（钢铁冶金专业论文）高炉喷吹煤气的基础研究——喷吹煤气极限焦比研究.pdf

摘要 摘要 高炉目前以喷吹煤粉为主，但高炉喷吹煤粉给高炉冶炼带来许多无法解决的问 题。通过煤造气，用煤气代替煤粉进行喷吹，简化了高炉冶炼过程，避免了喷吹煤 粉给高炉冶炼带来的不利影响，也使喷吹煤气的高炉冶炼达到焦比极限成为可能。 论文通过焦比与直接还原度的联合计算方法，研究了喷吹煤气新工艺下的极限 焦比值得到： 煤气仅进行i 日j 接还原时高炉冶炼1 0 0 0 k g 生铁的总耗热为1 5 0 6 8 4 9 5 3 k t f e ，焦 比为2 3 8 8 8 k g t f e ，直接还原度为0 2 0 。而煤气在风口区燃烧提供热量时高炉冶炼一 吨生铁的总耗热为1 8 7 3 1 1 2 5 7 k j t f e ，焦比为2 5 8 8 9 k g t f e ，直接还原度为0 3 4 。这 两种情况的耗热均小于传统高炉冶炼的单位生铁热消耗5 2 5 0 3 4 8 k j t f c 。由此可见， 新工艺无论是哪种情况，单位生铁的总耗热都小于传统的喷煤高炉； 喷煤气高炉冶炼，热收入项中风口区的碳素燃烧放热的比例减少，喷吹煤气和 鼓风带入的有效物理热比例增加。在热支出项中由于直接还原度的降低，直接还原 耗热减少； 喷入的煤气仅在上部间接还原区进行间接还原来减少焦炭量和煤气在风口区燃 烧提供热量而减少焦炭量，这两种情况都不能达到新工艺的最低焦比值，只有喷入 的煤气一部分在风口区燃烧供热，一部分在日j 接还原区进行问接还原，两者相结合 才能得到焦比极限值。通过计算得喷入煤气的极限焦比值为1 2 4 7 6 k g t f e ，喷入的煤 气量为1 1 2 7 9 7 m 3 t f e ，直接还原度可降到0 0 4 4 ，新工艺冶炼需要的单位生铁总热 量为1 0 7 4 5 9 9 9 k j t f e ； 与传统高炉工艺相比，新工艺在许多方面都有着显著的优点。它不仅可以降低 焦比，还有炉内还原气氛强、冶炼强度高、能耗少、炉顶煤气热值高等优点。对于 高热值的炉顶煤气还可以循环使用，达到c 0 2 的“零”排放，真正实现高炉“绿 色”冶炼。 图4 表6 参4 4 关键词：高炉；喷煤气；焦比；极限值 分类号：t f 5 3 8 1 河北理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，p c ii st h ep r i m a r yp r o c e s so fb f b u tp c ih a ss o m eu n s o l v e dp r o b l e m s t ob fs m e l t i n g t h en e wp r o c e s si sag a si n j e c t i o np r o c e s s ，i n s t e a do fc o a lt oi n j e c t i n gi n t o b l a s tf u r n a c ed i r e c t w i t ht h i sn e wp r o c e s s b fs m e l t i n gp r o c e s sb e p ? o m e sm o f ce a s ya n d a v o i d st h ed i s a d v a n t a g e st h a tp c ib r i n g st ob f i ti sp o s s i b l et oo b t a i nt h el i m i t e dc o k e r a t i oi nn e w p r o c e s s t h el i m i t e dc o k er a t i oo fn e wp r o c e s sw a sr e s e a r c h e db a s e so nt h eu n i o nc a l c u l a t i o n o fc o k er a t i oa n dd i r e c tr e d u c t i v er a t i o t h em a i nc o n c l u s i o n so b t a i n e da r ea sf o l l o w s ： i fi n j e c t i n gg a sh a so n l ye f f e c to ni n d i r e c tr e d u c t i v er e a c t i o n t h et o t a lh e a to fs m e l t i n g w a s1 5 0 6 8 4 9 5 3 k j t f e ，t h ec o k er a t i ow a s2 3 8 8 8 k g t f ea n dt h ed i r e c tr e d u c t i v er a t i ow a s 0 2 i ft h eg a sb u r n e da t t u y e r e a r e af o rs u p p l y i n gt h eh e a t t h et o t a lh e a tw a s 1 8 7 3 1 1 2 5 7 k j t f e t h ec o k er a t i ow a s2 5 8 8 9 k g t f ea n dt h ed i r e c tr e d u c t i v er a t i ow a s0 3 4 b o t ho ft h et o t a lh e a ta r el e s st h a nt h et r a d i t i o n a ls m e l t i n gp r o c e s s s ot h et o t a lh e a to ft h e n e w p r o c e s sw h a t e v e rs i t u a t i o ni sl e s st h a nt h ep r o c e s so fc o a li n j e c t i o n i nn e wp r o c e s st h ep r o p o r t i o no fh e a ts u p p l yd e c r e a s e d t h er a t i oo fp h y s i c a lh e a t f r o mi n j e c t i n gg a sa n db l a s ti si n c r e a s e d t h eh e a tp a y o u tr e d u c e db e c a u s eo ft h el e s s d i r e c tr e d u c t i v er a t i o l e s sd i r e c tr e d u c t i v er a t i oc o n s u m e dl e s sh e a t o n l yo n es i t u a t i o nw o r k e do u tt h el i m i t e dc o k er a t i oi nt h en e wp r o c e s st h a tw a st h e i n j e c t i n gg a sd i de f f e c to f b o t ht u y e r ea r e aa n di n d i r e c tr e d u c t i v ez o n e i fn o tt h ec o k er a t i o i sn o tt h el i m i t e d s oi nt h eg a si n j e c t i o np r o c e s st h el i m i t e dc o k er a t i ow a s1 2 4 7 6k g t f e ， t h ev o l u m eo ft h eg a sw a s11 2 7 9 7 m 3 t f e ，t h ed i r e c tr e d u c t i v er a t i ow a sr e d u c e dt o0 0 4 4 ， a n dt h et o t a lh e a tt h a tt h en e w p r o c e s sn e e d e dw a s1 0 7 4 5 9 9 9 k j t f e c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lp r o c e s s ，t h en e wp r o c e s sh a sm a r k e da d v a n t a g e si n m a n ya s p e c t s i tc a nn o to n l yr e d u c et h ec o k er a t i o ，b u ta l s oe n h a n c er e d u c t i v ea t m o s p h e r e a n dg o o do fs m e l t i n g i ta l s oh a ss o m ep r o p e r t ys u c ha st h et o t a lh e a te x p e n s el o w ，t h e t e m p e r a t u r ev a l u eo ft o pg a sh i g h ，e t c a n dt h eh i g ht e m p e r a t u r et o pg a si su s e dr e c u r r e n t l y ， t h ec 0 2i sn o tl e tt ot h ea i r s o t h e “g r e e n ”s m e l t i n gi sa c h i e v e di n d e e d f i g u r e4 ，t a b l e6 ，r e f e r e n c e4 4 k e yw o r d s ：b f ；g a si n j e c t i o n ；c o k er a t i o ；l i m i t e d c h i n e s el i b r a r yc a t a l o g ：t f 5 3 8 1 玎 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 河北理工大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：摊日期：兰丑午壬月日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：鲜 导师签名：趾日期：! 丑年垒月日 b i言 引言 高炉喷吹煤粉是降低冶炼成本、增强竞争能力的有效技术措施。从2 0 世纪6 0 年代初高炉开始喷吹燃料，各国根据自身资源条件喷吹不同原、燃料，但都以喷吹 煤粉为主，有的高炉也喷吹天然气、部分旧塑料、橡胶、矿粉、熔剂和护炉剂等物 质。我国高炉全部喷吹煤粉，目前，最高喷煤量已达到了2 6 0 k g tf e 左右。 高炉喷吹煤粉在获取巨大经济效益的同时也给冶炼过程带来了许多问题。首 先，系统设备复杂，投资大；其次，煤粉在高炉内部进行加热、分解、燃烧、造渣 等一系列化学、物理变化，使炉内反应复杂。随着喷煤量的增加，风口前理论燃烧 温度降低、未燃煤粉数量增多，料柱透气性交差、阻力增加，软熔带扩大，焦炭破 损严重，这些问题给操作带来了极大的困难。上述问题在目前的技术条件下还无法 根本解决，因此高炉利用喷煤的方法达到焦比极限是困难的【1 - 3 t 。 另外，在正常冶炼的条件下，炼铁工序中约有4 1 的碳是以c 0 2 形式排放掉， 如果不考虑其它因素，高炉大喷煤后，c 0 2 排放量还要增加，加重了环境负荷【4 l 。 上述问题在目前条件下还无法根本解决。因此高炉喷煤是有极限的，它不可能 全部代替焦炭在高炉中的还原剂和发热剂的作用。 从理论上讲高炉风口喷入的煤粉完全可以代替焦炭还原剂和发热剂的作用，限 制高炉进一步增加喷煤量的原因主要是冶炼工艺问题。向高炉内喷吹煤气 ( c o + h 2 ) 的同时采用富氧和提高煤气温度的新工艺在理论和技术上可以在风口区 代替焦炭燃烧提供热量，还可以代替焦炭参加还原反应，可以使高炉冶炼达到理论 焦比。 高炉喷吹煤气可以达到： 1 把煤粉在风口前的燃烧气化这一复杂物理、化学过程转移到炉外，简化了操 作，使高炉冶炼功能单一化，并为冶炼达到极限焦比提供了保证。 2 煤液化、气化是我国能源战略的一项重要内容，向高炉喷吹煤气不但改善了 冶炼条件，而且会使高炉冶炼由依赖焦炭转向普通煤。 3 氢是最理想的还原剂，为实现“氢”冶金，我国已投入大量的人力、物力，高 炉喷吹煤气可以实现“富氢”冶炼。 4 高炉炉顶煤气可通过造气炉转化循环利用，使c 0 2 不排放或少排放，实现 高炉煤气无污染的绿色冶会目的。 因此，研究高炉喷煤气后炉内各种物质化学反应的热力学、动力学规律，炉料 河北理工大学硕士学位论文 物理变化过程以及热平衡，总结冶炼特点，建立反应理论和操作措施对开发新的高 炉喷吹工艺达到极限焦比是十分必要的。 本课题的目的就是研究在喷吹煤气的基础上， 比极限值和满足此值的冶炼相关数值。 课题来源国家自然科学基金资助项目 ( 5 0 3 7 4 0 3 6 ) 。 2 通过理论计算找出新工艺下的焦 “高炉喷吹煤气的基础研究” 1 文献综述 1 1 高炉喷吹技术的发展 1 1 1 喷煤技术 1 文献综述 高炉喷煤的理念虽然提出很早，但是直到第一次石油危机之后喷煤才得到大规 模的发展，当时主要是希望通过喷煤抵消飞涨的石油价格对生铁成本的不利影响。 8 0 年代，喷煤技术开始快速发展。相比于其他炼铁技术，无论是单个装置的生产能 力、能量消耗和产品质量，高炉都处于无可比拟的地位，但其最大的劣势是离不 开优质的焦炭，而喷煤却能够大大降低高炉对焦炭的依赖程度p l 。现在世界上已经 有多座高炉喷吹2 0 0k g t f c 或更多的煤粉，大约5 0 左右的焦炭可用煤粉代替。不断 增长的环境保护的压力是刺激喷煤技术继续发展的另一个重要因烈6 】。世界发达国 家的高炉喷煤以喷煤量大、煤种范围广、监测仪表和计量手段完善为主要特征。日 本1 9 9 4 年2 9 座高炉年平均喷煤为9 6 5 k 鲈f c ，平均燃料比5 1 3 k g t f e 。德国蒂森公司、 荷兰霍戈文公司、日本神户公司的几座先进的喷煤高炉在前几年平均年喷煤量达1 4 0 k g t f e 1 8 0 k g t f e 。英国、荷兰和意大利的三家公司在英国克罩夫兰的一座6 0 0m 3 的 高炉上进行了富氧超高喷煤量探索性试验。喷煤量从1 0 0 k g t f e 经2 5 0 k g t f e 达到 3 0 0 k g t f e 的目标。欧洲高炉正争取实现喷煤2 5 0 k g t f e 、焦e l 2 5 0 k g t f e 的1 0 标。1 9 9 8 年日本加古) f l l 号高炉和福山3 号高炉先后创造了吨铁喷煤2 5 0 k g t f e 和2 6 6 k g t f e 的世 界记录i r l 。 我国的喷煤技术始于6 0 年代，9 0 年代中期以前，喷煤量始终较低。近几年， 我国高炉喷煤技术发展迅速，取得了较大成绩。不但在技术方面，如：安全喷吹烟 煤、自动监测与控制、煤粉流化、煤粉分配、煤粉浓相输送、氧煤喷枪及单枪喷煤 能力等方面均己取得长足的进步，而且吨铁喷煤量也在逐步提高。据报道，全国重 点企业平均吨铁喷煤量已由1 9 9 4 年的6 6 7 k g 提高到2 0 0 1 年的1 2 0 k 一8 1 。我国将此项技 术视为炼铁系统工艺结构优化的关键，高炉喷煤技术发展较快，取得了很大成绩。 “八五”期间高炉富氧喷煤列入国家重点科技攻关项目，冶会部设点鞍钢、包钢喷 吹烟煤和富氧大喷煤工业试验。鞍钢先后有血座高炉喷吹高挥发分烟煤取得成功。 1 9 9 5 年8 月一1 1 月在鞍钢3 号高炉( 8 3 1 m 3 ) 又成功地进行了煤比为2 0 0 k 卵h m 的氧煤强 化炼铁工业试验，取得了煤比平均2 0 3 k g t h m 、富氧率3 ，4 2 。煤焦置换比0 8 的预 。3 一 河北理工大学硕士学位论文 期目标，实现了低富氧条件下高煤比的强化冶炼。包钢高炉在冶炼含氟矿的条件 下，实现了喷煤：i 2 4 j 1 5 0 k g t h m 、富氧率3 的冶炼操作。从1 9 9 8 年开始，宝钢高 炉的喷煤量突破了2 0 0k g t f e 的水平，而且实现长期稳定喷吹，1 号高炉的最高月平 均煤比曾达至1 1 2 6 0 6k g t f e ，位居世界首位，标志着我国高炉喷煤已达到国际先进水 平【乒i o j 。 目前，无论是国内还是国外，钢铁企业间的竞争日趋激烈，为了生存和发展， 各钢铁企业都在采取各种措施尽可能地降低生产成本。喷煤是目前降低炼铁生产成 本的重要措旅之一，许多钢铁企业都在设法不断提高炼铁喷煤比。 高炉喷吹煤粉也给高炉冶炼带来许多负面的影响”15 1 。主要体现在以下几个方 面： 1 首先，系统设备复杂、投资大； 2 其次，煤粉在高炉内部进行加热、分解、燃烧、造渣等一系列化学、物理变 化，使炉内反应复杂、操作困难。 3 随着高炉喷煤量的增加，软熔带扩大，焦炭破损严重等问题增多。 4 煤粉在回旋区狭小的空间内不能全部燃烧产生未燃烧煤粉，随着喷煤量的增 加未燃煤粉量增加，使初渣性能变坏，高炉透气性变差。另外，未燃煤粉积聚的不 均匀性导致了煤气流的重新分布，特别是回旋区前方和上方透气性恶化，使中心气 流难以发展。 5 喷煤使高炉排出的c 0 2 增加，加大了环境负荷。 1 1 2 其他喷吹技术 除了喷吹煤粉以外，其它喷吹技术也在不断发展。如早先天然气、重油的喷 吹，还有近期废塑料、旧轮胎的喷吹技术等，为高炉冶炼技术的发展开辟新的道 路。 天然气的喷吹主要是通过燃烧为高炉提供热量，从而减少焦炭的消耗量。1 9 5 8 年国外进行了喷吹天然气到风口区的试验。喷吹天然气量为7 ( 以风量为标准) ，风 温提高4 7 5 c ，焦比降低2 5 6 k g t f e ，在没有加大风量的条件下，生产率增加3 0 。 目前，喷吹1 3 0 m 3 t f e 1 5 0 m a t f e 天然气并富氧3 0 一3 5 的冶炼工艺已被成功开发 1 1 6 - 1 7 1 。 在天然气喷吹成功并得到确认以后，1 9 6 0 年许多高炉感到热风能力不足，于是 考虑到喷吹重油，因为重油的碳氢比为7 5 ：1 ，比天然气的3 ：1 要高，在风口燃烧 一4 1 文献综述 产生热量，代替焦炭燃烧供热，从而降低焦比。6 0 年代高炉喷吹重油取得了相当好 的效果。但是随着石油资源的萎缩和成本的提高，目前高炉已停止了向高炉喷吹重 油【1 跎”。 高炉作为某些废弃物的处理器，废弃物可以通过炉顶装入或风口喷吹加入。如 高炉喷吹废塑料、炉尘以及某些矿粉等等1 2 2 _ 删。其中喷吹废塑料既可以处理废弃物 又可以提高入炉含氢量，有利于强化高炉内的矿石还原，同时也有利于高炉降低二 氧化碳的排放量。目前已有高炉实践表明可使高炉内炉腹煤气含氢量达到约1 2 左 右。日本的n k k 公司在废钢熔炼炉中实行了喷煤和喷发塑料( 7 3 2 8 时，问接还原是放热的，所以为了方便计算，这里。取8 0 ，这样，h ，。就为 2 0 。但是如果让反应能进行，还要考虑反应的过剩系数和煤气利用率这两个因 素。 问接还原反应式( 1 5 ) ： 9 5 0 。c 时反应平衡常数 妒捌捌9 6 9 1 = o 4 4 7 0 0 ) 所以，还原l k m o l 铁需要c o 的过量系数n 应为 咒c o - 1 + l r ，一1 + 2 2 3 7 = 3 2 3 7 k m o l 0 1 ) 问接还原反应式( 1 6 ) ： 9 5 0 时反应平衡常数 2 3 河北理工大学硕士学位论文 即锱1 3 5 驷“o 5 6 ( 3 2 ) 2 所以，还原l k m o l 铁需要h 2 的过量系数n 应为 ，l h ，一i + i k ，一1 + 1 7 8 6 ，2 7 8 6 k m o l ( 3 3 ) 而煤气利用率前面已经讨论过了，所以，这里就可以直接引用了。 因此间接还原反应的煤气量+ h ，为： v c o + h 2 ，x r l c o + h 2lr c o v c ox r i c o + ，h 2 y 0 ，l h 2 ( 3 4 ) 上式是间接还原反应需要的煤气量，而这部分煤气量包括下部直接还原产生的 还原性气体，在计算喷入煤气量时应该减去直接还原产生的。这里喷入的煤气中 c o 和h 2 所占的比例是知道的。 4 直接还原消耗的碳量c 。计算 新工艺直接还原比例明显减少，对于直接还原消耗的碳量的计算也是在最后与 焦比一起确定的。而传统高炉冶炼，在已知直接还原度的前提下，计算方法如下， 这可以作为最后计算结果的检验计算： 碳作为高炉内的万能还原剂，在高炉下部高温区内，不仅还原间接还原没有还 原完全的剩余铁氧化物( f e o ) ，其消耗的碳量为c 。；还还原难还原的非金属和金属 氧化物f 如m n o 、s i 0 2 ) ，m n 、p 、s i 是比f c 难还原的元素，它们都是在高温条件下 用碳直接还原的，p 是难还原元素，但在高炉冶炼条件下，几乎能全部还原进入生 铁，消耗的碳量表示为c 。 c 。与铁的直接还原度有着密切的关系，可以根据前面日j 接还原所占还原铁的 比例来计算；c 。可以根据原料中物质含量来计算。 c m = 0 2 1 4 f e 】r d ，k g t f e ( 3 5 ) c = 1 0 ( o 8 5 7 s i 】+ 0 2 1 8 m n + 0 9 6 8 p + 0 5 r i + o 5 8 8 1 v 1 ) ，k g t f e ( 3 6 ) 5 鼓风量( k ) 的计算 根据风口区的燃烧特点，鼓风量由燃烧的碳量( c 。) 和煤气量( p ，c 0 + h ，) ，还有鼓风 的含氧量( o 。) 来计算i t 生铁的鼓风量屹，这要分两种情况来考虑。 第一种情况是喷入的煤气不在风1 3 区燃烧，这样风口只有焦炭燃烧消耗氧，此 时鼓风量k 为： 2 2 4 x c b0 9 3 3 c 6 0 2 6 m 3 1 ( 3 7 ) 2 4 o ， 67 一。、7 式中，0 9 3 3 为燃烧l k g 碳素所需要的氧量( m 3 ) ，鼓风含氧量可按下式计算： 2 4 3 物料平衡及热平衡计算 o 一o 2 1 + 0 2 9 矿+ ( 4 0 2 1 ) x w 。( 3 8 ) 式中舻一鼓风湿度，用体积小数表示； 矽一1 m 3 鼓风中兑入的富氧气体量，m 3 ； a 一富氧气体氧的纯度。 第二种情况是喷入的煤气在风口先与氧气燃烧，生成的c 0 2 和h 2 0 再与焦炭反 应，此时的鼓风量k 为： k 一訾m 3 t ( 3 9 ) 式中，r c o 。为煤气利用率，这里c o 和h 2 的利用率是一样的。 3 1 2 炉顶煤气计算 在新工艺中炉顶煤气根据炉内实际反应过程变化计算，但在计算炉顶煤气成分 之前必须确定直接还原度、氢气利用率以及参加间接还原反应的氢气比例等参数。 这些指标直接影响炉顶煤气的成分和数量。 从反应的热力学判断，参加反应的h 2 除了在风口氧化燃烧之外，大部分都将在 高温区代替焦炭参加铁的直接还原反应，而很少的一部分进入中低温区替代铁的高 级氧化物的还原，反应产物是h 2 0 。 喷吹煤气中的大部分未参与风口燃烧反应的c o 随着气流上升进入中低温区， 参与铁氧化物的间接还原反应。 出风口区的气体只有c o 和h 2 进入高炉，这样炉顶煤气成分也就只有c o 、 h 2 、h 2 0 和c 0 2 这四种气体，也许会有少量的c h 4 ，这里我们不考虑。 3 1 3 高炉渣量计算 因为新工艺中焦比是未知的，所以渣量的计算可以分为两部分，一是已知渣量 u ，计算，一是未知渣量u ，计算。 1 已知渣量u ，计算 u lt a u + ( c c + c 女) x u x c x 2 1 4 s i 】。( 4 0 ) 其中爿和u 分别表示加入的混合矿量和混合矿渣量系数，渣量系数 u _ 一4 + 彳m 蚰+ 凡j o ，+ 彳 l ，仉，即混合矿中c a o 、m g o 、s i 0 2 、a 1 2 0 3 含量之和； 第二项表示每吨生铁渗碳与合金元素直接还原消耗的焦炭带入的成渣物质；第三项 为生铁中的硅的渣量。 2 5 河北理工大学硕士学位论文 2 未知渣量u ：计算 u 2 一( c b + c m ) x u c x ( 4 1 ) 表示风口前燃烧碳c 。及直接还原铁耗碳c 。之焦炭带入成渣物质的渣量。 3 2 热平衡计算 高炉热平衡计算可分为两类：一类是以整个高炉为对象的热平衡计算，这就是 全炉热平衡计算；另一类是以高炉局部区域为对象的热平衡计算，即区域热平衡计 算。 全炉热平衡计算的方法有多种，比较常用的是： 第一种全炉热平衡计算，它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。这种方法出现较早，原理简单，但计算较为繁琐，也不尽如实反映高炉冶炼过 程热量消耗的情况。虽然如此，它仍然是耳莉j 高炉热平衡测定所采用的方法。 第二种全炉热平衡计算，它是按高炉内实际发生的还原过程来计算热量消耗 的，这种方法更能说明高炉冶炼能量利用的实际状况。 区域热平衡计算多是以高炉下部的高温区为研究对象的。高温区是对高炉冶炼 有决定性影响的区域。这种高温区热平衡计算更能反映高炉热交换的本质。这种方 法出现较晚，但r 益受到高炉工作者的重视。 无论采用哪一种热平衡计算方法，热平衡的计算都应遵循能量守恒的原则，即 供给研究区域的各项热量总和等于该区域热量消耗的总和。 为了研究不同部位热交换的情况，在全炉热平衡计算基础上，提出了区域热平 衡计算。由于高炉热交换空区的存在，使高炉分离成上下两部分进行单独研究成为 可能。而高炉下部区域( 或高温区) ，进行直接还原是高炉里物质交换和热量交换 最为活跃的区域，高炉炼铁的焦比主要决定于高温区的热量消耗情况，因此，高炉 区域热平衡计算多以下部高温区为对象，这就是现在常常用到的高炉高温区的热平 衡计算。 由于新工艺喷吹大量煤气，使高炉内上部间接还原于下部直接还原比傍j 发生明 显的变化，在高炉上部间接还原大力发展，所以直接还原减少，使得高炉冶炼需要 的总热量减少，这样根据高温区热平衡把高炉分为上下两部分，分别进行热平衡计 算。 - 2 6 3 物料平衡及热平衡计算 3 2 1 高炉高温区的确定 高炉下部发生直接还原的区域，即碳的气化反应c + c 0 2 2 c 0 大量进行的区 域，被定作高炉的高温区。在这个区域里由于碳的气化反应充分进行，使得氧化铁 的还原转为直接还原，并为全部直接还原所取代。铁矿石的直接还原需要消耗固体 碳和供给大量热量。 碳的气化反应进行得迟早，取决于焦炭的反应性。反应性越高，直接还原开始 得越早，高温区的范围就相应扩大。一般来说，碳的气化反应丌始大量进行的温度 是9 0 0 1 0 0 0 。 高温区的位置还与高炉内煤气流及温度的分布有关，随着高炉冶炼情况的不 同，高温区的位置和上部界面的形状是不相同的。为研究问题的方便，取炉腰附近 以下的区域为高炉高温区。 有关高温区的一些假定条件是： 1 这里取9 5 0 1 2 作为高温区的开始温度，进入高温区的各种物料温度和离开高 温区上升的煤气温度均为9 5 0 1 2 ( 忽略煤气与炉料的微小温差) ； 2 碳的气化反应是从碳素进入高温区后开始大量进行的，在高温区以上部位进 行得不够充分； 3 在高炉冶炼正常情况下，铁及锰的氧化物在高温区以上部位进行间接还原， 把它们还原成f e o 及m n o 。也就是说，在高温区开始部位炉料中已不存在铁和锰的 高级氧化物； 4 高温区内物料的质量转移和热量传递是密切相关的，它们应遵守化学平衡、 热平衡及有关的定律。 3 2 2 高温区热平衡计算项目 1 高温区热收入项 1 ) 风口燃烧放出的热量q 0 在前面已经讨论过风口区的特点，这里也同样要分两方面考虑。 第一种情况，喷入的煤气在风口不燃烧，这时只有焦炭在风口燃烧，方程 式为： c + 0 2 2 = c 0 + 9 8 2 9 1 0 k g ( 4 2 ) 其放出热量的算式为： 2 7 河北理工大学硕士学位论文 q k l c 6 4 1 8 x ( u xx q “c ) ( 4 3 ) 式中，u 。为焦炭的渣量系数；q 。为焦炭的燃烧热焓；c 。为焦炭的固定碳量。 第二种情况，风1 2 1 燃烧放出的热量分为两部分：一是喷入的还原气体燃烧放热 a c o + h ，；一是碳素燃烧放热q 。所以，要分别计算。 c 0 + 1 2 0 2 = c 0 2 + q ( 4 4 ) h 2 + l 2 0 2 = h 2 0 + q 2 ( 4 5 ) c + c 0 2 = 2 c 0 - - q ，( 4 6 ) c + h z o = h 2 + c o - - q ( 4 7 ) 首先列出还原气体燃烧放热q c o 。，其方程为： q c 0 偶一罢x t c o + i ：x k ( q l - ex q 3 ) 岷x ( q 2 - e x q 4 ) ( 4 8 ) 式中，r c o 。是煤气利用率；表示的是由还原气体氧化生成的c o z 和h 2 0 与 焦炭反应的比例。 碳素燃烧放热方程为： q c c bx 4 1 8 x ( 【，x q d c k ) ( 4 9 ) 此时的c 。与上一种情况的c 。是不同的，计算时不要混淆。 所以，第二种情况的q 。，就为： ( k 1 一q c o + h + q c 一羔h 2 k ( q - ex q 3 ) + ：2 - ex q 4 ) ( 5 0 ) + c 6x 4 1 8 x ( u x q n c r ) 2 ) 鼓风带入的有效热量( 物理热) q 。： 对于全炉热平衡计算，鼓风物理热就是热风带入的物理热，而高温区热平衡计 算中，这一项的意义是扣除鼓风湿分分解耗热后，当鼓风温度t b 时，相对于高 温区界线温度9 5 0 c 所能带给高温区的有效( 净) 热量，其算式为： 纵2 = l c p t n ) x t 6 一c v o ) x 9 5 0 4 1 8 x 2 5 8 0 x t p j k j ( 5 1 ) 式中k 一每吨生铁的风量( 湿风) ，m 3 ； t 。一热风温度，： 舻一鼓风湿度； 己1 一温度“时的鼓风( 湿风) 平均热容，k j ( m 3 ) ； 己( 1 ) 9 5 0 研寸鼓风平均热容，k j ( m 3 ) 。 2 8 3 物料平衡及热平衡计算 粗略计算时可取c e ( r b ) = 瓦( 。，= 1 4 0k j ( m 3 ) ，要精确计算时，鼓风平均热容 应采用积分方法求出。 除了鼓风带入的物理热外，还应计算喷入的煤气带入的物理热，可以把制煤气 过程中的化学热用来预热煤气，有效利用能源。 3 ) 喷入煤气带入的有效热量( 物理热) q b 喷入的煤气携带物理热入炉，这里要考虑进入高温区的有效热量，同上面鼓风 带入的有效热量一样，也是指入炉温度与9 5 0 0 的差值热量。其算式为： q 0 3 一v c ox 4 1 8 x ( c p ，c o ，r q m l ) + ：x 4 1 8 ( c r , h ： f c 删一2 2 3 ) k j ( 5 2 ) 式中，刁j 瑚，、瓦皿，分别表示c o 和h z 在入炉温度t 时的平均热容； t 。c 0 ，。、百_ p t h ，j 。分别表示c o 和h 2 在9 5 0 时的平均热容。 4 ) 问接还原提供的热量 对于传统高炉冶炼这一项不用考虑，它属于内热项，因为它比较少，与煤气上 升提供的热量一起预热炉料，互相抵消。而新工艺间接还原大力发展，这部分提供 的热量要高于传统高炉很多，所以要考虑。又因为喷入的煤气量增加，煤气上升带 出的热量也增加，可以说这部分热量远高于加热炉料所需的热量，所以这部分热量 不能作为内热抵消。 3 f e 2 0 3 + c o - - 2 f e 3 0 4 + c 0 2 + 1 1 0 8 8k j ，l 【g ( f c ) ( 5 3 ) 3 f c 2 0 3 + h 2 - 2 f e 3 0 4 + h 2 0 + 6 4 6 8k j k g ( f o ( 5 4 ) f e 3 0 4 + c o = 3 f e o + c 0 2 - 1 2 4 1 5k j k g ( f o ( 5 5 ) f e 3 0 4 + h 2 = 3 f e o + h 2 0 - - 3 7 7 8 7k j k g ( f e ) ( 5 6 ) f e o + c o = f e + c 0 2 + 2 4 3 6k l k g ( f e ) ( 5 7 ) f e o + h 2 = f e + h 2 0 - - 4 9 4 0 8k j k g ( v o ( 5 8 ) 其公式为： q ，；q r 。+ q ，：+ q ，+ q ，一( 5 9 ) 间接还原分为四部分来计算，q ，表示矿石中的f e 2 0 3f e 3 0 4 还原提供的热 量，其表达式为： q 。5 6 。( 三旦二! ：! 兰掣。1 1 0 8 8 + 三! 垒二! ：! 兰掣。6 4 6 8 ) ( 6 0 ) q r ：表示i 0 4 一f c o 还原提供的热量，其表达式为： q ，：一5 6 。( 三：! ! 兰竺：! 兰；燮x1 2 4 1 5 + 三：! 三生三! ! 兰；坚。3 7 7 8 7 ) ( 6 1 ) 2 9 河北理工大学硕士学位论文 q ，表示f e o f = 还原提供的热量，f e o 是指由f 切0 3 一步步还原得到的f e o ，表达 式为： q r 3 - 5 6 x ( 1 一喇2 x r , , c ox 鲁x 2 4 3 6 - 2 x r , , h ，x 等x 4 9 4 0 8 ) ( 6 2 ) q ，。表示矿石中的f e o f e 还原提供的热量，表达式为： q r 4i 5 6 x ( 1 _ ，c o 警2 4 3 6 - 警4 9 4 蛳( 6 3 ) 一瞄axav2。(警-r,cox 1 3 7 4 2 + - 每r , , , x 6 9 1 坤0 6 。) ，+ 觚钿埘4 鹏h d ( 6 4 ) 5 ) 成渣热 成淦热是指高炉冶炼过程中，由c a o 和m g o 同酸性氧化物生成炉渣而放出的 热量。通常每千克c a o ( 或m g o ) 成渣放热4 1 8 x 2 7 0 1 d 。在大量使用熔剂性烧结矿 冶炼时，因其中的c a o 、i g o 在烧结过程中已经成渣，所以这项热量只计算有熔 剂、生矿带入的c a o 、m g o 量的成渣放热。 璐- 4 1 8 x 2 7 0 x c a o + m g o ( 卿 式中， c a o + m g o 为冶炼每吨生铁由熔剂、生矿带入c a o 和m g o 的总量， 姆。 6 ) 炉料物理热 对于使用冷矿的高炉，这项热量很少，可以忽略不计。在使用热烧结矿时，这 项热量可由烧结矿量及其温度、比热容求得。 烧结矿的比热容可取下列数值： t 1 0 02 0 03 0 04 0 05 0 0 c k j ( k g c y l 0 6 6 8 80 7 1 0 60 7 5 2 4o 7 9 4 20 8 3 6 这罩选择矿石为冷矿，即不考虑矿石带入的热量。 2 高温区热支出 1 ) 铁及硅、磷等元素直接还原耗热q 。， 这里只考虑f e o 被c 及h 2 还原消耗热量及s i 、p 的还原耗热。对于h 2 代替c 参加还原反应( f e o + h 2 = f e + h 2 0 ) ，应在9 5 0 以上的高温区内，有意义的温度是 3 0 一 3 物科平衡及热平衡计算 1 0 0 0 1 2 0 0 c 之间，更高温度下还原产物h 2 0 不能稳定存在( h 2 0 + c = 1 1 2 + c o ) ， h 2 只起加速还原作用，氢的还原耗热应按参与f e o 还原的氢量计算。 既，t 4 1 8 6 4 9 1 f e ，。，。+ 2 9 5 5 x h 2 r + 5 3 6 0 0 s i + 6 2 7 5 0 【p 】 ( 6 6 ) 式中凡，一每吨生铁的还原铁量，k g ： 日，一每吨生铁参与浮士体还原的还原氢量，m 3 ； 陋】， p 】一生铁中相应元素含量，。 2 ) 碳酸盐在高温区分解耗热q 。： 进入高温区的碳酸盐主要是c a c 0 3 ，这项耗热包括石灰石分解耗热，以及分解 出c o , 参与碳素溶损反应的耗热，这一项耗热的计算是： q “2 4 1 8 x 中c 0 2 。口x ( 9 6 6 4 + 9 0 0 ) k j ( 6 7 ) 式中 中一每吨生铁石灰石用量，k 鲈； c 0 2 。一石灰石中c 0 2 含量； 口一石灰石在高温区分解率，口铀4 0 6 ，常取0 5 。 3 ) 铁水带走热量( 物理热) q 。， q 如表示生铁由9 5 0 升温至出炉温度时所需要的热量，它由生铁两个温度下 的比焓计算 q m ，- 1 0 0 0 x i ! q p q 加j k j ( 6 8 ) 式中q p 一铁水出炉温度时的比焓，k j k g ； 叮，。一高温区界限温度( 9 5 0 c ) 时生铁比焓，k j k g 。 4 ) 炉渣带走热量( 物理热) q 。 q 。表示炉渣由9 5 0 升温至出炉温度时所需要的热量，其计算是 如。- u ( q ，- q ，o ) k j ( 6 9 ) 式中【，一每吨生铁的渣量，k g q ，一炉渣出炉温度时的比焓，k j k g ； 口。一高温区界限温度时炉渣比焓，i d k g 。 一般生铁、炉渣不同温度下的比焓参见表9 。 表2 生铁、炉渣的比焓 ! ! ! ! 丝望! 型! 望! ! 塑垡! ! ! 坐! 鲤! 鲤! ! 篁 亟里! 兰! 塑! 塑 ! ! 塑! ! ! ! ! 塑 生铁k j k g 6 0 6 16 2 76 6 8 8 1 1 7 0 41 2 5 4 塑堕塑堑 ! ! ! ：! ! ! ! ：! 堑! ：! ! ! ! ：! ! 墅：1 5 ) 高温区热损失q 。 3 1 河北理工大学硕士学位论文 q 0 ，按高温区的热收入扣除以上各项热支出后得到，亦可按经验公式估算。 3 2 3 高炉区域热平衡计算中的“内热”问题 澳大利亚a k 比斯瓦斯教授，把高炉上下部的热平衡计算紧密地结合起 来，求解出高炉焦比、直接还原比例、煤气利用率及炉顶温度等一系列指标参数， 这是运用区域热平衡计算的良好范例。但是，也应指出在他的计算中，在处理高炉 过程的“内热”问题上有所失误。这类失误在的一些区域热平衡计算中也常常出 现。因此，讨论高炉区域热平衡计算中的“内热”问题，是十分必要和有益的。 所谓“内热”，就是指在区域热平衡计算中出现的某些收入或支出的热量，这 些热量对全炉热平衡计算并不产生影响，只是内部热交换的那些热量。例如，进入 高温区的焦炭碳素所带的热量以及这部分碳素成为煤气离开高温区带走的热量，就 是“内热”。在做全炉热平衡计算时，既不存在这部分热收入，也不存在这部分热 支出。类似这样的热量，称之为“内热”【4 4 1 。 做高炉区域热平衡计算，总要遇到高炉过程的内热，对内热怎样处理关系到热 平衡计算的正确和准确程度。要列出正确的热平衡算式，就应该将内热因素考虑周 全，不要自遗漏或重复计算项目，这是十分重要的。 1 含有内热因素的区域热平衡算式 利用比氏算法来举例说明： 按比氏算法高炉上下部以9 0 0 分界。按高炉炼铁的最简单情况考虑：纯焦炭 冶炼；鼓风为干风，含氧2 1 ；忽略鼓风及煤气热容随温度的微小变化。 对于高温区热平衡计算，按照比氏方法，先计算风口前理论燃烧温度t ，再用 l k g 碳素的炉缸煤气量( 屹) 在高温区所具有的焓( q ：。) ，去计算热收入，列出热平衡 算式 c 日： - a m + 4 1 8 x 2 1 5 c 6 (