钢铁冶金学炼铁部分第3章高炉冶炼过程的物理化学.ppt

*/* 由于温度的差异会出现两种反应机构： （1）单膜。温度较低时发生这种反应。从碳表面因主反应生成了CO及CO2。环境中O2扩散至碳表面生成的气膜而与CO反应，生成CO2，导致最终产品中CO2多于CO。 C CO2 2CO+O2=2CO2 O2 */* （2）双膜。温度较高时，表面反应生成的CO2也会与碳进一步反应而称为CO。这些CO再向外扩散与环境中扩散来的O2反应，一部分CO转化为CO2。最终产品仍以CO为主导。 C 2CO +O2 =2CO2 O2 C+ CO2= */* 3.4.2 风口前碳的燃烧 高炉冶炼的燃料主要是焦炭，其次是粉状煤炭。他们都在风口前与鼓风中的氧燃烧。研究表明，煤的燃烧至少由两个次过程组成，即煤的热分解和碳的氧化。这二者可循序进行，也可重叠，甚至同时发生。 热分解反应受析出物的逸散、碳内部的传热及热分解反应本身三者控制，具体情况与煤粉粒在气流中的运动状态和温度有关。一般认为热分解可能是最主要的控制步骤。就第二个次过程—分解后产物的氧化来说，氧化反应本身起主导作用。 由于焦炭在炼焦过程中已经完成了热分解，故只有C的氧化一个此过程，此过程由化学反应本身控制。 */* 3.4.2.1 燃烧带 风口前碳与氧反应而气化的地区称为燃烧带。 焦炭在风口前的燃烧有两种状态。一是类似炉篦上炭的燃烧，炭块是相对静止的。这在容积小及冶炼强度低的高炉上可观察到。这种典型的层状燃烧的燃烧带的特点是，沿风口中心线O2不断消失，而CO2随O2的减少而增多，达到一个峰值后再下降，直至完全消失。CO在氧接近消失时出现，在CO2消失处达最高值。 */* 另一种是在剧烈的旋转运动中与氧反应而气化。这在强化冶炼的中小高炉和大高炉上出现。当鼓风动能达到一定值时，将风口前焦炭推动，形成一个疏松而近于球形的区域，焦炭块在其中作高速循环运动，速度可达10m/S以上。回旋区外围是厚约200～300mm的中间层。此层焦炭高速回旋气流的冲击，堆积比较疏松，焦炭不断被气流带走、燃料消耗，而外围焦炭又继续补充进入中间层。这就是现代化强化高炉风口区焦炭的燃烧和运动过程。 */* 风口前随着C的激烈燃烧，CO2升高，温度也逐渐升高。当CO2达到最大值，温度亦达最高点。这是高炉内温度最高之处，成为燃烧焦点。根据压力条件的不同，焦点温度变动在1900～2200℃范围内。随着向炉缸中心深入，CO2消失。CO大量生成，直接还原热量消耗的增加，温度逐渐降低。一般风口水平炉缸中心温度约为1400℃左右。 */* 图1 风口前沿炉缸半径上煤气成分和温度的分布 */* 图2 风口前回旋区与径向煤气分布 */* 由图2看到，风口前径向煤气分布也发生了一些变化。在回旋区两端，O2两度出现激烈下降，而CO2相应出现两个高峰。在空腔里，O2维持相当高水平，而CO2相应维持在较低水平。这充分证明激烈的燃烧反应C+ O2= CO2 是在回旋区边缘（与中间层交界）处进行的，而空腔里焦炭甚少。在中间层则进行着CO2＋C＝2 CO的激烈反应，因此CO2迅速下降，CO急剧升高。 研究表明，回旋区是椭圆形；回旋区不存在气流、焦炭的循环，只有焦炭在回旋燃烧。当气流沿风口轴线射向中心而遇到紧密的焦炭料柱时，便转折向上运动，焦炭被气流带至回旋区上部进行激烈燃烧，部分焦块在气流惯性力推动下继续回旋燃烧。 */* 由上述气体成分变化曲线可得出，碳的气化在燃烧带内有两种情况。 （1）有O2存在时主要发生C+ O2= CO2 （2）氧消失后，CO2出现峰值后： CO2＋C＝2 CO 前者称为燃烧带的氧化区，后者称为还原区，并以CO2的消失作为燃烧带的界限标志。在生产中要确定CO2完全消失的边界位置是很困难的。故常将CO2含量降到1%作为燃烧带的边界。 */* 3.4.2.2 燃烧带的大小及其影响因素 总的说，操作人员希望燃烧带沿炉圆周均匀分布，而在半径方向大小适当。煤气分布均匀，炉缸活跃，下料顺畅、均匀是高炉正常操作的前提。 */* */* 调节鼓风动能值的因素有风量、风温、风口直径等。在生产中可行的调节手段是风口直径。 */* */* 鼓风动能值应由炉缸的直径进行确定。 */* */* 燃烧带生成煤气的成分及煤气量 热风：O2+N2+H2O 炉缸煤气： CO+N2+H2 */* */* */* */* 3.4.2.4 理论燃烧温度 (1) 理论燃烧温度 所谓理论燃烧温度，就是在与周围环境绝热（无热损失）的条件下，所有由燃料和鼓风带入的显热（物理热）及其碳素燃烧放出的化学热，全部传给燃烧产物――炉缸煤气，这时煤气达到的温度称为理论燃烧温度，也就是炉缸煤气尚未同炉料热交换的原始温