本发明属于高炉冶炼技术领域，具体地指一种高炉燃料补偿量与高炉煤气h2含量之间的量化方法。
背景技术：
高炉是竖炉型逆流式反应器，容积从几百到数千立方米不等，其中发生的热平衡问题相当复杂。高炉生产过程是连续进行的，炉顶不断上料，下面铁口不断出铁。自炉顶加入的原料有烧结矿、球团矿和块矿。高炉燃料包括从炉顶加入的固体状焦炭以及从风口加入的粉状的煤粉。高炉的炉料受到逆流而上的高温还原气体的作用，该还原气体由鼓风机鼓入的空气，经过热风炉升温由风口进入高炉，与高炉的焦炭发生燃烧反应而生成。炉料则不断被加热、分解、还原、软化、熔融、滴落、渗碳并最终形成渣铁融体而分离。
高炉冶炼过程中燃料的主要作用有：(1)作为高炉冶炼的主要热源；(2)高炉的还原剂；(3)高炉铁水的渗碳剂；(4)焦炭还作为高炉透气性的骨架。高炉内的燃料比与高炉煤气成分有着十分重要的联系。在高炉原燃料成分相对稳定的情况下，高炉炉顶煤气成分中的h2含量可能因为高炉高温区域漏水而升高(水煤气反应：c+h2o＝h2+co-热量)。尽管水煤气反应增加的h2在后续可以作为还原剂发生h2还原反应，部分能源可以被利用，但还是至少有50％以上的h2不能被利用，因此高炉需要消耗更多的热量。另外，发生h2还原反应所涉及的反应较多，且随着温度的不同，发生的反应也相应地会发生变化，其热量利用情况比较复杂，计算繁琐且欠准确。而当高炉煤气中的h2含量增加的时候，高炉须通过补偿燃料来保持高炉内的热平衡。量化好高炉燃料补偿量与高炉煤气h2含量之间的关系，对于高炉保持相对稳定的热状态和冶炼的稳定性都具有重要的意义。
技术实现要素：
高炉在炼铁过程中，发生的主要反应有：
1)燃烧反应：
c+1/2o2＝co+110kj(1)
2)水碳反应
c+h2o＝h2+co-176kj(2)
3)c的气化反应
c+co2＝2co-165.8kj(3)
4)c源的进一步还原反应
41)≧570℃时co还原及热量消耗顺序如下：
3fe2o3+co＝2fe3o4+co+37.11kj(4)
3fe3o4+co＝3feo+co-20.88kj(5)
feo+co＝fe+co+13.598kj(6)
42)≤570℃时co还原及热量消耗顺序如下：
3fe2o3+co＝2fe3o4+co2+37.11kj(7)
fe3o4+4co＝3fe+4co2+17.154(8)
5)h2的还原反应
51)≧570℃时h2还原及热量消耗顺序如下：
3fe2o3+h2＝2fe3o4+h2o-21.789kj(9)
fe3o4+h2＝3feo+h2o-63.555kj(10)
feo+h2＝fe+h2o-27.698kj(11)
52)≤570℃时h2还原及热量消耗顺序如下：
3fe2o3+h2＝2fe3o4+h2o-21.789kj(12)
fe3o4+4h2＝3fe+4h2o-63.555kj(13)
高炉中发生的化学反应都会产生热量变化，如果计算每个步骤的热量既繁琐又因为缺少很多数据而难以实现。因此，本发明所要解决的技术问题就是利用有限的数据，提供一种高炉燃料补偿量与高炉煤气h2含量之间的量化方法，从而简单而又准确地计算h2含量发生变化时所需补偿的燃料。
为解决上述技术问题，本发明基于如下考虑：
高炉风口带到炉腹的煤气只有co、h2、n2，而炉顶煤气主要有co2、co、h2以及h2o。上述化学反应都在一个密闭的状态中。高炉炉身中上部煤气化学反应c源的进一步还原反应和h2还原反应同时进行。但co、h2都只有40～50％转化为co2和h2o。高炉炉顶h2含量增加，必须补充燃料，以保证高炉内的热平衡。
量化高炉燃料补偿量与炉顶h2含量的量化关系主要有以下特点：
1)不需要高炉内以上多种复杂的化学反应的热量变化数据，利用有限的数据，主要是煤气成分、一氧化碳热值热值利用率ηco、燃料热值以及高炉风量产量等容易检测的数据，准确计算h2增加所相应要补充的燃料，以保持原有的热平衡。
2)拆分高炉水煤气反应化学方程式，不采用高炉的水煤气反应的热效应计算，而采用h2o的分解热来计算单位高炉煤气中h2增加消耗的热量。
3)燃料热值利用率采用h2和c源区别对待，根据h2和c源热值的比例加权计算燃料综合热值利用率。
因此，本发明所设计的技术方案如下：
1)通过高炉内的n2平衡确定单位生铁煤气中h2的增加量(m3/tp)。
2)通过公式ηc＝293+0.707ηco计算c源燃料的热值利用率ηc。
3)co的热值利用率ηco从炉顶煤气成分分析仪器获得，h2利用率ηh2假定与co利用率ηco相等。
4)考虑燃料的综合热值利用率及h2含量计算热量补偿的量化值。
高炉内如果是上部漏水，只需要蒸发，其消耗燃料及其有限，不需要热量补偿。但水分在炉身下部，炉腹及风口带发生水煤气反应，则发生各种复杂的化学反应，不通过各种化学反应的热量变化计算。只通过水煤气反应即h2o与c反应生成co、h2：h2o+c＝co+h2-q(吸热)。为了便于计算，将水煤气反应拆分成h2o＝h2+1/2o2和c+1/2o2＝co。其c+1/2o2＝co视同焦炭在风口前燃烧。只考虑h2o＝h2+1/2o2-242kj/mol时，则：
1)1mol的水分解热为：h2o＝h2+1/2o2-242kj/mol，因此高炉煤气增加1m3的h2分解热为(1000/22.4)*242＝10803kj。
2)燃料中c源燃料的热值利用率ηc＝0.293+0.707ηco，ηco由高炉炉顶煤气分析仪读出。本发明中认为h2热值利用率与co热值利用率相等ηh2＝ηco，因此，燃料的综合热值利用率η综＝(n×ηh2+m×ηc)/(m+n)，其中m为1kg燃料中c源燃料的热量，n为1kg燃料中h2的热量，m、n单位为kj/kg。
3)吨铁风耗根据高炉正常情况下高炉风量与生铁产量得出。令高炉风量为fm3/min每分钟产量为p吨，则吨铁风耗＝f/p。
4)高炉吨铁煤气量根据吨铁风耗和鼓风中及炉顶煤气中n2计算得出。令高炉鼓风中n2体积含量为k，炉顶煤气中由鼓风带入n2占炉顶煤气体积含量为r，则炉顶根据n2平衡计算炉顶吨铁煤气量为：(f/p)×(k/r)，其中k＝100％-21％-a，a为鼓风富氧率；r从炉顶煤气成分分析仪得出。
5)根据热平衡计算燃料补偿值
51)根据高炉吨铁煤气中h2含量变化δh2％计算需要补偿的热量：q补＝(f/p)×(k/r)×10803×δh2％，其中q补的单位为kj
52)根据燃料综合热值利用率η综和q补计算燃料补偿量m补：
m补＝q补/η综
＝(f/p)*(k/r)*10803*δh2％/(n*ηh2+m*ηc)，m、n单位为kj/kg，m补单位为kg。
高炉中发生的反应复杂，热量难以准确进行计算。如果不经过比较准确的计算，量化高炉燃料补偿量与高炉煤气h2含量之间的数据，往往会过多补偿燃料，一方面破坏高炉的热稳定，另一方面增加燃料消耗。如果补偿燃料不足，则导致高炉温度过低，破坏高炉顺行，高炉产品质量不合格，甚至导致高炉失常。通过本发明方法可以避免很多需要计算的数据，较为准确地量化高炉燃料补偿量与高炉煤气h2含量之间的关系，使得高炉保持相对稳定的热状态，以及冶炼的稳定性，使高炉增加产量并降低燃料消耗，促进低碳环保，具有显著的经济与社会效益。
具体实施方式
以下结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
(1)计算1m3的h2分解热
采用h2o的分解热来计算单位高炉煤气中h2增加消耗的热量。
水煤气反应即与c反应生成co、h2：h2o+c＝co+h2-q(吸热)。为了便于计算，将水煤气反应拆分成
h2o＝h2+1/2o2和c+1/2o2＝co。
其c+1/2o2＝co视同焦炭在风口前燃烧。只考虑h2o＝h2+1/2o2-242kj/mol时，则：
1mol的水分解热为：h2o＝h2+1/2o2-242kj/mol，因此高炉煤气增加1m3的h2消耗的热量为(1000/22.4)*242＝10803kj。
(2)计算燃料综合热值利用率
燃料热值利用率采用h2和c区别对待，根据h2和c热值的比例加权计算燃料综合热值利用率。1kg燃料中c热量为m，h2热量为n。高炉煤气中co及h2利用率由炉顶煤气成分分析仪得出，ηh2＝ηco。再根据ηc＝293+0.707ηco，可计算得到燃料综合热值利用率为：[n×ηh2+m×(0.293+0.707ηco)]/(m+n)。
(3)计算吨铁煤气量
吨铁风耗根据高炉按照高炉风量表与生铁产量得出。通过高炉内的n2平衡确定单位生铁煤气增加量，从而可以根据h2含量变化计算h2增加量(m3/tp)及相应需要增加消耗的热量。高炉风量为fm3/min每分钟铁产量为p吨，则吨铁风量＝f/p。
高炉鼓风n2体积含量为k，炉顶煤气中由鼓风带入n2占炉顶煤气体积含量为r，则炉顶根据n2平衡计算炉顶吨铁煤气量为：(f/p)×(k/r)，其中k＝100％-21％-a，a为鼓风富氧率；r从炉顶煤气成分分析仪得出。
(4)根据热平衡计算燃料补偿值
1)根据高炉吨铁煤气中h2含量变化δh2％计算需要补偿的热量：q补＝(f/p)×(k/r)×10803×δh2％，其中q补的单位为kj
2)根据燃料综合热值利用率和q补计算燃料补偿量m补：
m补＝q补/ηc
＝(f/p)*(k/r)*10803*δh2％/[n*ηh2+m*(0.293+0.707ηco)]，m、n单位为kj/kg，m补单位为kg/吨(即生产每吨铁需补偿的量)。
实施案例1
某3200m3高炉生产16年后高炉经常发生漏水，高炉煤气正常情况下h2含量一般为3.2％，漏水后h2含量从正常的3.2％上升到4.2％，δh2％＝1％。1kg燃料中c热量为27312kj，h2热量为3388kj。高炉煤气中co及h2利用率由炉顶煤气成分分析仪得出，ηh2＝ηco＝48％。高炉风量为5700m3/min每分钟产量为5.70吨。高炉富氧率a为5％，高炉鼓风n2体积含量为k＝100％-21％-5％＝74％，炉顶煤气中由鼓风带入n2占炉顶煤气体积含量为50％。高炉吨铁因h2含量增加须要补偿的燃料量化如下。
(1)计算1m3的h2分解热
采用h2o的分解热来计算单位高炉煤气中h2增加消耗的热量。
水煤气反应即与c反应生成co、h2：h2o+c＝co+h2-q(吸热)。为了便于计算，将水煤气反应拆分成
h2o＝h2+1/2o2和c+1/2o2＝co
其c+1/2o2＝co视同焦炭在风口前燃烧。只考虑h2o＝h2+1/2o2-242kj/mol时，则：
1mol的水分解热为：h2o＝h2+1/2o2-242kj/mol，因此高炉煤气增加1m3的h2消耗的热量为(1000/22.4)*242＝10803kj。
(2)计算燃料热值利用率的加权值
燃料热值利用率采用h2和c区别对待，根据h2和c热值的比例加权计算燃料总计热值利用率。1kg燃料中c热量为27312kj，h2热量为3388kj。高炉煤气中co及h2利用率由炉顶煤气成分分析仪得出，ηh2＝ηco＝48％。则燃料综合热值利用率为：[3388×48％+27312×(0.293+0.707*48％)]/(27312+3388)。
(3)计算吨铁煤气量
吨铁风耗根据高炉按照高炉风量表与生铁产量得出。通过高炉内的n2平衡确定单位生铁煤气增加量，继而计算出h2增加量(m3/tp)。高炉风量为fm3/min每分钟产量为p吨，则吨铁风量＝f/p.＝5700/5.7＝1000(m3/tp)。
高炉鼓风n2体积含量为k，炉顶煤气中由鼓风带入n2占炉顶煤气体积含量为r，则炉顶根据n2平衡计算炉顶吨铁煤气量为：(f/p)×(k/r)，其中k＝100％-21％-a；r从炉顶煤气成分分析仪得出。吨铁煤气量为1000*(74％/50％)。
(4)根据热平衡计算燃料补偿值：
1)高炉吨铁煤气中h2含量变化δh2％需要补偿的热量(f/p)×(k/r)×10803kj×δh2％。
2)根据热平衡计算燃料补偿量
1kg燃料中c热量为m，h2热量为n，设高炉吨铁煤气中h2含量变化δh2％需要补偿的燃料为xkg则有
x*[n*ηh2+m*(0.293+0.707ηco)]/(m+n)*(m+n)＝(f/p)*(k/r)*10803kj*δh2％。
因此高炉吨铁煤气中h2含量变化δh2％需要补偿的燃料为x＝(f/p)*(k/r)*10803kj*δh2％/[n*ηh2+m*(0.293+0.707ηco)]
(m、n为kj/kg)；
带入以上数字
x＝1000*(74％/50％)*10803*1％/[3388*48％+27312*(0.293+0.707*48％)]
＝8.46kg；
因此该高炉生产高炉煤气正常情况下h2含量为3.2％，漏水后h2含量从正常的3.2％上升到4.2％，δh2％＝1％，应该增加8.46kg/t.p的燃料。高炉经过调剂，增加燃料比8.46kg/t.p，高炉保持了热稳定性。
实施案例2
某4100m3高炉生产11年后高炉经常发生漏水，高炉煤气正常情况下h2含量一般为3.0％，漏水后h2含量从正常的3.0％上升到3.8％，δh2％＝0.8％。1kg燃料中c热量为27000kj，h2热量为3600kj。高炉煤气中co及h2利用率由炉顶煤气成分分析仪得出，ηh2＝ηco＝50％。高炉风量为7100m3/min每分钟产量为7.30吨。高炉富氧率a为6％，高炉鼓风n2体积含量为k＝100％-21％-6％＝73％,炉顶煤气中由鼓风带入n2占炉顶煤气体积含量为50.5％。高炉吨铁因h2含量增加须要补偿的燃料量化如下。
(1)计算因此1m3的h2分解热
采用h2o的分解热来计算单位高炉煤气中h2增加消耗的热量。
水煤气反应即与c反应生成co、h2：h2o+c＝co+h2-q(吸热)。为了便于计算，将水煤气反应拆分成
h2o＝h2+1/2o2和c+1/2o2＝co
其c+1/2o2＝co视同焦炭在风口前燃烧。只考虑h2o＝h2+1/2o2-242kj/mol时，则：
1mol的水分解热为：h2o＝h2+1/2o2-242kj/mol.因此1m3的h2分解热为(1000/22.4)*242＝10803kj。
(2)计算燃料热值利用率的加权值
燃料热值利用率采用h2和c区别对待，根据h2和c热值的比例加权计算燃料总计热值利用率。1kg燃料中c热量为27000kj，h2热量为3600kj。高炉煤气中co及h2利用率由炉顶煤气成分分析仪得出，ηh2＝ηco＝50％。则燃料综合热值利用率为：[3600×50％+27000×(0.293+0.707*50％)]/(27000+3600)
(3)计算吨铁煤气量
吨铁风耗根据高炉按照高炉风量表与生铁产量得出。通过高炉内的n2平衡确定单位生铁煤气h2增加量(m3/tp)。高炉风量为fm3/min每分钟产量为p吨，则吨铁风量＝f/p.＝7100/7.3＝973(m3/tp)
高炉鼓风n2体积含量为k，炉顶煤气中由鼓风带入n2占炉顶煤气体积含量为r，则炉顶根据n2平衡计算炉顶吨铁煤气量为：(f/p)×(k/r)，其中k由100％-21％-a得出；r从炉顶煤气成分分析仪得出。吨铁煤气量为973*(73％/50.5％)
(4)根据热平衡计算燃料补偿值
①高炉吨铁煤气中h2含量变化δh2％需要补偿的热量
(f/p)×(k/r)×10803kj×δh2％
②根据热平衡计算燃料补偿量
1kg燃料中c热量为m，h2热量为n，设高炉吨铁煤气中h2含量变化δh2％需要补偿的燃料为xkg则有
x*[n*ηh2+m*(0.293+0.707ηco)]/(m+n)*(m+n)＝(f/p)*(k/r)*10803kj*δh2％
因此高炉吨铁煤气中h2含量变化δh2％需要补偿的燃料为x＝(f/p)*(k/r)*10803kj*δh2％/[n*ηh2+m*(0.293+0.707ηco)]
(m、n为kj/kg)
带入以上数字
x＝973*(73％/50.5％)*10803*0.8％/[3600*50％+27000*(0.293+0.707*50％)]
＝6.49kg
因此该高炉生产高炉煤气正常情况下h2含量从3.0％，漏水后h2含量从正常的3.0％上升到3.8％，δh2％＝0.8％，应该增加6.49kg/t.p的燃料。高炉经过调剂，增加燃料比6.49kg/t.p，高炉保持了热稳定性。
实施案例3
某2600m3高炉生产16年后高炉经常发生漏水，高炉煤气正常情况下h2含量一般为3.5％，漏水后h2含量从正常的3.5％上升到4.2％，δh2％＝0.7％。1kg燃料中c热量为27102kj，h2热量为3500kj。高炉煤气中co及h2利用率由炉顶煤气成分分析仪得出，ηh2＝ηco＝46％。高炉风量为5200m3/min每分钟产量为5.18吨。高炉富氧率为5％，高炉鼓风n2体积含量为k＝100％-21％-5％＝74％,炉顶煤气中由鼓风带入n2占炉顶煤气体积含量为51％。高炉吨铁因h2含量增加须要补偿的燃料量化如下。
(1)计算因此1m3的h2分解热
采用h2o的分解热来计算单位高炉煤气中h2增加消耗的热量。
水煤气反应即与c反应生成co、h2：h2o+c＝co+h2-q(吸热)。为了便于计算，将水煤气反应拆分成
h2o＝h2+1/2o2和c+1/2o2＝co
其c+1/2o2＝co视同焦炭在风口前燃烧。只考虑h2o＝h2+1/2o2-242kj/mol时，则：
1mol的水分解热为：h2o＝h2+1/2o2-242kj/mol.因此1m3的h2分解热为(1000/22.4)*242＝10803kj；
(2)计算燃料热值利用率的加权值
燃料热值利用率采用h2和c区别对待，根据h2和c热值的比例加权计算燃料总计热值利用率。1kg燃料中c热量为27312kj，h2热量为3388kj。高炉煤气中co及h2利用率由炉顶煤气成分分析仪得出，ηh2＝ηco＝48％。则燃料综合热值利用率为：[3500×46％+27102×(0.293+0.707*46％)]/(27102+3500)；
(3)计算吨铁煤气量
吨铁风耗根据高炉按照高炉风量表与生铁产量得出。通过高炉内的n2平衡确定单位生铁煤气h2增加量(m3/tp)。高炉风量为fm3/min每分钟产量为p吨，则吨铁风量＝f/p＝5200/5.18＝1004(m3/tp)
高炉鼓风n2体积含量为k,炉顶煤气中由鼓风带入n2占炉顶煤气体积含量为r，则炉顶根据n2平衡计算炉顶吨铁煤气量为：(f/p)×(k/r)，其中k由100％-21％-a得出；r从炉顶煤气成分分析仪得出。吨铁煤气量为1004*(74％/51％)
(4)根据热平衡计算燃料补偿值
①高炉吨铁煤气中h2含量变化δh2％需要补偿的热量
(f/p)×(k/r)×10803kj×δh2％；
②根据热平衡计算燃料补偿量
1kg燃料中c热量为m，h2热量为n，设高炉吨铁煤气中h2含量变化δh2％需要补偿的燃料为xkg则有：
x*[n*ηh2+m*(0.293+0.707ηco)]/(m+n)*(m+n)＝(f/p)*(k/r)*10803kj*δh2％；
因此高炉吨铁煤气中h2含量变化δh2％需要补偿的燃料为：x＝(f/p)*(k/r)*10803kj*δh2％/[n*ηh2+m*(0.293+0.707ηco)]
(m、n为kj/kg)；
带入以上数字
x＝1004*(74％/51％)*10803*0.7％/[3500*46％+27102*(0.293+0.707*46％)]
＝6.86kg；
因此该高炉生产高炉煤气正常情况下h2含量从3.5％，漏水后h2含量从正常的3.5％上升到4.2％，δh2％＝0.7％，应该增加6.86kg/t.p的燃料。高炉经过调剂，增加燃料比6.86kg/t.p，高炉保持了热稳定性。