第四章 燃料的燃烧

第四章燃料的燃烧

一、炉缸燃烧反应和燃烧产物

1、炉缸燃烧反应在高炉冶炼中的作用

（1）焦炭在风口前燃烧放出的热量，是高炉冶炼过程中的主要热量来源。（2）炉缸燃烧反应过程中固体焦炭不断变为气体，为炉料下降提供40%左右的自由空间保证炉料的不断下降。

（3）炉缸燃烧反应的结果产生了气体还原剂CO，为上部固体炉料的间接还原白日提供还原剂，并可起传热介质的作用。

（4）风口前焦炭的燃烧状态影响煤气流的初始分布，从而影响整个炉内煤气流分布和顺行。

（5）炉缸燃烧反应决定炉缸温度水平和分布，从而影响生铁的质量。

2、炉缸燃烧反应和燃烧产物

完全燃烧：C焦+O2=CO2+Q

不完全燃烧：2C焦+O2=2CO+Q

在炉内燃烧的初期产物是CO2，遇到炽热的焦炭，发生碳的气化反应：

C焦+CO2=2CO –Q

由于焦炭过剩，最终CO2全部转变为CO，鼓风中还有不参加反应的氮气。鼓风中有一定量的水蒸汽，高温下与碳反应：

H2O+C焦=H2+CO -Q

所以炉缸中燃烧反应的最终产物是：CO、H2和N2.

3、炉缸煤气成分的变化

（1）鼓风入炉后遇焦炭开始燃烧

从风口前端向炉缸中心，气体中含氧量下降，而CO2含量逐渐升高，到氧

消失处CO2达到最大值。

（2）此后，CO2开始减少，CO迅速增多，CO2消

失处CO含量达到理论值（34.7%）

（3）气体向炉缸中心运动时，CO仍缓慢增多，炉

缸中心的CO含理一般可达40-50%

（4）煤气中H2是在氧开始消失和CO2含量最高处

开始出现，随后煤气中H2含量略有升高。

4、影响炉缸煤气成分和数量的因素

①鼓风湿度

鼓风湿度增加，水分分解为H2和O2,炉缸煤气中的H2和CO量增加，N2含量相对下降。

②喷吹含H2量较高的喷吹物时，炉缸煤气中含H2量增加，CO和N2量相对下降。

③鼓风中氧浓度增加时，炉缸煤气中的CO量增加,N2浓度下降，H2浓度下降。

5、炉缸煤气成分对高炉冶炼的影响

①增加煤气中还原性气体浓度，提高间接还原，降低直接还原度。

②增加煤气中H2的浓度，降低煤气粘度，提高煤气渗透能力，利于还原反应进行。

③提高煤气的传热能力和降低对下降炉料的阻力，对高炉冶炼有利。（二）燃烧温度及炉内温度分布

1、理论燃烧温度

①定义：风口前焦炭燃烧放出的热量，全部用于加热燃烧产物时，所能达到的最高温度，叫理论燃烧温度。

T理：风口前理论燃烧温度。℃

Q碳：风口前碳燃烧成CO所放出的热量。 KJ/t·Fe

Q风：鼓风带及的物理热。 KJ/t·Fe

Q燃：燃料带入的物理热。 KJ/t·Fe

Q水：鼓风和喷吹物中的水分分解热。KJ/t·Fe

Q喷：喷吹物的分解热。KJ/t·Fe

C CON2:CO和N2的比热。 KJ/m3℃

C H2:H2的比热：KJ/m3℃

V CO V N2 V H2:炉缸煤气中CO H2 N2的量。M3/t·Fe

②理论燃烧温度是燃烧带在理论上能达到的最高温度。

一般可达1800-2400℃。

炉缸温度是指炉缸渣铁温度，一般1500左右。

③理论燃烧温度高，说明同样体积的煤气有较多的热量，高炉喷吹燃料后，燃烧温度高，可加速喷吹物燃烧，改善喷吹燃料的作用。

2、炉缸温度分布

炉缸边缘的燃烧带温度最高，由边缘向中心温度逐渐降低。

燃烧带和中心部分温度的高低，还受冶炼强度，鼓风动能，炉内直接还原度和喷吹燃料等条件影响。

①冶炼强度和鼓风动能较高时，大量煤气达到中心，中心温度也随之升高。

②直接还原大量吸热，直接还原高，炉缸中心温度低。

③喷吹燃料时，直接还原度降低，炉缸中心温度升高，炉缸半径上温度分

布趋于平坦，利于顺行。

三、燃烧带大小及其对高炉冶炼过程的影响

（一）燃烧带与风口回旋区

1、燃烧带

炉缸内燃料燃烧成CO2的区域称为燃烧带，包括氧化区和还原区。

氧化区：风口前自由氧存在

的区域。

还原区：自由氧消失到CO2

消失的区域

无喷吹时：燃烧带的尺寸按

CO2降到1-2%的位置定。

喷吹燃料后：H2O降为2%

时，定为燃烧带的界限。

2、风口回旋区

（1）定义：煤气流夹着焦炭作回旋运动的球形空间。

中间层：回旋区外围厚约200-300mm的料层。

（2）燃烧带包括回旋区和中间区。

（二）煤粉在风口前的燃烧

1、燃烧过程：加热、挥发分挥发和燃烧。

2、喷吹煤粉燃烧的特点

1）有限空间内燃烧。

2）在高加热速率及高温环境中燃烧。

3）物理化学反应交织进行。

4）煤粉是在高压下分解燃烧。

3、影响煤粉燃烧的因素

1）温度；2）煤粉颗粒；3）氧的浓度；4）气体----煤粉两相流动；5）碳黑微粒的形成影响燃烧。

（三）燃烧带对高炉冶炼过程的影响

1、燃烧带面积大，炉缸活跃面积大，料柱比较松动，有利于高炉顺行。

2、燃烧带大小影响煤

气流的初始分布。

燃烧带大，中心气流

发展，炉缸中心温度

升高。

燃烧带小，边缘气流

发展，炉缸中心温度

较低。

四、影响燃烧带大小的因素

燃烧带大小主要受鼓风动能大小决定的，其次与燃烧反应速度，炉料状况

等有关

1、鼓风动能的影响：

（1）定义：指克服风口前料层的阻力而向炉缸中心空透能力。（2）鼓风动能的计算：

从式中看出，鼓风动能与风量、风温、风压及风口面积等因素有关。

①风量增加鼓风动能显著增大，燃烧带扩大。

②风湿提高，鼓风动能增大，燃烧带扩大。

③炉内压力升高，鼓风动能减小。

④其它条件一定时，风口直径改变，会使鼓风动能改变。

2、燃烧反应速度的影响

（1）燃烧反应速度快：燃烧带缩小。

（2）影响燃烧反应速度的因素

①反应空间的温度：风温提高，反应速度快燃烧带缩小。

②焦炭的粒度，气孔度和反应性。

3、炉料分布的影响:

粒柱的疏松程度对煤气分布有影响，因而影响燃烧带的大小。

抑制边缘疏松中心的装料制度，使燃烧带向中心延伸。