钢铁冶金学I(炼铁)第五章

本科生主干课《钢铁冶金学Ⅰ(炼铁)》授课资料第五章北科大冶金与生态工程学院杨世山5–1第五章高炉冶炼过程的能量利用(EnergyUtilizationintheBFProcess)5.1概述(Introduction)5.1.1高炉冶炼过程的能量来源(Energyresources)钢铁冶金工厂70%～80%的能量消耗在炼铁及其前部工序中!燃料能源鼓风5.1.2高炉冶炼过程的能量利用指标(Energyutilizationindexes)1.燃料比(Fuelratio)(焦比+煤比+油比)=(干焦量+喷吹燃料量)/吨铁，kg/t2.焦比(Cokeratio)=干焦量/吨铁，kg/t综合焦比=(干焦量+置换比×喷吹燃料量)/吨铁=焦比+煤粉置换比×煤比+重油置换比×油比，kg/t3.直接还原度和间接还原度(Directandindirectreductiondegree)(1)铁直接还原度(Irondirectreductiondegree)rd(原苏联M.A.巴甫洛夫定义)量全部还原出的量出的中以直接还原方式还原从还FeFeOFeFeFeXddr==()FeOFeSP,Mn,Si,FedXXOOOFeFe12C85.55FeFeFedddFe)O(Fe→-=-⋅×=-=→废废(5–1)还FeFe1idirr=-=(5–4)焦炭煤粉热能(风温)压力能(风压)降低能源消耗(节能)降低燃料比——一次能量炉渣、铁水显热利用冷却水显热利用二次能量煤气热能、压力能回收q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PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建本科生主干课《钢铁冶金学Ⅰ(炼铁)》授课资料第五章北科大冶金与生态工程学院杨世山5–2(2)高炉直接还原度(BFdirectreductiondegree)Rd还原夺取的总氧量接还原方式夺取的氧量氧化物还原过程中，直＝dR还总还总＝＝OOSPMnSid,,,FeOFeXddOOO+→(5–2)还总OOdiiR1R==-(5–5)(3)高炉总直接还原度(TotalBFdirectreductiondegree)dR总＝炉料气化的总氧量的氧量中，直接还原方式夺取炉料中氧转入煤气过程＝气OOddR(5–3)气总OOiiRd1R==-(5–6)4.高炉内碳素利用程度(BFcarbonutilizationdegree)(1)炉顶煤气中CO2与CO的比值mm=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值并不能真正表征煤气利用率！(2)CO利用率(化学能利用率)(COutilizationratio)hCOηCO=CO2/(CO+CO2)=m/(m+1)(5–10)ηCO值大，说明煤气利用好(ηCO值一般为0.4～0.5左右)。(3)碳素热能利用系数(Heatenergyutilizationcoefficientofcarbon)ηCηC=0.2932+0.7068·ηCO(ηC值一般在0.6左右)(5–11)5.高炉内热能利用程度(BFheatenergyutilizationdegree)ηt%100t×=热量总收入消耗生产单位生铁的有效热h(5–12)(ηt值一般为0.85～0.95)()还总SP,Mn,Si,FeOFeOOOdddXrR+⋅=→(5–7)()[]还总熔气还总熔气焦挥OO0.5OOO1RRdd-+=+•(5–8)()[]总总气熔气气熔气焦挥OO0.5＋OOO－1RRdd+•=(5–8′)PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ÿÿ本科生主干课《钢铁冶金学Ⅰ(炼铁)》授课资料第五章北科大冶金与生态工程学院杨世山5–36.氢利用率(H2utilizationratio)ηH2ηH2=H2O还/(H2+H2O还)(5–13)5.1.3能量利用分析方法(Analysismethodsforenergyutilization)1.生产上直观分析(Object/ObservationanalysesinacommercialBFoperation)直觉观察：T顶、炉顶煤气中CO2、CO含量简易计算：燃料比、焦比、ηCO、ηH22.深入详尽地分析研究(Detailanalysesandresearches)(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µ计算、图解分析好处与目的：①研究高炉能量消耗分配，寻找进一步改善能量利用的途径；②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。③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。l高炉内水煤气置换反应：H2+CO2===H2O+CO接近平衡，因此ηH2/ηCO=()()22222COCOCOOHHOH++≈const=0.9～1.1。S西德鲍格丹蒂(L.vonBogdandy)经验关系：ηH2/ηCO=0.88+0.1/ηCO(5–14)苏联巴巴柳金经验关系：ηH2/ηCO=1.41－1.07·ηCOPDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建本科生主干课《钢铁冶金学Ⅰ(炼铁)》授课资料第五章北科大冶金与生态工程学院杨世山5–45.2高炉冶炼过程能量利用计算分析(Calculationanalyses)5.2.1计算分析内容(Calculationcontents)生产高炉的计算设计高炉的计算计算依据(已知条件)生产的原始数据(1)原燃料的化学成分全分析和消耗量；(2)冶炼产品(包括炉尘)数量及其成分；(3)鼓风参数；(4)各种实测生产数据：数量和温度。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。计算内容(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。(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。q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%；q记住：高炉的投入与产出：热风(φ、ω)喷吹物(煤粉、重油、天然气)生铁回收铁炉渣煤气：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)焦炭注：回收铁，即铁损(指生产高炉而言)，一般为1.0%～1.5%PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建ÿÿ本科生主干课《钢铁冶金学Ⅰ(炼铁)》授课资料第五章北科大冶金与生态工程学院杨世山5–5q元素或/和化合物的存在状态：Fe、S：烧结矿、球团矿：Fe2O3、FeO、FeS(CaS)生块矿：Fe2O3、FeO、FeS、FeS2熔剂：Fe2O3、FeO、FeS2、SO3废铁：Fe、Fe2O3、FeO、S(单质)焦炭：FeO、FeS、S(有机)煤粉：Fe2O3、FeO、FeS、S(有机)Mn：烧结矿、球团矿：MnO生块矿：MnO2CaO、SiO2、MgO、Al2O3、P2O5、CO2H2O：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)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、FeO、FeS、……挥发分：CO、CO2、CH4、H2、N2煤粉：工业分析：CF、S、灰分、挥发分、H2O化学分析：灰分：CaO、SiO2、MgO、Al2O3、P2O5、Fe2O3、FeS、……挥发分：C、H、N、O(通常将CF+C挥计入C全)5.2.2生产高炉的计算(CalculationanalysesforacommercialBF)1.校正焦比，原、燃料成分整理(Correctionforcokeratioandrawmaterialscompositions)(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：IFSum=99.5～100.0，THEN①余下的加入到CO2、H2O中，其它不变；或②以MeXOY形式存在，加入到Rest中。IF│100.0－Sum│≤2.0，THEN①Fe、CaO、SiO2不变；②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成分)IF│100.0－Sum│＞2.0，THEN①整体调整：(MeXOi/∑)×100%或②要求重新给定成分。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建本科生主干课《钢铁冶金学Ⅰ(炼铁)》授课资料第五章北科大冶金与生态工程学院杨世山5–62.物料平衡计算(Materialsbalancecalculation)(1)矿石(Ores)消耗量验算：Fe平衡方程(2)熔剂(Fluxes)消耗量验算：碱度平衡方程(3)渣量(Slagvolume)计算：CaO平衡方程u=(∑CaO料–CaO尘)/(CaO%)渣(5–16)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(Distributionratio)和回收率(Recoveryratio)：Fe、Mn、V、Ti、Nb、S、P(5)煤气量(Topgasvolume)和风量(Blastvolume)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，Nm3/t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：CO、CO2、H2、N2、CH4——炉顶煤气中组分的体积百分含量，%C平衡方程：()气化煤气CVCHCOCO22.41242=⋅++⋅(5–17)O平衡方程：()()()[]风喷料还煤气V5.01+O+O3222.4O0.5H+VCO5.0CO22jwj+-=+(5–18)N平衡方程：()()()风喷料煤气V11+N+N2822.4V2wj--=⋅N(5–19)H平衡方程：()()风喷料还煤气V+H+H222.4=OH+VCH2H242⋅+j(5–20)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(5–18)和H平衡方程式(5–20)消除H2O还，而得到一个无H2O还的O平衡方程式：[]()()()喷料喷料风煤气HH.65OO7.0V1VCH0.5H0.5COCO422++-+⋅-=⋅--+wj(5–18′)S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–φ)·V风φ——风中湿度，%ω——干风含O2，%PDF文件使用pdfFactoryPro试