高炉物料平衡和热平衡的计算

高炉物料平衡和热平衡的计算（论文） I 目录1. 概述12. 炼铁配料12.1.原料计算12.2计算矿石需要量42.3炉渣成分的计算42.4校核生铁成分73. 物料平衡计算73.1 原始物料73.2计算风量83.3炉顶煤气成分及数量的计算103.4 编制物料平衡表134. 热平衡计算144.1.原始资料144.2 热量收入154.3热量支出164.4 热平衡表19参考文献19高炉物料平衡和热平衡的计算（论文） 第 19 页高炉物料平衡和及平衡的计算1. 概述在计算物料平衡和热平衡之前，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。配料计算是高炉操作的重要依据，也是检查能量利用状况的计算基础。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溶剂的用量，以配置合适的炉渣成分和获得合格的生铁。通常以一吨生铁的原料用量为基础进行计算。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，校核高炉冷风流量，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。热平衡计算的基础是能量守恒定律，即供应高炉的热量应等于各项热量的消耗；而依据是配料计算和物料平衡计算所得的有关数据。热平衡计算采用差值法，即热量损失是以总的热量收入，减去各项热量消耗而得到的，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热损失之重。2. 炼铁配料2.1. 原料计算2.1.1. 原料成分，见表12.1.2. 燃料成分，见表2,32.1.3. 确定冶炼条件2.1.4. 预定生铁成分（%），见表4表1原料成分，（%）原料FeMnPSFeOFe2O3SiO2Al2O3CaO烧结矿53.940.0300.0310.03012.5469.355.821.548.54球团矿58.940.0330.0370.0036.2484.995.131.371.36天然矿55.081.1700.0390.0489.8974.335.410.800.62混合矿54.500.0850.0310.02511.7871.165.731.497.43续表1原料MgOMnOP2O5FeS烧损烧结矿2.0180.0390.070.083-100.00球团矿0.5260.0420.0840.0080.25100.00天然矿1.211.510.0890.1316.01100.00混合矿1.830.110.070.080.32100.00烧结:球团:天然=85:10:5表2焦炭成分，（%）C灰分（12.64）挥发份（0.58）SiO2Al2O3CaOMgOFeOCOCO2CH4H2N285.367.324.260.510.120.430.210.190.0250.0370.118续表2有机物（1.42）游离水H2N2S0.360.270.79100.004.17表3喷吹煤粉成分，（%）燃料CHNSOH2O煤粉77.752.280.520.302.320.85续表3燃料灰分SiO2Al2O3CaOMgOFeO煤粉7.316.700.730.320.92100.00表4生铁成分，（%）FeSiMnPSC95.230.550.030.0340.0264.13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表5生铁、炉渣、没棋的分配率，（%）-FeMnSP生铁99.750100炉渣0.3500炉气0050燃料消耗量（kg/t生铁）：焦炭 345（干） 360（湿）煤粉 140 kg/t生铁鼓风湿度 12g/ m3相对湿度 =1.493%风温 1250炉尘量 20 kg/t生铁入炉熟料温度 80炉顶煤气温度 200焦炭冶炼强度 0.98 t/（m3d）高炉有效容积利用系数 2.6 t/（m3d）炉渣碱度 R=1.102.2 计算矿石需要量G2.2.1 燃料带入的铁量GG= GFeO%+ GFeO% =2.16kg2.2.2 进入炉渣中的铁量G=1000Fe% =952.3=2.865kg式中 0.3%、99.7%分别为铁在炉渣和生铁中的分配比2.2.3 需要由铁矿石带入的铁量为：G=1000 Fe%+ G- G=952.3+2.865-2.16=953.01kg2.2.4 冶炼1t生铁的铁矿石需要量：G= G/ Fe%=953.01/54.50%=1748.64kg2.3 炉渣成分的计算原料、燃料带入的成分见下表6表6 每吨生铁带入的有关物质的量原燃料数量kgSiO2CaOAl2O3%kg%kg%kg混合矿1748.645.73100.207.43129.921.4926.05焦炭3457.3225.250.511.764.2614.70煤粉1407.3110.230.731.026.709.38-135.69-132.71-50.13续表6原燃料MgOMnOS%kg%kg%kg混合矿1.8332.000.111.920.0250.44焦炭0.120.41-0.792.73煤粉0.320.45-0.300.42-32.68-1.92-3.582.3.1 炉渣中CaO的量G由上表： G=132.71kg；2.3.2 炉渣中SiO2的量G由上表： G=135.69kg；2.3.3 炉渣中Al2O3的量G由上表： G=50.13kg；2.3.4 炉渣中MgO的量G由上表： G=32.68kg；2.3.5 炉渣中MnO的量GG=1.9250%=0.96kg50%锰元素在炉渣中的分配率；2.3.6 炉渣中FeO的量G进入渣中的铁量为：Fe=2.865kg ，并以FeO形式存在故 G=2.865=3.68kg2.3.7 炉渣中S的量G原燃料带入的总S量为：G=3.58kg （见表6）；进入生铁的S量为：G=1000S%=10000.026%=0.26kg；式中0.026%硫在生铁成分中的百分比。进入煤气中的S量为：G= G5%=3.580.05=0.179kg式中5%硫在煤气中的分配比；故G= G-G-G =3.58-0.26-0.179 =3.14kg炉渣成分见下表7表7炉渣成分，（%）组元CaOSiO2Al2O3MgOMnOFeOS/2CaO/ SiO2kg132.71 135.69 50.13 32.86 0.96 3.68 1.57 357.60 -%37.11 37.94 14.02 9.19 0.27 1.03 0.44 100.00 0.98将CaO、SiO2、Al2O3、MgO四元组成换算成100%，见下表8。表8 四元炉渣成分CaOSiO2Al2O3MgO37.1337.9614.029.1498.2537.7938.6414.279.30100.002.4 校核生铁成分2.4.1 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：G= GP%=1748.640.031%=0.54kg故 P=0.54=0.054%2.4.2 生铁含Mn 按原料带入的锰有50%进入生铁计算,原料工带入GMnO为0.64kg,见表6；故 Mn=1.9250%=0.075%2.4.3 生铁含C C= 100-(95.23+0.55+0.026+0.054+0.075) %=4.065%校核后的生铁成分（%）见下表9表9 校核后的生铁成分 ，（%）FeSiMnPSC95.230.550.0750.0540.0264.0653. 物料平衡计算3.1 原始物料3.1.1 原料全分析并校正为100%3.1.2 生铁全分析3.1.3 各种原料消耗量3.1.4 鼓风湿度3.1.5 铁的直接还原度3.1.6 假定焦炭和喷吹物含C总量的1.0%与H2反应生成CH4，（全焦冶炼可选0.5%1.0%的C与H2生成CH4）。3.2 计算风量3.2.1 风口前燃烧的碳量G3.2.1.1 GG= GC%+ GC% =34585.36%+14077.75%=403.34kg3.2.1.2 溶入生铁中的碳量为：G=1000C%=10004.065%=40.65kg式中4.065%碳在校核后的生铁中的百分比。3.2.1.3 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%。G=1% G=0.01403.34=4.03kg3.2.1.4 直接还原消耗的碳量G锰还原消耗的碳量：G=1000Mn%=10000.07%=0.15kg硅还原消耗的碳量：G1000Si%=10000.55%=4.71kg磷还原消耗的碳量：G1000P%=10000.054%=0.52kg铁直接还原消耗的碳量： G=1000Fe% rdrd= rd-r=0.46-0.06=0.4rd一般为0.40.5，本计算取0.46。r= G( H2%+ H2%)+ GH2%+(V+ GH2 O %)H2/(1000Fe%) = 345(0.037%+ 0.36%)+ 1402.28%+ (12001.493%+ 1400.85 %)0.350.9/(100095.23%) = 0.06式中 H2氢在高炉内的利用率，一般为0.30.5，本计算取0.35； 被利用氢气量中，参加还原FeO的百分量，一般为0.851.0，取0.9；V设定的每吨生铁耗风量，本计算取1200m3。G=100095.23%0.4=102.05kg故G= G+ G+G+G =0.15+4.71+0.52+102.05=107.43kg风口前燃烧的碳量为：G= G-G-G-G =403.34-40.65-4.03-107.43=251.22kg3.2.2 计算鼓风量V3.2.2.1 鼓风中氧的浓度NN=21 %( 1-)+0.5 =21 %( 1-1.493%)+0.51.493%=21.43 %3.2.2.2 G燃烧需要氧的体积为：V= G =251.22 =234.47 m33.2.2.3 煤粉带入氧的体积为：V=G（O%+ H2 O %） =140（2.32%+ 0.85 %）=3.01 m33.2.2.4 需鼓风供给氧的体积为：V= V-V=234.47-3.01=231.46 m3故 V= V/N=231.46/21.43%=1079.92m3式中21.43%鼓风中氧的浓度。3.3 炉顶煤气成分及数量的计算3.3.1 甲烷的体积V3.3.1.1 由燃料碳素生成的甲烷量为：V= G=4.03=7.53 m33.3.1.2 焦炭挥发分中的甲烷量为：V=GCH% =3450.025%=0.121 m3故 V= V+V=7.53+0.121=7.65 m33.3.2 氢气的体积V3.3.2.1 由鼓风中水分分解产生的氢量为：V= V=1079.921.493%=17.45 m33.3.2.2 焦炭挥发分及有机物中的氢量为： V= G（H2%+ H2%）=345（0.037%+0.36%）=15.34 m33.3.2.3 煤粉分解产生的氢量为：OV= G（H2%+ H2 O %） =140（2.28%+0.85%）=30.63 m33.3.2.4 炉缸煤气中氢的总产量为：V= V+V+V =17.45+15.34+30.63=63.42 m33.3.2.5 生成甲烷消耗的氢量为：V=2V=27.65=15.3 m33.3.2.6 参加间接反应消耗的氢量为：V=VH2 =70.020.35=22.2 m3故 V =V-V-V =63.42-15.3-22.2=25.92 m33.3.3 二氧化碳的体积V3.3.3.1 由CO还原Fe2O3为FeO生成的CO2 VG= GFe2O3% =1748.6471.16% =1244.33kg参加还原Fe2O3为FeO的氢气量为：G= VH2（1-） =63.420.4（1-0.9）=0.25kg由氢气还原Fe2O3的质量为：G= G =0.25=20kg由CO还原Fe2O3的质量为：G= G- G =1244.33-20=1224.33kg故V= G =1224.33 =171.41 m33.3.3.2 由CO还原FeO为Fe生成的CO2量为：V=1000Fe%1- rd-r =100095.23%(1-0.4-0.05) =209.51 m33.3.3.3 焦炭挥发分中的CO2量为：V= GCO2% =3450.19%=0.33 m3 故V=V+V+V =171.41+209.51+0.33=381.30 m33.3.4 一氧化碳的体积 V3.3.4.1 风口前碳素燃烧生成的CO量为：V=G=251.22=468.944 m33.3.4.2 直接还原生成的CO量为：V= G=87.01=162.42 m33.3.4.3 焦炭挥发分中的CO量为：V= GCO%=3450.21%=0.58 m33.3.4.4 间接还原消耗的CO量为：V= V+V=171.74+205.7=377.44 m3故 V=V+V+V-V =468.944+162.42+0.58-377.44=308.15 m33.3.5氮气的体积V3.3.5.1 鼓风带入的氮气量为：V= V（1-）N2% =1079.92（1-1.493%）79%=840.4 m33.3.5.2 焦炭带入的氮气量为：V=G（N2%+ N2%） =345（0.118%+0.27%）=1.07 m33.3.5.3 煤粉带入的氮气量为：V=GN2% =1400.52%=0.58 m3故V=V+V+V =840.4+1.07+0.58=842.05 m3煤气成分见下表10表10煤气量及成分成分CO2CON2H2CH4体积，m3381.30308.15842.0525.927.651565.07%24.3619.6953.801.660.49100.003.4 编制物料平衡表3.4.1 鼓风质量的计算1 m3鼓风的质量为：r=0.21（1-）32+0.79（1-）28+18/22.4 =0.210.98532+0.790.98528+180.01493/22.4=1.28kg/ m3鼓风的质量为：G=Vr=1079.921.28=1382.59kg3.4.2 煤气质量的计算1 m3煤气的质量为：r=（44 CO2%+28 CO %+28 N2%+2 H2%+16 CH4%）/22.4 =（440.2518+280.1904+280.5337+20.0191+160.005）/22.4=1.405 kg/ m3煤气的质量为：G=Vr =1565.071.405 =2194.51kg3.4.3 煤气中的水分3.4.3.1 焦炭带入的水分G=GH2O%=3454.17%=14.39kg3.4.3.2 氢气参加还原生成的水分为：G= V0.417 =68.70.417=23.02kg故G= G +G =14.39+23.02=37.41kg物料平衡列表11表11物料平衡表入相kg%混合矿1748.6448.36焦炭3459.54鼓风1382.5938.23煤粉1403.87总计3616.23100.00出相kg%生铁100027.70炉渣357.609.91炉气（干）2194.5160.80煤气中水37.411.04总计3609.52100.00相对误差=（3616.233609.52）/3674.47=0.19%0.3%所以计算结果符合要求。4. 热平衡计算4.1 原始资料物料的入炉温度热风温度，输送煤粉的载气温度，炉顶温度，渣、铁液温度各种冷却介质耗量及出、入炉温度和有关参数4.2 热量收入Q入4.2.1 碳的氧化热Q14.2.1.1碳素氧化为CO2放出的热量Q1-1碳素氧化产生CO2的体积V：V= V- V=381.30-0.33=380.97 m3Q1-1= V33410.66=380.9733410.66=6818817 kJ式中 33410.66C氧化为CO2放热，kJ/kg4.2.1.2 碳素氧化为CO放出的热量Q1-2碳素氧化产生CO的体积V：V= V- V=308.15-0.58=291.97 m3Q1-2= V9797.11=291.979797.11=1614183 kJ式中 9797.11C氧化为CO放热，kJ/kg故 Q1= Q1-1+ Q1-2=6818817+1614183=8432999.88 kJ4.2.2 鼓风带入热Q2Q2= (V- V) Q空气+ V Q水汽=(1079.92-1079.920.01493)1755.82+1079.920.014932161.6= 1902688.65 kJ式中 Q空气在1250下空气的热容量，其值为1755.82kJ/kg Q水汽在1250下水汽的热容量，其值为2161.6kJ/kg4.2.3 H2氧化放热Q3Q3 = G13454.09=19.7013454.09=296958.93 kJ式中 13454.09H2氧化为H2O放热，kJ/kg4.2.4CH4生成热Q4Q4= V4709.56=7.644709.56=19623.76 kJ式中 4709.56甲烷生成热，kJ/kg4.2.5 炉料物理热Q5Q5= G1.080=1748.641.080=139891.36 kJ式中 1.080时混合矿的比热容，kJ/(kg)4.2.6 热量总收入Q入Q入 = Q1 +Q2 +Q3 + Q4 +Q5 =8432999.88+1902688.65+296958.93 +19623.76 +139891.20=10792162.58 kJ4.3 热量支出q支4.3.1 氧化物分解吸热q14.3.1.1铁氧化物分解吸热q1-1：由于原料中含有溶剂型烧结矿，可以考虑其中有20%FeO以硅酸盐形式存在，其余以Fe3O4形式存在。因此：G= G85%FeO%20%=1748.640.8512.54%20%=37.28kgG= GFeO%- G=1748.6411.78%-37.28=168.71kgG= G=168.71=374.92 kgG= GFe2O3%- G=1748.6471.16%-374.92 =869.42kgG= G+ G=168.71+374.92 =543.63kg故q= G4087.52=37.284075.22=152372.7 kJq= G5156.69=869.425156.69=4483314 kJq= G4803.33=543.624803.33=2611230 kJ式中 4087.52、4803.33、5156.69分别为FeSiO4、Fe3O4、Fe2O3分解热，kJ/kg故q1-1=q+q+q =152372.7+4483314+2611230=7246917 kJ4.3.1.2 锰氧化物分解吸热q1-2：q1-2=1000Mn%7366.02=10000.075%7366.02=5524.515 kJ式中 7366.02由MnO分解产生1kgMn吸收的热量，kJ4.3.1.3 硅氧化物分解吸热q1-3：q1-3=1000Si%31102.37=10000.55%31102.37=171063.04 kJ式中 31102.37由SiO2分解产生1kg硅吸收的热量，kJ4.3.1.4 磷酸盐分解吸热q1-4：q1-4 =1000P%35782.6=10000.054%35782.6=19322.60 kJ式中 35782.6由Ca3(PO4)2分解产生1kg磷吸收的热量，kJ故q1= q1-1+ q1-2+ q1-3+q1-4 =7246917+5524.515+171063.04+19322.60=7442827.16 kJ4.3.2 脱硫吸热q2q2= G8359.05=3.148359.05=26276.90 kJ式中 8359.05假定烧结矿中硫以FeS形式存在，1kg硫吸收的值，kJ4.3.3 水分分解热q3q3= (V+ GH2O%煤) 13454.1=(1079.920.01493+1400.85%) 13454.1=190362.56 kJ式中 13454.1水分解吸热，kJ4.3.4 游离水蒸发吸热q4q4= GH2O%焦2682=3454.17%2682=38584.59 kJ式中 26821kg水由0变为100水汽吸热，kJ4.3.5 生铁带走热q5q5=10001173=1173000 kJ式中 1173铁水热容量，kJ4.3.6 喷吹物分解热q6q6= G1048=1401256.1=175854.00 kJ式中 1256.1煤粉分解热，kJ4.3.7 炉渣带走热q7q7= G1760=357.601760=629380.27 kJ式中 1760炉渣热容量，kJ4.3.8 煤气带走热q8从常温到200之间，各种气体的平均比热容Cp如下：表12平均比热容Cp ，kJ/( m3)成分CO2CON2H2CH4H2OCp1.