高炉能量利用计算.ppt

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1、对于生产高炉，为了能对冶炼过程进行全面、定量的深入研对于生产高炉，为了能对冶炼过程进行全面、定量的深入研究，发现增产、节焦的薄弱环节。提出努力方向和改革措施究，发现增产、节焦的薄弱环节。提出努力方向和改革措施，也常要进行物料平衡和热平衡计算。，也常要进行物料平衡和热平衡计算。高炉物料平衡和热平衡以配料计算为基础，并严格遵守质量守恒和能量守恒定律。高炉物料平衡和热平衡以配料计算为基础，并严格遵守质量守恒和能量守恒定律。4.4.1.1 配料计算和物料平衡配料计算和物料平衡配料计算的目的是根据巳知原、燃料成分和冶炼条件来决定矿石、燃料和熔剂配料计算的目的是根据巳知原、燃料成分和冶炼条件来决定矿石、燃

2、料和熔剂的需要量，以获得性能良好的炉渣和合乎规格的生铁，并为编制物料平衡和热的需要量，以获得性能良好的炉渣和合乎规格的生铁，并为编制物料平衡和热平衡打好基础。平衡打好基础。配料计算和物料平衡必须具备以下数据：配料计算和物料平衡必须具备以下数据：1)各种原料各种原料(包括喷吹物包括喷吹物)的全分析的全分析(各种成分的总和应调整到各种成分的总和应调整到100)；2)汁算得到或实际所用的各种原料汁算得到或实际所用的各种原料(包括喷吹物包括喷吹物)重量，生铁产量、渣量、炉尘吹出量；重量，生铁产量、渣量、炉尘吹出量；3)冶炼铁种及成分，炉渣成分和碱度，炉尘的成分；冶炼铁种及成分，炉渣成分和碱度，炉尘的成

3、分；4)炉顶煤气成分；炉顶煤气成分；5)鼓风参数鼓风参数(包括富氧程度、湿分等包括富氧程度、湿分等)；6)各种元素在生铁、炉渣、煤气中的分配比例等。各种元素在生铁、炉渣、煤气中的分配比例等。在计算热平衡时，还必须补充风温、炉顶煤气温度、入炉原料温度、冶炼强度等数据。在计算热平衡时，还必须补充风温、炉顶煤气温度、入炉原料温度、冶炼强度等数据。计算前必须将各种原始数据、资料进行整理、按核，减小计算误差。计算前必须将各种原始数据、资料进行整理、按核，减小计算误差。计算以冶炼计算以冶炼1t生铁为基准。根据生铁成分、炉渣碱度和生铁为基准。根据生铁成分、炉渣碱度和Fe、Mn及及CaO的平衡，的平衡，分别求

4、出铁矿石分别求出铁矿石(锰矿石锰矿石)及熔剂的需要量。这样便可按照它们的化学成分，分别求出其及熔剂的需要量。这样便可按照它们的化学成分，分别求出其带入炉内的各种化学组分含量，再根据各种元素在渣、铁、煤气中的分配率，便可求得带入炉内的各种化学组分含量，再根据各种元素在渣、铁、煤气中的分配率，便可求得最终渣、铁成分。根据相图可初步了解这种炉渣的物理性能是否能满足要求。最终渣、铁成分。根据相图可初步了解这种炉渣的物理性能是否能满足要求。为了编制物料平衡必须进行风量和煤气量的计算。为了编制物料平衡必须进行风量和煤气量的计算。计算风量是根据碳平衡原理，首先计算出风口前被鼓风中的氧所燃烧的碳量计算风量是根

5、据碳平衡原理，首先计算出风口前被鼓风中的氧所燃烧的碳量(C风风)面对喷吹重油的高炉，可按面对喷吹重油的高炉，可按近似计算近似计算(相当于炉顶煤气中含相当于炉顶煤气中含CH406左右左右)得得铁的直接还原度铁的直接还原度rd可按经验选取。可按经验选取。其次，根据其次，根据C风风和氧平衡可计算每吨生铁的鼓风量和氧平衡可计算每吨生铁的鼓风量(湿湿)，即，即然后将鼓风体积按下式换算成重量然后将鼓风体积按下式换算成重量于是按收入等于支出的质量守恒定律，可编制出物料平衡表，举例如表于是按收入等于支出的质量守恒定律，可编制出物料平衡表，举例如表4-2所示。所示。若是对生产高炉进行分析，则各种原、燃料消耗和炉

6、顶煤气成分为已知配料计算和风若是对生产高炉进行分析，则各种原、燃料消耗和炉顶煤气成分为已知配料计算和风量的计算可以大为简化。量的计算可以大为简化。相对误差一般应小于相对误差一般应小于0.3%，否则应检查计算中的错误。，否则应检查计算中的错误。4.4.1.2 热平衡热平衡通过热平衡计算可以了解高炉冶炼过程热量利用情况，从而找到改善热能利用、降通过热平衡计算可以了解高炉冶炼过程热量利用情况，从而找到改善热能利用、降低焦比的途径。低焦比的途径。常见的热平衡计算法有两种。第一种是建立在盖斯定律基础上的，即依入炉物料常见的热平衡计算法有两种。第一种是建立在盖斯定律基础上的，即依入炉物料的初态和出炉产物的

7、终态来计算，与炉内实际反映过程无关。第二种是按炉内实的初态和出炉产物的终态来计算，与炉内实际反映过程无关。第二种是按炉内实际反应过程来计算热量消耗。前者比较简便，但不考虑实际过程；后者比较实际际反应过程来计算热量消耗。前者比较简便，但不考虑实际过程；后者比较实际，但计算较繁琐。此外还有，但计算较繁琐。此外还有“区域热平衡法区域热平衡法”可根据高炉特定区域，如高炉下可根据高炉特定区域，如高炉下部的实际需要来进行。部的实际需要来进行。实际生产中多用第一种热平衡法。它是先分别计算出冶炼过程中的热收入项和热实际生产中多用第一种热平衡法。它是先分别计算出冶炼过程中的热收入项和热支出项，然后编制出热平衡法

8、。根据能量守恒定律热收入应等于热支出来进行支出项，然后编制出热平衡法。根据能量守恒定律热收入应等于热支出来进行比较和检查。比较和检查。举例如表举例如表43。其中热支出第九项外部热损失系根据热收入总和减去前八项热。其中热支出第九项外部热损失系根据热收入总和减去前八项热支出之和得出。关键是看它所占百分数是否在合理范围以内。冶炼炼钢生铁时，支出之和得出。关键是看它所占百分数是否在合理范围以内。冶炼炼钢生铁时，此值一般为此值一般为3%-6，铸造生铁一般为，铸造生铁一般为6-10。此值过高，说明计算有错误。此值过高，说明计算有错误，或焦比选择不当，应予以检直和调整。如果测试手段齐备，外部热损失也可用，或

9、焦比选择不当，应予以检直和调整。如果测试手段齐备，外部热损失也可用准确实测数据来计算。准确实测数据来计算。由热平衡计算可得高炉热量利用系数由热平衡计算可得高炉热量利用系数(Kr)：此值一般为此值一般为80-85，个别高达，个别高达90。上例中：。上例中：还可得到碳素利用系数还可得到碳素利用系数(Kc)：此值一般在此值一般在50-60之间，个别可达之间，个别可达65。1967年，法国学者年，法国学者A里斯持里斯持(A.Rist)和和N梅依森梅依森(N.Meyssem)提出高提出高炉操作线图炉操作线图(简称操作线简称操作线)。该图能直接表达出高炉冶炼过程中。该图能直接表达出高炉冶炼过程中FeOC体

10、系体系的变化和高炉各生产指标间的内在联系对分析高炉冶炼全过程甚为方便。的变化和高炉各生产指标间的内在联系对分析高炉冶炼全过程甚为方便。4.4.2.1 构成操作线的基本原则构成操作线的基本原则高炉冶炼主要反应都涉及氧，是氧从铁矿石和鼓风移向或转变成煤气的进程。高炉冶炼主要反应都涉及氧，是氧从铁矿石和鼓风移向或转变成煤气的进程。如铁矿石的还原，碳的燃烧和气化等。在这些涉及氧的反应中，氧有三个来源如铁矿石的还原，碳的燃烧和气化等。在这些涉及氧的反应中，氧有三个来源 铁的氧化物、脉石中的氧化物和鼓风中的氧。氧也有三个去向铁的氧化物、脉石中的氧化物和鼓风中的氧。氧也有三个去向高温区碳氧高温区碳氧化化(包

11、括燃烧和气化包括燃烧和气化)，最终生成，最终生成CO；直接还原，铁及其他氧化物中的氧被碳夺；直接还原，铁及其他氧化物中的氧被碳夺取变成取变成CO；间接还原，铁及其他氧化物中的氧被；间接还原，铁及其他氧化物中的氧被CO夺取变成夺取变成CO2。这些生成或这些生成或转变成的转变成的CO和和CO2，最终都进入煤气。，最终都进入煤气。Rist操作线正是抓住操作线正是抓住“氧的转移氧的转移”这个高炉冶炼最本质的特征来描述高炉过程。这个高炉冶炼最本质的特征来描述高炉过程。在物料平衡和热平衡中，常以在物料平衡和热平衡中，常以1t生铁来计算。而操作线则以生铁来计算。而操作线则以1个铁原子，实个铁原子，实际用际用

12、1kmolFe，即质量为，即质量为56kg的铁为基准来计算。这样，能更好地反映的铁为基准来计算。这样，能更好地反映出化学反应是以原子、分子为单位进行的本质。出化学反应是以原子、分子为单位进行的本质。例如例如 操作线图系一平面直角坐标操作线图系一平面直角坐标(图图412)，x轴为氧、碳原于比轴为氧、碳原于比，即，即OC，主要用来表示氧的去，主要用来表示氧的去向。向。y轴为氧、铁原子比，即轴为氧、铁原子比，即OFe，主要用来表示氧的来源。，主要用来表示氧的来源。在在X、Y平面上，线段平面上，线段AB及其投及其投影影X(或或x)和和Y(或或y)，代表，代表一种特定类型的氧的迁移。相应一种特定类型的氧

13、的迁移。相应的氧的流量的氧的流量no与沿着与沿着x轴的煤气轴的煤气中的碳量中的碳量nc有关，也与沿着有关，也与沿着Y轴轴的固体炉料中的铁量的固体炉料中的铁量nFe有关。有关。线段线段AB的斜率：的斜率：由于由于x,y均为正值，所以斜率均为正值，所以斜率u亦为正值。斜率等于碳同铁的产物亦为正值。斜率等于碳同铁的产物量的比值，即量的比值，即nc/nFe，实际就是用，实际就是用cFe原于比表示的单位原于铁原于比表示的单位原于铁的碳量消耗，也就是以比值的碳量消耗，也就是以比值(分子分子co原子原子Fe)表示的单位原子铁的还表示的单位原子铁的还原气体消耗量。原气体消耗量。可见，斜率的意义在实际上与焦比可

14、见，斜率的意义在实际上与焦比(或燃料比或燃料比)是完全一致的。当原是完全一致的。当原料和冶炼条件一定时，焦比或料和冶炼条件一定时，焦比或cFe原子比是一个定值。由于原子比是一个定值。由于ucFe原子比一定，故原子比一定，故oFe与与OC原于比或原于比或Y与与X呈直线关系。呈直线关系。当表示若干氧的迁移过程时所有的线段都具有同一斜率当表示若干氧的迁移过程时所有的线段都具有同一斜率u，而且可，而且可按一定顺序在斜率为按一定顺序在斜率为u的同一条直线的同一条直线AE上互相衔接起来，就构成了操上互相衔接起来，就构成了操作线作线(图图412)，由于是以原子比为计量单位，所以操作线，由于是以原子比为计量单

15、位，所以操作线AE是一条是一条直线，其斜率直线，其斜率ucFe原子比。实际代表了焦比或燃料比。原子比。实际代表了焦比或燃料比。4.4.2.2 操作线图组成操作线图组成取纯碳取纯碳(X0)和纯铁和纯铁(Y0)为坐标原点为坐标原点O。引三条垂直线：。引三条垂直线：X0，纯碳，即，纯碳，即Y轴；轴；X1，纯，纯CO气体，这里气体，这里OC1，即，即GF线；线；X2，纯，纯CO2气体，这里气体，这里OC2，即，即HX线线(H点对点对X轴的垂线轴的垂线)。引两条水平线：引两条水平线：Y0，纯铁，即，纯铁，即X轴；轴；Yy0，即，即y0H线，表示炉料中铁的氧化度线，表示炉料中铁的氧化度(OFe原于比原于比

16、)。例如，。例如，Fe2O3=3/2=1.5,Fe3O4=1.33,FeO=1.0。在在GF线左侧，线左侧，ox1的区间，为高炉下部的区间，为高炉下部c氧化为氧化为CO的直接还原区，的直接还原区，并用来描述还原性气体的生成。并用来描述还原性气体的生成。在在GF线右侧，线右侧，1x2的区间，为的区间，为CO转化为转化为CO2的直接还原区，并用的直接还原区，并用来描述还原性气体的利用。来描述还原性气体的利用。在在x轴以上，即轴以上，即oyy0的区间，用来表示炉料中铁氧化物提供的氧，的区间，用来表示炉料中铁氧化物提供的氧，并用以描述整个高炉内铁的还原过程。其中并用以描述整个高炉内铁的还原过程。其中AB部分在部分在y轴上的投影即轴上的投影即yi，为，为用于间接还原，使用于间接还原，使CO转变为转变为CO2的氧，的氧，BC部分在部分在y轴上的投影即轴上的投影即yd，为用于，为用于直接还原，使直接还原，使C变为变为CO的氧。因此，铁氧化物中提供的氧，既参与了还原气的氧。因此，铁氧化物中提供的氧，既参与了还原气体的生成，又参与了还原性气体的体的生成，又参与了还原性气体的 在在x轴以下，坐标平面负的轴