350m3高炉冶炼综合计算及工艺设计.docx
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350m3高炉冶炼综合计算及工艺设计
本科生课程设计报告
题目350m3高炉冶炼综合计算及工艺设计
学院化学工程学院
专业冶金工程
学生姓名
学号年级
指导教师
二Ο一七年六月二十二日
目录
四川大学本科课程设计任务书0
0课程设计原始条件1
1350m3高炉冶炼配料计算3
(1)吨铁矿石用量计算3
(2)生铁成分计算3
(3)石灰石用量计算4
(4)渣量及炉渣成分计算4
2物料平衡计算6
(1)鼓风量的计算6
(2)煤气组分及煤气量计算7
(3)煤气中水量计算9
(4)考虑炉料的机械损失,实际入炉量9
(5)物料平衡表10
3热平衡计算11
(1)热收入11
(2)热支出12
(3)热平衡表16
(4)高温区三种界限温度热平衡计算对比16
4原料采购计划18
5350m³高炉的内型尺寸的核算19
6高炉炼铁工艺过程描述21
1烧结矿及球团矿造块21
2高炉中铁的还原22
3高炉中铁水中碳的行为及其他元素的还原23
4炉前操作25
5高炉四大操作制度25
6高炉炉渣26
附图:
1350m3高炉侧面图
2炼铁车间工艺平面布置图
3炼铁工艺流程框图
0课程设计原始条件
1.已知条件如下
(1)高炉炼铁的原燃料成份分别见下列各表(混合矿即烧结矿与天然矿的混合)
原料成分(%)
成分
原料
Fe
Mn
P
S
Fe2O3
FeO
MnO2
MnO
CaO
烧结矿
52.80
0.093
0.047
0.031
55.30
18.18
/
0.12
10.80
天然矿
43.00
0.165
0.021
0.134
51.10
9.20
0.26
/
9.00
混合矿
52.49
0.095
0.047
0.034
55.14
17.90
0.01
0.12
10.76
石灰石
/
/
0.004
0.003
/
/
/
/
40.68
成分
原料
MgO
SiO2
Al2O3
P2O5
FeS2
FeS
SO2
烧损CO2
∑
烧结矿
3.74
9.76
1.00
0.11
/
0.09
/
0.90
100.00
天然矿
2.10
16.34
2.32
0.05
0.25
/
/
9.38
100.00
混合矿
3.70
9.96
1.05
0.11
0.01
0.09
/
1.15
100.00
石灰石
12.15
1.38
0.34
0.01
/
/
0.01
45.43
100.00
焦碳成分(%)
固定碳
灰分,12.17
挥发分,0.90
有机物,1.30
∑
全S
游离
SiO2
Al2O3
CaO
MgO
FeO
P2O5
CO2
CO
CH4
H2
N2
H2
N2
S
水
85.63
5.65
4.83
0.76
0.12
0.75
0.05
0.26
0.42
0.03
0.04
0.15
0.40
0.40
0.50
100.00
0.52
4.8
喷吹物成分(%)
成分
品种
C
H2
O2
H2O
N2
S
灰分
∑
SiO2
Al2O3
CaO
MgO
FeO
煤粉
重油
67.84
86.00
4.35
11.00
4.05
1.50
0.79
0.75
0.42
0.56
0.66
0.19
11.48
/
7.42
/
0.60
/
0.30
/
1.45
/
100.00
100.00
生铁成分(%)
成分
Si
Mn
S
P
C
Fe
∑
%
0.7
0.09
0.03
0.09
4.10
94.99
100.00
(2)高炉冶炼条件如下
生铁成份见上表。
燃料消耗量(kg/t生铁):
焦炭 400(干)
煤粉 80 置换比0.7
重油 30 置换比1.0
鼓风湿度 12g/m3
风温 1180℃
炉尘量 20kg/t生铁
入炉熟料温度 80℃
炉顶煤气温度 250℃
焦炭冶炼强度 1.2t/(d·m3)利用系数 3.0t/(d·m3)
炉渣碱度R=ω(CaO)/ω(SiO2)=1.03
铁的直接还原度:
rd=0.45,氢的利用率ηH2=35%。
表1元素在生铁、炉渣与煤气中的分配率
项目
Fe
Mn
P
S
生铁
0.997
0.5
1.0
炉渣
0.003
0.5
0
煤气
0
0
0
0.05
1350m3高炉冶炼配料计算
(1)吨铁矿石用量计算
燃料带入铁量m(Fe.r):
m(Fe.r)=K×ω(FeOĸ)×56/72+M×ω(FeOм)×56/72
=400×0.0075×56/72+80×0.0145×56/72
=3.24kg
式中ω(FeOĸ)——焦炭中FeO的质量分数,%;
ω(FeOм)——煤粉中FeO的质量分数,%。
计算矿石用量A:
根据生铁含碳估算式:
ω[C]=4.1%-0.27ω[Si]-0.32ω[P]-0.32ω[S]+0.03ω[Mn]
而ω[Fe]=100%-{ω[C]+ω[Si]+ω[Mn]+ω[P]+ω[S]}
=95.7%-0.73ω[Si]-0.68ω[S]-0.68ω[P]-1.03ω[Mn]
得
式中η(Fe),η(P),η(Mn)——分别表示铁、磷、锰元素在生铁中的分配率
ω(TFe)——矿石中全铁质量分数,%;
ω(P矿),ω(Mn矿)——矿石中磷、锰元素质量分数,%。
设用混合矿中烧结矿x,天然矿y,则x+y=1,且:
52.80x+43.00y=52.49
解得x=0.968,y=0.032。
所以烧结矿和天然矿的比为0.968/0.032≈30:
1
吨铁需要烧结矿:
1809.57×0.968=1751.66kg
吨铁需要天然矿:
1809.57×0.032=57.91kg
(2)生铁成分计算
式中ω(P2O5K)——焦炭中P2O5质量分数,%。
计算生铁成分表如下:
表2
Fe
Si
Mn
P
S
C
∑
95.02
0.70
0.086
0.094
0.03
4.07
100.00
(3)石灰石用量计算
矿石、燃料带入的CaO量:
式中ω(CaOA),ω(CaOK),ω(CaOM)——分别为矿石、焦炭、煤粉中CaO的质量分数,%。
矿石、燃料带入的SiO2量(要扣除还原Si消耗的)
式中ω(SiO2A),ω(SiO2K),ω(SiO2M)——分别为矿石、焦炭、煤粉中SiO2的质量分数,%。
ω(SiO2r)——还原消耗的SiO2,%。
石灰石的有效熔剂性:
式中ω(CaOɸ),ω(SiO2ɸ)——石灰石中CaO、SiO2的质量分数,%。
石灰石用量:
(4)渣量及炉渣成分计算
炉料带入的各种炉渣组分的数量为:
式中μ(Fe),μ(Mn)——分别表示铁、锰元素在炉渣中的分配率。
1t生铁炉料带入的硫量(硫负荷):
进入生铁的硫量
进入煤气的硫量
进入渣中的硫
式中λ(S)——硫在煤气中的分配率。
计算炉渣成分如下表所示:
表3
项目
CaO
MgO
SiO2
Al2O3
MnO
FeO
S/2
∑
数量/kg
203.10
69.13
197.19
44.30
1.40
3.68
1.41
520.21
质量分数/%
39.04
13.29
37.91
8.52
0.27
0.71
0.27
100.00
炉渣性能校核:
炉渣实际碱度R=∑ω(CaO)/∑ω(SiO2)=203.10/197.19≈1.03(与规定碱度相符)
炉渣脱硫硫的分配系数LS=2×ω(S½/μ)/ω[S]=2×0.27/0.03=18;
查阅炉渣相图可知,该炉渣熔化温度为1350℃;
炉渣碱度:
1500℃时,0.25Pa·s;1400℃时,0.4Pa·s。
由炉渣成分及性能校核可以看出,这种炉渣是能够符合高炉冶炼要求的。
2物料平衡计算
对于炼铁设计的工艺计算,直接还原度rd及氢的利用率等指标是已知的,它们在前面已经给出。
这里还假定入炉碳量1%与氢反应生成CH4。
按鼓风湿度的换算公式,对于本例鼓风湿度应为
(1)鼓风量的计算
每吨生铁的各项耗碳是:
燃料带入的可燃碳量m(Cf):
其他因素直接还原耗碳m(Cda):
式中ω[Si],ω[Mn],ω[P]——生铁中相应元素质量分数,%;
ɸ——每吨生铁的石灰石用量,kg;
ω(CO2ɸ)——石灰石中CO2质量分数,%;
α——石灰石在高温区分解率,通常取α=0.5;
U——每吨生铁的渣量,kg;
ω(S)——渣中硫质量分数;
1.06——脱硫耗碳量,kg。
铁的直接还原耗碳
式中m(Fe.r)——冶炼每吨生铁的还原铁量,kg。
风口前燃烧碳量
风口碳量所占比例为
鼓风含氧量
因此,每吨生铁的鼓风量
鼓风密度
每吨生铁的鼓风质量
(2)煤气组分及煤气量计算
1)CH4
2)H2
进入煤气的氢量
高炉中氢的还原度(假定还原氢均参与浮氏体FexO的还原)
3)CO2
熔(溶)剂分解出的CO2(取石灰石高温区分解率α=0.5)
式中ω(CO2A),ω(CO2ɸ),ω(CO2K)——分别为矿石、溶剂、焦炭中的CO2的质量分数,%。
高级氧化铁还原生成的
矿石中MnO2还原MnO生成的
式中ω(Fe2O3A),ω(MnO2A)——分别为矿石中相应成分的质量分数,%。
4)CO
5)N2
式中ω(N2K),ω(N2M),ω(N2Z)——分别为焦炭、煤粉、重油中氮的质量分数,%。
将上述结果录入表中,就可求得煤气(干)总量及煤气成分:
表4
项目
CO2
CO
H2
CH4
N2
∑
体积/m³
323.16
397.03
54.35
8.06
941.24
1723.84
体积分数ᵠ/%
18.75
23.03
3.15
0.47
54.60
100.00
煤气与鼓风的体积比为Vg/Vb=1723.84/1200.84=1.436
煤气密度
式中ᵠ(CO2),ᵠ(CO),ᵠ(N2),ᵠ(H2),ᵠ(CH4)——分别表示炉顶煤气中相应组分的体积分数,%。
每吨生铁的煤气质量
(3)煤气中水量计算
(4)考虑炉料的机械损失,实际入炉量
(5)物料平衡表
表5
物料收入
物料支出
项目
数量/kg
项目
数量/kg
矿石
1954.34
生铁
1000.00
焦炭
428.41
炉渣
520.21
煤粉
80
煤气
2318.56
重油
30
石灰石
12.09
煤气中水
50.52
鼓风
1540.68
炉尘
153.29
总计
4045.52
总计
4042.58
物料平衡误差:
绝对误差=4045.52-4042.58=2.94kg
相对误差=2.94/4045.52=0.07%
3热平衡计算
热平衡计算是按热化学的盖斯定律,依据入炉物料的最初形态和出炉的最终形态,来就计算产生和消耗的热量,而不考虑高炉内实际的化学反应过程。
(1)热收入
1)碳素氧化热
由还原反应生成的CO2为310.66m³,相当于氧化成CO2的碳量是
m(CO(CO2))=310.66×12/22.4=166.43kg
氧化成的CO的碳量则为
m(CO(CO))=m(CO)-m(CO(CO2))=377.66-166.43=211.23kg
碳素氧化热为
QS1=33356.4×m(CO(CO2))+9781.2×m(CO(CO))
=33356.4×166.43+9781.2×211.23=7617588.53kJ
(1kgCO生成热为9781.2kJ,1kgCO2生成热为33356.4kJ)
2)鼓风带入的热量
已知1100℃时,干空气比焓1567.92kJ/m³,水蒸气比焓1912.77kJ/m³。
每吨生铁的风量为1166.76m³,喷吹煤粉用的压缩空气数量很少(大约15~30kg/kg(空气)),不予考虑。
因而,鼓风带入的物理热为
=1200.84×[1567.92×(1-0.0096)+1912.77×0.0096]=1886796.51kJ
式中Vb——每吨生铁的风量,m³;
ᵠ——鼓风湿度;
Hb,hH2O——热风温度时干空气及水蒸气的体积比焓,kJ/m³。
3)氢氧化热及CH4生成热
氢参加还原生成的水量为m(H2Of)=30.35kg,生成CH4的耗碳量是m(CCH4)=4.23kg,1kg水生成的热为13421.98kJ,氢和碳生成1kg甲烷放热4698.32kJ,这两部分热量为
式中m(H2Of)——还原生成的水量。
4)成渣热(由石灰石及生矿带入的CaO、MgO计算)
每千克CaO(或MgO)成渣放热1128.6kJ
=1128.6×[11.97×(0.4068+0.1215)+1809.57×0.10×(0.09+0.021)]
=29806.30kJ
式中m[CaO+MgO]——冶炼每吨生铁由溶剂、生矿带入CaO和MgO的总量,kg。
5)因采用冷矿,炉料带入物理热可忽略不计。
以上各项热收入总计为:
Qs=7617588.53+1886796.51+433855.62+29806.30=9968046.96kJ
(2)热支出
1)氧化物分解好热
①铁氧化物分解耗热
烧结矿、球团矿中的FeO一般有20%~25%以硅酸铁(2Fe·SiO2)形态存在,酸性烧结取高值,此处取低值。
烧结矿中以硅酸铁形态存在的FeO量为
m(FeO’(硅))=A×a×ω(FeOa)×0.2=1809.57×0.9×0.1818×0.2=59.22kg
式中ω(FeOa)——烧结矿(包括球团矿)中FeO质量分数,%。
a——炉料中人造富矿配比
A——屯铁矿石用量,kg。
以Fe3O4形态存在的FeO量则为
m(FeO(磁))=A×ω(FeOA)-m(FeO’(硅))=1809.57×0.1790-59.22=264.69kg
以Fe3O4形态存在的Fe2O3量为
m(Fe2O3(磁))=m(FeO(磁))×160/72=588.20kg
其次,矿石带入的Fe3O4量为
m(Fe3O4)=m(Fe2O3(磁))+m(FeO(磁))=588.20+264.69=852.89kg
矿石带入的赤铁矿量为
m(Fe2O3(赤))=A×ω(Fe2O3A)-m(Fe2O3(磁))=1809.57×0.5514-588.20=409.60kg
式中ω(Fe2O3A)——混合矿中Fe2O3质量分数,%。
燃料带入的FeO量(均为Fe2SiO4)为
m(FeO(燃))=K×ω(FeOK)+M×ω(FeOM)+Z×ω(FeOZ)=400×0.0075+80×0.0145
=4.16kg
进入炉渣的FeO量=3.68kg
需分解的硅酸铁中的FeO总量为
m(FeO(硅))=59.22+4.16-3.68=59.70kg
FeO(硅)、Fe3O4、Fe2O3的分解热效应分别为4068.39、4791.95、5144.33kJ/kg。
因此,铁氧化物分解耗热为:
Qd1.1=4068.39×m(FeO(硅))+4791.95×m(Fe3O4)+5144.33×m(Fe2O3)
=4068.39×59.70+4791.95×852.89+5144.33×409.60=6437006.7kJ
②其他氧化物分解耗热
1kgMnO2分解成MnO时需要热量1425.798kJ,这部分耗热由炉料计算;由MnO分解出1kgMn耗热7350.53kJ,这部分耗热由生铁计算。
由SiO2分解出1kgSi耗热30789.88kJ。
由Ca3(PO4)2分解出1kgP耗热35697.2kJ。
铁氧化物和其他分解耗热总量
Qd1=Qd1.1+Qd1.2=6437006.7+255664.0=6692670.7kJ
2)脱硫耗热
3)碳酸盐分解耗热
对于石灰石较多的高炉,石灰石在高温区分解出的CO2参与溶损反应,需消耗碳量和大量热量,这部分热量按下面方法计算:
亦即C+CO2=CO+CO,13961.2kJ/kg(C)
对于C氧化成CO的热量,应在碳素氧化热项内计算,以上m(COCO)=204.12kg已包含这项耗碳;对于CO2分解耗热Q’’d3的计算是
=23575.5×11.97×0.4543×0.5×12/44
=17482.21kJ
这部分耗热算进碳酸盐分解项内,因此
4)水分分解耗热
式中Q’H2O——鼓风带入水分分解耗热;
Q’’H2O——煤粉和重油带入水分分解耗热。
鼓风湿分与喷吹燃料所含有的水分分解耗热分别为10784.4kJ/m³,13422.0kJ/m³。
5)游离水蒸发耗热
6)喷吹煤粉分解耗热(按无烟煤粉解热1045kJ/kg考虑)
7)铁水带走热量(取铁水比焓1170.4kJ/kg)
8)炉渣带走热量(取炉渣比焓1755.6kJ/kg)
9)煤气带走热量
当炉顶温度250℃时,查表可知各气体组分的体积比焓(kJ/m³)为
表6
CO2
CO
H2
CH4
N2
H2O
356.97
262.50
260.00
365.33
261.67
304.30
干煤气带走热量
=356.97×323.16+262.50×397.03+260.00×54.35+365.33×8.06+261.67×941.24
=482948.63kJ
(此时煤气比焓277.97kJ/m³,其平均热熔为1.3899kJ/(m³·℃))
煤气中水蒸气带走热量
Qd9.2=VH2Or·hH2Otg+22.4/18×m(H2OK)·(hH2Otg-hH2O100)
=37.77×304.30+22.4/18×20.17×(304.30-150.48)
=15354.36kJ
炉尘带走热量Qd9.2=0.711×153.29×200=21797.84kJ
(炉尘比热容为0.711kJ/(kg·℃))
因此,煤气带走热量为Qd9=Qd9.1+Qd9.2+Qd9.2=520100.83kJ
10)热损失
前9项热支出总和为
Qd=Qd1+Qd2+Qd3+Qd4+Qd5+Qd6+Qd7+Qd8+Qd9
=6692670.7+27852.6+100511.61+135825.91+52272.57+83600+1170400+
913280.68+520100.83=9696514.9kJ
高炉热损失Q失=9968046.96-9696514.9=271532.06kJ
热损失所占比例R=271532.06/9968046.96=2.72%
(3)热平衡表
表7
热收入
热支出
项目
kJ
%
项目
kJ
%
1.碳素氧化热
7617588.53
76.42
氧化物分解热
6692670.7
67.14
2.鼓风物理热
1886796.51
18.93
脱硫耗热
27852.6
0.28
3.氢氧化放热
433855.62
4.35
碳酸盐分解热
100511.61
1.01
4.成渣热
29806.30
0.30
水分分解热
135825.91
1.36
5.炉料物理热
0.00
0.00
游离水蒸发热
52272.57
0.52
6.
喷吹物分解热
83600
0.84
7.
铁水带走热量
1170400
11.74
8.
炉渣带走热量
913280.68
9.16
9.
煤气带走热量
520100.83
5.22
10.
热损失
179763.71
2.72
总计
9968046.96
100.00
总合计
9968046.96
100.00
高炉有效热量利用系数KT=1-ᵠ煤热-ᵠ热损=100-(5.22+2.72)=92.06%
高炉碳素热能利用系数
(4)高温区三种界限温度热平衡计算对比
以下4项在三种情况下具有相同的热量值:
a.风口前碳热燃烧;
b.铁及合金元素直接还原耗热;
c.碳酸盐分解及分解出CO2参与溶损反应耗热;
d.喷吹煤粉的分解耗热(煤粉升温到界限温度耗热是不同的)。
此处仅计算不同的热量项。
1)鼓风带入的有效热量
当界限温度900℃,鼓风湿度ᵠ=0.0096时:
干空气比焓1260.27kJ/m³,水蒸气比焓1518.18kJ/m³,鼓风比焓为1260.27×0.9845+1518.18×0.0096=1255.31kJ/m³。
风温1100℃时鼓风比焓为1573.27kJ/m³。
因此,当界限温度为900℃时,每吨生铁鼓风带入的有效热量为
当界限温度1000℃时:
干空气比焓1412.84kJ/m³,水蒸气比焓1713.8kJ/m³,鼓风比焓为1412.84×0.9845+1713.8×0.0096=1407.39kJ/m³。
鼓风带入的有效热量为
2)铁水带走物理热
3)炉渣带走热量
4)煤粉升温及分解耗热
比较900℃、950℃、1000℃三种不同界限温度,950℃作为高温区界限温度时,高温区热损失占全炉热损失比例为:
77.54%,一般认为高温区的热损失约占全炉热损失的75%-80%,故符合高炉计算要求。
因此,把950℃作为高温区界限温度是更为合适的。
4原料采购计划
列表如下
表8
原料
年需要量万t/a
%
焦炭
15.98
17.25
煤粉
3.20
3.45
重油
1.20
1.30
烧结矿
69.97
75.51
天然矿
2.31
2.49
总计
92.66
100.00
5350m³高炉的内型尺寸的核算
(1)炉缸尺寸:
炉缸直径
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