钢铁冶金学(炼铁)课件第5章A

本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山139第五章高炉冶炼过程的能量利用5.1概述5.1.1高炉冶炼过程的能量来源钢铁冶金工厂70~80%的能量消耗在炼铁及其前部工序中!本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山139燃料能源鼓风焦炭煤粉热能(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‰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/t2.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=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(1)铁直接还原度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,FedXXOOOFeFe12C56FeFeFedddFe)O(Fe→−=−⋅×=−=→废废　(5−1)还FeFe1idirr=−=本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山140(2)高炉直接还原度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＝＝OOOOOS,P,Mn,SiFeOFedddX+→(5−2)还总OOdiiR1R==−(3)高炉总直接还原度dR料气＝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＝OOddR(5−3)料气OOiiRd1R==−()还总OOOS,P,Mn,SiFeOFedddXrR+⋅=→(5−7)()[]还总熔气还总熔气焦挥OO0.5OOO1RRdd−+=+⋅(5−8)()[]料气熔气料气熔气焦挥＋－OO0.5OOO1RRdd+⋅=(5−8′)4.高炉内碳素利用程度(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值并不能表征煤气利用率!(2)CO利用率(化学能利用率)ηCOηCO=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左右)。(3)碳素热能利用系数ηCηC=0.2932+0.7068xηCO(ηC值一般在0.6左右)(5−11)5.高炉内热能利用程度ηt%100t×=热量总收入消耗生产单位生铁的有效热η(5−12)(ηt值一般为0.85~0.92)本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山140本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山1416.氢利用率ηH2ηH2=H2O还⁄(H2+H2O还)(5−13)z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。6西德巴格达弟经验关系：ηH2⁄ηCO=0.88+0.1/ηCO(5−14)苏联巴巴柳金经验关系：ηH2⁄ηCO=1.41−1.07xηCO5.1.3能量利用分析方法1.生产上直观分析直觉观察：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(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›计算、图解分析好处与目的：c研究高炉能量消耗分配，寻找进一步改善能量利用的途径；d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，得出昀适应的冶炼制度；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。e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。本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山141本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山1425.2高炉冶炼过程能量利用计算分析5.2.1计算分析内容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。‰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%；‰记住本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山142：高炉的投入与产出：热风(ϕ、ω)喷吹物(煤粉、重油、天然气ω)煤气：CO、CO2、H2、N2(干)、H2O炉尘生铁回收铁炉渣：铁矿石：烧结矿球团矿生块矿熔剂：石灰石废铁(碎铁)焦炭，一般为1.0~1.5%注：回收铁，即铁损(指生产高炉而言)本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山143本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山143‰元素或/和化合物的存在状态：S：FeSFeS2SO3Fe、S：烧结矿、球团矿：Fe2O3、FeO、FeS(CaS)生块矿：Fe2O3、FeO、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、……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、……挥发分：C、H、N、O5.2.2生产高炉的计算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：IFSum=99.5~100.0，THENc余下的加入到CO2、H2O中，其它不变；或d以MeXOY形式存在，加入到Rest中。IF⏐100.0−Sum⏐≤2.0，THENcFe、CaO、SiO2不变；d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，昀好不要变动MgO、Al2O3成分)IF⏐100.0−Sum⏐2.0，THENc整体调整：(MeXOi⁄∑)×100%或d要求重新给定成分。本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山1442.物料平衡计算(1)矿石消耗量验算：Fe平衡方程(2)熔剂消耗量验算：碱度平衡方程(3)渣量计算：CaO平衡方程u=(ΣCaO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，Nm3/t6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)xV风ϕ⎯⎯风中湿度，%ω⎯⎯干风含O2，%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：本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山144()1222.4COCOCHVC24⋅++⋅=煤气气化(5−17)O平衡方程：(())()[]COCOV+0.5HO22.432O+O+V22+=−+05105..煤气还料喷风ϕωϕ(5−18)N平衡方程：()()()N211⋅=−−V22.428N+N+V煤气料喷风ϕω(5−19)H平衡方程：()()HCHV+HO=22.42H+H+V242+⋅2煤气还料喷风ϕ(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H+H.65O+O7.0V1VCH0.5H0.5COCO422−+⋅−=⋅−−+ωϕ(5−18′)本科生主干课《钢铁冶金学－炼铁部分》授课资料北京科技大学冶金学院吴胜利杨世山145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(5−17)、O平衡方程(5−18′)CHCOCOC1222.4=42V++•气化煤气(5−21)()()()(VV=11CO0.5CO0.5HCH5.6HH0.7OO224风煤气料喷料喷−⋅•+−−⋅+⋅+−⋅+⎡⎣⎢⎢⎤⎦⎥⎥ϕω)(5−22)[C,N]平衡法：C平衡方程(5−17)、N平衡方程(5−19)V=22.412CCOCOCH24煤气气化•++(5−21)()()()[]VV=111N0.8N2风煤气料喷−−•⋅−⋅+ϕωN(5−23)[O,N]平衡法：O平衡方程(5−18′)、N平衡方程(5−19)()()()V=0.7O+O5.6H+H0.8N+NCO0.5CON0.5HCH2224煤气料喷料喷料喷−−+−−−ββ(5−24)()()()[]VV=111N0.8N2风煤气料喷−−•⋅−⋅+ϕωN(5−23)注：ˆ当煤气成分用奥氏气体分析仪分析时，[C,O]法误差昀小，[C,N]法误差居中，[O,N]法误差昀大。ˆ当煤气成分用气相色谱仪分析时，可选用昀简单的[C,N]法即可。说明：a.C气化⎯⎯气化进入煤气的总碳量(包括元素和化合物状态)C气化=C矿+C熔+C废+C焦+C喷−C尘−C生铁−C回收铁，kg/tC矿=矿石量×(C%矿+12/44×CO2%矿)C熔=熔剂量×12/44×CO2%熔C废=废铁量×C%废C焦=干焦比×(C%焦固+12/44×CO2%焦挥+12/28×CO%焦挥+12/16×CH4%焦挥)C喷=喷吹量×C%喷C尘=炉尘量×(C%尘+12/44×CO2%尘)C生铁=1000x[C%]=10x[C]C回收铁=回收铁量×C%回收铁b.O料=O矿+OSi,Mn,P,S+O熔+O废+O焦−O尘−O渣，kg/tO喷