5 高炉冶炼过程的能量利用

H O H +H O 2 2 2 CO CO + CO 2 2
(513)
高炉内水煤气置换反应:H2 + CO2 === H2O + CO接近平衡因此
( (
) ) ≈ const = 0.9 ~ 1.1.
西德巴格达弟经验关系:ηH2 ηCO = 0.88 + 0.1/ηCO 苏联巴巴柳金经验关系:
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1. 校正焦比,原,燃料成分整理
(1) 校正焦比:由铁损校正,总铁损可达1.0～1.5%,计入回收铁 (2) 成分整理:按元素或/和化合物的实际化学存在状态,将所有物料成分调整,换算成总和 为100%
成分整理诀窍:IF Sum = 99.5～100.0,THEN
余下的加入到CO2,H2O中,其它不变; 或 以MeXOY形式存在,加入到Rest中. Fe,CaO,SiO2不变; 根据数量按顺序酌情变更CO2,H2O,Rest,MgO,Al2O3量. (当用MgO,Al2O3平衡方程时,最好不要变动MgO,Al2O3成 IF 100.0 Sum > 2.0,THEN 或
4
(3) 高炉总直接还原度
Rd = 炉料中氧转入煤气过程中,直接还原方式夺取的氧量 =
炉料气化的总氧量
Od O 料气
(53)
R i = 1 Rd
=
Oi O
料气
Rd = (rd O
FeXO→Fe
+ OdSi,Mn,P,S O还总
)
(57) (58) (58)
5
Rd = Rd [1+ (O
焦挥 +
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(2) 铁直接还原度 Rd
接还原方式夺取的氧量 氧化物还原过程中,直 Rd = 还原夺取的总氧量
Od FeXO→Fe + Od Si,Mn,P,S Od = = O还总 O还总
(52)
R
i =
1 R
d =
Oi O
还总
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生 产 高 炉 的 计 算 计 生产的原始数据 算 依 (1)原燃料的化学成分全分析和消耗量; 据 (2) 冶炼产品数量及其成分; (3) 鼓风参数;
( ) 计 算 内 容
已 知 (4) 各种实测生产数据:数量和温度 条 件
(1) 各元素在铁,渣,炉尘和炉顶煤气 中的分配情况,回收率和铁损等; (2) 渣量,煤气量,实际风量和漏风率; (3) 直接还原度和H2参与还原反应的 情况; (4) 热量消耗利用的合理性,碳素和热 能利用程度; (5) 理论焦比和各种因素对焦比影响的 数值分析等.
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计算分析注意事项:
(1)以冶炼1000kg生铁为计算基础; (2)以物质不灭定律和能量守恒定律为理 论依据; (3) 计算前,原燃料,产品等的化学成分 必须按元素或化合物的实际化学存在形 式整理,换算成总和为100%;
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5.1.3
能量利用分析方法
计算,图解分析好处与目的:
研究高炉能量消耗分配,寻找进一步改善能量利用的途 径;
高炉采用某些新技术措施(高风温,富氧,喷吹,综合 鼓风等)时,预测冶炼效果,得出最适应的冶炼制度; 可用计算机程序自动计算,得出控制参数供操作者调节参 考. 对新建高炉,提供本体设计,设备选型,运输和动力平 衡的依据.
(514)
ηH2 ηCO = 1.41 1.07 ηCO
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5.1.3
直觉观察: 简易计算:
能量利用分析方法
T顶,炉顶煤气中CO2,CO含量 燃料比,焦比,ηCO,ηH2
1. 生产上直观分析
2.深入详尽地分析研究
(1) 计算法:物料平衡计算,热平衡计算 直接还原度计算,理论焦比计算 (2) 图解法:巴甫洛夫直接还原度图解 Rist 操作线图解 Reichardt 区域热平衡图解 操作线和区域热平衡联合图解
ηC = 0.2932 + 0.7068 ηCO
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(ηC值一般在0.6左右)
(511)
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5.高炉内热能利用程度 ηt
η
t
=
生产单位生铁的有效热 消耗 × 100% 热量总收入
(512)
其中:ηt值一般为0.85~0.92
6. 氢利用率 ηH2
ηH2 = H2O还 (H2 + H2O还) ηH2 ηCO =
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IF 100.0 Sum ≤ 2.0,THEN
整体调整:(MeXOi ∑)×100% 要求重新给定成分.
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2. 物料平衡计算
(1)矿石消耗量验算: (2)熔剂消耗量验算: (3)渣量计算: u = (∑CaO料 CaO尘) (CaO%)渣 造渣氧化物平衡计算: CaO,SiO2,MgO,Al2O3 (4)元素平衡计算和渣铁间分配比和回收率: Fe,Mn,V,Ti,Nb,S,P (5)煤气量和风量计算 列平衡方程组联立求解 V煤气,V风 冶炼1000kg生铁的干煤气量和湿风量,
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Fe平衡方程 碱度平衡方程 CaO平衡方程
Nm3/t
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2. 物料平衡计算
注意:湿煤气量= V煤气 (干) + H2O煤气
H2O煤气 = H2O还 + H2O化未 + H2O物 干 风 量= (1 ) V风 其中: 风中湿度,% ω 干风含O2,%
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2. 物料平衡计算
d
Fe还
=
从Fe X O中以直接还原方式还原出的Fe量 全部还原出的Fe量
Od Od Si, Mn, P, S Fe d (FeXO → Fe) 56 × Cd Fe = = = Fe Fe 废 12 (Fe Fe 废 ) O Fe X O → Fe
(51)
ri = 1 rd =
Fe i Fe 还
C气化 22.4 V煤气 = 12 CO 2 + CO + CH 4
(521)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
( CO2 + 0.5CO 0.5H2 CH4 ) V 煤气 V风 = (1 ) ω + 5.6 H料 + H喷 0.7 O料 + O喷 1
(
)
(
)
(522)
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5.1.2高炉冶炼过程的能量利用指标
1. 燃料比 (焦比 + 煤比 + 油比)
= (干焦量 + 喷吹燃料量) 吨铁,--kg/t
2. 焦比
= 干焦量 吨铁,-----------------kg/t
综合焦比 = (干焦量 + 置换比 × 喷吹燃料量) 吨铁
由于H2还原生成的H2O还量难于确定,列方程组时,通过O平衡方程式(518) 和H平衡方程式(520)消除H2O还,而得到一个无H2O还的O平衡方程式 : [CO2 + 0.5CO 0.5H2 CH4 ] V煤气 = (1 )ω V风 + 0.7(O料+O喷 ) 5.6(H料+H喷 ) (518′) 于是,按两两组合,可得三个方程组,解之得到:[C, O]平衡法:C平衡方程 (517),O平衡方程 (518′)
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生块矿: Fe2O3,FeO,FeS2
煤粉:Fe2O3,FeO,FeS,S(有机)
焦炭:工业分析:CF,S,灰分,挥发分,Moist
化学分析:灰分:CaO,SiO2,MgO,Al2O3,P2O5,…
挥发分:CO,CO2,CH4,H2,N2
煤粉: 工业分析:CF,S,灰分,挥发分,H2O
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5.2高炉冶炼过程能量利 用计算分析
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5.2.1
计算分析内容
设 计 高 炉 的 计 算 给定的原燃料条件和冶炼参数 (1) 原燃料和炉尘的化学成分全分析; (2) 冶炼生铁品种,成分; (3) 鼓风参数; (4) 冶炼工艺参数选择: 元素在铁,渣和煤气中的分配率; 焦 比,喷吹燃料比,炉渣碱度和rd (1) 单位生铁的原燃料消耗量配 料计算; (2) 冶炼产品的成分和数量; (3) 鼓风量; (4) 煤气量及其成分; (5) 通过热平衡联立求解焦比. 实际计算中,先根据经验选定rd和焦 比,喷吹燃料比计算物料平衡,然后计 算热平衡以检查rd和焦比选定的合理性.
化学分析:灰分:CaO,SiO2,MgO,Al2O3,P2O5,
挥发分:C,H,N,O
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5.2.1 生产高炉的计算
1.校正焦比,原,燃料成分整理 2.物料平衡计算 3.直接还原度rd,ηCO和ηH2计算 4.热平衡计算
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= 焦比+煤粉置换比×煤比+重油置换比×油比, ------------------------------------------------kg/t
3. 直接还原度和间接还原度
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(1) 铁直接还原度 rd(原苏联M.A.巴甫洛夫定义)
rd = Fe
5.1 概述
5.1.1
燃料 能 源 鼓风 压力能(风压) 煤粉 热能(风温)
高炉冶炼过程的能量来源
焦碳 降 低 能 源 消 耗 降低燃料比 一次能量
钢铁冶金工厂70~80%的能量消耗在炼铁及其前部工序中
炉渣,铁水显热利用 冷却水显热利用 煤气热能,压力能回收 二次能量
本章主要研究一次能量的利用问题 : 节约燃料消耗:(1) 节约焦炭消耗:替代品,极限骨架作用 (2) 改善燃料利用:发热剂,还原剂作用
N2 V煤气 = 22.4 (N料 + N喷) + (1)(1ω)V风 28
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(518) (519) (520)
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22.4 H平衡方程 : (H2 + 2CH4 )V煤气 + H2O还 = 2 (H料 + H喷 ) + V风
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2. 物料平衡计算
O熔气) O还总 0.5O熔气 O还总
]
Rd = Rd [1 (O -
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焦挥+
O熔气) O料气+ O熔气 O料气 0.5
]
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4. 高炉内碳素利用程度
(1) 炉顶煤气中CO2与CO的比值m m = CO2 CO (m值一般为0.6 ~ 0.7) m大,CO2多,说明煤气利用率高;m小,说明煤气利用率低. 当高炉加生熔剂(石灰石)时,这时CO2高,m值并不能表征煤气利 用率 ! (2) CO利用率(化学能利用率) ηCO ηCO = CO2 (CO+CO2) = m/(m+1) ηCO值大,说明煤气利用好 (ηCO值一般为0.4左右). (3) 碳素热能利用系数 ηC (510)
按照进入炉顶煤气的C,O,N,H四元素的平衡方程,联立解平 衡方程组,计算V煤气和V风 : 12 C平衡方程 : (517) ( CO+ CO2 + CH4 ) V煤气 = C气化
22.4
O平衡方程 : (CO + 0.5CO)V +0.5HO = 22.4(O +O ) +[(1)ω + 0.5]V 2 2 还 风 煤气 料 喷 N平衡方程 :
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记住:高炉的投入与产出:
煤气 :CO,CO2,H2,N2 (干)
,H2O 炉尘:
铁矿石:烧结矿
球团矿 生块矿 熔剂:石灰石 废铁 (碎铁)
焦炭
生铁
回收铁
热风 (,ω) 喷吹物 (煤粉,重油,天然气ω)
炉渣
注:回收铁,即铁损(指生产高炉而言),一般为1.0~1.5%
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元素或/和化合物的存在状态:
S: Fe,S: 熔 剂: 废 铁: 焦 炭: Mn: FeS FeS2 SO3 烧结矿,球团矿: Fe2O3,FeO,FeS (CaS) Fe2O3,FeO,FeS2,SO3 Fe,Fe2O3,FeO,S(单质) FeO,FeS,S(有机) 烧结矿,球团矿: MnO 生 块 矿: MnO2 CaO,SiO2,MgO,Al2O3,P2O5,CO2 H2O: H2O化:结晶水 H2O物:物理水 (Moist) (设计高炉不计Moist,只计算干基数量!) Rest: (为整理合理,而人为设计的"组分MeXOY",假设全进入炉渣)