高炉冶炼物料平衡计算.docx
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高炉冶炼物料平衡计算
高炉冶炼综合计算
1.1概述
组建炼铁车间(厂)或新建高炉,都必须依据产量以及原料和燃料条件作为高炉冶炼综合计算包括配料计算、物料平衡计算和热平衡计算。
从计算中得到原料、燃料消耗量及鼓风消耗量等,得到冶炼主要产品(除生铁以外)煤气及炉渣产生量等基本参数。
以这些参数为基础作炼铁车间(厂)或高炉设计。
计算之前,首先必须确定主要工艺技术参数。
对于一种新的工业生产装置,应通过实验室研究、半工业性试验、以致于工业性试验等一系列研究来确定基本工艺技术参数。
高炉炼铁工艺已有200余年的历史,技术基本成熟,计算用基本工艺技术参数的确定,除特殊矿源应作冶炼基础研究外,一般情况下都是结合地区条件、地区高炉冶炼情况予以分析确定。
例如冶炼强度、焦比、有效容积利用系数等。
计算用的各种原料、燃料以及辅助材料等必须作工业全分析,而且将各种成分之总和换算成100%,元素含量和化合物含量要相吻合。
将依据确定的工艺技术参数、原燃料成分计算出单位产品的原料、燃料以及辅助材料的消耗量,以及主、副产品成分和产量等,供车间设计使用。
配料计算也是物料平衡和热平衡计算的基础。
依据质量守恒定律,投入高炉物料的质量总和应等于高炉排出物料的质量总和。
物料平衡计算可以验证配料计算是否准确无误,也是热平衡计算的基础。
物料平衡计算结果的相对误差不应大于0.25%。
常用的热平衡计算方法有两种。
第一种是根据热化学的盖斯定律,即按入炉物料的初态和出炉物料的终态计算,而不考虑炉内实际反应过程。
此法又称总热平衡法。
它的不足是没有反应出高炉冶炼过程中放热反应和吸热反应所发生的具体空间位置,这种方法比较简便,计算结果可以判断高炉冶炼热工效果,检查配料计算各工艺技术参数选取是否合理,它是经常采用的一种计算方法。
第二种是区域热平衡法。
这种方法以高炉局部区域为研究对象,常将高炉下部直接还原区域进行热平衡计算,计算其中热量的产生和消耗项目,这比较准确地反应高炉下部实际情况,可判断炉内下部热量利用情况,以便采取相应的技术措施。
该计算比较复杂。
要从冶炼现场测取大量工艺数据方可进行。
1.2配料计算
一.设定原料条件
1、矿石成分:
表1-1原料成分,%
原
料
Fe
Mn
P
S
FeO
Fe2O
3
SiO2
Al2O
3
CaO
Mg
O
Mn
O
P2O5
FeS
烧损
Σ
H2O
CO2
烧
58.3
0.03
12.5
69.3
2.01
0.03
0.08
100.0
结
5
0.03
1
0.03
4
5
5.82
1.54
8.54
8
9
0.07
3
0
矿
球
64.5
0.03
0.03
0.00
85.2
0.52
0.04
0.08
0.00
100.0
团
3
3
7
3
6.24
4
5.13
1.37
1.36
6
2
4
8
0
矿
混
合
矿
59.5
9
0.03
1
0.03
2
0.02
5
11.2
8
72.5
3
5.68
1.51
7.10
1.72
0.04
0.07
0.07
100.0
0
石
灰
0.00
0.03
51.0
0.07
0.00
100.0
1.80
0.06
1
6
1.10
1.26
1.96
0.09
3
0.89
8
0.10
2
1.06
42.43
0
石
炉
42.2
0.22
0.02
0.08
15.6
42.7
15.8
1.33
8.73
1.29
0.28
0.06
0.22
1.96
C=11.9
100.0
尘
1
6
3
0
6
0
6
7
7
5
0
烧结与球团的比例为80:
20
2、焦炭成分:
表1-2焦炭成分,%
C固
灰分(12.64)
挥发份(0.58)
有机物(1.42)
Σ
游离水
SiO
2
Al2O
3
CaO
Mg
O
Fe
O
CO
CO
2
CH4
H2
N2
H2
N2
S
85.3
7.3
4.26
0.5
0.12
0.4
0.2
0.1
0.02
0.03
0.11
0.3
0.2
0.7
100.0
4.1
6
2
1
3
1
9
5
7
8
6
7
9
0
7
3、喷吹燃料成分:
表1-3煤粉成分,%
燃料
C
H
N
S
O
H2O
灰分
Σ
SiO2
Al2O3
CaO
MgO
FeO
煤粉
77.75
2.28
0.52
0.30
2.32
0.85
7.31
6.70
0.73
0.32
0.92
100.00
4预定生铁成分:
表1-4预定生铁成分,%
Fe
Si
Mn
P
S
C
95.23
0.55
0.03
0.034
0.026
4.13
其中Si、S由生铁质量要求定,Mn、P由原料条件定,C参照下式定,其余为Fe。
C=4.3-0.27Si-0.329P-0.032S+0.3Mn
某元素在生铁、炉渣、炉气中的分配率(%)见表1-5
表1-5元素分配率分,%
Fe
Mn
S
P
生铁
99.7
50
—
100
炉渣
0.3
50
—
0
炉气
5
0
.冶炼参数参考:
燃料消耗量
(kg/t生铁):
焦炭
360(干)
375(湿)
煤粉
150kg/t生铁
鼓风湿度
12g/m3
相对湿度
1222.4φ=×
=1.493%
100018
风温
1100℃
炉尘量
20kg/t生铁
入炉熟料温度80℃
炉顶煤气温度200℃
焦炭冶炼强度0.98t/(m3·d)高炉有效容积利用系数2.7t/(m3·d)炉渣碱度R=1.10
首先计算20kg炉尘中的焦粉量:
G焦粉=G尘C%尘/C%焦=20×11.95/85.36=2.80kg
高炉内参加反应的焦炭量为:
G焦=360-G焦粉=360-2.80=357.2kg
=(51.03-1.101.×96)%
=48.87%
(3)原料、燃料带有的CaO量G
铁矿石带入的CaO量为:
GCaO矿=G矿CaO%矿=1599.09×7.10%=113.54kg焦炭带入的CaO量为:
GCaO焦=G焦CaO%焦=357.2×0.51%=1.82kg煤粉带入的CaO量为:
GCaO煤=G煤CaO%煤=150×0.73%=1.10kg
=113.54+1.82+1.10=116.46kg
(4)原料、燃料带入的SiO2量GSiO2
铁矿石带入的SiO2量为:
GSiO2矿=G矿SiO2%矿=1599.09×5.68%=90.83kg焦炭带入的SiO2量为:
GSiO2焦=G焦SiO2%焦=357.2×7.32%=26.15kg煤粉带入的SiO2量为:
GSiO2煤=G煤SiO2%煤=150×7.31%=10.97kg硅素还原消耗的SiO2量为:
60
GSiO2还=1000Si%生铁60=11.79kg
28
故GSiO2=GSiO2矿+GSiO2焦+GSiO2煤-GSiO2还90.83+26.15+10.97-11.79=116.16kg
熔剂(石灰石)需要量为:
=(1.10×116.16-116.46)/48.87%
=23.16kg
原料、燃料带入的成分见下表1-6
表1-6每吨生铁带入的有关物质的量
原燃料
数量kg
SiO2
CaO
Al2O3
MgO
MnO
S
%
kg
%
kg
%
kg
%
kg
%
kg
%
kg
混
合
1599.0
5.6
90.83
7.10
113.5
1.5
24.1
1.7
27.5
0.04
0.6
0.02
0.40
矿
9
8
4
1
5
2
0
4
5
焦
7.3
4.2
15.2
0.1
炭
357.2
2
26.15
0.51
1.82
6
2
2
0.43
0.79
2.82
石
1.9
51.0
0.0
0.8
0.07
0.0
0.03
0.00
灰
23.16
6
0.45
3
11.82
9
0.02
9
0.21
8
2
6
8
石
煤粉
150
7.3
1
10.97
0.73
1.10
6.7
0
10.0
5
0.3
2
0.48
0.30
0.45
Σ
128.4
0
128.2
8
49.4
4
28.6
2
0.6
6
3.13
8
1)炉渣中
CaO的量GCaO渣
由上表:
GCaO渣=128.28kg
(2)炉渣中
SiO2的量GSiO2渣
由上表:
GSiO2渣=128.40-GSiO2还=128.40-11.79=116.61kg
(3)炉渣中
Al2O3的量GAl2O3渣
由上表:
GAl2O3渣=49.44kg
(4)炉渣中
MgO的量GMgO渣
由上表:
GMgO渣=28.62kg
(5)炉渣中
MnO的量GMnO渣
GMnO渣=0.66×50%=0.33kg
50%——锰元素在炉渣中的分配率
进入渣中的铁量为:
Fe渣=2.865kg,并以FeO形式存在故GFeO渣=2.865×72=3.68kg
56
7)炉渣中S的量GS渣
原燃料带入的总S量为:
GS=3.138kg(见表3-6)
=1000×0.026%=0.26kg
进入生铁的S量为:
GS生铁=1000S%生铁
进入煤气中的S量为:
GS煤气=GS5%=3.138×0.05=0.157kg
=3.138-0.26-0.157
=2.72kg
炉渣成分见下表1-7
表1-7
组元
CaO
SiO2
Al2O3
MgO
MnO
FeO
S/2
Σ
CaO/
SiO2
kg
128.28
116.61
49.44
28.62
0.33
3.68
1.36
328.32
%
39.07
35.52
15.06
8.72
0.1
1.12
0.41
100.00
1.10
(1)生铁含[P]按原料带入的磷全部进入生铁计算铁矿石带入的P量为:
GP矿=G矿P%矿=1599.09×0.032%=0.51kg石灰石带入的P量为:
GP熔=G熔P%熔=23.16×0.001%=0.0002kg
1
故[P]=(0.51+0.0002)×=0.051%
1000
(2)生铁含[Mn]按原料带入的锰有50%进入生铁计算
551
故[Mn]=0.66×50%××=0.026%
711000
(3)生铁含[C][C]=[100-(95.23+0.55+0.026+0.051+0.026)]%=4.117%
校核后的生铁成分(%)见下表1-8
表1-8校核后的生铁成分,%
[Fe]
[Si]
[Mn]
[P]
[S]
[C]
95.23
0.55
0.026
0.051
0.026
4.117
1.3物料平衡计算
(1)风口前燃烧的碳量GC燃
1)GC总=G焦C%焦+G煤C%煤
=357.2×85.36%+150×77.75%
=421.53kg
2)溶入生铁中的碳量为:
GC生铁=1000[C]%=1000×4.117%=41.17kg
3)生成甲烷的碳量为:
燃料带入的总碳量有1%~1.5%与氢化合生成甲烷,本例去1%。
GC甲烷=1%GC总=0.01×421.53=4.22kg
4)直接还原消耗的碳量GC直
1212
锰还原消耗的碳量:
GC锰=1000[Mn]%12=1000×0.026%×12=0.06kg
5555
2424硅还原消耗的碳量:
GC硅1000[Si]%=1000×0.55%×=4.71kg
2828
磷还原消耗的碳量:
GC磷1000[P]%60=1000×0.051%×60=0.49kg-
6262
铁直接还原消耗的碳量:
12/
GC铁直=1000[Fe]%rd/
56
rd=rd-rH2
O%煤)]×ηH2α/(1000[Fe]%)
2
[357.2(0.037%+0.36%)+150×2.28%+218
150×0.85%)]0×.35×0.9/(100095.23%)
=0.06
式中ηH2——氢在高炉内的利用率,一般为0.3~0.5,本计算取0.35;α——被利用氢气量中,参加还原FeO的百分量,一般为0.85~1.0,取
0.9;
V风/——设定的每吨生铁耗风量,本计算取1200m3。
GC铁直=1000×95.23%××0.39=79.59kg
56
=0.06+4.71+0.49+79.59
=84.85kg
风口前燃烧的碳量为:
=421.53-41.17-4.22-84.85
=291.29kg
(2)计算鼓风量V风
1)鼓风中氧的浓度:
N=21%(1-φ)+0.5φ=21%(1-1.493%)+0.51×.493%=21.43%
2)GC燃燃烧需要氧的体积为:
O2
22.4
212
22.4=291.29×
212
3=271.87m3
3)煤粉带入氧的体积为:
O2煤
=G煤
16
O%煤+H2O%煤16)
18
22.4
32
1622.4=150(2.32%+0.85%16)×22.4
18323=3.23m3
4)需鼓风供给氧的体积为:
VO2风=VO2-VO2煤271.87-3.23=268.64m3
故V风=VO2风/N=268.64=1253.57m3
21.43%
1)由燃料碳素生成的甲烷量为:
2)焦炭挥发分中的甲烷量为:
22.4
=357.2×0.025%×
16
3=0.125m3
故VCH4=VCH4碳+VCH4焦7.88+0.125=8.01m3
1)由鼓风中水分分解产生的氢量为:
V=V风φ=1253.57×1.493%=18.72m3
2)焦炭挥发分及有机物中的氢量为:
22.4
=357.2(0.037%+0.36%)
2
3
=15.88m3
3)煤粉分解产生的氢量为:
O
222.4
VH2煤=G煤(H2%煤+H2O%煤)
182
222.4=150(2.28%+0.85%×2)22.4
182
3
=39.89m3
4)炉缸煤气中氢的总产量为:
VH2总=VH2分+VH2焦+VH2煤
=18.72+15.88+39.89
3=74.04m3
5)生成甲烷消耗的氢量为:
3VH2烷=2VCH4=2×8.10=16.02m3
6)参加间接反应消耗的氢量为:
VH2间=VH2总ηH2
3
=74.04×0.35=25.91m3
H2
=V
H2
-V
H2烷
-V
H2间
=74.04-16.02-25.91
3
=32.11m3
3)二氧化碳的体积VCO2
GFe2O3=G矿Fe2O3%矿
=1599.09×72.53%
=1159.82kg
参加还原Fe2O3为FeO的氢气量为:
2
GH2还=VH2总ηH2(1-α)
22.4
=0.23kg
由氢气还原Fe2O3的质量为:
=0.23×=18.4kg
2
由CO还原Fe2O3的质量为:
=1159.82-18.4=1141.42kg
VC/O
2还
//
Fe2O3
22.4
22.4
=1141.42×
3
=159.80m3
2)由CO还原FeO为Fe生成的CO2量为:
22.4
//CO2还
22.4
56
VC//O2还=1000[Fe]%[1-rd/-rH2]22.456
=1000×95.23%(1-0.39-0.06)
3
=209.51m3
3)石灰石分解产生的CO2量为:
22.4
44
22.4=23.16×42.43%×
44
3=5.00m3
4)焦炭挥发分中的CO2量为:
=159.80+209.51+5.00+0.35
3
374.66m3(4)一氧化碳的体积VCO
1)风口前碳素燃烧生成的CO量为:
22.422.43
VCO燃=GC燃22.4=291.29×22.4=543.74m3
1212
2)直接还原生成的CO量为:
22.422.43VCO直=GC直22.4=84.85×22.4=158.39m3
12123)焦炭挥发分中的CO量为:
22.422.43
VCO挥=G焦CO%焦=357.2×0.21%×=0.60m3
2828
4)间接还原消耗的CO量为:
VCO间=V/CO2还+VC//O2还=159.80+209.51=369.31m3
1)鼓风带入的氮气量为:
VN2风=V风(1-φ)N2%风
=1253.57(1-1.493%)79%
3
=975.53m3
2)焦炭带入的氮气量为:
=G
N2%焦挥发+N2%焦有机)
22.4
28
22.4=357.2(0.118%+0.27%)
28
=1.11m3
3)煤粉带入的氮气量为:
22.4
VN2煤=G煤N2%煤
28
22.4
=150×0.52%×22.4
28=0.62m3
3
=975.53+1.11+0.62=977.26m3
煤气成分见下表1-9
表1-9煤气量及成分
成分
CO2
CO
N2
H2
CH4
Σ
体积,m3
374.66
334.42
977.26
32.11
8.01
1726.46
%
21.70
19.37
56.60
1.86
0.47
100.00
(1)鼓风质量的计算
1m3鼓风的质量为:
r风=[0.21(1-φ)32+0.79(1-φ)28+18φ]/22.4
=[0.210×.985×32+0.79×0.985×28+18×0.01493]/22.43
=1.28kg/m3
鼓风的质量为:
G风=V风r风=1253.57×1.28=1604.57kg
(2)煤气质量的计算
1m3煤气的质量为:
r气=(44CO2%+28CO%+28N2%+2H2%+16CH4%)/22.4
=(44×0.217+28×0.1937+28×0.566+2×0.0186+16×0.0047)/22.43
1.381kg/m3
煤气的质量为:
G气=V气r气=1726.46×1.381=2384.24kg
(3)煤气中的水分
1)焦炭带入的水分
GH2O焦=G焦H2O%焦=357.2×4.17%=14.90kg
2)石灰石带入的水分
GH2O熔=G熔H2O%熔23.16×1.06%=0.25kg
3)氢气参加还原生成的水分为:
GH2O还=VH2间2×18
22.42
=25.91×2×18
22.42
20.82kg
=14.90+0.25+20.82
=35.97kg
物料平衡列表1-10
表1-10物料平衡表
入相
kg
%
混合矿
1616.29
42.88
焦炭(湿)
375
9.95
石灰石
23.16
0.62
鼓风(湿)
1604.57
42.57
煤粉
150
3.98
总计
3769.02
100.00
出相
生铁
1000
26.54
炉渣
328.32
8.71
炉气(干)
2384.24
63.27
煤气中水
35.97
0.95
炉尘
20
0.53
总计
3768.53
100.00
相对误差=(3769.02-3768.53)/3769.02=0.013%<0.3%
所以计算结果符合要求。
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- 高炉 冶炼 物料 平衡 计算