转底炉直接还原工艺综合数学模型_佘雪峰
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1) State Key Laboratory of Advanced Metallurgy, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) School of Mechanical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China
转底炉直接还原工艺是近二三十年来发展起 来的新工艺，其最初用于处理含铁废料，但很快就
收稿日期：2012-08-18 基金项目：国家自然科学基金资助项目 (51090381); 国家自然科学基金青年科学基金资助项目 (51304015)
第 12 期
佘雪峰等：转底炉直接还原工艺综合数学模型
· 1581 ·
(VB1 + VB2) × WH2O + 11.2 × WC · wH,C =
Vg × XHg 2O + XHg 2 .
(3)
(4) 氧平衡.
32 22.4
×
(VB1
+
VB2)
×
XOB2
+
WC
×
wO,C
+
WO×
η×
wFOe2 O3
×
48 160
+wFOeO
×
16 72
=
16 22.4
×
Vg×
XCg O + 2 × XCg O2 + XHg 2O .
目前关于转底炉数学模型方面的研究，主要集 中在热平衡计算和转底炉炉内流场、温度场和压力 场的模拟 [11−12]. 此类转底炉数学模型延用了传统 热化学平衡模型的计算方法，没有同时综合考虑原 料、燃料、余热利用方式变化以及炉膛温度校核 等 因 素 ， 因 此 计 算 所 得 到 的 结 果 有 一 定 的 局 限 性. 本文建立了转底炉综合数学模型，模型由转底炉整 体热化学平衡模型、转底炉各个区域热平衡计算模 型 、转 底 炉 余 热 回 收 流 程 模 型 、生 球 干 燥 热 平 衡 模 型和炉膛温度校核和排放废气的露点校核模型组成
Wp × wNClP + WPC × wNClPC.
(7)
式中，wFe,P 为金属化球团中 Fe 的质量分数；wFe,D
为炉尘中 Fe 质量分数；wFe,O 为矿石中 Fe 质量
分数；wFe,C 为煤粉中 Fe 质量分数；WC 为煤耗 量， kg·t−1； WD 为炉尘量， kg·t−1； WO 为矿石 量，kg t−1；wC,C 和 wC,P 分别为煤粉和金属化球 团中碳质量分数；WC,R 为直接还原耗碳，kg·t−1；η
并联合求解，此模型主要是在满足 5 个计算原则 的前提下进行模拟计算. 本文详细描述了模型形式、 求 解 方 法 、计 算 原 则 及 其 应 用 情 况 ，并 求 解 出 转 底 炉直接还原工艺的基本工艺操作参数，为进一步研 究开发转底炉直接还原工艺提供理论依据.
1 Байду номын сангаас合数学模型
1.1 工艺流程设计 根据转底炉工艺的技术特点，提出转底炉直接
Comprehensive mathematical model of direct reduction for rotary hearth furnaces
SHE Xue-feng1,2),WANG Jing-song1), HAN Yi-hua1), ZHANG Xin-xin2), XUE Qing-guo1)
Corresponding author, E-mail: xueqingguo@ustb.edu.cn
ABSTRACT A comprehensive mathematical model was established to develop and deeper understand direct reduction technology for rotary hearth furnaces (RHF). The model consists of the overall thermal and chemical balance model, the calculation model of heat balance at different zones, the waste heat recovery process model, the drying model of green pellets, the checking model of furnace box temperature and waste gas dew point, and the RHF process model. The basic process parameters of RHF were calculated by the model. Calculation results show that the overall energy consumption is effected by gas calorific value, waste gas temperature, and the recycling scheme of waste heat recovery. When the gas calorific value increases by 50 kJ·m−3, the theoretical combustion temperature increases by 22 to 25 ℃, and the gas consumption decreases by 41 to 47 m3·t−1. But when the preheating temperature increases by 100 ℃, the theoretical combustion temperature increases by 35 to 40 ℃, and the gas consumption decreases by 90 to 103 m3·t−1. Furthermore, the model can be applied to calculate technical parameters when the raw materials and fuel conditions are different, and the change laws of these technical parameters under different waste heat recovery processes can also be studied by this model. KEY WORDS metallurgical furnaces; direct reduction process; mathematical models; waste heat recovery
(4)
(5) 氮平衡.
Vg
× XNg 2
=
(VB1
+
VB1) × XNB2
+
22.4 28
× WC × wN2,C.
(5)
(6) 挥发物平衡.
1000 × wMetmp + WD × wMetD =
Wp × wMetP + WPC × wMetPC,
(6)
1000wNClmp + WD × wNClD =
还原处理特殊矿或铁精粉的工艺流程示意图如图 1 所示，其工艺特点如下：
(1) 转底炉设置一个排烟口； (2) 转底炉分五段，每段分别设置煤气烧嘴和 二次风喷嘴，煤气烧嘴和二次风喷嘴所用空气或富 氧空气由转底炉排出的废烟气进行预热； (3) 转底炉排出的废烟气分两路，一路经过热 风炉加热煤气助燃风和二次风，另一路通过煤气换 热器预热煤气. 转底炉直接还原工艺流程的不同是由于处理 原料的不同造成的，但针对转底炉综合数学模型的 计 算 本 质 相 同 ，都 是 关 于 煤 气 消 耗 量 、碳 消 耗 量 、 回收蒸汽能量、炉膛温度校核和废气露点温度校核 以及总能耗的计算.
1) 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083 2) 北京科技大学机械工程学院，北京 100083
通信作者，E-mail: xueqingguo@ustb.edu.cn
摘 要 为发展和深入认识转底炉直接还原工艺技术，建立了转底炉综合数学模型，该模型由转底炉本体热化学平衡、 转底炉区域热平衡计算模型、余热回收模型、生球干燥模型、炉膛温度校核与尾气露点校核模型和转底炉流程模型组成. 采用综合模型计算了该工艺流程的基本工艺参数. 计算结果表明：煤气热值、废气排放温度和余热回收利用方案对整体 能量消耗有不同程度影响，煤气发热值每增加 50 kJ·m−3，理论燃烧温度提高 22∼25 ℃，煤气用量减少 41∼47 m3·t−1； 空气预热温度平均每增加 100 ℃，理论燃烧温度提高 35∼40 ℃，煤气用量减少 90∼103 m3·t−1. 此外，应用此模型还可 以计算任何原料和燃料等条件下的直接还原工艺参数，研究不同余热回收方案条件下的各个工艺参数的变化规律. 关键词 治金炉；直接还原；数学模型；余热回收 分类号 TF556
有 美 国 、德 国 、日 本 等 国 将 其 转 而 开 发 应 用 于 铁 矿 石的直接还原. 综合分析转底炉直接还原工艺的特 点，得出转底炉直接还原工艺的主要功能有如下三 方面：处理钢铁厂含锌粉尘 [1−2]；处理特殊矿 [3−7]， 采用转底炉 + 熔分工艺处理钒钛磁铁矿已经获得 成功；利用铁精粉生产金属化球团或珠铁 [8]. 目前 转底炉直接还原技术已经成功应用于处理钢铁厂含 锌粉尘工艺，日本从 2000 年至今在 Kimitsu、Hikari 和 Hirohata 已经相继投产 5 座转底炉用来处理钢 铁厂含锌尘泥 [9−10]，中国在最近 3 年内也分别在 莱 钢 、马 钢 、日 钢 和 沙 钢 建 成 转 底 炉 用 来 处 理 钢 铁 厂含锌尘泥. 未来几年，转底炉直接还原工艺将继 续延伸到处理特殊矿和利用铁精粉生产珠铁领域.
第 35 卷 第 12 期 2013 年 12 月
北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing
Vol. 35 No. 12 Dec. 2013
转底炉直接还原工艺综合数学模型
佘雪峰1,2)，王静松1)，韩毅华1)，张欣欣2)，薛庆国1)
· 1582 ·
北京科技大学学报
第 35 卷
1.3 热化学平衡模型 1.3.1 物质平衡
(1) 铁平衡.
1000×wFe,P +WD ×wFe,D = WO ×wFe,O +WC ×wFe,C. (1)
(2) 碳平衡.
WC × wC,C = 1000 × wC,P + WC,R + WC,B2. (2) (3) 氢平衡.
图 1 转底炉处理特殊矿或铁精粉工艺流程图 Fig.1 RHF process flow diagram of utilizing special mineral or iron concentrate powder
1.2 模型条件假设 为简化模型建立和方便计算，就模型相关条件
进行如下假设：首先生球进入转底炉后铁氧化物全 部发生直接还原反应，碳一部分用于直接还原，一 部分被燃烧，剩余部分以残炭形式存在于球团中， 且假定球团铁氧化物颗粒质量传递为准稳态过程； 其次直接还原后的最终产物是金属铁和 CO，且假 定 CO 在转底炉内的二次燃烧率为 100%；再次煤 气在转底炉内完全燃烧，且煤气燃烧和二次风燃烧 后炉内的流场不影响转底炉内球团还原；最后出转
底炉的高温烟气完全进入余热系统. 根据上述模型条件假设可进一步假设相关计
算数据为：(1) 生球成分；(2) 煤气成分；(3) 空气 成分、空气过剩系数和富氧率；(4) 环境温度 te；(5) 单位金属化球团所需要干燥生球量 mb，kg·t−1；(6) 生球中 C 的去向，参与还原、参与燃烧和残留在金 属化球团中；(7) 干燥后生球入炉温度 ti，℃，生球 水分 mw，%；(8) 金属化球团出炉温度 tDRIO，℃；(9) 金属化球团成分 (质量分数)；(10) 入炉空气预热温 度 ta，℃，入炉煤气温度 tg，℃等.
转底炉直接还原工艺是近二三十年来发展起 来的新工艺，其最初用于处理含铁废料，但很快就
收稿日期：2012-08-18 基金项目：国家自然科学基金资助项目 (51090381); 国家自然科学基金青年科学基金资助项目 (51304015)
第 12 期
佘雪峰等：转底炉直接还原工艺综合数学模型
· 1581 ·
(VB1 + VB2) × WH2O + 11.2 × WC · wH,C =
Vg × XHg 2O + XHg 2 .
(3)
(4) 氧平衡.
32 22.4
×
(VB1
+
VB2)
×
XOB2
+
WC
×
wO,C
+
WO×
η×
wFOe2 O3
×
48 160
+wFOeO
×
16 72
=
16 22.4
×
Vg×
XCg O + 2 × XCg O2 + XHg 2O .
目前关于转底炉数学模型方面的研究，主要集 中在热平衡计算和转底炉炉内流场、温度场和压力 场的模拟 [11−12]. 此类转底炉数学模型延用了传统 热化学平衡模型的计算方法，没有同时综合考虑原 料、燃料、余热利用方式变化以及炉膛温度校核 等 因 素 ， 因 此 计 算 所 得 到 的 结 果 有 一 定 的 局 限 性. 本文建立了转底炉综合数学模型，模型由转底炉整 体热化学平衡模型、转底炉各个区域热平衡计算模 型 、转 底 炉 余 热 回 收 流 程 模 型 、生 球 干 燥 热 平 衡 模 型和炉膛温度校核和排放废气的露点校核模型组成
Wp × wNClP + WPC × wNClPC.
(7)
式中，wFe,P 为金属化球团中 Fe 的质量分数；wFe,D
为炉尘中 Fe 质量分数；wFe,O 为矿石中 Fe 质量
分数；wFe,C 为煤粉中 Fe 质量分数；WC 为煤耗 量， kg·t−1； WD 为炉尘量， kg·t−1； WO 为矿石 量，kg t−1；wC,C 和 wC,P 分别为煤粉和金属化球 团中碳质量分数；WC,R 为直接还原耗碳，kg·t−1；η
并联合求解，此模型主要是在满足 5 个计算原则 的前提下进行模拟计算. 本文详细描述了模型形式、 求 解 方 法 、计 算 原 则 及 其 应 用 情 况 ，并 求 解 出 转 底 炉直接还原工艺的基本工艺操作参数，为进一步研 究开发转底炉直接还原工艺提供理论依据.
1 Байду номын сангаас合数学模型
1.1 工艺流程设计 根据转底炉工艺的技术特点，提出转底炉直接
Comprehensive mathematical model of direct reduction for rotary hearth furnaces
SHE Xue-feng1,2),WANG Jing-song1), HAN Yi-hua1), ZHANG Xin-xin2), XUE Qing-guo1)
Corresponding author, E-mail: xueqingguo@ustb.edu.cn
ABSTRACT A comprehensive mathematical model was established to develop and deeper understand direct reduction technology for rotary hearth furnaces (RHF). The model consists of the overall thermal and chemical balance model, the calculation model of heat balance at different zones, the waste heat recovery process model, the drying model of green pellets, the checking model of furnace box temperature and waste gas dew point, and the RHF process model. The basic process parameters of RHF were calculated by the model. Calculation results show that the overall energy consumption is effected by gas calorific value, waste gas temperature, and the recycling scheme of waste heat recovery. When the gas calorific value increases by 50 kJ·m−3, the theoretical combustion temperature increases by 22 to 25 ℃, and the gas consumption decreases by 41 to 47 m3·t−1. But when the preheating temperature increases by 100 ℃, the theoretical combustion temperature increases by 35 to 40 ℃, and the gas consumption decreases by 90 to 103 m3·t−1. Furthermore, the model can be applied to calculate technical parameters when the raw materials and fuel conditions are different, and the change laws of these technical parameters under different waste heat recovery processes can also be studied by this model. KEY WORDS metallurgical furnaces; direct reduction process; mathematical models; waste heat recovery
(4)
(5) 氮平衡.
Vg
× XNg 2
=
(VB1
+
VB1) × XNB2
+
22.4 28
× WC × wN2,C.
(5)
(6) 挥发物平衡.
1000 × wMetmp + WD × wMetD =
Wp × wMetP + WPC × wMetPC,
(6)
1000wNClmp + WD × wNClD =
还原处理特殊矿或铁精粉的工艺流程示意图如图 1 所示，其工艺特点如下：
(1) 转底炉设置一个排烟口； (2) 转底炉分五段，每段分别设置煤气烧嘴和 二次风喷嘴，煤气烧嘴和二次风喷嘴所用空气或富 氧空气由转底炉排出的废烟气进行预热； (3) 转底炉排出的废烟气分两路，一路经过热 风炉加热煤气助燃风和二次风，另一路通过煤气换 热器预热煤气. 转底炉直接还原工艺流程的不同是由于处理 原料的不同造成的，但针对转底炉综合数学模型的 计 算 本 质 相 同 ，都 是 关 于 煤 气 消 耗 量 、碳 消 耗 量 、 回收蒸汽能量、炉膛温度校核和废气露点温度校核 以及总能耗的计算.
1) 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083 2) 北京科技大学机械工程学院，北京 100083
通信作者，E-mail: xueqingguo@ustb.edu.cn
摘 要 为发展和深入认识转底炉直接还原工艺技术，建立了转底炉综合数学模型，该模型由转底炉本体热化学平衡、 转底炉区域热平衡计算模型、余热回收模型、生球干燥模型、炉膛温度校核与尾气露点校核模型和转底炉流程模型组成. 采用综合模型计算了该工艺流程的基本工艺参数. 计算结果表明：煤气热值、废气排放温度和余热回收利用方案对整体 能量消耗有不同程度影响，煤气发热值每增加 50 kJ·m−3，理论燃烧温度提高 22∼25 ℃，煤气用量减少 41∼47 m3·t−1； 空气预热温度平均每增加 100 ℃，理论燃烧温度提高 35∼40 ℃，煤气用量减少 90∼103 m3·t−1. 此外，应用此模型还可 以计算任何原料和燃料等条件下的直接还原工艺参数，研究不同余热回收方案条件下的各个工艺参数的变化规律. 关键词 治金炉；直接还原；数学模型；余热回收 分类号 TF556
有 美 国 、德 国 、日 本 等 国 将 其 转 而 开 发 应 用 于 铁 矿 石的直接还原. 综合分析转底炉直接还原工艺的特 点，得出转底炉直接还原工艺的主要功能有如下三 方面：处理钢铁厂含锌粉尘 [1−2]；处理特殊矿 [3−7]， 采用转底炉 + 熔分工艺处理钒钛磁铁矿已经获得 成功；利用铁精粉生产金属化球团或珠铁 [8]. 目前 转底炉直接还原技术已经成功应用于处理钢铁厂含 锌粉尘工艺，日本从 2000 年至今在 Kimitsu、Hikari 和 Hirohata 已经相继投产 5 座转底炉用来处理钢 铁厂含锌尘泥 [9−10]，中国在最近 3 年内也分别在 莱 钢 、马 钢 、日 钢 和 沙 钢 建 成 转 底 炉 用 来 处 理 钢 铁 厂含锌尘泥. 未来几年，转底炉直接还原工艺将继 续延伸到处理特殊矿和利用铁精粉生产珠铁领域.
第 35 卷 第 12 期 2013 年 12 月
北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing
Vol. 35 No. 12 Dec. 2013
转底炉直接还原工艺综合数学模型
佘雪峰1,2)，王静松1)，韩毅华1)，张欣欣2)，薛庆国1)
· 1582 ·
北京科技大学学报
第 35 卷
1.3 热化学平衡模型 1.3.1 物质平衡
(1) 铁平衡.
1000×wFe,P +WD ×wFe,D = WO ×wFe,O +WC ×wFe,C. (1)
(2) 碳平衡.
WC × wC,C = 1000 × wC,P + WC,R + WC,B2. (2) (3) 氢平衡.
图 1 转底炉处理特殊矿或铁精粉工艺流程图 Fig.1 RHF process flow diagram of utilizing special mineral or iron concentrate powder
1.2 模型条件假设 为简化模型建立和方便计算，就模型相关条件
进行如下假设：首先生球进入转底炉后铁氧化物全 部发生直接还原反应，碳一部分用于直接还原，一 部分被燃烧，剩余部分以残炭形式存在于球团中， 且假定球团铁氧化物颗粒质量传递为准稳态过程； 其次直接还原后的最终产物是金属铁和 CO，且假 定 CO 在转底炉内的二次燃烧率为 100%；再次煤 气在转底炉内完全燃烧，且煤气燃烧和二次风燃烧 后炉内的流场不影响转底炉内球团还原；最后出转
底炉的高温烟气完全进入余热系统. 根据上述模型条件假设可进一步假设相关计
算数据为：(1) 生球成分；(2) 煤气成分；(3) 空气 成分、空气过剩系数和富氧率；(4) 环境温度 te；(5) 单位金属化球团所需要干燥生球量 mb，kg·t−1；(6) 生球中 C 的去向，参与还原、参与燃烧和残留在金 属化球团中；(7) 干燥后生球入炉温度 ti，℃，生球 水分 mw，%；(8) 金属化球团出炉温度 tDRIO，℃；(9) 金属化球团成分 (质量分数)；(10) 入炉空气预热温 度 ta，℃，入炉煤气温度 tg，℃等.