2018基于高炉热平衡角度分析炼铁工艺节能发展
【摘 要】炼铁在钢铁生产中能耗耗费非常大，约占吨钢能耗的5%，有效的降低炼铁系统的能源消耗，是提高经济效益与市场竞争力的关键。通过高炉热平衡分析能够定量的看出冶炼形成中热能的分配取向，进而分析和判断高炉节能的方向。本文首先介绍了高炉热平衡分析的应用原理，然后对高炉节能现状进行了分析，总结了其节能措施，并在此基础上对进一步实现炼铁工艺节能发展的方向进行了探讨。【关键词】高炉;热平衡;冶炼;节能
高炉冶炼属于气、液、固逆流的高温反应过程，期间发生的化学反应和物力变化均是在热量和温度的作用下完成的。炼铁在钢铁生产中能耗耗费非常大，约占吨钢能耗的5%，如何有效的降低炼铁系统的能源消耗，是提高企业经济效益与市场竞争力关键之处。高炉热平衡分析能够对高炉冶炼中热能的消耗分配去向进行定量的分析，有利于分析炼铁工艺节能发展的方向。
1 高炉热平衡原理
热平衡是根据能量守恒定律，将物料平衡作为基础来计算的。现代高炉热平衡分析和计算主要是针对高炉内不同体系能量收入与去向所进行的，包括三种热平衡分析方式。首先为第一总热平衡分析，根据盖斯定律，将进入炉内物料的最初形态与出炉的最终形态为基础，对入炉与出炉所带出热量进行计算，并计算燃料实际额燃烧所产生的热量。其次为第二总热平衡分析，根据高炉内实际的氧化还原反应，对产生与消耗的热量进行计算，进而获得高炉实际冶炼热效应。其与第一总热平衡分析的区别就在于燃烧放热、氧化无的分解、还原与脱硫耗热。另外一种热平衡分析为区域热平衡分析，是以高炉内分段反应为基础，评价原燃料的质量，并判断炉体状况，进而为改进与维护炉体提供参考。
2 高炉热平衡分析的应用
在炼铁的大量生产实践中，根据第一总热平衡分析，即盖斯定律，在忽略高炉内部具体反映过程的情况下，仅对物料进入高炉的状态进行考虑，并将其作为反应的起点，而产出状态为终点，进行高炉热平衡分析。在整个反应过程中，热收入项主要有炼铁工艺的直接还原发热、风口前碳素燃烧热量释放、炼铁中间接还原热量、热风携带的热量以及炉料带入热量与成渣热。而热量支出项则包括了氧化分解、脱硫、熔剂分解、铁水、炉渣、炉顶煤气与冷却水带走的热量等。经对应热平衡检验发现，在炼铁工艺中高炉节能的关键在于减少有效热能的支出，并对无效热能进行充分的利用，即降低一次能源的消耗对工序进行简化，改进设备，采用新技术，完善工艺流程;同时增强对二次能源的回收利用。
3 基于高炉热平衡角度分析炼铁工艺节能发展方向
3.1 增加高炉内部炉料表面积
通过炉料总面积的增加，能够增加气-固之间的接触面积，从而达到提高热交换律的目的，并降低炉顶煤气的温度。炉料总面积是投入炉内所有的表面积之和，根据颗粒表面积公式计算，高炉料表面积受颗粒直径的直接影响，即当高炉料一定时，颗粒平均直径越小，则炉料表面积增加。而当炉料总量增加时，尽管颗粒增多增加了总表面积，但原料的粒度远小于燃料粒度，因此在相同的高炉条件下，所以在同样的炉容条件下，通过控制料线来提高入炉料量是一个有效的措施，增加高炉工作容积、入炉原料量也能够提高高炉的矿焦比。
3.2 提高炉料的热传导性能
高炉内炉料导热性能较好时有利于改善炉内煤气的热传导性能，同时能够提高炉内的热交换量，减少带走的热量与热损失。为此，可采用提高矿石的还原性、增加预还原料的用量等方式来达到改善炉料导热性能得到目的，进而实现热交换量的增加，降低炉顶温度。由于炉墙的导热系数越低，高炉与外界热量交换越少，因此要保证高炉渣皮与炉墙热面的隔热性能与稳定性。
3.3 实现炉内煤气流速与分布的优化
煤气内部的流速与分步直接影响着煤气内部向炉内热量的传递，当煤气量越大，炉内的煤气流速也就会增加，而相应的热交换量、炉料的吸热能力也随之增加。但是此时炉顶的温度变化也相应的增加，进而造成更多的热量损失。因此，煤气含量与流速间存在一个最佳值，采用高压或者超高压的方式来提高炉内矿焦比，进而提升高炉的热交换效率，减少煤气带走的热量损失。针对高炉炉墙处因煤气量减少造成的流速降低，为避免炉内热交换量、热负荷量的减少，可采用分装多环布料来提高边沿的矿焦比，进而减少煤气量，并达到降低流速的目的，提高炉料与煤气的接触时间。
3.4 采用富氧喷煤技术
在高炉生产中，可采用富氧喷煤技术，经计算，富氧率提高1%，并将喷煤量增加到12-13kg/t(烟煤增加量为17-23kg/t)，能够显著的降低焦比。在高炉生产中采用干熄焦时，将使入炉焦炭含水量降低至1%左右，焦比则降低2%，不仅能够提高冶炼的热效率，同时能够增加经济效益。
3.5 荒煤气管道外保温
在生产实践中发现，在其他条件不变的条件下，TRT发电量与入口温度呈正比，当入口温度降低10℃，工况煤气体积就能够减少2.31%，吨煤发电量则减少1.25千瓦时。大高炉因荒煤气管道散热面积大，布袋荒煤气入口温度和高炉顶温之间具有20-30℃的温降，而荒煤气管道外表面则比环境温度高30℃。局部采用管道外保温则能够使管道表面温度与环境温度的温差低于5℃，根据其外保温效果来看，将荒煤气管道均采用外保温，可将煤气入口处温度与高炉顶温度的温差控制在8℃以内，并将TRT入口煤气温度提高12℃以上。
3.6 充分回收高炉渣热量
高炉渣损失的热量是非常大的，目前进行高炉渣回收的有效方式主要包括了两种，一是冲渣水余热回收，二是高炉渣显热回收。采用冲渣水余热回收技术是比较成熟的一种高炉渣回收技术，能够用于供暖与加热饮水水源。其中渣水余热采暖技术，就具有较好的应用效果，同时可对高炉渣进行干式粒化处理，主要方式包括两种，即普通式与流化床式。
3.7 对高炉煤气、热风炉余热余压进行回收
高炉热风炉在换炉时均将热风炉内高压和高温气体排放到烟道，然后经大烟囱排空，这不仅在排放的过程中产生噪音，同时也造成了高温、高压气体的浪费。为此，可采用相应的热风炉余热余压回收技术。而对高炉煤气余热利用主要是转成富热煤气，或者利用煤气中的CO制成草酸、炭黑的化工产品;对炉顶一次、二次均压放散的煤气进行回收等。此外可采用TRT工艺利用炉顶高压余压进行发电。
4 结束语
本文从增加高炉内部炉料表面积、提高炉料的热传导性能、实现炉内煤气流速与分布的优化、采用富氧喷煤技术、荒煤气管道外保温、充分回收高炉渣热量，以及对热风炉余热余压进行回收七个方面对炼铁工艺节能发展的方向进行了探讨。经高炉热平衡分析发现，在实现炼铁工艺节能中，其主要方向为减少一次能源的消耗和加强二次能源的回收与利用，即在减少能源消耗的同时实现余热、余压的回收利用，进而提高冶炼企业的经济效益。
参考文献：
王秀英.承钢2500m3高炉热平衡测算与节能探讨.河北冶金，2014 (8).
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吴佳喜.从高炉热平衡来看炼铁节能工艺方向.涟钢科技与管理， 2008(5).
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