。而入炉矿焦层厚度比和炉内温度分布直接影响软熔带的位置和形状。焦炭层的透气性好,因而焦炭多的地方煤气流较为发展,该区域的温度就高,软熔带的位置也相应升高。通过软熔带后,煤气被迫改变原来的流动方向,向块状带流去。所以在软熔带中焦炭夹层数及总面积对煤气流的阻力有很大影响,而这与软熔带的形状、高度、宽度和厚度有很大关系,它对高炉中部煤气流分布和块状带及炉喉煤气分布产生重要影响。1.3块状带煤气三次分布

6、影响因素高炉操作主要通过调节装料制度和送风制度来控制煤气流的分布,其中装料制度决定了高炉的炉料分布,而炉料分布又直接影响煤气流分布及软熔带的形状。高炉煤气利用率主要受块状带的传热和化学反应现象影响,同时此区域的煤气流分布也影响压损和高炉顺行。而在块状带煤气流的分布主要受炉料的分布影响。高炉炉料的分布情况不仅影响软熔带的形状,而且对高炉的操作起到了决定性的作用。由于高炉布料的重要,带来了许多这方面的研究。研究表明,通过散料床的煤气流分布是不均匀的,且煤气流分布受料床的透气性变化影响,即受实际装料的影响。炉料透气性好将促进煤气流发展,反之则抑制煤气流发展,甚至导致悬料、管道等炉况的发生。在料面附近

7、的煤气流分布也将受料面形状的影响而发生改变。而料层的透气性分布与炉料颗粒大小、矿焦比、空隙率等径向分布有关,而这些与高炉装料的装料方式、矿焦批重及炉料冶金性能有关。因而布料是高炉控制煤气流径向分布的最重要因素之一,它对高炉利用系数、能耗、操作稳定性等有很大影响。2.炉内煤气流分布的判断在生产中往往采用间接的方法,即用煤气中的CO2%、煤气温度、红外线热图像仪以及其他辅助数据判断煤气流分布。2.1 CO2曲线根据碳素守恒,高炉内CO+CO2总数基本为常数,变化不大,煤气流分布与CO的分布基本一致,所以CO2径向分布与煤气流分布也呈一定规律。CO2量低处,煤气流速高;CO2量高处,煤气流速低。CO

8、2曲线也称煤气曲线。如图中的4种曲线就代表4种煤气分布:a 为边缘气流型,表示中心焦炭负荷过重,边缘气流过分发展,这会造成炉顶温度偏高,除尘器混合煤气中CO2低。这种曲线表示炉缸中心堆积,炉衬容易损坏,且燃料比升高。b为中心气流型,这种煤气分布,煤气利用率高,炉顶温底低,混合煤气中CO2高,焦比低,炉衬寿命长,是现代高炉生产的典型曲线;c为两道气流型,这种类型的煤气分布对炉料加工处理稍差的高炉比较适用,易获高产,但指标不如中心气流型好;d为管道气流,即CO2%最低点既不在中心,也不在边缘,而在发生管道行程的部位,这属于异常炉况,这时的煤气利用较差,处理不当,会伴随一系列异常炉况出现。中心CO2

9、图1 煤气CO2曲线2.2煤气温度分布炉顶煤气温度分布可以直接说明煤气分布的特点,温度高的地方煤气流较多。这里的炉顶煤气温度有两个概念,第一个炉顶煤气温度概念指传统的顶温,即多数高炉在炉喉和4个煤气导出管各安装4个热电偶,所以只能判断圆周上4个方向的温度变化,这时判断的是边缘四个方向煤气流的强弱,对炉身上部局部结厚的判断有着重要的意义。第二个炉顶煤气温度概念指的是十字测温,对径向上的温度分布的测定也由间歇式改为固定式,径向上的温度分布曲线的形状与CO2曲线的形状正相反,即CO2含量高的点其温度是低的。它比CO2曲线更易连续测量。在实际生产中主要是用CO2曲线和温度分布曲线来判断煤气分布。 a

10、b图2 a 9#BF圆周方向顶温分布; b 十字测温分布2.3红外线热图像仪测定这一技术的引用,使判断气流分布变得更加方便,更加直接。给操作者很直观地提供了料面温度分布图像和气流变化情况。利用热图像仪提供的信息可以判断炉料下降和煤气分布情况,探测操作中的失常情况和迅速反映出布料控制措施的效果。在9高炉的生产中,红外成像反映信息较准确,对知道实际生产有重要的意义。2.4其他辅助数据在实际生产中,经过长时间的摸索,一些数据也能间接反映气流分布的规律,并且方向较准确,对生产有一定的指导意义。(1除尘灰Zn含量的变化:9#高炉生产中一定时间周期会对除尘灰进行成份分析,其中最重要的一项分析便是Zn元素,

11、这一元素的富集对炉内影响较大,也是导致炉墙结厚的主要原因,经验发现,在中心气流较为发展时,除尘灰的Zn较高,相反,在边缘气流较为发展时较低。9#高炉在中心气流发展,即炉顶摄像显示中心火柱较为稳定有力,除尘灰中Zn 达到10%以上,但中心气流弱时甚至低于1%。下图是9#高炉2012年9月至2013年1月中心气流与布袋灰Zn含量的分布情况。 图3 布袋灰Zn含量与中心气流的关系(2生铁Si、S含量:正常生产时,如果原燃料质量变化不大,生铁中Si、S含量变化范围不大,但如果出现高Si 高S 时,这是边缘气流一定程度上较发展。下图是2013年1月,9#高炉一段时间内铁水Si 和S 的分布情况,后期出现

12、0.5%的Si,同时经常出现0.050%的S,经过分析,认为边缘较开,后适当压制边缘后效果较明显。 动大,说明这个方向气流发展,同时如果缘气流发展。手段3.1风速在220m/s 左右,其次是根据圆周不同部位气流的分布特点选择风口的大 2 9#高炉口配情况图4 Si 、S 曲线趋势(3炉体热电偶温度:炉体热电偶的变化可间接反映气流的分布,特别是炉身下部以上区域。正常生产时,圆周方向上各点差别不大,垂直方向上不同高度对应各点应稳定在各自水平,如果某个方向上几个高度各点均升高,且波圆周上多点出现大幅波动,说明边3.调整煤气流分布的 送风制度的调整送风制度对气流的分布和炉缸工作状态的好坏起着决定性的作

13、用,因此在调整气流分布是首先应考虑送风制度(风量、风温、湿分、喷吹量、风口面积及风口长度是否合适,一般认为当鼓风吹透中心时,回旋区最大,煤气流聚集于中心的“焦窗”处,有利于发展中心。回旋区过小,加大下部炉身边缘的煤气流,加重炉壁侵蚀。但这仅在下部炉料透气性均较好的情况可能实现,炉料透气性越小,其“整流”作用越强,在回旋区形成的初始煤气流分布对后续煤气流分布的影响也越弱。实际生产中主要是调整风口面积和不同直径风口的分布位置。9#高炉生产中用到的风口直径分别为120mm、125mm、130mm 三种,长度分430mm、450mm 两种,斜度5度,表2为9#高炉现风口配置,图5为风口分布图。根据冶炼

14、条件的变化我们调整相应的风口面积,原则是保证标准小和长度。 表风置1 2 3 4 5 6 7 8 9 10直径/mm 125 125 130 125 120125130 120 125 125长度/mm 430 450 450 430 430430450 430 450 43011 12 13 14 15 1617 18 19 20直径/mm 130 120 125 125 130120125 125 125 125长度/mm 40 4504550 43450 430 043450 430 0 450风口面积/m2 0.2455 风量/m3/min 3200 鼓风动能/kg.m/s 13160

15、 图 5 风口分布图3.2装料制度的调整在送风制度基本合适的前提下,调整上部装料制度可以达到较为合理的煤气分布。装料制度的调整主要包括对矿批、料线、布料角度和圈数的调整,辅助还有对料种料序和溜槽正反转时间的调整。9#高炉主要是对布料角度和圈数进行调整,且尽量稳定焦炭平台,对矿石布料制度进行调整,表3为9#高炉近期的装料制度。原则是“小幅调剂动圈数,大幅调剂动角度”,同时用加权角差进行数值判断,在生产中取得较好效果。在处理特殊炉况时还采取一些特殊的布料制度,比如循环焦、循环矿、同位布料以及中心加焦,有时也采用一些逆向的布料制度,比如,原则上炉喉中心焦炭多可以打开中心气流,但中心漏斗过大,会使得边

16、缘矿石滚至中心,这样中心反而没有,这时就需要适当小幅压中心,这要求对气流的判断必须准确,否则可能导致炉况异常。表3 9#高炉装料制度日期风量M3/min矿批T矿石角度和环数,A 焦炭角度和环数,B 角差2013-1 3260 36.5 O:33(432(531(3 C:35(333(231(228(225(2 1.26 2012-10 3170 35.6 O:35(234(533(332(2C:35(233(231(229(227(2 2.58 2012-6 3310 36.5 O:35(334(533(5 C:35(233(231(229(228(1 2.293.3其他因素除上述两个大的调剂

17、因素外,炉体冷却强度、热制度、造渣制度也应给予一定考虑。进入冬季,炉体冷却强度较大,为防止边缘炉墙结厚,在严格控制冷却水来水温度范围的同时,还需要适当放开边缘,以保持正常的生产需要。热制度和造渣制度的变化,会直接导致煤气流在炉缸和炉体下部的分布情况,进而影响煤气的利用率,因此在对其进行相应调剂时应考虑到对煤气分布的影响。4.煤气流调节原则煤气调节的方向是使得气流分布趋于合理,而合理的煤气分布需要达到以下要求:炉料顺利下降,炉温充沛,炉况稳定;煤气能量利用充分,炉顶温度低,CO利用率高,最终实现低燃料消耗，炉衬寿命长的目的。依据长钢现有技术装备和原燃料质量水平，气流分布应 为平坦中心气流型，即“

18、发展中心，兼顾边缘”，要求中心保持一个阻力较小的煤气发展通 路，但范围不宜过宽，即中心不宜过大，同时边缘亦应有适量的煤气流，在两者之间，则尽 量均匀平坦分布。当然，合理的煤气分布是相对的，它随炉容的变化，原燃料质量情况，设 备条件，操作工艺水平等而变化的。 4.1 正常生产煤气流分布原则 在原燃料质量、冶强控制、工艺参数等变化不大的情况下，高炉生产必须保持相对稳定 的煤气流分布。就 9#高炉而言，需要满足“中心气流发展且稳定，边缘气流兼顾防发展” 的基本原则，生产上需要保持中心通路的稳定和力度，炉顶温度中心 CCT 达到 550-600， 标准风速须达到 220-230m3/min，因此，装料

19、制度上为“发展中心，小幅压边”，送风制度 必须与之相匹配。上部炉顶红外摄像显示中心气流火柱要稳定有力，但忌过旺，边缘有气不 过吹；中部要求炉身热电偶温度保持相应水平，不应出现长时间的大幅波动；下部要求风口 工作均匀活跃，炉缸热量充沛稳定，生铁物理热和化学热相匹配，宜实现低硅冶炼。 4.2 原燃料质量恶化的调剂原则 保持原燃料质量的稳定优质是保证炉况顺行的关键，是实现低能耗冶炼的基础，表 4、 表 5 为长钢原燃料情况。长钢 9#高炉所需原料方面：烧结全为自产烧结矿，球团按 515% 比例使用部分外购球团，还补充 510%比例块矿；燃料方面焦炭 50%为自产焦炭，50%为外购 焦炭。原料方面影响

20、生产的主要因素为料种的变化，受仓储的影响，料种变化较为频繁，尤 其是外购球团和块矿。一方面由于矿种成分的差异，为保证正常的炉渣成分，烧结矿配比调 剂幅度较大（6072%），烧结比例增加时表现不太明显，当机烧比例较低时，由于球团和块 矿的滚动效应强，中心气流短时间便消失，炉内气流不稳，排 Zn 效果差，长时间会致使炉 缸工作状态变差，甚至炉墙结厚；另一方面成分的不同，虽然调整配比后渣碱度可以稳定在 一定范围内，但炉渣的渣相变化是难以合理调剂的，部分矿种的使用导致炉渣粘稠，脱 S 能力变差，最终影响炉缸状态和气流分布。同时，部分矿种质量较差，含粉率高，水分大， 筛分效果差，导致风压波动大，炉内压差

21、升高，高炉接受风量能力和炉况顺行度变差。 表 4 长钢原料质量统计 矿种 烧结 球团 自产 承德 伊朗 罗泊河 南非 印度 墨西哥 TFe 52.98 62.45 62.41 65.46 57.13 65.05 51.89 58.82 FeO 6.42 3.46 0.83 1.74 0.37 0.36 0.74 SiO 2 6.49 8.73 5.31 2.6 4.66 4.11 6.56 7.73 CaO 11.49 0.9 1.64 0.68 0.17 0.17 0.10 1.79 MgO 2.64 0.47 0.93 1.94 0.17 0.07 0.10 0.37 Al 2 O 3 2

22、.51 0.90 1.37 0.49 2.13 1.51 7.73 0.9 S 0.030 0.011 0.010 0.010 0.015 0.012 0.033 1.04 转鼓 78.43 94.04 97.13 94.3 块矿 燃料方面的影响，主要表现在焦炭上，从化验结果看长钢所用外购焦炭质量较好，但是 波动大，尤其是水分和热性能，甚至好的热性能炉况走势也会变差，气流分布不遵循固有规 律， 今后在焦炭质量评价方面还有待深入研究。 因此针对气流的分布， 需要做好相应的调整， 一方面要改善炉内的透气性，适当疏松边缘，使压差水平稳定在一定范围内小幅波动；另一 方面仍要保持有力的中心气流，以稳定炉

23、缸的工作状态和煤气利用。 表 5 长钢焦炭质量统计 M40 瑞达 劲牛 永鑫 大土河 83 80.9 82.5 86.7 M10 5.3 6.96 7.63 6.78 Ad 11.70 12.14 11.72 12.10 Vd 1.07 1.20 1.25 1.26 S 0.76 0.80 0.64 0.61 Mt 5.5 8.04 9.88 7.70 反应性 指数 25.41 25.58 20.37 24.92 反应后 强度 68.19 66.05 71.2 67.84 4.3 异常炉况恢复时气流调剂原则 异常生产炉况是高炉生产中不可完全避免的，处理过程包括两个方面，即异常炉况的消 除和生产

24、恢复，其中后者更为重要，恢复不得当反而会造成下一个异常炉况的出现，而恢复 炉况的关键便是控制好气流的分布。 异常炉况消除后一般会造成炉缸一定程度上的亏热， 气 流运动阻力的再次分布， 补充足够的热量是必要的， 同时需要人为控制气流分布向合理水平 发展，即首先控制气流分布稳定，然后控制气流强度，最后恢复正常的气流分布。初期控制 气流分布稳定非常重要，这时需要采取较为“强硬”的手段，使气流在短时间方向稳定，我 们采用的手段有同位布料和小角度少档位布料， 通过对焦炭平台的重新分布， 使得两股气流 均较强，这样在短时间可实现气流的一次分布。待气流分布稳定后，风量恢复随之而进行， 这时对气流的调整方向为“适当加重边缘和中心”，具体幅度依具体情况而定，不应过重， 仍要保持两股气流的存在，但强