4.4 高炉能量利用计算

4.4高炉能量利用计算对于生产高炉，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，也常要进行物料平衡和热平衡计算。Yourcompanyslogan4.4.1高炉能量利用计算4.4.2高炉操作线图及其应用Yourcompanyslogan4.4.1高炉能量利用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。4.4.1.1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。配料计算和物料平衡必须具备以下数据：1)各种原料(包括喷吹物)的全分析(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(包括喷吹物)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；4)炉顶煤气成分；5)鼓风参数(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。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。Yourcompanyslogan4.4.1高炉能量利用计算计算以冶炼1t生铁为基准。根据生铁成分、炉渣碱度和Fe、Mn及CaO的平衡，分别求出铁矿石(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。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(C风)面对喷吹重油的高炉，可按Yourcompanyslogan4.4.1高炉能量利用计算近似计算(相当于炉顶煤气中含CH40．6％左右)得铁的直接还原度rd可按经验选取。其次，根据C风和氧平衡可计算每吨生铁的鼓风量(湿)，即然后将鼓风体积按下式换算成重量Yourcompanyslogan4.4.1高炉能量利用计算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。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。相对误差一般应小于0.3%，否则应检查计算中的错误。Yourcompanyslogan4.4.1高炉能量利用计算4.4.1.2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，但计算较繁琐。此外还有“区域热平衡法”．可根据高炉特定区域，如高炉下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。举例如表4—3。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，此值一般为3%-6％，铸造生铁一般为6％-10％。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，外部热损失也可用准确实测数据来计算。Yourcompanyslogan4.4.1高炉能量利用计算Yourcompanyslogan4.4.1高炉能量利用计算由热平衡计算可得高炉热量利用系数(Kr)：此值一般为80％-85％，个别高达90％。上例中：还可得到碳素利用系数(Kc)：此值一般在50％-60％之间，个别可达65％。Yourcompanyslogan4.4.2高炉操作线图及其应用1967年，法国学者A·里斯持(A.Rist)和N·梅依森(N.Meyssem)提出高炉操作线图(简称操作线)。该图能直接表达出高炉冶炼过程中Fe—O—C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。4.4.2.1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。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—高温区碳氧化(包括燃烧和气化)，最终生成CO；直接还原，铁及其他氧化物中的氧被碳夺取变成CO；间接还原，铁及其他氧化物中的氧被CO夺取变成CO2。这些生成或转变成的CO和CO2，最终都进入煤气。Rist操作线正是抓住“氧的转移”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1t生铁来计算。而操作线则以1个铁原子，实际用1kmolFe，即质量为56kg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。Yourcompanyslogan4.4.2高炉操作线图及其应用例如操作线图系一平面直角坐标(图4—12)，x轴为氧、碳原于比，即O／C，主要用来表示氧的去向。y轴为氧、铁原子比，即O／Fe，主要用来表示氧的来源。在X、Y平面上，线段AB及其投影∆X(或x)和∆Y(或y)，代表一种特定类型的氧的迁移。相应的氧的流量no与沿着x轴的煤气中的碳量nc有关，也与沿着Y轴的固体炉料中的铁量nFe有关。线段AB的斜率：Yourcompanyslogan4.4.2高炉操作线图及其应用由于x,y均为正值，所以斜率u亦为正值。斜率等于碳同铁的产物量的比值，即nc/nFe，实际就是用c／Fe原于比表示的单位原于铁的碳量消耗，也就是以比值(分子co／原子Fe)表示的单位原子铁的还原气体消耗量。可见，斜率的意义在实际上与焦比(或燃料比)是完全一致的。当原料和冶炼条件一定时，焦比或c／Fe原子比是一个定值。由于u＝c／Fe原子比一定，故o／Fe与O／C原于比或Y与X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u，而且可按一定顺序在斜率为u的同一条直线AE上互相衔接起来，就构成了操作线(图4—12)，由于是以原子比为计量单位，所以操作线AE是一条直线，其斜率u＝c／Fe原子比。实际代表了焦比或燃料比。Yourcompanyslogan4.4.2.2操作线图组成4.4.2高炉操作线图及其应用取纯碳(X＝0)和纯铁(Y＝0)为坐标原点O。引三条垂直线：X＝0，纯碳，即Y轴；X＝1，纯CO气体，这里O／C＝1，即GF线；X＝2，纯CO2气体，这里O／C＝2，即HX线(H点对X轴的垂线)。引两条水平线：Y＝0，纯铁，即X轴；Y＝y0，即y0H线，表示炉料中铁的氧化度(O／Fe原于比)。例如，Fe2O3=3/2=1.5,Fe3O4=1.33,FeO=1.0。在GF线左侧，o＜x＜1的区间，为高炉下部c氧化为CO的直接还原区，并用来描述还原性气体的生成。在GF线右侧，1＜x＜2的区间，为CO转化为CO2的直接还原区，并用来描述还原性气体的利用。Yourcompanyslogan4.4.2高炉操作线图及其应用在x轴以上，即o＜y＜y0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AB部分在y轴上的投影即yi，为用于间接还原，使CO转变为CO2的氧，BC部分在y轴上的投影即yd，为用于直接还原，使C变为CO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在x轴以下，坐标平面负的y值一边，说明除铁的氧化物外，在高炉下部(炉腹、风口区、炉缸)发生作用的其他氧的来源。这些氧只参与还原性气体的生成．而未参与还原性气体的利用，其中包括碳燃烧、气化、夺取脉石氧化物中的氧而生成的co。如CD部分，它在y轴上的投影yf，为脉石命Si、Mn、P、S等氧化物直接还原提供的氧；DE部分在y轴上的投影yb，为鼓风中提供的氧，用于碳的燃烧和气化。在y＞y0部分，即物y0H水平线以上区域，用处很少，但它可说明在高炉以外，使高炉煤气完全燃烧所需氧的来源，如在热风炉、加热炉、焦炉中应用高炉煤气作燃料进行的燃烧等。Yourcompanyslogan4.4.2高炉操作线图及其应用沿着操作线AE，可找到各线段及其坐标：xd、xf、xb分别为铁和脉石中si、Mn、P等的氧化物直接还原以及鼓风燃烧碳生成的还原性气体CO部分。显然，xd十xf十xb＝1，(O／c＝1)，即上述生成还原性气体CO的三部分，共同组成为100％CO的炉腹煤气。yi、yd、yf、yb分别为间接还原．铁氧化物直接还原．脉石氧化物(Si、Mn、P)直接还原和碳在鼓风中燃烧夺取的氧。显然，yi十yd十yf十yb＝∑y就是冶炼1kmolFe，由燃料(或还原剂)中碳素夺取的总氧量。Yourcompanyslogan4.4.2高炉操作线图及其应用由此定义的上述变量之间满足下面的关系式：沿操作线入R上特性点的意义及坐标确定如下：(1)A点：描述了炉顶煤气情况和炉料中铁的初始氧化度。XA＝炉顶煤气中碳的氧化度(O／C原子比)＝1十xi＝式中，φ(CO)%、φ(CO2)%分别为炉顶煤气中CO和CO2的体积百分含量故已知炉顶煤气，便可求出Xd。Yourcompanyslogan4.4.2高炉操作线图及其应用即炉顶煤气的氧化度或CO利用率ηco。Yd＝y0＝yi十yd＝炉料中铁的初始氧化度(o／Fe原子比)，即铁氧化物直接和间接还原被夺去氧量的总和。已知人炉矿石成分，便可分别求出原子氧和原于铁数，从而o／Fe＝YA。(2)B点：假定铁的直接还原和间接还原不发生重叠，则B点为两者的理论分界点。Xb=1=xd+xf+xb(生成CO的三个来源)Yb=yd=铁氧化物直接还原夺取的氧量显然，ri=100=rd铁的直接还原度rd=yd/y0*100%ri=1-rdYourcompanyslogan4.4.2高炉操作线图及其应用(3)C点：由铁的氧化物中来的氧和其他来源的氧生成的两个部分还原性气体CO的分界点。Xc＝xf十xb由脉石氧化物直接还原和鼓风中的氧同碳燃烧生成的还原性气体CO之和。或Xc=1-xd，故xd=1-Xc=铁的氧化物直接还原生成的co部分。Yc=0,即铁的氧化物还原的终点。(4)D点：由脉石氧化物提供的氧和鼓风中的氧生成还原性气体CO的分界点XD=xb，由鼓风中的氧同碳燃烧生成的还原性气体(CO)部分。xb可根据炉顶(或炉腹)或煤气中的含氮量(按氮平衡原理)来计算。Yourcompanyslogan4.4.2高炉操作线图及其应用Yourcompanyslogan4.4.2高炉操作线图及其应用（5）E点：XE=0为鼓风所提供的氧(kmol)．是对生成还原性气体的第一个贡献。yE=-yf—yb为脉石氧化物和鼓风所提供的氧的代数和。作图时yf、yb均应取负值。为鼓风中氧的消耗量．即风量(原子O／单位时间)与生铁产量(原子Fe／单位时间)的比值为了保持产量固定，风量必须与yb成正比。当风量一定时，产量与yb成反比。操作线把冶炼单位生铁(原子数)所需风量(与yb成正比)，生铁成分(以yf代表)，铁的直接还原度(以yd表示)，矿石中铁的氧化度(YA或y0)，炉顶煤气和C／Fe(焦比，即AE线斜率)相互联系并简明定量的表示出来。Yourcompanyslogan4.4.2高炉操作线图及其应用化学平衡限制要求操作线通过W点，但不能超过W点。这样，通过W点的操作线ALEL就是某一生产条件下的最低理论焦比操作线。ALEL的斜率u0就是该条件下的最低理论焦比。热平衡的限制要求操作线AE通过UV上的一个固定点P。欲达到理论最低焦比，操作线AE必须通过W点，也通过P点，即理想操作线。但是．操作线受到物料平衡、化学平衡(动力学需要)和热平衡三者的限制。Yourcompanyslogan4.4.2高炉操作线图及其应用4.4.2.3操作线的应用掌握了高炉