CN115216569A - 通过理论燃烧温度调控高炉喷吹熔剂工艺参数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种通过理论燃烧温度调控高炉喷吹熔剂工艺参数的方法，S1.根据预先设定的高炉喷吹工艺参数，确定未喷吹熔剂时的基准理论燃烧温度；S2.按步骤S1所述的高炉喷吹工艺参数，计算喷吹熔剂时的实际理论燃烧温度；S3.设基准理论燃烧温度与实际理论燃烧温度的差值为y，以y＝0为目标，调整富氧率、风温和风量，即得到新的高炉喷吹熔剂工艺参数。本发明充分考虑了不同熔剂在高炉风口回旋区及在高炉造渣过程中的作用，科学评价高炉复合喷吹熔剂对风口回旋区热平衡的影响，进而实现对高炉喷吹熔剂种类及用量的定向优化，从而提高高炉冶炼效率和质量，降低能耗。

Description

通过理论燃烧温度调控高炉喷吹熔剂工艺参数的方法

技术领域

本发明涉及高炉炼铁技术领域，尤其涉及一种通过理论燃烧温度调控高炉喷吹熔剂工艺参数的方法。

背景技术

高炉冶炼至今已有200多年的历史，高炉-转炉流程工艺结构在世界钢铁工业发展中仍占主导地位。国内高炉炉料结构一般由烧结矿、球团矿和块矿组成，相比于烧结矿而言，球团矿的生产过程在能耗、污染物排放方面有明显的优势，提高炼铁炉料球团矿的比例成为促进炼铁系统节能减排的主要措施。而高炉造渣是高炉炼铁的主要任务之一，高炉渣的性能好坏直接对铁水的质量有重大影响。因此，高炉的原料中必须含有适宜含量的渣熔剂。高炉冶炼所需熔剂一般以高碱度烧结矿的形式入炉，但过高的碱度会对烧结矿的产量及冶金性能产生负面影响。从高炉风口复合喷吹熔剂可以将部分碱性熔剂随着煤粉从风口喷入，不仅可以减少高炉炉腹的渣量，还可以减少液相集中，有助于消除其对脱硅和脱硫平衡过程的不良影响。其次，熔剂与煤粉复合喷吹时，由于熔剂和煤粉的粒度、比重存在差异，在高速气流中运动时会产生相互碰撞，这在一定程度上促进了煤粉的进一步细化，增加了比表面积，进而有利于提高喷吹煤粉的燃烧率。

碱性熔剂入炉方式的改变，一方面缓和了烧结矿碱度过高对烧结生产带来的压力，有利于提高烧结矿的产量和改善烧结矿的冶金性能，同时也降低了高炉冶炼的渣量和燃料消耗；但另一方面熔剂通过风口喷吹进入高炉，改变了风口回旋区的传输状态，对高炉的冶炼也带来了一系列的影响。高炉风口回旋区是高炉炼铁过程的“心脏”，影响高炉内焦炭燃烧、渣铁生成、炉况顺行以及煤气分布，回旋区内的物理化学反应又会影响软熔带和滴落带的大小、形状以及上部炉料的预热、顺行，因此风口回旋区对于高炉的整体冶炼至关重要。

风口回旋区的理论燃烧温度是其热平衡的标志参数，是高炉操作的重要指标，它影响着炉缸温度、渣铁反应和高炉的顺行。理论燃烧温度的高低也明显的影响着喷吹燃料的燃烧和利用。因此，理论燃烧温度对高炉冶炼工艺参数的确定至关重要。特别是通过探究高炉复合喷吹熔剂在风口回旋区内的行为及对理论燃烧温度的影响，有助于对喷吹熔剂时的高炉工艺参数进行定向调控，从而提高高炉冶炼效率和质量，降低能耗。

有鉴于此，有必要设计一种改进的通过理论燃烧温度调控高炉喷吹熔剂工艺参数的方法，以解决上述问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种通过理论燃烧温度调控高炉喷吹熔剂工艺参数的方法，该方法充分考虑了不同熔剂在高炉风口回旋区及在高炉造渣过程中的作用，科学评价高炉复合喷吹熔剂对风口回旋区热平衡的影响，进而实现对高炉喷吹熔剂种类及用量的定向优化，从而提高高炉冶炼效率和质量，降低能耗。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种通过理论燃烧温度调控高炉喷吹熔剂工艺参数的方法，包括如下步骤：

S1.根据预先设定的高炉喷吹工艺参数，确定未喷吹熔剂时的基准理论燃烧温度；

S2.按步骤S1所述的高炉喷吹工艺参数，计算喷吹熔剂时的实际理论燃烧温度；

S3.设基准理论燃烧温度与实际理论燃烧温度的差值为y，以y＝0为目标，调整富氧率、风温和风量，即得到新的高炉喷吹熔剂工艺参数。

作为本发明的进一步改进，步骤S1中，所述基准理论燃烧温度根据下式计算得到：

步骤S2中，所述实际理论燃烧温度根据下式计算得到：

式中，Q_ck为焦炭燃烧放热；Q_cm为煤粉燃烧放热；H_b为富氧鼓风带入的显热；H_ck为焦炭带入的显热；H_cm为煤粉带入的显热；H_gas为喷煤载气带入的显热；Q_w-g为水煤气反应吸热；Q_decom为煤粉分解吸热；Q_gas为载气吸热；Q_slag为煤粉和焦炭灰分造渣吸热；Q_flux熔剂多步反应热效应；V_g为炉缸煤气量；m_a为风口前燃烧焦炭和煤粉的灰分量；m_w为未燃煤粉量；C_pg为炉缸煤气量热容；C_a为灰分比热容；C_w为未燃煤粉比热容；

其中：

Q_flux＝Q_b+Q_fp+Q_pp+Q_pr-Q_fs+Q_ps；

式中，Q_b为熔剂分解热；Q_fp为熔剂物理吸热；Q_pp为分解产物物理吸热；Q_pr为分解产物化学反应热；Q_fs为熔剂成渣放热；Q_ps为熔剂成渣物理吸热；

其中，Q_ps＝m_flux×C_flux×ΔT；

式中，m_flux为熔剂成渣量，C_flux为熔剂成渣物质的比热容，△T为熔剂从分解温度到理论燃烧温度的差值。

作为本发明的进一步改进，步骤S3中，设定：

y＝a×P_富氧+b×T_风+c×W_风-d×W_熔剂，

式中，P_富氧为富氧率；T_风为风温；W_风为风量；W_熔剂为熔剂喷吹量；

通过富氧率、风温、风量及熔剂喷吹量的梯度正交实验，得到给定熔剂喷吹量条件下，y＝0时的富氧率、风温和风量。

作为本发明的进一步改进，式中，a＝24.9，b＝6.3，c＝4.2。

作为本发明的进一步改进，所述熔剂为CaCO₃、Ca(OH)₂、CaO中的一种或多种；所述熔剂的喷吹量为10-20kg/tHM。

作为本发明的进一步改进，所述熔剂的喷吹量为15kg/tHM，且当所述熔剂为CaCO₃时，d＝10.6；当所述熔剂为CaO时，d＝2.1；当所述熔剂为Ca(OH)₂时，d＝12.0。

作为本发明的进一步改进，煤粉带入显热H_cm根据煤粉成分计算所得，同时要计算出煤粉的平均热容C_pm，煤粉带入显热H_cm和煤粉平均热容C_pm分别通过以下公式计算得到：

式中，W_M为喷吹煤粉量，kg/h；w_m为煤粉各组分的质量分数；t_m为煤粉进入风口回旋区的温度，℃；A_i和B_i为燃料中各物质的比热系数；T为温度参数；(H₂O)M为煤粉中的水分含量，％；C_pH2O为水的比热容。

Q_w-g指水与碳反应(水煤气反应)吸收的热，kJ·min^-1；

水包括鼓风中湿分和煤粉中的水分，传统理论燃烧温度计算一般未考虑煤粉中水分的影响。基于热力学分析可知水分开始分解温度为4045℃，而在高炉内不可能达到如此高的温度，但水煤气反应的开始温度为665℃。故在风口回旋区的温度下，水分的直接分解反应不易发生，水分是通过与碳发生水煤气反应而消耗的。由于水煤气反应(吸热)可以视为水分分解反应(吸热)和碳素燃烧反应(放热)两个反应的叠加，所以在处理传统计算公式时不能简单地用水煤气反应热项代替原来的水分分解热项。而应在碳素燃烧热项中不再考虑(扣除)水分中的氧与碳不完全燃烧反应的放热项。

C(s)+H₂O(g)＝H₂(g)+CO(g)

作为本发明的进一步改进，炉缸煤气量热容C_pg、灰分热容C_a及C_w未燃煤粉热容的计算公式如下：

式中，t_f为理论燃烧温度，℃；W_i为煤粉固定碳，灰分中的SiO₂、Al₂O₃、CaO、MgO等的含量；a_i,b_i,c_i,A_i和B_i为相应组分系数。

作为本发明的进一步改进，根据不同煤种和混煤喷吹情况确定相应的分解热，按照已有的分解热的确定方法，运用盖斯定律，通过测定1kg干燥煤粉的低位发热量q_net和煤粉中各元素(C、H、O)的含量(干基d)，得到25℃下总反应热q_total，从而得到煤粉的分解热(比焓)。计算公式如下：

q_decom＝q_net-q_total

式中，w_C,d为C元素的质量分数，％；w_H,d为H元素的质量分数，％；w_O,d为O元素的质量分数，％；W_M为喷吹煤粉量，kg/h。

作为本发明的进一步改进，步骤S1中所述高炉喷吹工艺参数包括高炉喷吹用焦炭和煤粉的成分组成和喷吹量、生铁产量、煤比、富氧鼓风量、鼓风温度、载气量。

本发明的有益效果是：

本发明提供的通过理论燃烧温度调控高炉喷吹熔剂工艺参数的方法，可用于高炉复合喷吹熔剂对高炉冶炼影响的评估，该方法考虑熔剂喷吹对风口回旋区热平衡的影响，明确了碱性熔剂风口喷吹后的行为和对理论燃烧温度的影响。不同熔剂对风口回旋区热平衡的影响效果不同，本发明通过对高炉复合喷吹熔剂理论燃烧温度的计算，对喷吹熔剂种类和喷吹量进行定向优化选择。该方法计算过程简单，实用性强，对高炉冶炼现场喷吹熔剂的选择和优化具有重要的意义。

附图说明

图1为本发明高炉喷吹模型结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例对本发明进行详细描述。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在具体实施例中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

请参阅图1所示，本发明适用于高炉喷吹模型，本发明提供的一种通过理论燃烧温度调控高炉喷吹熔剂工艺参数的方法，包括如下步骤：

S1.根据预先设定的高炉喷吹工艺参数，确定未喷吹熔剂时的基准理论燃烧温度；可根据高炉喷吹经验，确定高炉喷吹用焦炭和煤粉的成分组成和喷吹量、生铁产量、煤比、富氧鼓风量、鼓风温度、载气量等工艺参数。对生产高炉使用的焦炭、煤粉进行工业分析和元素分析，并测定焦炭和煤粉灰分的成分组成；获得高炉生产基本数据，然后建立基于多步化学反应的高炉喷吹熔剂理论燃烧温度的计算方法，包括热收入项、热支出项、产物项和熔剂喷吹多步化学反应热效应项，未喷吹熔剂时，熔剂喷吹多步化学反应热效应项为0。

本发明基准理论燃烧温度通过下式计算：

S2.按步骤S1所述的高炉喷吹工艺参数，计算喷吹熔剂时的实际理论燃烧温度；通过下式计算：

式中，Q_ck为焦炭燃烧放热；Q_cm为煤粉燃烧放热；H_b为富氧鼓风带入的显热；H_ck为焦炭带入的显热；H_cm为煤粉带入的显热；H_gas为喷煤载气带入的显热；Q_w-g为水煤气反应吸热(Q_w-g水煤气反应吸热为风口回旋区的温度下，认为水分是通过与碳发生水煤气反应而消耗的)；Q_decom为煤粉分解吸热；Q_gas为载气吸热(当喷吹熔剂时，载气吸热随载气量的增加而成比例增加)；Q_slag为煤粉和焦炭灰分造渣吸热；Q_flux熔剂多步反应热效应；V_g为炉缸煤气量；m_a为风口前燃烧焦炭和煤粉的灰分量；m_w为未燃煤粉量；C_pg为炉缸煤气量热容；C_a为灰分比热容；C_w为未燃煤粉比热容；

其中：

Q_flux＝Q_b+Q_fp+Q_pp+Q_pr-Q_fs+Q_ps；

式中，Q_b为熔剂分解热；Q_fp为熔剂物理吸热；Q_pp为分解产物物理吸热；Q_pr为分解产物化学反应热；Q_fs为熔剂成渣放热；Q_ps为熔剂成渣物理吸热；

其中，Q_ps＝m_flux×C_flux×ΔT；

式中，m_flux为熔剂成渣量，C_flux为熔剂成渣物质的比热容，△T为熔剂从分解温度到理论燃烧温度的差值。

Q_slag＝270×(w_CaO+w_MgO)×4.187

式中，w_CaO表示煤粉和焦炭灰分中的CaO含量，w_MgO表示煤粉和焦炭灰分中的MgO含量。

所述熔剂为CaCO₃、Ca(OH)₂、CaO中的一种或多种；所述熔剂的喷吹量为10-20kg/tHM。

当计算高炉复合喷吹CaCO₃时，CaCO₃在900℃时分解、反应产物发生化学反应及物理吸热影响风口回旋区的理论燃烧温度，同时作为熔剂参与造渣，发生的化学反应如下所示。计算内容包括：CaCO₃物理吸热Q_fp，CaCO₃分解热Q_b，分解产物CO₂的化学反应热Q_pr，气体产物CO物理吸热Q_pp，分解产物CaO成渣物理吸热Q_ps，分解产物CaO成渣放热Q_fs。

当高炉复合喷吹Ca(OH)₂在600℃时分解，反应产物发生化学反应及物理吸热影响风口回旋区的理论燃烧温度，同时作为熔剂参与造渣，发生的化学反应如下所示。计算内容包括：Ca(OH)₂物理吸热Q_fp，Ca(OH)₂分解热Q_b，分解产物H₂O的化学反应热Q_pr，气体产物CO、H₂物理吸热Q_pp，分解产物CaO成渣物理吸热Q_ps，分解产物CaO成渣放热Q_fs。

当高炉复合喷吹CaO时，CaO直接参与造渣过程影响理论燃烧温度，计算内容包括：分解产物CaO成渣物理吸热Q_ps和成渣放热Q_fs；

CaCO₃＝CaO+CO₂△H＝178.0kJ/mol

C+CO₂＝2CO△H＝172.5kJ/mol

CaCO₃＝CaO+CO₂△H＝178.0kJ/mol

C+CO₂＝2CO△H＝172.5kJ/mol

本发明可精准计算高炉复合喷吹熔剂时理论燃烧温度的变化，对现场高炉生产中选取CaO、CaCO₃、Ca(OH)₂等熔剂随煤粉喷吹进高炉，改善高炉造渣制度，减少高炉冶炼渣量和燃料比，降低炼铁生产成本具有指导性作用。

S3.设基准理论燃烧温度与实际理论燃烧温度的差值为y，以y＝0为目标，调整富氧率、风温和风量，即得到新的高炉喷吹熔剂工艺参数。

步骤S3中，设定：

y＝a×P_富氧+b×T_风+c×W_风-d×W_熔剂，

式中，P_富氧为富氧率；T_风为风温；W_风为风量；W_熔剂为熔剂喷吹量；

通过富氧率、风温、风量及熔剂喷吹量的梯度正交实验，得到给定熔剂喷吹量条件下，y＝0时的富氧率、风温和风量。

优选地，式中，a＝24.9，b＝6.3，c＝4.2。所述熔剂的喷吹量为15kg/tHM，且当所述熔剂为CaCO₃时，d＝10.6；当所述熔剂为CaO时，d＝2.1；当所述熔剂为Ca(OH)₂时，d＝12.0。

如此操作，通过本发明实验得到的计算公式，能够对高炉喷吹熔剂种类及用量的定向优化，从而提高高炉冶炼效率和质量，降低能耗。

本发明结合高炉冶炼参数和实际喷吹情况，对理论燃烧温度计算模型进行修正，具体为：绝热系统内的燃烧产物除煤气之外，还应包括燃料燃烧后的灰分残留物及未燃煤粉；所有物质的比热容应是温度的函数；焦炭进入回旋区的温度应为高温区热平衡计算所得，而不是通常设定的1500℃；基于炉热指数模型的计算，修正进入风口区的焦炭所带入的物理热；煤粉分解热数据采用煤粉分解热确定的新方法，运用盖斯定律得出；在该温度下不会发生水分的分解反应，以水煤气反应代替原来的水分分解反应。

本发明针对传统理论燃烧温度计算公式和算法的不足，提出了如下观点和新型计算公式：

(1)大喷煤后未燃煤粉对理论燃烧温度计算的影响；

(2)煤粉灰分对理论燃烧温度计算的影响；

(3)焦炭灰分对理论燃烧温度的影响；

(3)热收入项中增加煤粉显热(物理热)；

(4)将鼓风和煤粉中的湿分分解热改为水煤气反应热，同时在碳素燃烧放热项中扣除水中的氧燃烧碳素放热；

(5)修正煤粉分解热经验数据，采用煤粉分解热确定新方法，通过氧弹量热计测定高(低)位发热量，由盖斯定律得出；

(6)各种气体和物质的比热由积分公式算的；

(7)计算氧化钙、氢氧化钙、碳酸钙等熔剂喷吹增加的分解吸热、造渣热等热支出。

本发明计算公式具体如下，以下计算以常温25℃为计算的基准温度。

(1)Q_cm为煤粉中C燃烧生成CO的放热，kJ·min^-1；

其中，q_cm为煤粉中每kg碳素燃烧成CO放出的热量，与焦炭中碳素燃烧热取为相同值，4.18×2340kJ·kg^-1；η为煤粉的燃烧率，％；W_M为小时喷煤量，kg·h^-1；C_M为煤粉中的含碳量(包括固定C)，％；H₂O_m为煤粉的含水量，％。

C_g＝KC_K+MC_M-C_渗

C_f＝K×C_K+M×C_M

式中：n为碳素燃烧率系数；C_f为每吨生铁由焦炭、煤粉带入的碳量，kg/tHM。M指煤比，kg/tHM；C_M指煤粉中全碳量，％；K指焦比，kg/tHM；C_k指焦炭中固定碳含量，％；CO₂、CO、CH₄、N₂指炉顶煤气中相应组分含量，％；Cb指每吨生铁风口前燃烧的碳量，kg/tHM；Cg指每吨生铁进入煤气中的碳量，kg/tHM；n为碳素燃烧率系数；O_2b为鼓风含氧量，m³/m³；N_2b为鼓风中含氮量，m³/m³；C渗为生铁的渗碳量，kg/tHM；

分别指风口前燃烧碳素中焦炭碳素、煤粉碳素所占的比例。

(2)Q_ck为焦炭中C燃烧生成CO的放热，kJ·min^-1；

风口前焦炭中C的燃烧应根据综合鼓风中的氧气量(不同于鼓风含氧量O₂)来计算。这是由于在后面计算水分耗热项时用水煤气反应热代替传统的水分分解热，要在此项热量计算中扣除湿分中的氧与碳的不完全燃烧反应。鼓风氧气量不包括湿分中的氧，而鼓风含氧量则包含湿分中的氧。

式中：V为鼓风量，m³/min；V_O2为富氧气体量，m³/h；a为富氧气体氧浓度，％；

为鼓风湿度，m³/m³；q_ck为焦炭中每kg碳素燃烧成CO放出的热量，当石墨化程度为50％时取4.18×2340kJ/kg。

(3)H_b为富氧鼓风带入的显热，kJ·min^-1；

热风中主要成分有氮气(N₂)、氧气(O₂)、水蒸汽(H₂O(g))

式中：C_pb为鼓风平均热容，kJ·m^-3·℃^-1；t_b为热风温度，℃；V_b为风量，m³·min^-1。C_pb的计算，查相关热容比表(见表1)，采用积分求平均值的方法。

其中，x_i为氮气、氧气、水蒸汽的体积分数，m³/m³大气鼓风。热风中的氮气、氧气、水蒸汽的体积分数可由下式计算：

式中：

为大气湿度，是以湿风(自然风)为基准的，m³/m³。根据两种鼓风湿度的关系可由绝对湿度ω(g/m³)换算得出：

表1炼铁常用气体热容数据

(4)H_ck为焦炭带入的显热，kJ·min^-1；

炉热指数tc是焦炭进入风口回旋区的温度，直接影响焦炭带入到炉缸的热量。在以往的理论燃烧温度计算中，计算焦炭带入的物理热这一项时多按焦炭进入风口区温度为1800℃考虑。

其中，C_pck为焦炭在温度25～tc℃内的平均热容，kJ·kg^-1·℃；R_ck为风口前焦炭消耗速度，kg·min^-1；焦炭主要由灰分和C组成，C和灰分的热容均是温度的函数，焦炭的平均热容C_pck可由C和灰分的热容及对应组分的质量分数积分加权求和计算。

焦炭和煤粉中灰分都以酸性氧化物为主，主要成分为SiO₂、Al₂O₃、CaO、MgO等，其等压热容(比热容)C_p(kJ·kg^-1·℃^-1)可近似表示为C_p＝A+BT+CT^-2，A、B的取值如表2所示。

表2燃料中C和灰分中SiO₂、Al₂O₃、CaO、MgO等的比热(kJ·kg^-1·℃^-1)

w_kC＝C_k，w_kSiO2＝A_coke×(SiO₂)，w_kAl2O3＝A_coke×(Al₂O₃)，w_kCaO＝A_coke×(CaO)，

w_kMgO＝A_coke×(MgO)

(5)H_cm为煤粉带入的显热，kJ·min^-1；

煤粉由固定C、灰分(SiO₂、Al₂O₃、CaO、MgO等)、挥发分以及水分(液体)组成。煤的挥发份的成分主要有CO₂、CO、H₂、CH₄、C₂H₂、C₃H₃、C₃H₆及少量的环状烃(C_mH_n)。该项热量也是应根据成分来计算。

式中，W_M为喷吹煤粉量，kg/h；C_pm为煤粉的平均热容，kJ·kg^-1·℃^-1。

(H₂O)_M为煤粉中的水分含量；

灰分中w_SiO2＝(1-(H₂O)_M/100)(A_M/100)((SiO₂)_M/100)，其它类同；

固定C含量为w_FC＝(1-(H₂O)_M/100)(FC_M/100)；C_pH2O为水的比热容。

煤的挥发份的成分主要有CO₂、CO、H₂、CH₄、N₂，其成分含量计算

w_mi＝[1-(H₂O)_M/100](V_m/100)((i)_M/100)，i代表挥发分中各组分；V_m为挥发分含量。

(6)H_gas为喷煤载气带入的显热，kJ·min^-1；

喷煤载气为压缩空气或氮气，主要成分为N₂、O₂，其平均热容的计算与大气鼓风的计算方法相同。

式中，V_z为喷煤载气量，m³/min；t_z为载气温度(等于喷吹煤粉的温度t_m)，℃；x_i为载气中的O₂、N₂的体积分数(或摩尔分数)x_O2、x_N2。

(7)Q_w-g指水与碳反应(水煤气反应)吸收的热，kJ·min^-1；

水包括鼓风中湿分和煤粉中的水分，传统理论燃烧温度计算没有考虑煤粉中水分的影响。基于热力学分析可知水分开始分解温度为4045℃，而在高炉内不可能达到如此高的温度，但水煤气反应的开始温度为665℃。故在风口回旋区的温度下，水分的直接分解反应不易发生，水分是通过与碳发生水煤气反应而消耗的。由于水煤气反应(吸热)可以视为水分分解反应(吸热)和碳素燃烧反应(放热)两个反应的叠加，所以在处理传统计算公式时不能简单地用水煤气反应热项代替原来的水分分解热项。而应在前面(2)中的碳素燃烧热项中不再考虑(扣除)水分中的氧与碳不完全燃烧反应的放热项。

C(s)+H₂O(g)＝H₂(g)+CO(g)

(8)Q_decom指煤粉分解吸收的热，kJ·min^-1；

根据不同煤种和混煤喷吹情况确定相应的分解热，按照已有的分解热的确定方法，运用盖斯定律，通过测定1kg干燥煤粉的低位发热量q_net和煤粉中各元素(C、H、O)的含量(干基d)，得到25℃下总反应热q_total，从而得到煤粉的分解热(比焓)q_decom＝q_net-q_total，kJ·kg^-1。

喷吹煤粉的分解热为

kJ·min^-1。

(9)V_g为炉缸煤气量，m³·min^-1；

炉缸煤气成分主要为N₂、CO、H₂、CH₄，其中N₂来自大气鼓风、喷煤载气及煤粉挥发分；CO来自焦炭和煤粉的燃烧及水煤气反应；H₂来自煤粉挥发分分解及水煤气反应，CH₄来自焦炭和煤粉。

炉缸煤气量为

N₂量为：

H₂量为：

CO量为：

CH₄量为：

也可以这样求得炉腹煤气量：

则N₂、H₂、CO、CH₄的体积分数(或摩尔分数)为

x_CO＝V_CO/V_g。

(10)C_pg为炉缸煤气的热容，kJ·m^-3·℃^-1；

其中，x_i为氮气N₂、氢气H₂、一氧化碳CO的体积分数，m³/m³煤气；t_f为理论燃烧温度，℃。

(11)m_w为未燃煤粉的量，kg·min^-1；

m_w＝(C_MC+A_M)×(1-η)×(1-H₂O_M)W_m/60

式中A_M为煤粉的灰分含量，％；η为煤粉燃烧率；H₂O_M为煤粉中含水量，％；C_MC为煤粉的固定碳含量，％；W_m为小时喷煤量，kg·h^-1。

(12)m_a为风口前燃烧焦炭和煤粉的灰分量，kg·min^-1；

m_a＝R_ckA_ck+W_mηA_m(1-H₂O_M)/60

式中A_ck为焦炭的灰分含量，％；η为煤粉燃烧率；R_ck为风口前焦炭消耗速度，kg·min^-1。

(13)C_w为未燃煤粉的比热容，kJ·kg^-1·℃^-1；

由于未燃煤粉主要含有固定C和灰分，比热容均为温度的函数。利用实验室技术制取未燃煤粉，其热容计算可由固定碳和灰分的比热容及相应组分运用积分法加权平均。

W_Mi为煤粉固定碳及灰分中的SiO₂、Al₂O₃、CaO、MgO等的含量。

(14)Ca为灰分的比热容，kJ·kg^-1·℃^-1；

根据风口前燃烧的焦炭和煤粉的灰分含量及灰分的成分(主要为SiO₂、Al₂O₃、CaO、MgO等)，运用积分法加权平均求得。

W_i为灰分中的SiO₂、Al₂O₃、CaO、MgO等的含量。

该方法解决了高炉喷吹熔剂对风口回旋区热平衡影响的问题，同时还可以用于焦化除尘灰、瓦斯灰、钢渣等在高炉喷吹领域应用时对风口回旋区的区域热平衡影响的确定。该方法基于传统的高炉喷煤在风口回旋区的行为，考虑氧化钙、碳酸钙、氢氧化钙随煤粉从风口喷入对理论燃烧温度的影响，确定了风口回旋区区域的热支出和热收入项，建立了高炉喷吹熔剂的理论燃烧温度计算模型。该模型计算方便，通过对风口回旋区煤粉和熔剂物理化学行为的系统分析，为高炉复合喷吹熔剂的实际应用具有重要的指导作用。

实施例

选取生产高炉复合喷吹(CaO、CaCO₃、Ca(OH)₂)进行分析，高炉基本生产数据如表3所示：

表3生产高炉基本生产数据

生产高炉喷吹的煤粉成分分析如表4所示：

表4煤粉的成分分析

(1)利用表3-4数据，计算高炉风口回旋区的热收入和热支出各项，热支出、热收入及产物各项可得：

焦炭燃烧放热：Q_ck＝11292336.9kJ/min；

煤粉燃烧放热：Q_cm＝4697807.7kJ/min；

富氧鼓风带入的显热：H_b＝10884471.9kJ/min；

焦炭带入的显热：H_ck＝3954534.1kJ/min；

煤粉带入的显热：H_ck＝41340.3kJ/min；

喷煤载气带入的显热：H_gas＝671.5kJ/min；

水煤气反应吸热：Q_w-g＝979492.3kJ/min；

煤粉分解吸热：Q_decom＝313364.1kJ/min；

载气吸热：Q_gas＝21879.9kJ/min；

煤粉和焦炭灰分造渣吸热：Q_gas＝34202.9kJ/min；

炉缸煤气量：V_g＝8900.0m³/min；

炉缸煤气量热容：C_pg＝1.495kJ/m³/℃；

未燃煤粉量：m_w＝231.8kg/min；

风口前燃烧焦炭和煤粉的灰分量：m_a＝225.4kg/min；

未燃煤粉比热容：C_w＝1.795kJ/kg/℃；

灰分比热容：C_a＝0.253kJ/kg/℃。

根据公式：

计算得到基准时期，该高炉理论燃烧温度为2140.5℃。

(2)根据步骤S2计算CaO成渣物理吸热Q_ps和成渣放热Q_fs：

喷吹CaO的成渣量：m_flux＝87.5kg/min；

理论燃烧温度下CaO的比热容：C_flux＝1.07kJ/kg/℃；

物理吸热：Q_ps＝195774.9kJ/min；

成渣放热：Q_fs＝98752.5kJ/min；

即，喷吹熔剂热效应：Q_fs＝105164.7kJ/min；

喷吹熔剂后，载气量相应增加，载气吸热也相应增加。未喷吹熔剂时，载气量是15m³，煤比160kg/t，当每吨铁多喷15kg熔剂时，载气量则提高到16.4m³。

计算得到喷吹CaO 15kg/tHM时，理论燃烧温度为2134.2℃，高炉风口复合喷吹氧化钙使风口回旋区的热平衡略有波动，比基准冶炼的理论燃烧温度相比降低6.3℃。

(3)根据步骤S2计算喷吹复合喷吹CaCO₃多步化学反应热效应：

喷吹CaCO₃的成渣量：m_flux＝49.0kg/min；

理论燃烧温度下CaO的比热容：C_flux＝1.05kJ/kg/℃；

CaCO₃物理吸热：Q_fp＝82393.5kJ/min；

CaCO₃分解热：Q_b＝155750.0kJ/min；

分解产物CO₂的化学反应热：Q_pr＝150946.3kJ/min；

气体产物CO的物理吸热：Q_fp＝87482.3kJ/min；

分解产物CaO成渣物理吸热：Q_ps＝62611.0kJ/min；

分解产物CaO造渣放热：Q_fs＝55301.4kJ/min；

即，Q_flux＝483881.7kJ/min。

根据

计算得到喷吹CaCO₃ 15kg/tHM时，理论燃烧温度为2108.8℃，高炉风口复合喷吹碳酸钙对风口回旋区的热平衡有较大影响，比基准冶炼的理论燃烧温度相比降低31.7℃。

(4)根据步骤S2计算喷吹复合喷吹Ca(OH)₂参与造渣吸收热量各项：

喷吹Ca(OH)₂的成渣量：m_flux＝69.1kg/min；

理论燃烧温度下CaO的比热容：C_flux＝1.05kJ/kg/℃；

Ca(OH)₂物理吸热：Q_fp＝70623.0kJ/min；

Ca(OH)₂分解热：Q_b＝157575.7kJ/min；

分解产物H₂O的化学反应热：Q_pr＝188636.4kJ/min；

气体产物CO、H₂的物理吸热：Q_fp＝117862.3kJ/min；

分解产物CaO成渣物理吸热：Q_ps＝114516.6kJ/min；

分解产物CaO造渣放热：Q_fs＝95760.0kJ/min；

即，Q_flux＝553454.0kJ/min。

根据

计算得到喷吹Ca(OH)₂ 15kg/tHM时，理论燃烧温度为2104.4℃，高炉风口复合喷吹氢氧化钙对风口回旋区的热平衡有较大影响，比基准冶炼的理论燃烧温度相比降低36.1℃。

通过提高富氧率、风温和风量等热量补偿措施来平衡理论燃烧温度。设定y＝a×P_富氧+b×T_风+c×W_风-d×W_熔剂，以富氧率1％、风温10℃、风量100m³、熔剂喷吹量5kg/tHM为单位梯度，确定各个参量系数，最终得a＝24.9，b＝6.3，c＝4.2。当熔剂为CaO时，d＝2.1；当熔剂为CaCO₃时，d＝10.6；当熔剂为Ca(OH)₂时，d＝12.0。

由上可知，当y＝0，高炉喷吹15kg/tHMCaO时，可以分别采取提高富氧率0.25％，可提高风温10℃，可提高风量150m³的措施来维持理论燃温度的稳定，也可以综合三种方式调控。当y＝0，高炉喷吹15kg/tHMCaCO₃时，可以分别采取提高富氧率1.27％，可提高风温50.3℃，可提高风量754.8m³(不符合现场操作要求，舍去)的措施来维持理论燃温度的稳定，更适合综合三种方式调控；当y＝0，高炉喷吹15kg/tHMCa(OH)₂时，可以分别采取提高富氧率1.45％，可提高风温57.3℃，可提高风量859.5m³(不符合现场操作要求，舍去)的措施来维持理论燃温度的稳定，更适合综合三种方式调控。

表5参数释义

综上所述，本发明提供的通过理论燃烧温度调控高炉喷吹熔剂工艺参数的方法，可用于高炉复合喷吹熔剂对高炉冶炼影响的评估，该方法考虑熔剂喷吹对风口回旋区热平衡的影响，明确了碱性熔剂风口喷吹后的行为和对理论燃烧温度的影响。不同熔剂对风口回旋区热平衡的影响效果不同，本发明通过对高炉复合喷吹熔剂理论燃烧温度的计算，对喷吹熔剂种类和喷吹量进行定向优化选择。该方法计算过程简单，实用性强，对高炉冶炼现场喷吹熔剂的选择和优化具有重要的意义。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种通过理论燃烧温度调控高炉喷吹熔剂工艺参数的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.根据预先设定的高炉喷吹工艺参数，确定未喷吹熔剂时的基准理论燃烧温度；

S2.按步骤S1所述的高炉喷吹工艺参数，计算喷吹熔剂时的实际理论燃烧温度；

S3.设基准理论燃烧温度与实际理论燃烧温度的差值为y，以y＝0为目标，调整富氧率、风温和风量，即得到新的高炉喷吹熔剂工艺参数。

2.根据权利要求1所述的通过理论燃烧温度调控高炉喷吹熔剂工艺参数的方法，其特征在于，步骤S1中，所述基准理论燃烧温度根据下式计算得到：

步骤S2中，所述实际理论燃烧温度根据下式计算得到：

式中，Q_ck为焦炭燃烧放热；Q_cm为煤粉燃烧放热；H_b为富氧鼓风带入的显热；H_ck为焦炭带入的显热；H_cm为煤粉带入的显热；H_gas为喷煤载气带入的显热；Q_w-g为水煤气反应吸热；Q_decom为煤粉分解吸热；Q_gas为载气吸热；Q_slag为煤粉和焦炭灰分造渣吸热；Q_flux熔剂多步反应热效应；V_g为炉缸煤气量；m_a为风口前燃烧焦炭和煤粉的灰分量；m_w为未燃煤粉量；C_pg为炉缸煤气量热容；C_a为灰分比热容；C_w为未燃煤粉比热容；

其中：

Q_flux＝Q_b+Q_fp+Q_pp+Q_pr-Q_fs+Q_ps；

式中，Q_b为熔剂分解热；Q_fp为熔剂物理吸热；Q_pp为分解产物物理吸热；Q_pr为分解产物化学反应热；Q_fs为熔剂成渣放热；Q_ps为熔剂成渣物理吸热；

其中，Q_ps＝m_flux×C_flux×ΔT；

式中，m_flux为熔剂成渣量，C_flux为熔剂成渣物质的比热容，△T为熔剂从分解温度到理论燃烧温度的差值。

3.根据权利要求1所述的通过理论燃烧温度调控高炉喷吹熔剂工艺参数的方法，其特征在于，步骤S3中，设定y＝a×P_富氧+b×T_风+c×W_风-d×W_熔剂，

式中，P_富氧为富氧率；T_风为风温；W_风为风量；W_熔剂为熔剂喷吹量；

通过富氧率、风温、风量及熔剂喷吹量的梯度正交实验，得到给定熔剂喷吹量条件下，y＝0时的富氧率、风温和风量。

4.根据权利要求3所述的通过理论燃烧温度调控高炉喷吹熔剂工艺参数的方法，其特征在于，式中，a＝24.9，b＝6.3，c＝4.2。

5.根据权利要求4所述的通过理论燃烧温度调控高炉喷吹熔剂工艺参数的方法，其特征在于，所述熔剂为CaCO₃、Ca(OH)₂、CaO中的一种或多种；所述熔剂的喷吹量为10-20kg/tHM。

6.根据权利要求5所述的通过理论燃烧温度调控高炉喷吹熔剂工艺参数的方法，其特征在于，所述熔剂的喷吹量为15kg/tHM，且当所述熔剂为CaCO₃时，d＝10.6；当所述熔剂为CaO时，d＝2.1；当所述熔剂为Ca(OH)₂时，d＝12.0。

7.根据权利要求2所述的通过理论燃烧温度调控高炉喷吹熔剂工艺参数的方法，其特征在于，煤粉带入显热H_cm根据煤粉成分计算所得，同时要计算出煤粉的平均热容C_pm，煤粉带入显热H_cm和煤粉平均热容C_pm分别通过以下公式计算得到：

式中，W_M为喷吹煤粉量，kg/h；w_m为煤粉各组分的质量分数；t_m为煤粉进入风口回旋区的温度，℃；A_i和B_i为燃料中各物质的比热系数；T为温度参数；(H₂O)M为煤粉中的水分含量，％；C_pH2O为水的比热容。

8.根据权利要求2所述的通过理论燃烧温度调控高炉喷吹熔剂工艺参数的方法，其特征在于，炉缸煤气量热容C_pg、灰分热容C_a及C_w未燃煤粉热容的计算公式如下：

式中，t_f为理论燃烧温度，℃；W_i为煤粉固定碳，灰分中的SiO₂、Al₂O₃、CaO、MgO等的含量；a_i,b_i,c_i,A_i和B_i为相应组分系数。

9.根据权利要求2所述的通过理论燃烧温度调控高炉喷吹熔剂工艺参数的方法，其特征在于，煤粉分解吸热Q_decom运用盖斯定律，通过测定干燥煤粉的低位发热量q_net和煤粉中各元素的含量，得到25℃下总反应热q_total，从而得到煤粉的分解热q_decom，计算公式如下：

q_decom＝q_net-q_total

式中，w_C,d为C元素的质量分数，％；w_H,d为H元素的质量分数，％；w_O,d为O元素的质量分数，％；W_M为喷吹煤粉量，kg/h。

10.根据权利要求1所述的通过理论燃烧温度调控高炉喷吹熔剂工艺参数的方法，其特征在于，步骤S1中所述高炉喷吹工艺参数包括高炉喷吹用焦炭和煤粉的成分组成和喷吹量、生铁产量、煤比、富氧鼓风量、鼓风温度、载气量。

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