毕业论文-- 年产150万吨生铁的炼铁厂设计.doc

湖南化工职业技术学院 毕业设计（论文）毕业设计（论文） 题 目 年产 150 万吨生铁的炼铁厂设计 院 （系） 湖南化工职业技术学院应用化学系 专业班级 冶金技术 1011 班 学生姓名 陈 轩 学 号 201012030128 指导教师 施 丽 丽 职 称 讲师 评阅教师_ _ 职 称_ 2012 年 12 月 1 日 湖南化工职业技术学院 I 目 录 中文摘要.II ABSTRACTIII 1 绪 论1 1.1 我国高炉炼铁技术的进步.1 1.2 我国高炉炼铁技术的发展趋势.2 2 高炉配料计算3 2.1 配料计算的目的.3 2.2 配料计算时需要确定的已知条件.3 2.3 计算过程.6 3 高炉物料平衡计算9 3.1 高炉物料平衡计算的意义.9 3.2 高炉物料平衡计算的内容.9 4 高炉热平衡计算13 4.1 热平衡计算的目的.13 4.2 热平衡计算方法.13 4.3 热平衡计算过程.14 5 高炉炉型设计19 5.1 总述.19 5.2 高炉炉型计算.19 5.3 绘制高炉设计炉型图.21 6 高炉八大系统.22 6.1 高炉煤气回收除尘系统.22 6.2 高炉本体.22 6.3 高炉渣铁处理系统.23 6.4 高炉送料系统.24 6.5 高炉喷吹系统.24 6.6 炉顶装料系统.25 6.7 高炉送风系统.26 6.8 高炉动力系统.27 结 语28 参考文献29 致 谢30 湖南化工职业技术学院 II 中文摘要 高炉炼铁是获得生铁的主要手段，也是钢铁冶金过程中最重要的环节之一， 在国民经济建设中起着举足轻重的作用。高炉流程是一种古老的冶金工艺,近几 十年来取得了巨大进步并在持续改进。高炉炼铁需要大量的煤和焦炭作铁矿石 的还原剂,导致CO2的排放。为满足碳足迹最小化的要求,必须大力减少CO2的排 放。钢铁生产中的所有废弃物也需要处理,达到零排放的要求。 高炉的设计直接影响着高炉的生产效益，高炉分为八大系统，分别为高炉 本体、高炉送料系统、高炉装料系统、高炉送风系统、高炉喷吹系统、高炉煤 气系统和高炉渣铁处系统。各系统的设计对高炉的生产，高炉的利用，都有着 非常大的影响。此设计为建造年产量为150万吨的高炉。本设计还结合了国内外 相似高炉的一些先进的生产经验和相关数据，力争使该设计的高炉做到合理、 长寿、实用，以期达到最佳的生产效益。设计的主要内容包括炼铁工艺计算 （包括配料计算、物料平衡和热平衡） 、高炉炉型设计等等。 关键词关键词：炼铁工艺计算、高炉炼铁、八大系统、喷吹 湖南化工职业技术学院 III ABSTRACT Blast furnace is the main means to obtain pig iron, iron and steel metallurgy process is one of the most important aspects, in the development of national economy, play a decisive role. Blast furnace is the oldest metallurgical process in commercial use.It has gone through great improvements during the last decades and new important modifications are still foreseen.The huge amount of coal and coke needed for reduction of iron ore is resulting in emissions of carbon dioxide that have to be strongly reduced to meet the requirement of minimizing the carbon footprint.All residuals from iron-and steelmaking also need to be taken care of to meet the requirement of zero waste. Blast furnace design directly affects the production efficiency of blast furnace BF, divided into eight system, respectively, blast furnace feeding system of blast furnace, blast furnace charging system, power system, sending wind system of the blast furnace, blast furnace blowing system, blast furnace gas and blast furnace slag processing system. The system design of blast furnace blast furnace production, use, have very big effect. The design for the construction of the annual output of 1500000 tons of blast furnace. The design also incorporates some of the similar blast furnace at home and abroad advanced production experience and relevant data, and strive to make the design of the blast furnace to achieve a reasonable, practical, longevity, in order to achieve the best production benefit.The main design elements include the ironmaking process ( including the burden calculation, calculation of material balance and heat balance ), blast furnace design and so on. Keywords: Ironmaking process calculations, blast furnace, the eight systems, Injection， 湖南化工职业技术学院 1 1 绪 论 1.1 我国高炉炼铁技术的进步 进入21世纪，中国钢铁工业进入飞速发展阶段。在原有的炼铁设计原理与 理论实践基础上，炼铁设计上进行了大胆的创新，新的技术和思想不断涌现并 得到应用，极大地推动了炼铁生产的进步和发展。 因此近10年来,中国高炉大型化、高效化、现代化、长寿化、清洁化发展进 程加快,炼铁不仅表现在技术经济指标的显著提高，也表现在工艺技术装备水平 迅速提升,其中有些已经进入了世界先进行列。 1.1.11.1.1 高炉无料钟炉顶设备技术创新高炉无料钟炉顶设备技术创新 采用无料钟炉顶装料设备是现代化高炉的重要技术特征。首钢自主设计研 制的无料钟炉顶设备经历了20多年的创新发展历程,结合大型高炉生产技术的进 步,在已有技术的基础上不断优化创新,攻克了大型高炉无料钟炉顶布料装置、齿 轮箱冷却、设备工作可靠性及设备使用寿命等关键性技术难题 ,成为中国自主设 计制造全部实现国产化并具有核心竞争力的关键技术装备。 1.1.21.1.2 高炉炉体结构技术的进步高炉炉体结构技术的进步 在高炉炉体结构中，两方面的进步是显著的。一是软水或纯水闭路循环冷 却得到了大面积的推广，其避免结垢、节水降耗的效果十分明显。同时，我国 的铜冷却避及传统的球磨铸铁冷却壁都具有世界先进水平。二是国内的耐火材 料技术已经达到或接近世界先进水平，这包括热风炉使用的硅砖和高炉炉缸使 用的刚玉莫来石砖、复合棕榈刚玉砖、微孔刚玉砖以及炉身使用的 SiC砖、铝碳 砖等。 1.1.31.1.3 高炉煤气全干式布袋除尘技术高炉煤气全干式布袋除尘技术 高炉煤气干式布袋除尘技术已有30多年的发展历程。2007年1月,中国自主开 发的高炉煤气全干式低压脉冲布袋除尘技术在迁钢2号高炉(2650m) 获得成功,完 全取消了备用的煤气湿式除尘系统，研究开发了煤气温度控制、除尘灰浓相气 力输送、管道系统防腐等核心技术,使中国在大、中型高炉煤气全干式布袋除尘 技术达到国际先进水平。 1.1.41.1.4 研究开发助燃空气高温预热技术研究开发助燃空气高温预热技术 近年来我国高炉风温水平有了提高，由于中国钢铁企业高热值煤气匮乏 ,大 多数热风炉只能使用低热值的高炉煤气,为了实现高风温,开发了助燃空气高温预 湖南化工职业技术学院 2 热技术。其原理是:设置两座助燃空气高温预热炉,通过燃烧低热值的高炉煤气将 预热炉加热后,再用来预热热风炉使用的助燃空气。预热炉燃烧温度在 1000。 1.2 我国高炉炼铁技术的发展趋势 1.2.11.2.1 高炉炉容、技术装备大型化高炉炉容、技术装备大型化 我国炼铁产业集中度低，高炉平均炉容偏小，尚有7500万吨/年落后的小高 炉没有淘汰。我国现有870多家钢铁企业，拥有1300多座高炉。但是1000m以 上容积的高炉只有167多座，平均炉容只有570m左右。另外我国烧结机、焦炉、 高炉的装备容积偏小且数量太多，产品质量不稳定和能耗高，企业效益受到影 响。 1.2.21.2.2 高风温、低燃料比高风温、低燃料比 国际领先水平的热风温度为1300，国际先进水平为1250左右。我国与国 际先进水平的热风温度差距在100左右,是我国炼铁技术指标中与国际差距最大 的地方。我国炼铁工作者首先应当努力缩小这个差距。热风温度是廉价的能源， 这是用45%高炉煤气换来的,是降低炼铁燃料比的工作重点。 1.2.31.2.3 精料技术的提高精料技术的提高 高炉炼铁应当以精料为基础，精料技术水平对高炉炼铁的影响率占 70%，高 炉操作占10%，设备影响占10%，管理水平占5%，外界因素（包括上下工序，运 输和动力)占5%。近年来，一些钢铁企业对精料将方针重视不够，没有善待高炉， 使高炉生产处于被劫状态，造成多方面损失。 湖南化工职业技术学院 3 2 高炉配料计算 冶炼1t生铁，需要一定数量的矿石、熔刑和燃料(焦炭及喷吹燃料)。对于炼 铁设计的工艺计算，燃料的用量是预先确定的，是已知的量，配料计算的主要 任务，就是求出在满足炉渣碱度要求条件下，冶炼规定成分生铁所需要的矿石、 熔剂数量。对于生产高炉的工艺计算，各种原料的用量都是已知的，从整体上 说不存在配料计算的问题，但有时需通过配料计算求解矿石的理论出铁量、理 论渣量等，有时因冶炼条件变化需要作变料计算 1。 2.1 配料计算的目的 配料计算的目的，在于根据已知的原料条件和冶炼要求来决定矿石和熔剂 的用量，以配制合适的炉渣成分和获得合格的生铁。 2.2 配料计算时需要确定的已知条件 2.2.12.2.1 原始资料的收集整理原始资料的收集整理 生产中原始资料分析常常不完全，或元素分析和化合物分析不相吻合，加 之分析方法不同存在分析误差，以致各种化学组成之和不等于 100%。因此，应 该先确定元素在原料存在的形态，然后进行核算，使总和为 100%。 换算为100%方法，可以均衡地扩大或缩小各成分的百分比，调整为 100%， 或者按照分析误差允许的范围，人为的调整为100%。调整幅度不大时，以调整 Al2O3或MgO为宜。 在各种原料中化合物存在的形态和有关换算，按照下述方法处理。烧结矿 分析的S，P，Mn 分别以FeS, P2O5,MnO形态存在。它们的换算为： SFeS (FeS)=(S)% 32 88 PP2O5 (P2O5) =(P)% 62 142 MnMnO (MnO)=(Mn)% 55 71 式中的S，P，Mn等元素皆为分析值（百分含量） ，当要计算Fe2O3时，需要从生 铁（TFe）中扣除FeO和FeS中的Fe，再进行换算。 (Fe2O3)= (Fe)-(FeO)-(FeS)% 112 162 72 56 88 56 式中的Fe，FeO为分析所得烧结矿的全铁和氧化亚铁的百分含量，FeS为换算所 湖南化工职业技术学院 4 得的硫化亚铁量。 天然矿石中的S以FeS2形态存在，换算式如下： (FeS2)=(S)%，式中 S 为分析所得的百分含量。 64 120 2.2.22.2.2 选配矿石选配矿石 在使用多种矿石冶炼时，应根据矿石供应量及炉渣成分适当配比选取。此 时，需要注意以下几点： 1）矿石含P量不应该超过生铁允许含P量，因考虑P全部进入生铁，故需要 依据矿石含量事先预算，若某种矿石冶炼含P超标，此种情况下，只能搭配含P更 低的矿石冶炼。 2）冶炼铸造铁时，应该核算生铁含锰量是否满足要求。 Mn=Mn(Mn)矿m(Fe)铁/(Fe)矿 式中：Mn 生铁含锰量，% (Mn)矿混合矿含锰量，% Mn 锰的回收率，一般为 0.50.6 m(Fe)铁矿石带入的生铁的铁量，kg/t 铁 (Fe)矿混合矿含铁量，% 3）冶炼锰铁时，为保证其含锰量，必须检查矿石含铁量是否大于允许范围。 (Fe) 矿=(100-Mn-C-Si-P)/100(Mn/Mn矿Mn) 式中：Mn,Si,C,P表示锰铁中该元素含量，% (Mn)矿锰矿含锰量，% (Fe)矿锰矿允许含铁量，% Mn锰回收率，通常为 0.70.82 4）适当控制碱金属2。 2.2.32.2.3 确定需要的冶炼条件确定需要的冶炼条件 (1）根据原料条件，国家标准和行业标准等确定生铁成分。 C，P 元素一般 操作不能控制，而Si,Mn,S 等元素可以改变操作条件加以控制。 (2）各种元素在铁，渣和煤气中的分配比例。按照经验和实际生产数据选取。 (3)炉渣碱度选择碱，主要是取决于炉渣脱硫的要求，此外若冶炼低硅生铁 钒钛磁铁时，还应该考虑炉渣抑制硅钛还原和利于矾的回收能力，在正常炉钢 温度下，要保证流动性和稳定性，因此除了考虑二元碱度外，还需要有适宜的 MgO 含量，若炉料含碱金属还应该兼顾炉渣排碱要求。 湖南化工职业技术学院 5 (4）燃料比确定。确定燃料比应该依据冶炼铁种，原料条件，风温水平和 生产经验等全面衡定，在有喷吹条件下，力争多喷燃料。 (5）原燃料成分分析，入炉矿石成分见表2.1 2.2.42.2.4 配料计算的内容配料计算的内容 （1）矿石用量及配比计算； （2）生铁中铁量计算； （3）渣量及炉渣成分计算； （4）炉渣性能校核； （5）生铁成分校核。 2.2.52.2.5 计算步骤计算步骤 （1）表 2.1 原料成分（%） 表 2.1 原料成分（%） 成分 原料 FeMnPSFe2O3FeOMnOMnO2CaO 烧结矿55.650.090.050.0371.137.180.12010.10 天然矿57.520.170.020.1367.6214.2000.261.50 混合矿57.000.090.040.0470.999.150.110.028.21 续上表 成分 原料 MgOSiO2Al2O3P2O5FeS2FeSSO2烧损合计 烧结矿2.616.201.130.1100.0901.16100.00 天然矿0.6511.702.320.050.25001.13100.00 混合矿2.266.221.150.100.020.0701.54100.00 （2）焦炭成分分析见表2.2 表 2.2 焦炭成分（%） 灰分 11.08挥发分 0.85 固 定 碳SiO2Al2O3CaOMgOFeOFeSP2O5CO2COCH4H2N2 86.725.124.370.680.110.740.050.010.330.330.030.060.10 续上表 有机物 1.30全 S游离水 H2N2S1000.574.80 湖南化工职业技术学院 6 0.400.400.55 （3）喷吹物成分见表2.3 喷吹物成分 灰分成 分 CH2O2H2ON2S SiO2Al2O3CaOMgOFeO 煤 粉 76.245.074.460.790.510.667.483.420.600.320.45100 4）配炉比：烧结矿：天然矿=85:15，配成混合矿 5） 生铁成分，炼钢铁，见下表2.5 成分SiMnSPCFe合计 %0.350.090.030.084.4595.00100.00 6）焦比 360kg/t ，煤比 160kg/t ，风温 1100 7）炉渣碱度R=w（CaO）/w（SiO2）=1.05 8）根据上述已知条件，下面1000kg 生铁作为计算单位进行计算。 元素分配率见下表 元素FeMnPS 生铁0.9970.501.00 炉渣0.0030.500 煤气0000.06 2.3 计算过程 2.3.12.3.1 根据铁平衡求铁矿石需要量根据铁平衡求铁矿石需要量 矿石量= 矿 渣 煤 焦 ）（ ）（ ew em)(10 3 F FFemFem 式中 矿石含铁量，% 矿 )(Few 焦炭及煤粉带入铁量，kg 煤 焦 )(Fem 生铁含铁量，kg Fem 湖南化工职业技术学院 7 进入炉渣的铁，kg 渣 )(Fem 根据表 2.5 和 2.4 铁平衡关系式得： 焦炭带入 Fe 量=kg19. 2) 88 005 . 0 56 72 0074 . 0 56 (360 煤粉带入 Fe 量=kg56 . 0 72 56 0045 . 0 160 进入渣中 Fe 量=kg86 . 2 977 . 0 003 . 0 950 需要混合矿量=kg86.1666 57 . 0 86 . 2 56. 019 . 2 950 表 2.5 冶炼每吨生铁炉料的实际用量 名称干料用量 kg机械损失%水分%实际用量 kg 混合矿1686.860.51675.19 焦炭3600.54.8379.08 煤粉160160 合计2186.862214.27 2.3.52.3.5 终渣成分终渣成分及渣量计算及渣量计算 （1）终渣 S 含量 炉料全部含 S 量=1686.860.0005+3600.0055+1600.0066=3.87kg 进入生铁的 S 量=0.3kg 进入煤气的 S 量=3.870.06=0.23kg 进入炉渣的 S 量=3.87-0.3-0.23=3.34kg （2）终渣的 FeO 量=3.68kg （3）终渣的 MnO 量=1666.860.0010.51.08kg 55 71 （4）终渣的 SiO2量=1666.860.0622+3600.0512+1600.0748-7.5=126.58kg （5）终渣的 CaO 量=1666.860.0821+3600.0068+1600.006=140.26kg （6）终渣的 Al2O3量=1666.860.0115+3600.0437+1600.0342=40.37kg （7）终渣的 MgO 量=1666.860.0226+3600.0011+1600.003=38.58kg 表 2.6 终渣成分 成分SiO2Al2O3CaOMgOMnOFeOS/2合计R Kg126.5840.37140.2638.581.083.681.67352.221.05 %35.9711.4639.8210.930.301.050.47100 湖南化工职业技术学院 8 由于分析所得 Ca+都折算成 CaO，但其中一部分 Ca+却以 CaS 形式存在，CaS 和 CaO 之质量差为 S/2，为了质量平衡，Ga+仍以 CaO 存在，而 S 则只算 S/22 炉渣碱度 R =1.05,符合规定值。根据炉渣百分组成，校验炉渣物理性质得： 熔化温度 1400，粘度 2.5PaS。该炉渣适合于炼钢铁生产。 2.3.62.3.6 生铁成分校核生铁成分校核 （1)含 P 量0.07% 142 62 0.00013600.00041666.8610 3- （2)含 S 量，0.03%3 .31 0.03 20.47 Ls （3)含 Si 量0.35% （4)含 Mn 量0.08% 1000 100 71 55 1.08 （5)含 Fe 量=95% （6)含 C 量=100-95-0.07-0.03-0.35-0.08=4.2% 表 2.7 生铁成分（%） FeSiMnPSC合计 950.350.080.070.034.47100 校验结果与生铁成分的误差很小，表明原定生铁成分恰当。 湖南化工职业技术学院 9 通3 高炉物料平衡计算 3.1 高炉物料平衡计算的意义 过高炉配料计算确定单位生铁所需要的矿石、焦炭、石灰石和喷吹物等数 量，这是制定高炉操作制度和生产经营所不可缺少的参数。而在此基础上进行 的高炉物料平衡计算，则要确定单位生铁的全部物质收入与支出，即计算单位 生铁鼓风数量与全部产品的数量，使物质收入与支出平衡。这种计算为工厂的 总体设计、设备容量与运输力的确定及制定生产管理与经营制度提供科学依据， 是高炉与各种附属设备的设计及高炉正常运转的各种工作所不可缺少的参数。 3.2 高炉物料平衡计算的内容 物料平衡是建立在物质不灭定律的基础上，以配料计算为依据编算的。计 算内容包括：风量、煤气量，并列出收支平衡表。物料平衡有助于检验设计的 合理性，深入了解冶炼过程的物理化学反应，检查配料计算的正确性。校验高 炉冷风流量，核定煤气成分和煤气数量，并能检查现场炉料称量的准确性，为 热平衡及燃料消耗计算打基础。 1) 原料全分析并校正为 100%（表 2.1；表 2.2；表 2.3） ； 2) 生铁全分析；（表 2.7） 3) 各种原料消耗量（表 2.5） ； 4) 鼓风湿度，f=1.5%； 湖南化工职业技术学院 10 5) 本次计算选择直接还原度 rd=0.45； 6) 假定焦炭和喷吹物含 C 总量的 1.0%与 H2 反应生成 CH4。 上述 1，2，3 原条件已经由配料计算给出，本例仅假定其余各项未知条件， 分别为鼓风湿度 f=1.5%（12g/m3 ） ，富氧率 2.5%，氧气浓度 98%。 3.2.13.2.1 根据碳平衡计算风量根据碳平衡计算风量 (1) 风口前燃烧的碳量 C风 根据碳平衡得： mC风 =mC燃-（C）103- mC直- mCCH4 式中 mC风 风口前燃烧 C 量，kg； m(C)生铁含 C 量%； mC燃 ，mC直 ，mCCH4 分别为燃料带入 C 量，直接还原耗 C 和 生成 CH4 的 C 量，2； 按上式分别进行计算： 燃料带入的 C=m(C)J+m(C)M=3600.8672+1600.7624=434.18kg 溶于生铁的 C=44.7kg 直接还原耗碳=m(C)Mn+m(C)Si+m(C)P+m(C)Fe =0.8+3.5+0.7+950.45 55 12 28 24 62 60 56 12 =95.46kg 生成 CH4耗碳=434.180.012=5.21 kg 风口前燃烧的 C 量=434.18-44.7-95.46-5.21=288.81 kg，占入炉总碳量的 66.52%(即） 。 18.434 81.288 (2)风量计算（V风） 根据氧平衡可得： 0.29f0.21 Q0.933cCm V 2 o （ 其中 32 22.4 18 16 O)V(HV(O)Q M2Mo2 （ 式中 风口前燃烧的 C 所需氧量（m） ，( 0.933cm(C) 为燃烧带入 C 量，为 C 在风口前的燃烧率)； )m(C c Q为燃料带入的氧量（M 为煤粉，V（O）M，V（H2O）M 2 o 为煤带入的氧和 H2O 量） ； 0.21+0.29f鼓风含氧浓度（f 为鼓风湿度）2。 据原料供应情况，本高炉仅喷煤，将上式分别进行计算： 鼓风含氧浓度=0.21+0.290.015=0.2144 m3/ m3 风口前 C 燃烧所需氧量=434.18 0.6652 0.933=270.68m3 湖南化工职业技术学院 11 燃料带入氧量=160（0.0446+0.079）=5.78m 18 16 32 22.4 每吨生铁鼓风量=1235.54 m3 0.2144 5.78270.68 3.2.23.2.2 煤气成分及数量计算煤气成分及数量计算 (1) 计算 CH4量 由燃料带入的 C 生成 CH4的量=5.21=9.73 m3 12 22.4 焦炭挥发分含 CH4量=3600.003=0.15 m3 16 22.4 进入煤气的 CH4量=9.73+0.15=9.88 m3 (2)入炉总 H2量=鼓风带入 H2+焦炭带入 H2+煤粉带入 H2 即 H2 的总量=1235.540.015+360（0.0006+0.004）+160（0.0507+ 2 22.4 ） =129.51 m3 18 20.0079 2 22.4 设喷吹条件下有 40%的 H2参加还原，则参加还原的 H2=129.510.4=51.80m3 生成 CH4的 H2量=9.732=19.46 m3 进入煤气的 H2量=129.51-51.8-19.46=58.25 m3 =9.09%（假定用 H2还原的铁氧化物中，1/3 用于还原 2 H i r 950 22.4 56 3 2 51.80 Fe2O3，2/3 用于还原 FeO） (3)由 Fe2O3FeO 生成 CO2的量=1666.860.7099=165.66 m3 160 22.4 由 FeOFe 生成 CO2的量=950（1-0.45-0.0909）=174.46m3 56 22.4 由 MnO2MnO 生成的 CO2的量=1666.860.0002=0.086 m3 87 22.4 另外，H2参加还原反应，相当于同体积的 CO2所参加的反应，所以 CO2的 生成量中应该减去 51.80m3，总计间接还原生成的 CO2量为 165.66+174.46+0.089-51.80=388.41m3 各种炉料分解或者带入的 CO2 量=焦炭的 CO2量+矿石的 CO2 量 =3600.0033+1666.860.0154=13.68 m3 44 22.4 44 22.4 因此，煤气的总 CO2量=288.41+13.68=302.09 m3 湖南化工职业技术学院 12 (4)风口前碳素燃烧生成的 CO=288.81=539.11 m3 12 22.4 元素直接还原生成 CO 的量=95.46=178.20 m3 12 22.4 焦炭挥发分中 CO 的量=3600.0033=2.22 m3 12 22.4 因此，间接还原消耗碳=288.41m3 煤气中总 CO 的量=539.11+178.20+2.22-288.41=431.12m3 (5)总 N2的量=1235.54(1-0.015)0.79+3600.005 煤焦风 VVV +1600.0051=963.53 m3 28 22.4 28 22.4 表 3.1 煤气组成 成分CO2CON2H2CH4总计Vg/ V风 M3302.09431.12963.5358.259.881764.871.416 %17.2924.4354.423.30.56100.00 3.2.33.2.3 编制物料平衡表编制物料平衡表 （1）计算鼓风量： 1 m3鼓风质量=1.28 kg/ m3 4 .22 18015 . 0 28985 . 0 79. 0 3 . 31985 . 0 21 . 0 全部鼓风质量=1235.541.28=1581.49kg （2）计算煤气的质量 22.4 20.033160.0056280.5442280.2443440.1729 m1 3 煤气的质量 =1.33 kg/ m3 全部煤气质量=1764.871.33=2347.28 kg （3）水分计算 炉料带入水分=3600.048=17.28 kg 煤粉带入水分=1600.0079=1.26 kg H2还原生成的水分=51.8=41.63 kg 22.4 18 所以水分的总质量=17.28+1.26+41.63=60.17 kg （4）炉料机械损失=2214.27-2186.86-17.28-1.26=8.87kg 表 3.2 物料平衡表 湖南化工职业技术学院 13 序号收入项Kg序号支出项Kg 1原燃料2186.861生铁1000.00 2鼓风1581.492炉渣351.14 3煤气2347.28 4水分60.17 5炉尘8.87 共计3769.35共计3767.46 据对误差相对误差0.0236% 一般要求物料计算的相对误差应在 0.3%以下，故本计算符合要求。 4 高炉热平衡计算 4.1 热平衡计算的目的 热平衡计算的目的是为了了解高炉热量供应和消耗的状况，掌握高炉内热 能的利用情况，研究改善高炉热能利用和降低消耗的途径。通过计算调查高炉 冶炼过程中单位生铁的热量收入与热量支出，说明热量收支各项对高炉冶炼的 影响，从而寻找降低热消耗与提高能量利用的途径，达到使高炉冶炼过程处于 能耗最低和效率最高的最佳运行状态。同时还可以绘制热平计算表研究高炉冶 炼过程的基本方法2。 4.2 热平衡计算方法 热平衡计算的量论依据是能量守恒定律，即单位生铁投入的能量总和应等 于中位个铁各项热消耗总和。热平衡计算采用差值法，即热损失是以总的热量 收入减去各项热量的消耗而得到的，即把热量损失作为平衡项，所以热平衡表 面上没有误差，因为一切误差都集中掩盖在所有热损失之中。 根据计算的目的和分析的需要，热平衡可分为全炉热平衡与区域热平衡。 全炉热平衡是把整个高炉作为研究对象、计算它的各项热收入与支出，用来分 析高炉冶炼过程令的能量利用情况。而区域热平衡是把高炉的某一个区域作为 研究对象，计算和分析这个区域内的能量利用情况。虽然计算热平衡的部位与 方法不向，但计算的目的都是为寻找降低能耗的途径和确定一定冶炼条件下的 湖南化工职业技术学院 14 能耗指标。理论上可以以把高炉内的任何一个部位当作区域热平衡的计算对象， 但由于决定向炉冶炼能耗指标的主要因素存在于高炉下部的高温区。因此，常 用高炉下部属温区热平衡进行计算。 本例采用第一热平衡法计算进行热平衡计算。 第一种热平衡法，亦称热工法热平衡。它是根据羔斯定则，不考虑炉内的 实际反应过程耍以物料最初与最终状态所具有的热力学参数为依据，确定高 炉内的过程中所提供和消耗的热量。它的热收入规定为焦炭和喷吹物的热值(即 全部 C 完全燃烧成 CO2和 H2全部燃烧成 H2O 时放出的热量)、热风与炉料带入 的物理热及少量成渣热。而热支出为氧化物、硫化物和碳酸盐的分解热，喷吹 燃料的分解热，水分分解热。脱 S 反应耗热，渣铁和炉顶煤气热焓与热值，冷 却水代走的热量和炉体散热损失等项。这种热平衡计算法中，把焦炭和喷吹的 燃料完全燃烧时放出的热量当作热收入。而实际上高炉冶炼过程中有相当一部 分 C 并没有完全燃烧，以 CO 的形态离开了高炉。还有一部分进入生铁中和炉 守中的 C 则完全权有燃烧，因此，必须把炉顶煤气与未燃烧 C 的热值当作热支 出来处理。另外，这种计算中，把炉内还原反向看成两步完成的，即硫化物的 分解和还原剂的氧化，把还原剂氧化放热(即 C 和 CO 的燃烧)当作热收入项。 而把氧化物的分解吸热当作热支出项。这就不符实际地夸大热量收入与支出从 邑，热平衡总量中各项所占比例失真，难以通地热平衡总量与各项的比例来直 观地判断炉内能量利用情况及各种因素对冶炼指标的影响。同时，在热平衡计 算中看不出炉内各热效应的作用，这也是此种热平彻计算法们缺点2。 4.3 热平衡计算过程 需要补充的原始条件： 鼓风温度 1100；炉顶温度 200；入炉矿石温度为 80。 4.3.14.3.1 热量收入热量收入 （1）碳素氧化热 由 C 氧化 1m 成 CO2放热=17898.43 KJ/m12 22.4 33410.66 由 C 氧化成 1m 的 CO 放热=5250.50KJ/m12 22.4 9797.11 碳素氧化热=288.4117898.41+(431.12-2.22)5250.50 =7414025.65 KJ （2）热风带入热 1100 时干空气的比热容为 1.426kJ/ m3 ，水蒸气的比热为 1.742 kJ/ m3,热风带入热=(1235.54-18.53)1.426+18.531.7421100 湖南化工职业技术学院 15 =1944531.6 KJ （3）成渣热 炉料中以碳酸盐形式存在的 CaO 和 MgO，在高炉内生成钙铝酸盐时，1kg 放出热量 1130.49 kJ 混合矿的 CaO=1666.860.0154=32.67KJ 44 56 成渣热=32.671130.49=36933.11kJ （4）混合矿带入的物理热 80 时混合矿的比热容为 1.0 KJ/Kg 混合矿带入的物理热=1666.861.080=133348.8kJ （5）H2氧化放热 1m H2氧化成 H2O 放热 10806.65 KJ H2氧化放热=52.8010806.65=559784.47kJ （6）CH4生成热 1Kg CH4生成热=4865.29 KJ 16 77874.4 CH4的生成热=9.974865.29=33813.77 KJ 22.4 16 冶炼 1t 生铁总热为以上各热量的总和=10122437.4 KJ 4.3.24.3.2 热量支出热量支出 （1） 氧化物分解与脱硫耗热 1）铁氧化物分解热：设焦炭和煤粉中 FeO 以硅酸铁形态存在，烧结矿中 FeO 有 20%以硅酸铁形态存在其余以 Fe3O4，铁氧化物分解热由 FeO、Fe3O4和 Fe2O3三部分组成。 m（FeO）硅酸铁=1666.860.870.07180.2 +3600.0074+1600.0045=24.72 kg 去除进入渣中的 FeO，它也以硅酸铁形式存在，计 3.68 kg 余下的 m(FeO)硅酸铁=24.3-3.68=20.52kg m(FeO)四氧化三铁=1666.860.0915-1666.860.870.07180.2 =131.7 kg m(Fe2O3)四氧化三铁=131.7=292.67 kg 72 160 m(Fe2O3)自由=1666.860.7099-292.67=890.63kg 依据 1kg 铁氧化物分解热，即可算出总的分解热。 湖南化工职业技术学院 16 FeO硅酸铁分解热=20.524075.21=83623.31 KJ， (4075.2 KJ/kg FeO硅酸铁) Fe4O3 分解热=（131.7+292.67）4799.98=2036967.51 KJ， （4799.98 KJ/kg Fe4O3） Fe2O3 分解热=890.635152.94=4589362.95 KJ， （5152.94 KJ/kg Fe2O3） 铁氧化物分解总热=83623.31+2036967.51+4589362.95=6709953.77 KJ 2）锰氧化物分解热 锰氧化物分解热包括 MnO2 分解为 MnO 和 MnO 分解为 Mn 放出的热量； MnO2Mn 分解热=1666.860.00022629.44=876.58 KJ MnOMn 分解热=0.87362.84=5890.27 KJ， (7362.84 KJ/KgMn) 锰氧化物分解总热=876.58+5890.27=6766.85KJ 3）SiO2分解热=3.530288.76=106010.65 KJ， （30288.76 KJ/Kg Si） 4）Ca3(PO4)2分解热=0.735756.98=25029.89 KJ 5）脱 S 耗热 由于 CaO 脱硫耗热 5401.23 KJ/ KgS，MgO 脱硫耗热为 8039.4 KJ/ KgS， 二者差别较大，故取其渣中成分比例（39.94：10.984：1）来计算平均脱硫耗 热。 1 Kg 硫的平均耗热=5928.79 KJ 脱 S 耗热=3.345928.79=19802.16 KJ 氧化物分解和脱硫总热为上述 1）5）项热耗之和，即 Q总=6709953.77 +6766.85+106010.65 +25029.89+19802.16 =6853689.95 KJ （2）碳酸盐分解热 由 CaCO3分解出 1 Kg 的 CO2需热 4044.64 KJ，由 M gCO3分解出 1 Kg CO2需热 2487.08 KJ，混合矿石 CO2量=1666.860.0154=25.67 Kg。假定 CaCO3 和 M gCO3是按比例分配的。 其中以 CaCO3分解的 CO2为 25.67=20.13Kg；故以 MgCO3形 2.268.21 8.21 式分解的 CO2量=25.67-20.13=5.54 Kg。 碳酸盐分解总热=20.134044.64+5.542487.08=95197.03 KJ （3）水分分解热=20.1310806.65=217537.86 KJ (10806.65 KJ/Kg.H2O) （4）喷吹物分解热=1601256.1=200976 kJ (1256.1 KJ/Kg 煤粉) （5）炉料游离水的蒸发热 1Kg 水由 20升温到 100吸热 334.94 KJ，再变成 100水蒸气吸热 2261 KJ 总吸热为 2595.94KJ 游离水蒸发热=3600.0482595.94=44857.84 KJ 湖南化工职业技术学院 17 （6）生铁带走热 表 4.1 各种生铁的热焓值2 生铁热焓值炼钢生铁 铸造生铁 锰铁 KJ/Kg1130.44-1172.36 1256.04-1297.91 1172.3-1214.17 炼钢生铁焓值=1172.36 KJ/kg，铁水带走热=10001172.36=1172360 KJ （7）炉渣带走热 表 4.2 各种炉渣的热焓值2 炉渣热焓值炼钢铁渣 铸造铁渣 锰铁铁渣 KJ/Kg1716.59-1758.54 1884.06-2009.66 1842.192-1967.79 炼钢铁渣焓值=1758.54 KJ/kg，炉渣带走热=351.141758.54=61793.74 KJ （8）炉顶煤气带走热，炉顶温度为 200时煤气各成分比热容见表 4.3 表 4.3 200时炉顶煤气比热容2 CO2 CO N2 H2 CH4 H2O 1.787 1.313 1.313 1.302 1.82 1.159 干煤气比热容=0.17291.787+(0.5442+0.24431.313 +0.0331.302+0.00561.82=1.715 KJ/ m3 干煤气带走热=1764.871.715200=605350.41 KJ 水蒸气带走热=60.171.519100=11374.0KJ 18 22.4 炉尘带走的热=8.870.8374200=1485.55KJ (炉尘比热容 0.8374 KJ/Kg) 煤气带走总热=605350.41+11374.65+1485.55=618209.96KJ 前 8 项总和为=9820322.38KJ （9）外部热损失=10122437.4-9820322.38=302115.02 KJ(包括散热和冷却水 带走热) 表 4.4 热平衡表 序号收入项名称KJ%序号支出项名称KJ% 1碳的氧化热7414025.6373.31 氧化物分解、 脱硫 6853689.9567.74 2热风带入热1944531.619.22碳酸盐分解95197.030.9 湖南化工职业技术学院 18 3成渣热36933.110.363水分分解217537.862.2 4物料物理热133348.801.34喷吹物分解200976.002.0 5H2的氧化热559784.475.55游离水蒸发44857.840.4 6CH4生成热33813.770.346铁水带走1172360.0011.6 7炉渣带走617493.746.1 8煤气带走618209.966.1 9外部热损失302115.023.0 共计10122437.4100.00共计10122437.4100.00 4.3.34.3.3 热平衡指标计算热平衡指标计算 （1）碳素热能利用系数 Kc %100 CO COCO K 2 2 所放出的热量燃烧生成除进入生铁外的碳全部 放出的热量）和生成碳的氧化热（包括燃烧 c =%11.51 18.43433421 65.7414025 （2）热量有效利用系数 K Kt =（高炉总热量收入-煤气带走热-外部热损失）% =（100-6.10-2.98）%=90.92% 从上述指标可以看出，Kc值一般在 50%60%之间，个别可高达 65%。本 例 Kc=57.93%说明碳素热能利用比较好。Kt值一般为 80%90%，本例的利用 系数比较高。 湖南化工职业技术学院 19 5 高炉炉型设计 5.1 总述 高炉设计包括基础、钢结构、炉衬、冷却设备以及高炉炉型设计等。高炉 的大小以高炉有效容积表示，高炉有效容积和高炉座数表明高炉车间的规模， 高炉炉型设计是高炉本体设计的基础。 5.2 高炉炉型计算 （1） 确定年工作日和日产量 年工作日定为 355 天，则日产量为 P总=4225 t 355 10150 4 （2）