D0I:10.13374/1.issnl00103.2008.12.02 第30卷第12期 北京科技大学学报 Vol.30 No.12 2008年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dee.2008 高炉理论燃烧温度的计算 吴胜利2)余晓波)陈辉)徐健)王筱留) 1)北京科技大学冶金与生态工程学院，北京1000832)宝钢股份有限公司研究院（技术中心），上海201900 摘要理论燃烧温度是反映炉缸热状态的重要参数之一·提出了新的理论燃烧温度计算模型及详细的参数说明，并编制相 关的计算程序.解析结果表明：与传统的理论燃烧温度计算模型相比，新理论燃烧温度计算模型更能有效地反映炉缸热状态· 关键词高炉：理论燃烧温度：炉缸；热状况 分类号TF512 Calculation of theoretical flame temperature in a blast furnace WU Shenglil2).YU Xiaobo),CHEN Hui),XU Jian).WANG Xiaoliu) 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 2)Research Institute (R D Center).Baoshan Iron Steel Co-Ltd-,Shanghai 201900.China ABSTRACT Theoretical flame temperature is considered as one of the important parameters which reflect the thermal state of a hearth.A new model with the detailed explanation of each parameter was presented for calculating the theoretical flame temperature. Based on this model,a computer program was developed in order to calculate easily.The calculation results of theoretical flame tem- perature show that compared with traditional models the new model can reflect the thermalt sate of a hearth more effectively KEY WORDS blast furnace:theoretical flame temperature:hearth:thermal state 炉缸热状态对高炉顺行和铁水质量有重要影 炉况依然顺行，铁水温度和[S]含量稳定.按照传 响，且决定高炉热量需求和吨铁燃料消耗的是高炉 统的理论燃烧温度的计算模型，上述两种操作条件 下部山，炉缸热状态可以用铁水硅含量和风口理论 下，理论燃烧温度计算结果差别较大，鉴于理论燃 燃烧温度来评价2).由于[S]化验时间较长而具有 烧温度对上述两种顺行炉况不能给出合理的解释， 一定的滞后性，不能及时为高炉操作提供参考依据， 必要对理论燃烧温度再认识，以便更有效地反映炉 实际的高炉生产中通常以理论燃烧温度作为判断炉 内的实际热状况 缸热状态的重要参考指标， 1新的理论燃烧温度计算公式 生产实践表明，正常生产的高炉，其理论燃烧温 度应稳定在一定的范围内，理论燃烧温度过高或过 1.1理论燃烧温度的概念 低对炉况顺行均不利，高炉操作条件对理论燃烧温 由燃烧学和工程热力学的相关理论可知：若燃 度有显著的影响，例如：随富氧率提高1%，理论燃 料在等压的条件下使之在无任何散热（即绝热条件） 烧温度升高约41~50℃.；喷煤量增加 的情况下完全燃烧，燃烧产物所能达到的最高温度， 10kgt1,理论燃烧温度降低约22℃)，然而， 称为理论燃烧温度[].此处的完全燃烧包含两方 1999年国内某高炉在低富氧率(<1)的条件下， 面的含义：一是指燃料被氧化为最高价氧化物，即燃 喷煤量维持在250kg1的水平，炉况稳定；2004年 料充分燃烧：二是指燃料的燃烧率为100%. 在高富氧率(5,24%)的条件下，喷煤量180kgt1, 高炉风口燃烧带的实际情况不满足上述提及的 收稿日期：2007-11-15修回日期：2007-12-10 作者简介：吴胜利(1955一)男，教授，博士生导师，首席研究员，E-mail:w ushengli@metall.ustb.edu-cn
高炉理论燃烧温度的计算 吴胜利12） 余晓波1） 陈 辉1） 徐 健1） 王筱留1） 1） 北京科技大学冶金与生态工程学院北京100083 2） 宝钢股份有限公司研究院（技术中心）上海201900 摘 要 理论燃烧温度是反映炉缸热状态的重要参数之一．提出了新的理论燃烧温度计算模型及详细的参数说明并编制相 关的计算程序．解析结果表明：与传统的理论燃烧温度计算模型相比新理论燃烧温度计算模型更能有效地反映炉缸热状态． 关键词 高炉；理论燃烧温度；炉缸；热状况 分类号 TF512 Calculation of theoretical flame temperature in a blast furnace W U Shengli 12）Y U Xiaobo 1）CHEN Hui 1）XU Jian 1）W A NG Xiaoliu 1） 1） School of Metallurgical and Ecological EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） Research Institute （R ＆ D Center）Baoshan Iron ＆ Steel Co．Ltd．Shanghai201900China ABSTRACT T heoretical flame temperature is considered as one of the important parameters which reflect the thermal state of a hearth．A new model with the detailed explanation of each parameter was presented for calculating the theoretical flame temperature． Based on this modela computer program was developed in order to calculate easily．T he calculation results of theoretical flame temperature show that compared with traditional models the new model can reflect the thermalt sate of a hearth more effectively． KEY WORDS blast furnace；theoretical flame temperature；hearth；thermal state 收稿日期：2007-11-15 修回日期：2007-12-10 作者简介：吴胜利（1955—）男教授博士生导师首席研究员E-mail：wushengli＠metall．ustb．edu．cn 炉缸热状态对高炉顺行和铁水质量有重要影 响且决定高炉热量需求和吨铁燃料消耗的是高炉 下部［1］．炉缸热状态可以用铁水硅含量和风口理论 燃烧温度来评价［2］．由于［Si］化验时间较长而具有 一定的滞后性不能及时为高炉操作提供参考依据． 实际的高炉生产中通常以理论燃烧温度作为判断炉 缸热状态的重要参考指标． 生产实践表明正常生产的高炉其理论燃烧温 度应稳定在一定的范围内理论燃烧温度过高或过 低对炉况顺行均不利．高炉操作条件对理论燃烧温 度有显著的影响．例如：随富氧率提高1％理论燃 烧温 度 升 高 约 41～50 ℃［13］；喷 煤 量 增 加 10kg·t —1理论燃烧温度降低约 22℃［3］．然而 1999年国内某高炉在低富氧率（＜1％）的条件下 喷煤量维持在250kg·t —1的水平炉况稳定；2004年 在高富氧率（5∙24％）的条件下喷煤量180kg·t —1 炉况依然顺行铁水温度和［Si］含量稳定．按照传 统的理论燃烧温度的计算模型上述两种操作条件 下理论燃烧温度计算结果差别较大．鉴于理论燃 烧温度对上述两种顺行炉况不能给出合理的解释 必要对理论燃烧温度再认识以便更有效地反映炉 内的实际热状况． 1 新的理论燃烧温度计算公式 1∙1 理论燃烧温度的概念 由燃烧学和工程热力学的相关理论可知：若燃 料在等压的条件下使之在无任何散热（即绝热条件） 的情况下完全燃烧燃烧产物所能达到的最高温度 称为理论燃烧温度［4—6］．此处的完全燃烧包含两方 面的含义：一是指燃料被氧化为最高价氧化物即燃 料充分燃烧；二是指燃料的燃烧率为100％． 高炉风口燃烧带的实际情况不满足上述提及的 第30卷 第12期 2008年 12月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．12 Dec．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．12．012
第12期 吴胜利等：高炉理论燃烧温度的计算 ,1433. 燃烧条件；但就高炉冶炼而言，煤气参与热交换前 2eoke十cca十H,十Hcoke十Heal十Hga-watergs二Qdccom (包括热辐射)的初始温度是反映高炉热状态的一个 Vg Cpg me Ce+ma Ca 重要指标，此温度被炼铁界公认为“理论燃烧温 (4) 度门.这与燃烧学和工程热力学给出的定义有很 (1)T:为理论燃烧温度，℃ 大的偏差，因此讨论理论燃烧温度在高炉炼铁中的 (②)Qke为焦炭中C燃烧生成C0的放热， 实际含义具有重要意义 kJ'min1. 前人对理论燃烧温度己有表述，8]，其中周传 (3)Qoal为煤粉中C燃烧生成C0放热， 典给出的定义与上文给出的定义比较接近，其表述 kJ'min1.由于煤粉在风口停留的时间很短，在很短 为：理论燃烧温度是指燃烧产物全部获得燃烧生成 的时间内煤粉要完成脱气、结焦以及残C燃烧是很 热以及鼓风和燃料带入的物理热所能达到的最高温 困难的，所以有必要考虑煤粉在风口回旋区的燃烧 度].由周传典给出定义可知：计算理论燃烧温度 率，本研究采用那树人提出的燃烧率计算模型)， 的前提是风口循环区为绝热系统，理论燃烧温度计 对不同操作条件下的煤粉燃烧率进行计算. 算的实质是物质平衡和热平衡， (4)H为大气鼓风带入的显热，kJ'min1.大 1.2理论燃烧温度计算的新模型 气是氨气、氧气以及少量的水蒸气和二氧化碳的混 根据热力学第一定律以及焓和内能的关系[10]， 合气体，根据热力学的相关知识，气体的热容是温 有： 度的函数山，因此在计算理论燃烧温度的过程中， △U=Q-W (1) 需要根据鼓风温度确定相应的热容，以往把空气的 H=U十PV (2) 热容看成常数是片面的， 在绝热恒压条件下，系统的Q=0,可得到下式： (⑤)Hke为焦炭带入的显热，kJ'min.焦炭 △H=0 (3) 的主要成分为C和灰分，由于碳和灰分的热容都是 上述三个式子是进行高炉理论燃烧温度计算的 温度的函数山]，因此也不能把焦炭的热容看成常 热力学依据，由于压力对物质的焓以及化学反应的 数，值得注意的是，焦炭进入风口的温度T。是随高 焓变影响很小]，在理论燃烧温度计算的过程中， 炉操作条件变化的，以前有人采用1400,1500和 可取标准状况下的相应数值 1538℃2]等常数是不恰当的.在本研究中根据已 基于对风口燃烧带的深入研究，本文提出的理 建立的炉热指数模型对不同操作条件下的焦炭进入 论燃烧温度计算模型如图1所示， 风口区域的温度T。进行计算. 进人绝热系统 绝热系统 :离开绝热系统 (6)Hoal为煤粉带入的显热，kJ.min一.煤粉 炽热焦炭 热量 务久整 通常由固定碳、灰分、挥发分以及水分（液态）组成， 热量 带加热渣铁和 因此在计算理论燃烧温度的过程中，该项热量应根 热风 煤粉 焦炭提供热量 据煤粉的组成成分计算，另外，由于水的汽化热以 氧气（富氧） 热量 未燃煤粉：T P温度随煤气上升 及水煤气反应是强吸热反应，故煤粉中带入的水分 喷吹煤粉 也须考虑 灰分残留物：T 个P温度进人炉渣 (7)H为喷煤载气和富氧带入的显热， 热量 kJ 'min1. 图1新的理论燃烧温度计算模型 (8)er为水与焦炭中的C反应吸收的热， Fig.I New calculating model of theoretical flame temperature kJ'min一.水包括鼓风中的湿分带入的水和煤粉中 图1的左边为进入绝热系统的物质，包括炽热 的水分，而传统的理论燃烧温度计算中没有考虑煤 焦炭、热风、富氧以及喷吹煤粉等；右边为离开燃烧 粉的水分对理论燃烧温度的影响，值得注意的是风 带的物质，不仅包括煤气，还包括未燃煤粉以及灰分 口回旋区的水分是通过和炽热的焦炭发生水煤气反 残留物：中间为绝热系统内物质的化学反应和升温 应而消耗，而不是通过水分的简单分解而消耗，因此 过程。为进一步阐明本模型的原理，基于图1所示 在计算这一部分热量时应取水煤气反应的反应热， 的新理论燃烧温度计算模型，提出如下所示的理论 (9)Odecom为煤粉分解吸热，kJmin1.受喷煤 燃烧温度计算公式，并给出详细的说明： 量提高以及混煤喷吹技术发展的影响，现有的煤粉 T= 分解热数据（如文献[1]给出的900kJkg1、文 献[13]给出的1005kJkg1以及文献[14]给出的
燃烧条件；但就高炉冶炼而言煤气参与热交换前 （包括热辐射）的初始温度是反映高炉热状态的一个 重要指标此温度被炼铁界公认为“理论燃烧温 度” ［7］．这与燃烧学和工程热力学给出的定义有很 大的偏差因此讨论理论燃烧温度在高炉炼铁中的 实际含义具有重要意义． 前人对理论燃烧温度已有表述［18—9］其中周传 典给出的定义与上文给出的定义比较接近其表述 为：理论燃烧温度是指燃烧产物全部获得燃烧生成 热以及鼓风和燃料带入的物理热所能达到的最高温 度［8］．由周传典给出定义可知：计算理论燃烧温度 的前提是风口循环区为绝热系统理论燃烧温度计 算的实质是物质平衡和热平衡． 1∙2 理论燃烧温度计算的新模型 根据热力学第一定律以及焓和内能的关系［10］ 有： ΔU＝ Q— W （1） H＝ U＋PV （2） 在绝热恒压条件下系统的 Q＝0可得到下式： ΔH＝0 （3） 上述三个式子是进行高炉理论燃烧温度计算的 热力学依据．由于压力对物质的焓以及化学反应的 焓变影响很小［10］在理论燃烧温度计算的过程中 可取标准状况下的相应数值． 基于对风口燃烧带的深入研究本文提出的理 论燃烧温度计算模型如图1所示． 图1 新的理论燃烧温度计算模型 Fig．1 New calculating model of theoretical flame temperature 图1的左边为进入绝热系统的物质包括炽热 焦炭、热风、富氧以及喷吹煤粉等；右边为离开燃烧 带的物质不仅包括煤气还包括未燃煤粉以及灰分 残留物；中间为绝热系统内物质的化学反应和升温 过程．为进一步阐明本模型的原理基于图1所示 的新理论燃烧温度计算模型提出如下所示的理论 燃烧温度计算公式并给出详细的说明： Tf＝ Qccoke＋ Qccoal＋ Hb＋ Hcoke＋ Hcoal＋ Hgas— Qwater-gas— Qdecom V g Cpg＋ mc Cc＋ ma Ca （4） （1） Tf 为理论燃烧温度℃． （2） Qccoke为焦炭中 C 燃烧生成 CO 的放热 kJ·min —1． （3） Qccoal 为 煤 粉 中 C 燃 烧 生 成 CO 放 热 kJ·min —1．由于煤粉在风口停留的时间很短在很短 的时间内煤粉要完成脱气、结焦以及残 C 燃烧是很 困难的所以有必要考虑煤粉在风口回旋区的燃烧 率．本研究采用那树人提出的燃烧率计算模型［9］ 对不同操作条件下的煤粉燃烧率进行计算． （4） Hb 为大气鼓风带入的显热kJ·min —1．大 气是氮气、氧气以及少量的水蒸气和二氧化碳的混 合气体．根据热力学的相关知识气体的热容是温 度的函数［11］因此在计算理论燃烧温度的过程中 需要根据鼓风温度确定相应的热容．以往把空气的 热容看成常数是片面的． （5） Hcoke为焦炭带入的显热kJ·min —1．焦炭 的主要成分为 C 和灰分．由于碳和灰分的热容都是 温度的函数［11］因此也不能把焦炭的热容看成常 数．值得注意的是焦炭进入风口的温度 Tc 是随高 炉操作条件变化的以前有人采用14001500和 1538℃［12］等常数是不恰当的．在本研究中根据已 建立的炉热指数模型对不同操作条件下的焦炭进入 风口区域的温度 Tc 进行计算． （6） Hcoal为煤粉带入的显热kJ·min —1．煤粉 通常由固定碳、灰分、挥发分以及水分（液态）组成 因此在计算理论燃烧温度的过程中该项热量应根 据煤粉的组成成分计算．另外由于水的汽化热以 及水煤气反应是强吸热反应故煤粉中带入的水分 也须考虑． （7） Hgas 为 喷 煤 载 气 和 富 氧 带 入 的 显 热 kJ·min —1． （8） Qwater-gas为水与焦炭中的 C 反应吸收的热 kJ·min —1．水包括鼓风中的湿分带入的水和煤粉中 的水分而传统的理论燃烧温度计算中没有考虑煤 粉的水分对理论燃烧温度的影响．值得注意的是风 口回旋区的水分是通过和炽热的焦炭发生水煤气反 应而消耗而不是通过水分的简单分解而消耗因此 在计算这一部分热量时应取水煤气反应的反应热． （9） Qdecom为煤粉分解吸热kJ·min —1．受喷煤 量提高以及混煤喷吹技术发展的影响现有的煤粉 分解热数据（如文献 ［1］ 给出的900kJ·kg —1、文 献［13］给出的1005kJ·kg —1以及文献 ［14］ 给出的 第12期 吴胜利等： 高炉理论燃烧温度的计算 ·1433·
.1434 北京科技大学学报 第30卷 1254k」kg)已经与现代喷煤技术不相适应，因 数，%，为煤粉的燃烧率，Qm为喷煤量，th-1 而，有必要根据不同的煤种和配煤量确定相应的分 (13)C为未燃煤粉的热容，kJkg1.℃-1.由 解热。已有的研究认为根据盖斯定律计算煤粉分解 于未燃煤粉中含固定碳和灰分，因而未燃煤粉的热 热更为合理，由于化学反应的热效应只与物质的始 容是固定碳和灰分的加权热容值，同理，未燃煤粉 末态有关而与其实现途径无关]，其计算原理如图 的热容也是温度的函数，取某一固定常数也是不恰 2所示。该方法能够根据不同的煤种以及混煤喷吹 当的. 的具体情况，通过测定1kg干燥煤粉的低位发热量 (14)ma为风口燃烧焦炭和煤粉的灰分， Q和煤粉中各元素的含量（干基），计算得到各元 kg'min1,风口前煤粉和焦炭燃烧后均会产生一部 素在25℃下与氧气反应的总反应热Ql,从而得 分灰分并进入炉渣，和矿石中的脉石混合形成炉渣， 到煤粉的分解热Qaom=Qet一Ototal,单位为 但是这一部分灰分进入炉渣以后会进一步对炉渣起 kJ-kg 到加热作用，从而使渣铁温度升高。由于风口燃烧 煤粉（干基） Qe C02,H0,N2 焦炭和煤粉中的灰分ma是属于绝热系统的一部 分，其对理论燃烧温度的计算也是有影响的，风口 Qdccom Qiot 燃烧焦炭和煤粉的灰分ma的计算可采用下式： C,CO,H2,N2 ma=0.01 RcokeAsh1+0.166 7 0coal Ash2 (6) Qdecom=netQ1ou 其中Roke为风口前焦炭消耗速度，kg'min;Ash 图2煤粉分解热确定原理 为焦炭中灰分的质量分数，% Fig.2 Determining the decomposition heat of coal (15)Ca为灰分热容，kJkg1.℃-1.通常，煤 (10)Vg为炉腹煤气量，m3mim1.高炉风口 粉和焦炭灰分以酸性氧化物为主，主要成分是 回旋区产生的煤气为高炉冶炼提供重要的还原剂和 SiOz、AlzO3和少量的Ca0、Mg0等，其恒压热容 宝贵的热量，风口回旋区是冶炼过程的“发源地”· C,(kkg1.℃-1)可近似表示为C,=A十BT,A、 通常炉腹煤气为N2、CO和H2的混合气体，其中N2 B的取值如表1所示山).焦炭和煤粉中灰分的热 来自大气鼓风、喷煤载气以及煤粉挥发分，C0来自 容Ca应根据其各个组分的质量分数和表1的热容 焦炭和煤粉的燃烧以及水煤气反应，H2来自水煤气 数据确定， 反应以及煤粉挥发分.计算时应该根据风口区的物 表1灰分中主要成分的恒压热容 质平衡分别计算这三种气体的量， Table 1 Thermal capacity of essential components in ash (11)Cpg为炉腹煤气的热容，kJm-3.℃-1.炉 物质 A B/103 物质 A B/103 腹煤气是N2、C0和H2的混合气体，其热容值是三 Si02) 0.9820.167 Ca0() 0.8860.081 种单一气体热容的加权值，炉腹煤气的热容应取温 Al203( 1.1250.125 MgO( 1.2240.078 度的函数，而不宜取常数，且随煤气成分的改变而改 变，炉腹煤气的热容值对理论燃烧温度的计算值影 1.3理论燃烧温度计算核心及解析 响很大，因此须根据不同的冶炼条件确定相应的煤 基于1.1节的理论燃烧温度定义，结合1.2节 气热容，而取某一固定的值显然是不恰当的 理论燃烧温度计算新模型的详细说明，按照基尔戈 (12)me为未燃煤粉的量，kg'min1.随着高 夫定律，归纳新理论燃烧温度计算模型的计算核心 炉喷煤量的增大，煤粉在回旋区的燃烧率减小，大量 如图3所示.由相关文献可知1]，按照基尔夫定 的未燃煤粉产生，并带走一部分热量，从而对理论燃 律，同一化学反应在不同温度下进行时，其反应热是 烧温度有一定的影响，我国鞍钢9号高炉进行喷煤 不一样的，即反应热只与物质的始末状态有关而与 条件下风口取样实验证实了循环区内煤粉的燃烧率 反应过程无关，在计算理论燃烧温度时，由于进入 为40%~70%.值得注意的是，未燃煤粉与喷入高 燃烧带的物质温度差异很大，为方便计算，首先将进 炉的煤粉是不一样的，未燃煤粉在回旋区已经完成 入风口燃烧带的物质温度统一到基准温度(25℃)， 脱气过程，所以它仅包含C和灰分而不包含挥发 即图中所示，由温度T:态转变到To=25℃状态，并 分.因此计算未燃煤粉量m。的计算可采用下式： 放出一定的焓△H:;然后在基准温度下物质参与化 me=0.1667(FC2+Ashz)×(1-)Qodl(5) 学反应，即图中所示，在温度T0=25℃发生反应， 其中FC2、As2为煤粉中固定碳和灰分的质量分 并伴有一定焓变△Hr0;最后，反应生成物由To=
1254kJ·kg —1）已经与现代喷煤技术不相适应．因 而有必要根据不同的煤种和配煤量确定相应的分 解热．已有的研究认为根据盖斯定律计算煤粉分解 热更为合理．由于化学反应的热效应只与物质的始 末态有关而与其实现途径无关［15］其计算原理如图 2所示．该方法能够根据不同的煤种以及混煤喷吹 的具体情况通过测定1kg 干燥煤粉的低位发热量 Qnet和煤粉中各元素的含量（干基）计算得到各元 素在25℃下与氧气反应的总反应热 Qtotal从而得 到煤 粉 的 分 解 热 Qdecom ＝ Qnet — Qtotal单 位 为 kJ·kg —1． 图2 煤粉分解热确定原理 Fig．2 Determining the decomposition heat of coal （10） V g 为炉腹煤气量m 3·min —1．高炉风口 回旋区产生的煤气为高炉冶炼提供重要的还原剂和 宝贵的热量风口回旋区是冶炼过程的“发源地”． 通常炉腹煤气为 N2、CO 和 H2 的混合气体其中 N2 来自大气鼓风、喷煤载气以及煤粉挥发分CO 来自 焦炭和煤粉的燃烧以及水煤气反应H2 来自水煤气 反应以及煤粉挥发分．计算时应该根据风口区的物 质平衡分别计算这三种气体的量． （11） Cpg为炉腹煤气的热容kJ·m —3·℃—1．炉 腹煤气是 N2、CO 和 H2 的混合气体其热容值是三 种单一气体热容的加权值．炉腹煤气的热容应取温 度的函数而不宜取常数且随煤气成分的改变而改 变．炉腹煤气的热容值对理论燃烧温度的计算值影 响很大因此须根据不同的冶炼条件确定相应的煤 气热容而取某一固定的值显然是不恰当的． （12） mc 为未燃煤粉的量kg·min —1．随着高 炉喷煤量的增大煤粉在回旋区的燃烧率减小大量 的未燃煤粉产生并带走一部分热量从而对理论燃 烧温度有一定的影响．我国鞍钢9号高炉进行喷煤 条件下风口取样实验证实了循环区内煤粉的燃烧率 为40％～70％．值得注意的是未燃煤粉与喷入高 炉的煤粉是不一样的未燃煤粉在回旋区已经完成 脱气过程所以它仅包含 C 和灰分而不包含挥发 分．因此计算未燃煤粉量 mc 的计算可采用下式： mc＝0∙1667（FC2＋Ash2）×（1—η） Qcoal （5） 其中 FC2、Ash2 为煤粉中固定碳和灰分的质量分 数％η为煤粉的燃烧率Qcoal为喷煤量t·h —1． （13） Cc 为未燃煤粉的热容kJ·kg —1·℃—1．由 于未燃煤粉中含固定碳和灰分因而未燃煤粉的热 容是固定碳和灰分的加权热容值．同理未燃煤粉 的热容也是温度的函数取某一固定常数也是不恰 当的． （14） ma 为 风 口 燃 烧 焦 炭 和 煤 粉 的 灰 分 kg·min —1．风口前煤粉和焦炭燃烧后均会产生一部 分灰分并进入炉渣和矿石中的脉石混合形成炉渣． 但是这一部分灰分进入炉渣以后会进一步对炉渣起 到加热作用从而使渣铁温度升高．由于风口燃烧 焦炭和煤粉中的灰分 ma 是属于绝热系统的一部 分其对理论燃烧温度的计算也是有影响的．风口 燃烧焦炭和煤粉的灰分 ma 的计算可采用下式： ma＝0∙01RcokeAsh1＋0∙1667QcoalηAsh2 （6） 其中 Rcoke为风口前焦炭消耗速度kg·min —1 ；Ash1 为焦炭中灰分的质量分数％． （15） Ca 为灰分热容kJ·kg —1·℃—1．通常煤 粉和焦炭灰分以酸性氧化物为主主要成分是 SiO2、Al2O3 和少量的 CaO、MgO 等其恒压热容 Cp（kJ·kg —1·℃—1）可近似表示为 Cp＝ A ＋BTA、 B 的取值如表1所示［11］．焦炭和煤粉中灰分的热 容 Ca 应根据其各个组分的质量分数和表1的热容 数据确定． 表1 灰分中主要成分的恒压热容 Table1 Thermal capacity of essential components in ash 物质 A B／103 SiO2（s） 0∙982 0∙167 Al2O3（s） 1∙125 0∙125 物质 A B／103 CaO（s） 0∙886 0∙081 MgO（s） 1∙224 0∙078 1∙3 理论燃烧温度计算核心及解析 基于1∙1节的理论燃烧温度定义结合1∙2节 理论燃烧温度计算新模型的详细说明按照基尔戈 夫定律归纳新理论燃烧温度计算模型的计算核心 如图3所示．由相关文献可知［10］按照基尔戈夫定 律同一化学反应在不同温度下进行时其反应热是 不一样的即反应热只与物质的始末状态有关而与 反应过程无关．在计算理论燃烧温度时由于进入 燃烧带的物质温度差异很大为方便计算首先将进 入风口燃烧带的物质温度统一到基准温度（25℃） 即图中所示由温度 Ti 态转变到 T0＝25℃状态并 放出一定的焓ΔHi；然后在基准温度下物质参与化 学反应即图中所示在温度 T0＝25℃发生反应 并伴有一定焓变 ΔHT0；最后反应生成物由 T0＝ ·1434· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第12期 吴胜利等：高炉理论燃烧温度的计算 ,1435 25℃升温到理论燃烧温度T,并吸收一定的焓 原燃料参数输人 △Hm,其中△H:十△Ho十△H=0.为便于理解， 以焦炭为例对计算核心作如下简要说明，焦炭包含 操作参数输入 固定碳、灰分以及少量挥发分，焦炭参与风口燃烧 计算燃烧率和煤分解热 反应以及燃烧产物升温至T:的过程按如下三个过 调用炉热指数 模型计算T。 风口区物质平衡计算 程进行：其一焦炭的组分，由温度T。转变到T0,并 放出一定的焓△Hke:其二焦炭中的碳在温度To= 风口区热平衡计算 25℃参与反应，并伴随一定的焓变△Hr0-mke;其三 初始化T 反应产物（煤气以及灰分）由T0=25℃升温到理论 燃烧温度T,并吸收一定的焓△HTI-coke 误差热支出 T-T+1 =T。 T 焦炭 未燃煤粉 C(Tes) 图4理论燃绕温度计算流程图 C(25℃s) C(25℃，s) Ash(Ts) C(Trs) Fig-4 Flow chart of calculating the theoretical flame temperature 煤粉 Ash(Tr,s) C(T-s) 灰分 表2计算用高炉的燃料组分（质量分数） Ash(Ts) Ash25℃，s) Ash(Tr.s) Vaf(T) Table 2 Composition of fuel in the BF % H.O(T1) H(25℃，g） 名称 固定C 水分 灰分 煤气 挥发分 鼓风 H.O(Tg) H,025℃.g) 反应一 H(T,g） 煤粉 76.41 1.90 8.87 12.82 0T) CO(T.g) 焦炭 87.07 0.00 11.88 1.05 N(Tg） N(T:.g) 富氧 注：煤粉和焦炭灰分的化学成分（质量分数）为：”s0,=52.38%, O(Tg） 0(25℃，g) 反应二 载气 D0=40.48%,D00=0p0=3.57%:挥发分的化学组成为： 0Tag） 0c=26.76%,0H=30.34%,00=18.72%,0x+s=24.18%. N(Tg) N(25℃，g 反应一：C(25℃s+H,025℃，gH(25℃，g+C0(25℃g) 表3计算用高炉的操作参数 反应二：C(25℃s+12025℃，gC025℃.g) Table 3 Operating parameters of the BF 鼓风量/ 湿度/ 鼓风 图3新理论燃烧温度的计算核心 富氧率/ 焦比/ Fig-3 Core of new calculating model for theoretical flame temperature (m3min-l） (g'm-1) 风温/℃ % (kg) 6800 10.6 1250 3.53 296 基于上述新理论燃烧温度的计算核心，理论燃 载气量/ 煤粉流量/ 煤粉 煤比/ 载气 烧温度的计算是与高炉原燃料条件、操作参数以及 (mmin (th-1) 温度/℃ (kg) 温度/℃ 高炉顺行状况密切相关，且单一参数变化会导致理 101.9 85.7 45 194.2 75 论燃烧温度以及与之相关的一系列参数变化，因计 算过程涉及参数间的迭代计算，使得计算过程相当 2.1各因素对理论燃烧温度影响 繁琐，所以本研究通过编制计算机程序完成理论燃 根据本文提出的理论燃烧温度计算模型，鼓风 烧温度的解析，其程序计算流程如图4所示， 参数（富氧率、鼓风温度和鼓风湿度）、喷煤参数（煤 2新理论燃烧温度计算模型与传统计算模 比、煤粉的种类和性能)、炉况参数（燃烧率、焦炭进 型的对比 入风口前的温度T。)对理论燃烧温度计算值的影响 如图5所示. 影响理论燃烧温度的影响因素很多，主要包括 图5中，A代表富氧率增加1，理论燃烧温度 鼓风参数（如富氧率、鼓风温度和鼓风湿度）、喷煤参 将提高约20℃；B代表鼓风温度升高50℃，理论燃 数（如煤比、煤粉的种类和性能）和炉内状况（如燃烧 烧温度将提高约31℃；C代表鼓风湿度增加 率、焦炭进入风口前的温度T)·为考察各因素对 5gm3,理论燃烧温度将降低约19℃；D代表煤比 理论燃烧温度的影响，并对比分析两种模型计算结 增加10kgt1,理论燃烧温度将降低约17℃；E代 果的差别，计算所需的燃料组分和操作参数如表2 表煤粉分解热增加100kkg1,理论燃烧温度将降 和表3所示. 低约8℃；F代表煤粉燃烧率增加10%，理论燃烧温
25℃升温到理论燃烧温度 Tf并吸收一定的焓 ΔHTf其中ΔHi＋ΔHT0＋ΔHTf ＝0．为便于理解 以焦炭为例对计算核心作如下简要说明．焦炭包含 固定碳、灰分以及少量挥发分．焦炭参与风口燃烧 反应以及燃烧产物升温至 Tf 的过程按如下三个过 程进行：其一焦炭的组分由温度 Tc 转变到 T0并 放出一定的焓ΔHcoke；其二焦炭中的碳在温度 T0＝ 25℃参与反应并伴随一定的焓变ΔHT0-coke；其三 反应产物（煤气以及灰分）由 T0＝25℃升温到理论 燃烧温度 Tf并吸收一定的焓ΔHTf-coke． 图3 新理论燃烧温度的计算核心 Fig．3 Core of new calculating model for theoretical flame temperature 基于上述新理论燃烧温度的计算核心理论燃 烧温度的计算是与高炉原燃料条件、操作参数以及 高炉顺行状况密切相关且单一参数变化会导致理 论燃烧温度以及与之相关的一系列参数变化．因计 算过程涉及参数间的迭代计算使得计算过程相当 繁琐所以本研究通过编制计算机程序完成理论燃 烧温度的解析其程序计算流程如图4所示． 2 新理论燃烧温度计算模型与传统计算模 型的对比 影响理论燃烧温度的影响因素很多主要包括 鼓风参数（如富氧率、鼓风温度和鼓风湿度）、喷煤参 数（如煤比、煤粉的种类和性能）和炉内状况（如燃烧 率、焦炭进入风口前的温度 Tc）．为考察各因素对 理论燃烧温度的影响并对比分析两种模型计算结 果的差别计算所需的燃料组分和操作参数如表2 和表3所示． 图4 理论燃烧温度计算流程图 Fig．4 Flow chart of calculating the theoretical flame temperature 表2 计算用高炉的燃料组分（质量分数） Table2 Composition of fuel in the BF ％ 名称 固定 C 水分 灰分 挥发分 煤粉 76∙41 1∙90 8∙87 12∙82 焦炭 87∙07 0∙00 11∙88 1∙05 注：煤粉和焦炭灰分的化学成分（质量分数）为：wSiO2 ＝52∙38％ w Al2 O3 ＝40∙48％wCaO ＝ w MgO ＝3∙57％；挥发分的化学组成为： wC＝26∙76％w H＝30∙34％w O＝18∙72％w N＋S＝24∙18％． 表3 计算用高炉的操作参数 Table3 Operating parameters of the BF 鼓风量／ （m 3·min —1） 湿度／ （g·m —1） 鼓风 风温／℃ 富氧率／ ％ 焦比／ （kg·t —1） 6800 10∙6 1250 3∙53 296 载气量／ （m 3·min —1） 煤粉流量／ （t·h —1） 煤粉 温度／℃ 煤比／ （kg·t —1） 载气 温度／℃ 101∙9 85∙7 45 194∙2 75 2∙1 各因素对理论燃烧温度影响 根据本文提出的理论燃烧温度计算模型鼓风 参数（富氧率、鼓风温度和鼓风湿度）、喷煤参数（煤 比、煤粉的种类和性能）、炉况参数（燃烧率、焦炭进 入风口前的温度 Tc）对理论燃烧温度计算值的影响 如图5所示． 图5中A 代表富氧率增加1％理论燃烧温度 将提高约20℃；B 代表鼓风温度升高50℃理论燃 烧温 度 将 提 高 约 31℃；C 代 表 鼓 风 湿 度 增 加 5g·m —3理论燃烧温度将降低约19℃；D 代表煤比 增加10kg·t —1理论燃烧温度将降低约17℃；E 代 表煤粉分解热增加100kJ·kg —1理论燃烧温度将降 低约8℃；F 代表煤粉燃烧率增加10％理论燃烧温 第12期 吴胜利等： 高炉理论燃烧温度的计算 ·1435·
.1436 北京科技大学学报 第30卷 35m 也吸收燃烧带产生的一部分热量；(3)物质的热容 31 会随着温度的提高而提高·上述因素都会在一定程 25 20 度上降低理论燃烧温度的上升幅度 2250 传统式” 2200 b G 本模型 -15 -19 -17 2100 -25 2050 图5各因素对理论燃烧温度的影响 Fig.5 Effect of factors on theoretical flame temperature 2000 456 度将提高约6℃；G代表焦炭进入燃烧带的温度T。 富氧率% 增加100℃，理论燃烧温度将提高约16℃ 图6富氧率对理论燃烧温度的影响 值得注意的是煤粉燃烧率与理论燃烧温度的关 Fig.6 Effect of oxygen enrichment rate on theoretical flame temper- 系，由图5可知，煤粉的燃烧率每提高10%，理论燃 ature 烧温度将上升6℃左右：但据文献[12]报道，煤粉燃 关于理论燃烧温度，传统上有“富氧率提高，理 烧率提高10%，理论燃烧温度下降15~22℃.上述 论燃烧温度增幅很大，会导致炉况不顺”的担心，实 燃烧率提高对理论燃烧温度产生截然相反的影响， 际上受富氧率提高的影响，燃烧带的实际温度并没 本研究认为：随煤粉燃烧率提高，焦炭在风口区的燃 有达到传统计算式所得的理论燃烧温度，因而，在 烧量减少，使焦炭带入风口区的显热降低，即式(4) 有条件的前提下，适当提高富氧率，有助于增大高炉 中的分子项Hke减小；但同时未燃煤粉的量也在降 产能和节约燃耗 低，即式(4)中的分母项me减少，可能分母项me 图7所示鼓风温度与理论燃烧温度的关系，两 的减少对理论燃烧温度的影响大于分子项Hke的 种理论燃烧温度计算模型下，理论燃烧温度随鼓风 减少对理论燃烧温度的影响，故理论燃烧温度随煤 温度的升高均升高，同时也应看出：提高相同的鼓 粉的燃烧率提高而提高，相比而言，文献[12]中没 风温度，传统理论燃烧温度计算模型的计算结果增 有考虑未燃煤粉的影响，故得到相反的结果， 幅较大，而本文提出的理论燃烧温度计算模型的计 2.2本计算模型和传统模型的对比 算结果增幅较缓.如图7中，当鼓风温度为 基于表2和表3中所列的相关参数，考察单因 1250℃，本模型计算结果为2119℃（图中b点），而 素变化对理论燃烧温度的影响，并通过对比两种理 传统式计算结果则为2127℃(b点)，鼓风温度的 论燃烧温度计算模型的解析结果，对理论燃烧温度 提高为燃烧带带来更多的显热，使理论燃烧温度提 计算模型在反映炉缸热状态的有效性做出评价.两 高；但是未燃煤粉和灰分吸热以及物质热容随温度 种理论燃烧温度计算模型条件下，富氧率、鼓风温 2200 度、鼓风湿度和喷煤比与理论燃烧温度关系分别如 图6~9所示. 2160 传统式， 图6所示富氧率与理论燃烧温度的关系.两种 212 本模型 理论燃烧温度计算模型下，理论燃烧温度随富氧率 的提高均升高，这和传统认识是一致的.同时也应 看出：增加单位富氧率1%，传统理论燃烧温度计算 2040 模型的计算结果增幅较大，而本文提出的理论燃烧 温度计算模型的计算结果增幅较缓，如图6中富氧 200501100115012012501301350 率为5.5%时，本模型计算结果对应b点(2159℃)， 鼓风温度/℃ 而传统式计算结果则为b点(2188℃)，研究认为： 图7鼓风温度对理论燃烧温度的影响 (1)富氧率的提高加快了炉料的下降速度，导致焦 Fig.7 Effect of blast temperature on the theoretical flame tempera- 炭进入燃烧带的温度T。下降；(2)未燃煤粉和灰分 ture
图5 各因素对理论燃烧温度的影响 Fig．5 Effect of factors on theoretical flame temperature 度将提高约6℃；G 代表焦炭进入燃烧带的温度 Tc 增加100℃理论燃烧温度将提高约16℃． 值得注意的是煤粉燃烧率与理论燃烧温度的关 系．由图5可知煤粉的燃烧率每提高10％理论燃 烧温度将上升6℃左右；但据文献［12］报道煤粉燃 烧率提高10％理论燃烧温度下降15～22℃．上述 燃烧率提高对理论燃烧温度产生截然相反的影响． 本研究认为：随煤粉燃烧率提高焦炭在风口区的燃 烧量减少使焦炭带入风口区的显热降低即式（4） 中的分子项 Hcoke减小；但同时未燃煤粉的量也在降 低即式（4）中的分母项 mc 减少．可能分母项 mc 的减少对理论燃烧温度的影响大于分子项 Hcoke的 减少对理论燃烧温度的影响故理论燃烧温度随煤 粉的燃烧率提高而提高．相比而言文献［12］中没 有考虑未燃煤粉的影响故得到相反的结果． 2∙2 本计算模型和传统模型的对比 基于表2和表3中所列的相关参数考察单因 素变化对理论燃烧温度的影响并通过对比两种理 论燃烧温度计算模型的解析结果对理论燃烧温度 计算模型在反映炉缸热状态的有效性做出评价．两 种理论燃烧温度计算模型条件下富氧率、鼓风温 度、鼓风湿度和喷煤比与理论燃烧温度关系分别如 图6～9所示． 图6所示富氧率与理论燃烧温度的关系．两种 理论燃烧温度计算模型下理论燃烧温度随富氧率 的提高均升高这和传统认识是一致的．同时也应 看出：增加单位富氧率1％传统理论燃烧温度计算 模型的计算结果增幅较大而本文提出的理论燃烧 温度计算模型的计算结果增幅较缓．如图6中富氧 率为5∙5％时本模型计算结果对应 b 点（2159℃） 而传统式计算结果则为 b′点（2188℃）．研究认为： （1） 富氧率的提高加快了炉料的下降速度导致焦 炭进入燃烧带的温度 Tc 下降；（2）未燃煤粉和灰分 也吸收燃烧带产生的一部分热量；（3） 物质的热容 会随着温度的提高而提高．上述因素都会在一定程 度上降低理论燃烧温度的上升幅度． 图6 富氧率对理论燃烧温度的影响 Fig．6 Effect of oxygen enrichment rate on theoretical flame temperature 关于理论燃烧温度传统上有“富氧率提高理 论燃烧温度增幅很大会导致炉况不顺”的担心实 际上受富氧率提高的影响燃烧带的实际温度并没 有达到传统计算式所得的理论燃烧温度．因而在 有条件的前提下适当提高富氧率有助于增大高炉 产能和节约燃耗． 图7 鼓风温度对理论燃烧温度的影响 Fig．7 Effect of blast temperature on the theoretical flame temperature 图7所示鼓风温度与理论燃烧温度的关系．两 种理论燃烧温度计算模型下理论燃烧温度随鼓风 温度的升高均升高．同时也应看出：提高相同的鼓 风温度传统理论燃烧温度计算模型的计算结果增 幅较大而本文提出的理论燃烧温度计算模型的计 算结 果 增 幅 较 缓．如 图 7 中当 鼓 风 温 度 为 1250℃本模型计算结果为2119℃（图中 b 点）而 传统式计算结果则为2127℃（ b′点）．鼓风温度的 提高为燃烧带带来更多的显热使理论燃烧温度提 高；但是未燃煤粉和灰分吸热以及物质热容随温度 ·1436· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第12期 吴胜利等：高炉理论燃烧温度的计算 ,1437 的提高而增大，导致理论燃烧温度随鼓风温度的提 理论燃烧温度计算模型下，理论燃烧温度随煤比的 高而增加的幅度诚小. 增加均降低，同时也应看出：基于新的理论燃烧温 我国高炉的风温水平近几年来进步不大，一方 度计算模型的解析结果，提高煤比对理论燃烧温度 面受热风炉工作状态的限制，另一方面担心理论燃 的影响程度并没有传统模型计算出的影响程度大， 烧温度过高导致高炉顺行困难.实际上，提高鼓风 相比而言其变化幅度趋于“平缓”，如当煤比为 温度使理论燃烧温度的升高幅度并没有传统计算那 250kgt-1时，本模型得到的计算结果为2023℃(b 么大，有条件的高炉应尽可能提高风温，以进一步降 点)，而传统式计算结果则为2011℃(b'点)；煤比为 低高炉的燃料比 170kgt1,本模型得到的计算结果为2158℃(c 图8所示鼓风湿度与理论燃烧温度的关系，两 点)，而传统式计算结果则为2175℃(c'点)：有关 种理论燃烧温度计算模型下，理论燃烧温度随鼓风 喷煤量对理论燃烧温度的影响，前人已经给出了清 湿度的升高均降低；同时也应看出：提高相同的鼓风 楚的解释1].需要指出的是：喷吹煤粉以后，炉料 湿度，传统理论燃烧温度计算模型的计算结果降幅 在炉内的停留时间延长，间接还原得到发展，直接还 较大，而本文提出的理论燃烧温度计算模型的计算 原得到抑制，从而使高温区的热量消耗降低，焦炭进 结果降幅较缓.如图8中，鼓风湿度为25gm3,本 入燃烧带的温度T。升高，因此，根据不同的喷煤量 模型的计算结果为2064℃(b点)，而传统式计算结 通过炉热指数模型计算T。是很有必要的，而把焦 果则为2030℃(b'点)：鼓风湿度为7gm-3,本模型 炭进入燃烧带的温度取为定值是不可取的， 的计算结果为2132℃(c点)，而传统式计算结果则 2250 为2150℃(c'点).研究认为：水分在风口燃烧带是 以水煤气反应的形式而消耗掉，水煤气反应为吸热 2190 传统式 反应，使理论燃烧温度降低；同时消耗了焦炭中的 2130 碳，使单位时间内进入燃烧带的焦炭量增加，焦炭带 本模型 A 2070 入燃烧带的显热增加：此外，物质的热容也随温度的 降低而降低，因此，鼓风湿度对理论燃烧温度的影 b 2010 响程度并没有传统计算模型得到的影响程度大， 195 2210 140160180200220240260280 煤比kgt) 2160 图9煤比对理论燃烧温度的影响 c A 2110 Fig.9 Effect of coal rate on theoretical flame temperature 2060 本模型 综上所述，高炉在低富氧、高煤比操作下，实际 传统式 的“理论燃烧温度”不会很低；在高富氧、低煤比的操 2010 作参数下，实际的“理论燃烧温度”也不会过高以至 19606 于超出高炉可接受的水平而影响高炉顺行，因此， 10152025 30 35 鼓风湿度(g·m) 考虑到高炉风口区的实际条件，对绝热系统进行必 要的扩充，本文提出的理论燃烧温度计算模型能更 图8鼓风湿度对理论燃烧温度的影响 Fig.8 Effect of blast humidity on theoretical flame temperature 全面地抽象出风口回旋区实际的热状态，依据该模 型的计算结果可在一定程度上更有效地反映炉缸热 以往的观点认为：对于有条件的大喷煤高炉应 状态 该进行脱湿鼓风，并因此放弃湿分调节炉况的这一 技术手段，主要原因是担心加湿鼓风会导致理论燃 3结论 烧温度过低而破坏高炉顺行，实际上，鼓风湿度对 (1)根据理论燃烧温度的概念，结合高炉风口 理论燃烧温度的影响要温和得多。因而，对于有条 回旋区的实际状况，提出了新的理论燃烧温度计算 件的高炉，鼓风湿度的调整仍然不失为一种炉况调 模型，并给出理论燃烧温度的计算通式以及相关参 节的有效手段 数的详细说明 图9给出了煤比与理论燃烧温度的关系，两种 (2)新理论燃烧温度计算模型的主要修订内容
的提高而增大导致理论燃烧温度随鼓风温度的提 高而增加的幅度减小． 我国高炉的风温水平近几年来进步不大一方 面受热风炉工作状态的限制另一方面担心理论燃 烧温度过高导致高炉顺行困难．实际上提高鼓风 温度使理论燃烧温度的升高幅度并没有传统计算那 么大有条件的高炉应尽可能提高风温以进一步降 低高炉的燃料比． 图8所示鼓风湿度与理论燃烧温度的关系．两 种理论燃烧温度计算模型下理论燃烧温度随鼓风 湿度的升高均降低；同时也应看出：提高相同的鼓风 湿度传统理论燃烧温度计算模型的计算结果降幅 较大而本文提出的理论燃烧温度计算模型的计算 结果降幅较缓．如图8中鼓风湿度为25g·m —3本 模型的计算结果为2064℃（ b 点）而传统式计算结 果则为2030℃（ b′点）；鼓风湿度为7g·m —3本模型 的计算结果为2132℃（ c 点）而传统式计算结果则 为2150℃（ c′点）．研究认为：水分在风口燃烧带是 以水煤气反应的形式而消耗掉水煤气反应为吸热 反应使理论燃烧温度降低；同时消耗了焦炭中的 碳使单位时间内进入燃烧带的焦炭量增加焦炭带 入燃烧带的显热增加；此外物质的热容也随温度的 降低而降低．因此鼓风湿度对理论燃烧温度的影 响程度并没有传统计算模型得到的影响程度大． 图8 鼓风湿度对理论燃烧温度的影响 Fig．8 Effect of blast humidity on theoretical flame temperature 以往的观点认为：对于有条件的大喷煤高炉应 该进行脱湿鼓风并因此放弃湿分调节炉况的这一 技术手段．主要原因是担心加湿鼓风会导致理论燃 烧温度过低而破坏高炉顺行．实际上鼓风湿度对 理论燃烧温度的影响要温和得多．因而对于有条 件的高炉鼓风湿度的调整仍然不失为一种炉况调 节的有效手段． 图9给出了煤比与理论燃烧温度的关系．两种 理论燃烧温度计算模型下理论燃烧温度随煤比的 增加均降低．同时也应看出：基于新的理论燃烧温 度计算模型的解析结果提高煤比对理论燃烧温度 的影响程度并没有传统模型计算出的影响程度大 相比而言其变化幅度趋于“平缓”．如当煤比为 250kg·t —1时本模型得到的计算结果为2023℃（ b 点）而传统式计算结果则为2011℃（ b′点）；煤比为 170kg·t —1本模型得到的计算结果为2158℃（ c 点）而传统式计算结果则为2175℃（ c′点）．有关 喷煤量对理论燃烧温度的影响前人已经给出了清 楚的解释［19］．需要指出的是：喷吹煤粉以后炉料 在炉内的停留时间延长间接还原得到发展直接还 原得到抑制从而使高温区的热量消耗降低焦炭进 入燃烧带的温度 Tc 升高．因此根据不同的喷煤量 通过炉热指数模型计算 Tc 是很有必要的而把焦 炭进入燃烧带的温度取为定值是不可取的． 图9 煤比对理论燃烧温度的影响 Fig．9 Effect of coal rate on theoretical flame temperature 综上所述高炉在低富氧、高煤比操作下实际 的“理论燃烧温度”不会很低；在高富氧、低煤比的操 作参数下实际的“理论燃烧温度”也不会过高以至 于超出高炉可接受的水平而影响高炉顺行．因此 考虑到高炉风口区的实际条件对绝热系统进行必 要的扩充本文提出的理论燃烧温度计算模型能更 全面地抽象出风口回旋区实际的热状态依据该模 型的计算结果可在一定程度上更有效地反映炉缸热 状态． 3 结论 （1） 根据理论燃烧温度的概念结合高炉风口 回旋区的实际状况提出了新的理论燃烧温度计算 模型并给出理论燃烧温度的计算通式以及相关参 数的详细说明． （2） 新理论燃烧温度计算模型的主要修订内容 第12期 吴胜利等： 高炉理论燃烧温度的计算 ·1437·
.1438 北京科技大学学报 第30卷 包括绝热系统由仅含有高炉煤气扩充到含有煤气、 社，1993) 未燃煤粉和灰分三部分，物质的热容由某一常数修 [6]Han Z C.Fuel and Combustion.Beijing:Metallurgical Industry Press,1994 正为温度的函数，引入T。模型计算焦炭进入风口 (韩昭沧.燃料及燃绕.北京：冶金工业出版社，1994) 回旋区时的温度等， [7]Tsuyoshi Fukutake.International Blast Furnace Hearth and (3)依据基尔戈夫等相关热力学定律，结合新 Raceway Symposium.Translated by Du HG.Beijing:Metallur- 的理论燃烧温度的计算模型，提出了新的理论燃烧 gical Industry Press.1986 温度计算模型的计算核心图，并给出了计算机程序 (福武刚.高炉回旋区和炉缸工作文集.杜鹤桂，译。北京：冶 金工业出版社，1986) 计算框图. [8]Zhou C D.The Technologic Handbook of Ironmaking in Blast (4)与传统理论燃烧温度计算模型相比，使用 Furnace.Beijing:Metallurgical Industry Press.2002 新的理论燃烧温度计算模型时，富氧率、鼓风温度、 (周传典，高炉炼铁生产技术手册，北京：冶金工业出版社 鼓风湿度和喷煤比等因素对理论燃烧温度的影响程 2002) 度趋于“缓和”，这与生产实际情况更加贴近，有助于 [9]Na S R.The Calculation on Ironmaking Process.Beijing:Met- 人们正确把握高炉风口燃烧带以及炉缸的实际热状 allurgical Industry Press,1999 (那树人·炼铁工艺计算.北京：治金工业出版社，1999) 态 [10]Liang Y J.Physical Chemistry.Beijing:Metallurgical Industry Press,1989 参考文献 (梁英教.物理化学.北京：冶金工业出版社，1989) [1]Wang X L.Metallurgy of Iron and Steel:Iron-making.Bei- [11]Li WC.The Physical Chemistry of Metallurgy and Materials. jing:Metallurgical Industry Press,2000 Beijing:Metallurgical Industry Press.2001 (王筱留.钢铁冶金学：炼铁部分，北京：冶金工业出版社， (李文超。治金与材料物理化学。北京：冶金工业出版社， 2000) 2001) [2]Zhao X M,Zhang J L.Keeping the good thermal state of BF [12]Zhang S R.Bi X G.Some theoretical problems regarding high hearth by controlling suitable RAFT.J Baotou Unie Iron Steel rate coal injection on hlast furnace.Iron Steel,2004.39(2):8 Technol,2003,22(2):124 (张寿荣，毕学工·关于大量喷煤高炉的某些理论问题的思 (赵晓明，张建良，控制适宜理论燃烧温度保证富氧喷煤高炉 考.钢铁，2004,39(2)：8) 良好炉缸热状态.包头钢铁学院学报，2003,22(2)：124) [13]Cheng L B.Calculation and Process of Ironmaking for Blast [3]Liang Z Y.Yin L,Gong W Q,et al.Energy change analysis on Furnace.Beijing:Metallurgical Industry Press,1993 blast furnace with oxygen enrichment and pulverized coal injee- (成兰伯.高炉炼铁工艺及计算.北京：冶金工业出版社， tion.Iron Steel.2005.40(1):16 1993) (梁中渝，殷利，龚文渠，等。富氧喷煤高炉能量变化的分析· [14]He Y D.Iron-making:Volume I.Beijing:Metallurgical In- 钢铁，2005,40(1)：16) dustry Press:1980 [4]Li Site.The Principle of Engineering Thermodynamics.Bei- (贺友多.炼铁学：上册.北京：冶金工业出版社，1980) jing:Chemical Industry Press.1990 [15]Zhang JL.Yang T J.Gao Z K.et al.A new method to deter- (李斯特.工程热力学原理.北京：化学工业出版社，1990) mine the decomposition heat of coal during PCI for BF.JUni [5]Zheng LY,SunZ G.Zhao JX.Engineering Thermodynamics Sci Technol Beijing.2001.23(4):308 Beijing:The Publishing House of Ordnance Industry,1993 (张健良，杨天均，高征铠，等.高炉喷煤过程煤粉分解热确 (郑令仪，孙祖国，赵静霞.工程热力学.北京：兵器工业出版 定的新方法，北京科技大学学报，2001,23(4)：308)
包括绝热系统由仅含有高炉煤气扩充到含有煤气、 未燃煤粉和灰分三部分物质的热容由某一常数修 正为温度的函数引入 Tc 模型计算焦炭进入风口 回旋区时的温度等． （3） 依据基尔戈夫等相关热力学定律结合新 的理论燃烧温度的计算模型提出了新的理论燃烧 温度计算模型的计算核心图并给出了计算机程序 计算框图． （4） 与传统理论燃烧温度计算模型相比使用 新的理论燃烧温度计算模型时富氧率、鼓风温度、 鼓风湿度和喷煤比等因素对理论燃烧温度的影响程 度趋于“缓和”这与生产实际情况更加贴近有助于 人们正确把握高炉风口燃烧带以及炉缸的实际热状 态． 参 考 文 献 ［1］ Wang X L． Metallurgy of Iron and Steel：Iron-making．Beijing：Metallurgical Industry Press2000 （王筱留．钢铁冶金学：炼铁部分．北京：冶金工业出版社 2000） ［2］ Zhao X MZhang J L．Keeping the good thermal state of BF hearth by controlling suitable RAFT．J Baotou Univ Iron Steel Technol200322（2）：124 （赵晓明张建良．控制适宜理论燃烧温度保证富氧喷煤高炉 良好炉缸热状态．包头钢铁学院学报200322（2）：124） ［3］ Liang Z YYin LGong W Qet al．Energy change analysis on blast furnace with oxygen enrichment and pulverized coal injection．Iron Steel200540（1）：16 （梁中渝殷利龚文渠等．富氧喷煤高炉能量变化的分析． 钢铁200540（1）：16） ［4］ Li Site． The Principle of Engineering Thermodynamics．Beijing：Chemical Industry Press1990 （李斯特．工程热力学原理．北京：化学工业出版社1990） ［5］ Zheng L YSun Z GZhao J X．Engineering Thermodynamics． Beijing：The Publishing House of Ordnance Industry1993 （郑令仪孙祖国赵静霞．工程热力学．北京：兵器工业出版 社1993） ［6］ Han Z C．Fuel and Combustion．Beijing：Metallurgical Industry Press1994 （韩昭沧．燃料及燃烧．北京：冶金工业出版社1994） ［7］ Tsuyoshi Fukutake． International Blast Furnace Hearth and Raceway Symposium．Translated by Du H G．Beijing：Metallurgical Industry Press1986 （福武刚．高炉回旋区和炉缸工作文集．杜鹤桂译．北京：冶 金工业出版社1986） ［8］ Zhou C D．The Technologic Handbook of Ironmaking in Blast Furnace．Beijing：Metallurgical Industry Press2002 （周传典．高炉炼铁生产技术手册．北京：冶金工业出版社 2002） ［9］ Na S R．The Calculation on Ironmaking Process．Beijing：Metallurgical Industry Press1999 （那树人．炼铁工艺计算．北京：冶金工业出版社1999） ［10］ Liang Y J．Physical Chemistry．Beijing：Metallurgical Industry Press1989 （梁英教．物理化学．北京：冶金工业出版社1989） ［11］ Li W C．The Physical Chemistry of Metallurgy and Materials． Beijing：Metallurgical Industry Press2001 （李文超．冶金与材料物理化学．北京：冶金工业出版社 2001） ［12］ Zhang S RBi X G．Some theoretical problems regarding high rate coal injection on blast furnace．Iron Steel200439（2）：8 （张寿荣毕学工．关于大量喷煤高炉的某些理论问题的思 考．钢铁200439（2）：8） ［13］ Cheng L B．Calculation and Process of Ironmaking for Blast Furnace．Beijing：Metallurgical Industry Press1993 （成兰伯．高炉炼铁工艺及计算．北京：冶金工业出版社 1993） ［14］ He Y D．Iron-making：V olume Ⅰ．Beijing：Metallurgical Industry Press1980 （贺友多．炼铁学：上册．北京：冶金工业出版社1980） ［15］ Zhang J LYang T JGao Z Ket al．A new method to determine the decomposition heat of coal during PCI for BF．J Univ Sci Technol Beijing200123（4）：308 （张健良杨天均高征铠等．高炉喷煤过程煤粉分解热确 定的新方法．北京科技大学学报200123（4）：308） ·1438· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷