基于镍铁冶炼工艺流程中物质流和能量流的模型与软件

工程科学学报，第37卷，第7期：857866,2015年7月 Chinese Journal of Engineering,Vol.37,No.7:857-866,July 2015 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2015.07.006:http://journals.ustb.edu.cn 基于镍铁治炼工艺流程中物质流和能量流的模型与 软件 刘 鹏，李宝宽，吴文远 东北大学材料与治金学院，沈阳110819 ☒通信作者，E-mail:ibk@smm.neu.cdu.cn 摘要通过对镍铁治炼生产工艺中物质流和能量流平衡过程研究，获得了镍铁治炼工艺中各个环节热量的利用率和损耗 情况，以及红土矿、还原剂和熔剂在各部分中反应率，并分析了红土矿和镍铁合金中含量对炉渣中镍铁成分的影响.构建 针对镍铁治炼工艺系统的总体物质流和能量流计算模型，在保证系统总体计算模型的前提下，又具有协同各子工艺系统的物 质流和能量流计算模型的功能。依据各子工艺系统中物质流和能量流的关联性，计算烟气和炉气的利用率及热量损失，并利 用VB软件对治炼工艺流程计算软件进行开发 关键词镍铁合金：治炼：能量流：物质流：数学模型：软件 分类号TF644 Model and software of materials flow and energy flow in ferronickel smelting LIU Peng,LI Bao-kuan,WU Wen-yuan School of Materials and Metallurgy,Northeastem University,Shenyang 110819,China Corresponding author,E-mail:libk@smm.neu.edu.cn ABSTRACT On the basis of studies on material flow and energy flow balances in ferronickel smelting,the utilization rate and heat loss of every process were obtained,and the reaction rates of ores,reductants and fluxes were calculated in each part of the ferronickel smelting process.The effect of nickel content in the nickel laterite ore and ferronickel alloy on the contents of nickel and iron in the slag was analyzed.Computational models of overall material flow and energy flow were built.In addition to the function of calculating overall material flow and energy flow in the system,the computational models also have the function of coordinating material flow and energy flow among subsystems.Based on the relevance of material flow and energy flow in each subsystem,the utilization rate and heat loss of flue gas and furnace gas were calculated,and the calculation software of the overall ferronickel smelting process was developed by using Visual Basic. KEY WORDS ferronickel alloys;smelting:energy flow:material flow:mathematical models;software 在利用火法熔炼红土镍矿制备镍铁的回转窑一矿 对于提高产品的质量具有重要意义. 热炉(RKEF)工艺中，红土镍矿在干燥筒和回转窑中 目前，采用火法治炼红土镍矿比较普遍，而针对火 脱水程度及还原剂对镍铁矿中氧化物的还原率直接受 法治炼红土镍矿生产镍铁制品工艺的研究方法很多. 温度影响，而温度的控制又受制于干燥筒、回转窑和矿 例如彭志刚四利用计算回转窑一矿热炉治炼镍铁的工 热炉中热量的利用率.通过物质流计算可掌握物料在 艺系统的质量、能量和的平衡计算，以及分析不同工 干燥筒、回转窑和矿热炉中的反应率和消耗量.因此， 况和参数下能源利用率的变化，对比不同参数下系统 研究回转窑一矿热炉工艺中能量流和物质流计算结果 效率的影响趋势，揭示能量的利用率，能量损耗的环 收稿日期：2013-1205 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51210007)

工程科学学报，第 37 卷，第 7 期: 857--866，2015 年 7 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 37，No． 7: 857--866，July 2015 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2015． 07． 006; http: / /journals． ustb． edu． cn 基于镍铁冶炼工艺流程中物质流和能量流的模型与 软件 刘 鹏，李宝宽，吴文远 东北大学材料与冶金学院，沈阳 110819  通信作者，E-mail: libk@ smm． neu． edu． cn 摘 要 通过对镍铁冶炼生产工艺中物质流和能量流平衡过程研究，获得了镍铁冶炼工艺中各个环节热量的利用率和损耗 情况，以及红土矿、还原剂和熔剂在各部分中反应率，并分析了红土矿和镍铁合金中 Ni 含量对炉渣中镍铁成分的影响． 构建 针对镍铁冶炼工艺系统的总体物质流和能量流计算模型，在保证系统总体计算模型的前提下，又具有协同各子工艺系统的物 质流和能量流计算模型的功能． 依据各子工艺系统中物质流和能量流的关联性，计算烟气和炉气的利用率及热量损失，并利 用 VB 软件对冶炼工艺流程计算软件进行开发． 关键词 镍铁合金; 冶炼; 能量流; 物质流; 数学模型; 软件 分类号 TF644 Model and software of materials flow and energy flow in ferronickel smelting LIU Peng，LI Bao-kuan ，WU Wen-yuan School of Materials and Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110819，China  Corresponding author，E-mail: libk@ smm． neu． edu． cn ABSTＲACT On the basis of studies on material flow and energy flow balances in ferronickel smelting，the utilization rate and heat loss of every process were obtained，and the reaction rates of ores，reductants and fluxes were calculated in each part of the ferronickel smelting process． The effect of nickel content in the nickel laterite ore and ferronickel alloy on the contents of nickel and iron in the slag was analyzed． Computational models of overall material flow and energy flow were built． In addition to the function of calculating overall material flow and energy flow in the system，the computational models also have the function of coordinating material flow and energy flow among subsystems． Based on the relevance of material flow and energy flow in each subsystem，the utilization rate and heat loss of flue gas and furnace gas were calculated，and the calculation software of the overall ferronickel smelting process was developed by using Visual Basic． KEY WOＲDS ferronickel alloys; smelting; energy flow; material flow; mathematical models; software 收稿日期: 2013--12--05 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51210007) 在利用火法熔炼红土镍矿制备镍铁的回转窑--矿 热炉( ＲKEF) 工艺中，红土镍矿在干燥筒和回转窑中 脱水程度及还原剂对镍铁矿中氧化物的还原率直接受 温度影响，而温度的控制又受制于干燥筒、回转窑和矿 热炉中热量的利用率． 通过物质流计算可掌握物料在 干燥筒、回转窑和矿热炉中的反应率和消耗量． 因此， 研究回转窑--矿热炉工艺中能量流和物质流计算结果 对于提高产品的质量具有重要意义． 目前，采用火法冶炼红土镍矿比较普遍，而针对火 法冶炼红土镍矿生产镍铁制品工艺的研究方法很多． 例如彭志刚［1］利用计算回转窑--矿热炉冶炼镍铁的工 艺系统的质量、能量和 的平衡计算，以及分析不同工 况和参数下能源利用率的变化，对比不同参数下系统 效率的影响趋势，揭示能量的利用率，能量损耗的环

·858· 工程科学学报，第37卷，第7期 节和原因：卢红波网利用HSC Chemistry热力学软件对 据，根据已知初始物料条件、过程参数和预定最终产品 红土镍矿电炉还原熔炼镍铁合金过程进行热力学分 条件，计算干燥筒、回转窑和矿热炉中物料和产物的进 析，结果表明红土镍矿电炉还原反应分为还原和分解 出平衡关系及热量的利用和损耗情况，在满足系统总 两个过程，并掌握了物料还原和分解的先后顺序：刘志 体物质流和能量流计算模型合理的前提下，又具有协 宏等因对红土镍矿进行DTA-TG分析，确定脱水和固 同各子工艺系统的物质流和能量流计算模型的功能， 体碳还原反应的温度区间，并采用控制CaO加入量的 依据总体工艺系统和各子工艺系统物质流和能量流的 方法调节炉渣的黏度和密度，从而提高金属与渣分离 关联性，计算各子工艺系统中未知量的值，掌握各子工 及镍回收率提高等问题，以及还原剂焦粉及CaO用 艺系统中热量的输入和输出情况及物料的反应率可， 量、温度和时间对熔炼效果的影响：张夫恩等田论述了 并按照计算值进行红土镍矿的配料、干燥、预还原 煤粉在风口前燃烧取代焦炭的根本原因，并根据焦炭 等9，为回转窑一矿热炉生产工艺提供合理的操作参 与煤粉在风口前燃烧的不同特点，提出计算两者有效 数，从而实现提高生产能力，降低原材料消耗和成本， 热量的热平衡模型，通过这种计算模型，可以分析喷煤 提高镍铁产品质量和经济效益，最大限度利用余热和 对高炉治炼指标的影响，确定喷煤量与各种高炉治炼 矿热炉炉气.回转窑一矿热炉工艺过程的物质流和能 指标之间的定量关系；Tan和Neuschutz建立一个热 量流示意图分别为图1和图2 力学模型用来预测Ni、Cu、Co、Fe、S等元素在快速镍 气 锍熔炼过程和NCO公司快速熔炼过程中的分布，通 烟煤 (除尘) 过实验证明这些元素在镍熔炼炉中的分布取决于熔化 温度、氧气局部压力等过程参数：Pk等圆根据热重量 粉尘造粒（含N) 湿红土矿（游 分析，在不同比例混合氧化物下研究还原性和动力学 离水23) 简 ←烟煤 反应机制，并发现最初还原反应阶段是由气体扩散和 +一石灰石 红上矿（游离水7% 一无烟煤 界面化学反应机理共同控制的.目前，虽然对回转窑一 矿热窑工艺中质量、能量和的平衡计算，以及物料、 回转 还原剂、溶剂和煤粉对镍铁治炼反应的影响等进行大 量研究，但对于总体工艺系统和各子工艺系统物质流 和能量流关联性，及各子工艺系统之间质量和能量的 培烧砂热料游离水0) 转换和损耗的研究还有不足.本文立足于物质流与能 量流关联性，计算红土矿、烟煤和无烟煤等在各个环节 中反应率、变化量及成分 本研究构建针对回转窑一矿热炉工艺流程系统的 总体物质流和能量流计算模型，通过总体镍铁治炼工 综铁炉清 合金 艺中物质流和能量流计算，掌握治炼工艺中红土矿由 图1回转窑-矿热炉工艺中物质流示意图 干燥筒进入回转窑期间和由回转窑进入矿热炉期间热 Fig.1 Schematic illustration of material flow in RKEF process 量的损失量，由回转窑进入到干燥筒中烟气的利用率 和热量损失量，以及由矿热炉进入回转窑中炉气的利 如图1可知，干燥筒中输入物料量包含湿红土矿 用率和热量损耗量等；在研究总体工艺系统和各子工 (游离水23%和结晶水12%)、烟煤以及由回转窑产生 艺系统物质流和能量流关联性的基础上，同时利用 含粉尘烟气：输出物料量有烟气（除尘）、红土矿（游离 Visual Basic(VB)编程对总体治炼工艺流程的物质 水7%和结晶水12%)和粉尘造粒（含N).回转窑中 流、能量流和相关工艺参数的计算进行软件开发，便于 输入物料量包含红土矿（游离水7%和结晶水12%）、 计算和检验其工况操作参数下热源和物料的利用率、 粉尘造粒（含N)、烟煤、无烟煤、石灰石和净化后炉 产品生成量及烟气和炉渣排放量，从而对热量的转化 气：输出物料量有含粉尘烟气及焙烧砂热料（游离水 和利用情况进行更真实、更科学的分析和评价，得出热 0%和结晶水0%).矿热炉中输入物料量包含焙烧砂 量损耗的程度和部位以及热量损失的原因，为降低能 热料及随焙烧砂带入的烟气：输出物料量有净化后炉 耗、成本及提高产品质量提供理论依据 气、炉渣和粗镍铁制品 如图2所示，干燥筒中输入热量包含烟煤燃烧热、 1镍铁冶炼工艺中物质流和能量流理论 烟煤带入热量、红土矿带入热量、水分带入热量、空气 1.1物质流和能量流流程构架 带入热量和回转窑烟气带入热量：输出热量包含烟气 物质流和能量流是以物质和能量守恒为理论依 带走热量、红土矿带走热量、7%游离水带走热量、水分

工程科学学报，第 37 卷，第 7 期 节和原因; 卢红波［2］利用 HSC Chemistry 热力学软件对 红土镍矿电炉还原熔炼镍铁合金过程进行热力学分 析，结果表明红土镍矿电炉还原反应分为还原和分解 两个过程，并掌握了物料还原和分解的先后顺序; 刘志 宏等［3］对红土镍矿进行 DTA － TG 分析，确定脱水和固 体碳还原反应的温度区间，并采用控制 CaO 加入量的 方法调节炉渣的黏度和密度，从而提高金属与渣分离 及镍回收率提高等问题，以及还原剂焦粉及 CaO 用 量、温度和时间对熔炼效果的影响; 张夫恩等［4］论述了 煤粉在风口前燃烧取代焦炭的根本原因，并根据焦炭 与煤粉在风口前燃烧的不同特点，提出计算两者有效 热量的热平衡模型，通过这种计算模型，可以分析喷煤 对高炉冶炼指标的影响，确定喷煤量与各种高炉冶炼 指标之间的定量关系; Tan 和 Neuschutz［5］建立一个热 力学模型用来预测 Ni、Cu、Co、Fe、S 等元素在快速镍 锍熔炼过程和 INCO 公司快速熔炼过程中的分布，通 过实验证明这些元素在镍熔炼炉中的分布取决于熔化 温度、氧气局部压力等过程参数; Pak 等［6］根据热重量 分析，在不同比例混合氧化物下研究还原性和动力学 反应机制，并发现最初还原反应阶段是由气体扩散和 界面化学反应机理共同控制的． 目前，虽然对回转窑-- 矿热窑工艺中质量、能量和 的平衡计算，以及物料、 还原剂、溶剂和煤粉对镍铁冶炼反应的影响等进行大 量研究，但对于总体工艺系统和各子工艺系统物质流 和能量流关联性，及各子工艺系统之间质量和能量的 转换和损耗的研究还有不足． 本文立足于物质流与能 量流关联性，计算红土矿、烟煤和无烟煤等在各个环节 中反应率、变化量及成分． 本研究构建针对回转窑--矿热炉工艺流程系统的 总体物质流和能量流计算模型，通过总体镍铁冶炼工 艺中物质流和能量流计算，掌握冶炼工艺中红土矿由 干燥筒进入回转窑期间和由回转窑进入矿热炉期间热 量的损失量，由回转窑进入到干燥筒中烟气的利用率 和热量损失量，以及由矿热炉进入回转窑中炉气的利 用率和热量损耗量等; 在研究总体工艺系统和各子工 艺系统物质流和能量流关联性的基础上，同时利用 Visual Basic ( VB) 编程对总体冶炼工艺流程的物质 流、能量流和相关工艺参数的计算进行软件开发，便于 计算和检验其工况操作参数下热源和物料的利用率、 产品生成量及烟气和炉渣排放量，从而对热量的转化 和利用情况进行更真实、更科学的分析和评价，得出热 量损耗的程度和部位以及热量损失的原因，为降低能 耗、成本及提高产品质量提供理论依据． 1 镍铁冶炼工艺中物质流和能量流理论 1. 1 物质流和能量流流程构架 物质流和能量流是以物质和能量守恒为理论依 据，根据已知初始物料条件、过程参数和预定最终产品 条件，计算干燥筒、回转窑和矿热炉中物料和产物的进 出平衡关系及热量的利用和损耗情况，在满足系统总 体物质流和能量流计算模型合理的前提下，又具有协 同各子工艺系统的物质流和能量流计算模型的功能， 依据总体工艺系统和各子工艺系统物质流和能量流的 关联性，计算各子工艺系统中未知量的值，掌握各子工 艺系统中热量的输入和输出情况及物料的反应率［7］， 并按照 计 算 值 进 行 红 土 镍 矿 的 配 料、干 燥、预 还 原 等［8 － 9］，为回转窑--矿热炉生产工艺提供合理的操作参 数，从而实现提高生产能力，降低原材料消耗和成本， 提高镍铁产品质量和经济效益，最大限度利用余热和 矿热炉炉气． 回转窑--矿热炉工艺过程的物质流和能 量流示意图分别为图 1 和图 2． 图 1 回转窑--矿热炉工艺中物质流示意图 Fig． 1 Schematic illustration of material flow in ＲKEF process 如图 1 可知，干燥筒中输入物料量包含湿红土矿 ( 游离水23% 和结晶水12% ) 、烟煤以及由回转窑产生 含粉尘烟气; 输出物料量有烟气( 除尘) 、红土矿( 游离 水 7% 和结晶水 12% ) 和粉尘造粒( 含 Ni) ． 回转窑中 输入物料量包含红土矿( 游离水 7% 和结晶水 12% ) 、 粉尘造粒( 含 Ni) 、烟煤、无烟煤、石灰石和净化后炉 气; 输出物料量有含粉尘烟气及焙烧砂热料( 游离水 0% 和结晶水 0% ) ． 矿热炉中输入物料量包含焙烧砂 热料及随焙烧砂带入的烟气; 输出物料量有净化后炉 气、炉渣和粗镍铁制品． 如图 2 所示，干燥筒中输入热量包含烟煤燃烧热、 烟煤带入热量、红土矿带入热量、水分带入热量、空气 带入热量和回转窑烟气带入热量; 输出热量包含烟气 带走热量、红土矿带走热量、7% 游离水带走热量、水分 · 858 ·

刘鹏等：基于镍铁冶炼工艺流程中物质流和能量流的模型与软件 859 蒸发带走热量及热损失.回转窑中输入热量包含烟煤 温度是950℃. 燃烧热、烟煤带入热量、矿热炉炉气燃烧热、矿热炉炉 1.3数学模型 气带入热量、空气带入热量、红土矿带入热量、水分带 镍铁治炼能耗物耗分析系统，以物质流和能量流 入热量、石灰石带入热量和无烟煤带入热量：输出热量 为基础，建立镍铁治炼物耗能耗计算模型 包含烟气带走热量、焙烧砂带走热量、还原反应吸热、 (1)镍铁治炼物质流计算. 水分蒸发带走热量、石灰石分解吸热和热损失.矿热 ①干燥筒物质流计算 炉中输入热量包含电能转换热、焙烧砂带入热量、CO 物料收入： 生成热和造渣反应热量：输出热量包含粗镍铁制品带 W-n=W干-楼+W干空+W国-烟+W干-1 (1) 走热量、反应吸热、炉渣铁带走热量、炉气带走热量、炉 物料支出： 壁散热、电损失、物料熔化热和冷却水热损失 W-=W干-的+W干-烟 (2) 7%游 水蒸红士 其中， W干爆=W回-瓶+W干-+W干-m,+W千0+ ·烟煤燃烧热 W千0，+W千0. (3) 无烟煤带入热量 式中：W干-为烟煤量，：W干-空为燃烧空气量，：W回- 矿热炉炉气磁烧热 为回转窑中烟气排放量，：W-1为红土矿输入量，t; W2为红土矿输出量，：W为烟气排放量，：W-飞 石带人热量 为助燃空气中剩余的N,量，：W-0,为燃烧产生的C02 量热 可转 回转窑烟气带人热 量，：Wo为蒸发产生的水蒸气量，：Ws,为燃烧产 烟气损失热 +还原反应吸热 石灰石分解吸热 生的S0,量，t:Wo,为助燃空气中剩余的02量，l. 焙烧砂损失热品 ②回转窑物质流计算 物料收入： W国a=W日-+W气+W日空+W干-+ W日培+W国螺 (4) 物料支出： W国=W国-格十W国-烟 (5) 量 其中， 图2回转窑一矿热炉工艺中能量流示意图 W目-限=W国-X+W日-0，+W国0+W日s0,+W国-0， Fig.2 Schematic illustration of energy flow in RKEF process (6) 碱度比关系式： 1.2计算所需原始数据 物质流和能量流计算所需的基本数据：每小时镍 Wg-s(Ca0%)+We+Wa-s(Mg0%）:a.(7） Wso,+W-(Si02%) 铁产品产量、镍铁产品中N含量、湿红土矿成分、烟煤 熔剂量： 成分、无烟煤成分和熔剂成分.生产工艺要求：在干燥 aWsio.-WMgo 筒中的热源，主要利用回转窑排出的烟气来进行物料 Wa-t=(Ca0%)+(Mg09%)-a(Ssi0,% (8) 干燥工艺，而热量不足时用烟煤燃烧提供辅助热源，经 式中：W国为烟煤量，W-炉气为矿热炉炉气量，【： 干燥筒后游离水剩余7%：随粉尘带出的N经除尘处 W县空为燃烧空气量，；W国为熔剂输入量，：W日为 理后再输入回转窑中，此过程认为Ni成分没有损失. 无烟煤输入量，；Wa为焙烧砂输出量，；W心，为烟 在回转窑中，红土矿中的游离水和结晶水将被彻底去 气中N2的质量，t:W国-0，为烟气中C02的质量，t:W回-0 除：热源方面，利用矿热炉中所排出的炉气和烟煤作为 为蒸发产生的水蒸气，；W国s,为烟气中S0,的质量，t: 燃料燃烧提供热源，其中矿热炉提供的炉气进入到回 Wo,为烟气中02的质量，t;Wo为红土矿中Mg0质 转窑中时温度为230℃：还原剂（无烟煤）和红土矿掺 量，t:Wo,为红土矿中Si02质量，t;a为碱度比，这里取 混到一起进入回转窑中进行还原反应：烟煤只用来燃 0.8. 烧，无烟煤只进行还原反应：熔剂（石灰石）和物料参 ③矿热炉物质流计算 混到一起，用来控制物料的酸碱比及降低渣的熔点，促 物料收入： 进渣金分离：由回转窑焙烧后出来的焙烧砂的温度是 W矿n=W国-培+W矿-烟 (9) 900℃直接进入矿热电炉中.矿热电炉的热源来自于 物料支出： 电极加热，为封闭式矿热电炉，而矿热电炉排出的炉气 W对-=W时-牌铁+W矿-益+W矿-的气 (10)

刘 鹏等: 基于镍铁冶炼工艺流程中物质流和能量流的模型与软件 蒸发带走热量及热损失． 回转窑中输入热量包含烟煤 燃烧热、烟煤带入热量、矿热炉炉气燃烧热、矿热炉炉 气带入热量、空气带入热量、红土矿带入热量、水分带 入热量、石灰石带入热量和无烟煤带入热量; 输出热量 包含烟气带走热量、焙烧砂带走热量、还原反应吸热、 水分蒸发带走热量、石灰石分解吸热和热损失． 矿热 炉中输入热量包含电能转换热、焙烧砂带入热量、CO 生成热和造渣反应热量; 输出热量包含粗镍铁制品带 走热量、反应吸热、炉渣铁带走热量、炉气带走热量、炉 壁散热、电损失、物料熔化热和冷却水热损失． 图 2 回转窑--矿热炉工艺中能量流示意图 Fig． 2 Schematic illustration of energy flow in ＲKEF process 1. 2 计算所需原始数据 物质流和能量流计算所需的基本数据: 每小时镍 铁产品产量、镍铁产品中 Ni 含量、湿红土矿成分、烟煤 成分、无烟煤成分和熔剂成分． 生产工艺要求: 在干燥 筒中的热源，主要利用回转窑排出的烟气来进行物料 干燥工艺，而热量不足时用烟煤燃烧提供辅助热源，经 干燥筒后游离水剩余 7% ; 随粉尘带出的 Ni 经除尘处 理后再输入回转窑中，此过程认为 Ni 成分没有损失． 在回转窑中，红土矿中的游离水和结晶水将被彻底去 除; 热源方面，利用矿热炉中所排出的炉气和烟煤作为 燃料燃烧提供热源，其中矿热炉提供的炉气进入到回 转窑中时温度为 230 ℃ ; 还原剂( 无烟煤) 和红土矿掺 混到一起进入回转窑中进行还原反应; 烟煤只用来燃 烧，无烟煤只进行还原反应; 熔剂( 石灰石) 和物料掺 混到一起，用来控制物料的酸碱比及降低渣的熔点，促 进渣金分离; 由回转窑焙烧后出来的焙烧砂的温度是 900 ℃直接进入矿热电炉中． 矿热电炉的热源来自于 电极加热，为封闭式矿热电炉，而矿热电炉排出的炉气 温度是 950 ℃ ． 1. 3 数学模型 镍铁冶炼能耗物耗分析系统，以物质流和能量流 为基础，建立镍铁冶炼物耗能耗计算模型． ( 1) 镍铁冶炼物质流计算． ①干燥筒物质流计算． 物料收入: W干--in = W干--煤 + W干--空 + W回--烟 + W干--矿1 ． ( 1) 物料支出: W干--out = W干--矿2 + W干--烟 ． ( 2) 其中， W干--烟 = W回--烟 + W干--N2 + W干--CO2 + W干--H2O + W干--SO2 + W干--O2 ． ( 3) 式中: W干--煤 为烟煤量，t; W干--空 为燃烧空气量，t; W回--烟 为回转窑中烟气排放量，t; W干--矿1 为红土矿输入量，t; W干--矿2为红土矿输出量，t; W干--烟 为烟气排放量，t; W干--N2 为助燃空气中剩余的 N2量，t; W干--CO2 为燃烧产生的 CO2 量，t; W干--H2O为蒸发产生的水蒸气量，t; W干--SO2 为燃烧产 生的 SO2量，t; W干--O2 为助燃空气中剩余的 O2量，t． ②回转窑物质流计算． 物料收入: W回--in = W回--煤1 + W矿--炉气 + W回--空 + W干--矿2 + W回--熔 + W回--煤2 ． ( 4) 物料支出: W回--out = W回--焙 + W回--烟 ． ( 5) 其中， W回--烟 = W回--N2 + W回--CO2 + W回--H2O + W回--SO2 + W回--O2 ． ( 6) 碱度比关系式: W回--熔 ( CaO% ) + WMgO + W回--熔 ( MgO% ) WSiO2 + W回--熔 ( SiO2% ) = a． ( 7) 熔剂量: W回--熔 = aWSiO2 － WMgO ( CaO% ) + ( MgO% ) － a( SiO2% ) ． ( 8) 式中: W回--煤1 为烟 煤 量，t; W矿--炉气 为矿热炉炉气量，t; W回--空 为燃烧空气量，t; W回--熔 为熔剂输入量，t; W回--煤2为 无烟煤输入量，t; W回--焙 为焙烧砂输出量，t; W回--N2 为烟 气中 N2的质量，t; W回--CO2 为烟气中 CO2的质量，t; W回--H2O 为蒸发产生的水蒸气，t; W回--SO2 为烟气中 SO2的质量，t; W回--O2 为烟气中 O2 的质量，t; WMgO为红土矿中 MgO 质 量，t; WSiO2 为红土矿中 SiO2质量，t; a 为碱度比，这里取 0. 8． ③矿热炉物质流计算． 物料收入: W矿--in = W回--熔 + W矿--烟 ． ( 9) 物料支出: W矿--out = W矿--镍铁 + W矿--渣 + W矿--炉气 ． ( 10) · 958 ·

·860· 工程科学学报，第37卷，第7期 炉渣量： ③矿热炉能量流计算 W矿撞=W回-格一Wr-四一Wr-绿铁 (11) 热量输入： 炉气量： Qrn=Qr-电1+Qr-培+Qr-o+Q时-恤1· (19) W-炉气=W烟+Wc0 (12) 热量输出： 式中：W烟为随焙烧砂进入的烟气量，：Wr-铁为粗 Qr=Qr-牌铁+Q矿-流2+Qr矿-还+Q时-护气+ Nife产品量，t:Wr为炉渣量，t:Wro为还原反应产 Qr-格+Qm-培+Qr-电2+Q矿-水· (20) 生的C0量，t:Wg为干红土矿质量，L. 式中：Qr-电为电能转化热，Mh:Qr将为焙烧砂带 ④镍铁治炼系统物质流计算. 入热量，Mh;Q-为C0生成热，Mh;Qr1为 物料收入： 造渣反应热，Mh;Q-铁为粗镍铁制品带走热量， W。=W干-迷+W干-空+W回+W日-楼+ Mh-:Q-为炉渣带走热量，h:Qr-运为还原 W回空+W日格+W日照· (13) 反应吸热，Mh:Qr-4为炉气带走热量，Mh: 物料支出： Wa=W干爆+Wg-像铁+W矿-道 (14) Qr-a为热损失，Mh:Qr为物料熔化热，Mh: (2)镍铁治炼能量流计算. Qr-电2为电损失，Mh:Q-*为水冷散热，M山h. ①干燥筒能量流计算 ④镍铁治炼系统总能量流计算 热量输入： 热量输入： Q干m=Q干-w1+Q干-+Q干1+Q干-水1+ Qn=Q干n+Q日m+Qrn· (21) (15) 热量输出： Q于-空+Q干1· 热量输出： Qm=Q干-ut+Q日-u+Qr-a (22) 其中，能量流中烟煤和C0气体燃烧所需空气量计算 Q干a=Q千-2+Q干2+Q干-和+Q干-水+Q干-格 公式如下所示. (16) 烟煤燃烧需要理论空气量： 式中：Q-为烟煤燃烧热，Mh:Q-为烟煤带入 L。=0.0889用+0.2667u用+0.0333（用-w用）. 热量，Mh:Qr1为红土矿带入热量，Mh:Q-* 为红土矿和烟煤的水分带入热量，Mh:Q-空为空 (23) 烟煤燃烧需要实际空气量： 气带入热量，h:Q-为回转窑烟气带入热量， W=bL。W磁 (24) MhQ-为烟气带走热量，Mh;Q为红土 C0燃烧需要的理论空气量： 矿带走热量，Mh:Q-为7%游离水带走热量， L,=(0.5p品+0.5p提+20+3p.- MhQ-为水分蒸发带走热量，Mh:Q-B为 p+1.5p是)/21. (25) 热损失，Mh 总C0燃烧时需要的实际空气量： ②回转窑能量流计算 V=bLoV气 (26) 热量输入： 式中：L。为理论空气量，m3t或m3·m3;用、w用、用 Q日-=Q国-w+Q月-阳+Q回-炉气1+Q回-的e+ 和用分别为燃料中C、H、S和0应用成分的质量分 Q日-空+Q日-n+Q日-水1+Q目-格+Q国-地·(17) 热量输出： 数：p恶p混、p温pp和p限分别为燃料中C0、 H2CHC,H、02和H2S湿成分的体积分数；b为空气 Q日=Q回-烟+Q日格+Q回-还+Q日-水2+ 系数；W为烟煤燃烧空气量，；V为炉气燃烧空气量， Q日w1+Q回结· (18) mh:V气为炉气体积，mh. 式中：Q国-w为烟煤燃烧热，Mh;Q国2为烟煤带入 热量，h-:Q为炉气燃烧热，h:Qae 热损失包含有炉壁散热损失、炉底散热、出料炉门 散热、进料炉门散热等项，其计算公式如下， 为炉气带入热量，Mh:Q国-空为空气带入热量，M训· ①炉壁散热损失. h:Qa-为红土矿带入热量，M训h:Qa-水为红土 炉壁散热的总换热系数： 矿、烟煤和无烟煤的水分带入热量，M山h:Qa熔为熔 a总=a辐+a对=C导【《T/100)4- 剂带入热量，Mh:Q回-为无烟煤带入热量，M· (T室/100)门/（壁-t室）+C(tg-t空)a5.(27) hQ为烟气带走热量，Mh;Q#为焙烧砂带 干燥筒壁散失的热量： 走热量，Mh:Q国-为还原反应吸热，h:Qa- Q壁=3.6F壁aa(L壁-t空). (28) 为水蒸发带走热量，Mh:Q日1为石灰石热分解吸 ②炉底散热 热，Mh:Qa-为热损失，Mh. 炉底散热：

工程科学学报，第 37 卷，第 7 期 炉渣量: W矿--渣 = W回--焙 － W矿--CO － W矿--镍铁 ． ( 11) 炉气量: W矿--炉气 = W矿--烟 + W矿--CO ． ( 12) 式中: W矿--烟 为随焙烧砂进入的烟气量，t; W矿--镍铁 为粗 NiFe 产品量，t; W矿--渣 为炉渣量，t; W矿--CO为还原反应产 生的 CO 量，t; W干矿 为干红土矿质量，t． ④镍铁冶炼系统物质流计算． 物料收入: Win = W干--煤 + W干--空 + W回--矿1 + W回--煤1 + W回--空 + W回--熔 + W回--煤2 ． ( 13) 物料支出: Wout = W干--烟 + W矿--镍铁 + W矿--渣 ． ( 14) ( 2) 镍铁冶炼能量流计算． ①干燥筒能量流计算． 热量输入: Q干--in = Q干--煤1 + Q干--煤2 + Q干--矿1 + Q干--水1 + Q干--空 + Q干--烟1 ． ( 15) 热量输出: Q干--out = Q干--烟2 + Q干--矿2 + Q干--水2 + Q干--水3 + Q干--热 ． ( 16) 式中: Q干--煤1为烟煤燃烧热，MJ·h--1 ; Q干--煤2 为烟煤带入 热量，MJ·h--1 ; Q干--矿1为红土矿带入热量，MJ·h － 1 ; Q干--水1 为红土矿和烟煤的水分带入热量，MJ·h － 1 ; Q干--空 为空 气带入热量，MJ·h － 1 ; Q干--烟1 为回转窑烟气带入热量， MJ·h － 1 ; Q干--烟2为烟气带走热量，MJ·h － 1 ; Q干--矿2为红土 矿带走热量，MJ·h － 1 ; Q干--水2 为 7% 游离水带走热量， MJ·h － 1 ; Q干--水3为水分蒸发带走热量，MJ·h － 1 ; Q干--热 为 热损失，MJ·h － 1 ． ②回转窑能量流计算． 热量输入: Q回--in = Q回--煤1 + Q回--煤2 + Q回--炉气1 + Q回--炉气2 + Q回--空 + Q回--矿1 + Q回--水1 + Q回--熔 + Q回--煤3 ． ( 17) 热量输出: Q回--out = Q回--烟 + Q回--焙 + Q回--还 + Q回--水2 + Q回--熔1 + Q回--热 ． ( 18) 式中: Q回--煤1为烟煤燃烧热，MJ·h － 1 ; Q回--煤2为烟煤带入 热量，MJ·h － 1 ; Q回--炉气1 为炉气燃烧热，MJ·h － 1 ; Q回--炉气2 为炉气带入热量，MJ·h － 1 ; Q回--空 为空气带入热量，MJ· h － 1 ; Q回--矿1为红土矿带入热量，MJ·h － 1 ; Q回--水1 为红土 矿、烟煤和无烟煤的水分带入热量，MJ·h － 1 ; Q回--熔 为熔 剂带入热量，MJ·h － 1 ; Q回--煤3 为无烟煤带入热量，MJ· h － 1 ; Q回--烟 为烟气带走热量，MJ·h － 1 ; Q回--焙 为焙烧砂带 走热量，MJ·h － 1 ; Q回--还 为还原反应吸热，MJ·h － 1 ; Q回--水2 为水蒸发带走热量，MJ·h － 1 ; Q回--熔1为石灰石热分解吸 热，MJ·h － 1 ; Q回--热 为热损失，MJ·h － 1 ． ③矿热炉能量流计算． 热量输入: Q矿--in = Q矿--电1 + Q矿--焙 + Q矿--CO + Q矿--渣1 ． ( 19) 热量输出: Q矿--out = Q矿--镍铁 + Q矿--渣2 + Q矿--还 + Q矿--炉气 + Q矿--热 + Q矿--熔 + Q矿--电2 + Q矿--水 ． ( 20) 式中: Q矿--电1为电能转化热，MJ·h － 1 ; Q矿--焙 为焙烧砂带 入热量，MJ·h － 1 ; Q矿--CO为 CO 生成热，MJ·h － 1 ; Q矿--渣1为 造渣反应热，MJ·h － 1 ; Q矿--镍铁 为粗镍铁制品带走热量， MJ·h － 1 ; Q矿--渣2为炉渣带走热量，MJ·h － 1 ; Q矿--还 为还原 反应吸热，MJ·h － 1 ; Q矿--炉气 为炉气带走热量，MJ·h － 1 ; Q矿--热为热损失，MJ·h － 1 ; Q矿--熔 为物料熔化热，MJ·h － 1 ; Q矿--电2为电损失，MJ·h － 1 ; Q矿--水 为水冷散热，MJ·h － 1 ． ④镍铁冶炼系统总能量流计算． 热量输入: Qin = Q干--in + Q回--in + Q矿--in ． ( 21) 热量输出: Qout = Q干--out + Q回--out + Q矿--out ． ( 22) 其中，能量流中烟煤和 CO 气体燃烧所需空气量计算 公式如下所示． 烟煤燃烧需要理论空气量: L0 = 0. 0889w用 C + 0. 2667w用 H + 0. 0333( w用 S － w用 O ) ． ( 23) 烟煤燃烧需要实际空气量: W = bL0W煤 ． ( 24) CO 燃烧需要的理论空气量: L0 = ( 0. 5φ 湿 CO + 0. 5φ 湿 H2 + 2φ 湿 CH4 + 3φ 湿 C2H4 － φ 湿 O2 + 1. 5φ 湿 H2S ) /21. ( 25) 总 CO 燃烧时需要的实际空气量: V = bL0V炉气 ． ( 26) 式中: L0为理论空气量，m3 ·t － 1或 m3 ·m － 3 ; w用 C 、w用 H 、w用 S 和 w用 O 分别为燃料中 C、H、S 和 O 应用成分的质量分 数; φ 湿 CO、φ 湿 H2 、φ 湿 CH4 、φ 湿 C2H4 、φ 湿 O2 和 φ 湿 H2S 分别 为 燃 料 中 CO、 H2、CH4、C2H4、O2和 H2 S 湿成分的体积分数; b 为空气 系数; W 为烟煤燃烧空气量，t; V 为炉气燃烧空气量， m3 ·h － 1 ; V炉气 为炉气体积，m3 ·h － 1 ． 热损失包含有炉壁散热损失、炉底散热、出料炉门 散热、进料炉门散热等项，其计算公式如下． ①炉壁散热损失． 炉壁散热的总换热系数: α总 = α辐 + α对 = C导 ［( T壁 /100) 4 － ( T空 /100) 4 ］/( t壁 － t空 ) + C ( t壁 － t空 ) 0. 25 ． ( 27) 干燥筒壁散失的热量: Q壁 = 3. 6F壁 α总 ( t壁 － t空 ) ． ( 28) ②炉底散热． 炉底散热: · 068 ·

刘鹏等：基于镍铁治炼工艺流程中物质流和能量流的模型与软件 861 Q底=3.6q底F底=3.6kpA/D(L内-1空)F度·(29) 2Ni0+2C+02=2Ni+2C02↑， ③出料炉门散热 Fe,03+C0=2Fe0+C02↑， 出料炉门辐射散热量： Fe0+C0=fe+C02↑， Q孔=20.41(T/100)F乳中k开和 (30) CaC0,=Ca0+C02↑， 出料炉门漏气量： C+C02=2C0↑， V,=3600pu乳√p1+B 2△P1 4C+30,=2C0,+2C0↑ (31) 等化学反应，及经干燥筒后红土矿量和成分计算N0、 出料炉门漏气散热量： Fe,0,、fe0、C的反应量和Ni、fe0、Ca0、Fe、CO、CO2生 Q孔漏=V。C,l气k开a (32) 成量以及生成的焙烧砂量和成分 ④进料炉门散热. 第四步依据矿热炉中发生 进料炉门散热量： NiO+C=Ni+CO↑， Q乳=20.41（T孔100)F孔k开和 (33) Fe0+C=CO↑+Fe, 进料炉门漏气量： Si02+2C=Si+2C0↑， 2AP 1 Cr203+3C=2Cr+3C0↑ ,=3600pF√p1+4 (34) 等化学反应及回转窑焙烧砂量和成分计算出Ni、Fe、 进料炉门漏气散热量： Si、C和C0量，炉渣量和成分，还有产生的镍铁产品 Q孔漏=V。C,l1k开和 (35) 量和成分 式中：F单为计算散热面积，m:a为外表面对空气的 第五步根据对碱度的要求计算熔剂的含量，并 辐射给热系数，W·m2.℃；a对为外表面对空气的对 依据矿热炉中C0含量计算炉气量和成分，再根据回 流给热系数，W·m2℃1：C为导来辐射系数，W· 转窑和矿热炉中C反应量可求无烟煤量. m2,K4;C为实验系数：T和t分别为壁面热力学温 第六步根据干燥筒、回转窑和矿热电炉各自热 度和摄氏温度：T空和【空为空气热力学温度和摄氏温 量守恒，计算干燥筒和回转窑中各自烟煤需要量，进而 度：为炉内温度，℃：9底为炉底单位面积散热损失，W 求出产生的烟气量. m2;F账为炉底的内表面，m2;k为考虑到侧炉墙厚度 能量流计算步骤：同样以12th的镍铁产品为基 础计算 影响的系数：©为炉底形状系数；入为炉底材料的导热 系数，W·m1℃；D为炉底直径或矩形炉底短边的 第一步（干燥筒能量流计算） 输入热量：根据已确定的烟煤量计算烟煤燃烧 长度，m:T为孔口热力学温度，K;F为炉墙上门孔或 热、烟煤带入热量和空气带入热量，由红土矿量计算 缝隙的面积，m2;中为遮蔽系数：k和为每小时内孔口 红土矿带入热量，由红土矿和烟煤中游离水量计算 的散开时间，h·h;u为束流系数；△P为孔或缝附近 水分带入热量，由回转窑产生的烟气量计算烟气带 炉压，Pap气为漏气在t气下的密度，kgm3B为气体 入热量. 的膨胀系数：C,为漏气的平均热容，kJ·(m3.℃)l;t气 输出热量：依据烟煤和红土矿中蒸发水量可计算 为漏气温度，℃ 蒸发水分带走热量，由干燥后红土矿量可计算剩余红 1.4计算步骤 土矿带走热量，由干燥简中产生的烟气量计算烟气带 物质流计算步骤0-Ⅲ：以12th的镍铁产品为 走的热量，由干燥筒炉体结构和尺寸计算热损失. 基础计算. 第二步（回转窑能量流计算） 第一步根据Ni回收率计算含Ni总量，通过红 输入热量：根据已确定的烟煤量计算烟煤燃烧热、 土矿中Ni的成分计算干红土矿总量，再根据含水率计 烟煤带入热量和空气带入热量，由矿热炉炉气量计算 算湿红土矿总量，由红土矿成分质量分数计算各成分 炉气燃烧热和炉气带入热量，由红土矿量计算红土矿 含量. 带入热量，由红土矿、无烟煤和烟煤中游离水量计算水 第二步根据工艺脱水要求计算干燥筒中脱水 分带入热量，由石灰石量计算石灰石带入热量，由无烟 量、剩余红土矿量及其成分，由已确定干燥筒中烟煤量 煤量计算还原煤带入反应热 和回转窑产生的烟气量计算干燥简中生成烟气量 输出热量：依据焙烧砂量可计算焙烧砂带走热量， 第三步依据回转窑中发生 由还原反应公式计算还原反应热网，由无烟煤、烟煤 2Fe00H-→Fe203+H,0, 和红土矿中含水量计算蒸发水带走热量，由回转窑中 (Mg,Fe,Ni)Si2O;(OH)- 产生的烟气量计算烟气带走的热量，由石灰石量计算 (Mg,Fe,Ni)SiO,+(Mg,Fe,Ni),SiO,+2H,O, 石灰石分解吸收热量，由回转窑炉体结构和尺寸计算

刘 鹏等: 基于镍铁冶炼工艺流程中物质流和能量流的模型与软件 Q底 = 3. 6q底 F底 = 3. 6kφλ/D( t内 － t空 ) F底 ． ( 29) ③出料炉门散热． 出料炉门辐射散热量: Q孔辐 = 20. 41 ( T /100) 4 F孔 k开口 ． ( 30) 出料炉门漏气量: V0 = 3600μF孔 2ΔP 槡ρ气 1 1 + βt气 ． ( 31) 出料炉门漏气散热量: Q孔漏 = V0Ct t气 k开口 ． ( 32) ④进料炉门散热． 进料炉门散热量: Q孔辐 = 20. 41 ( T孔 /100) 4 F孔 k开口 ． ( 33) 进料炉门漏气量: V0 = 3600μF孔 2ΔP 槡ρ气 1 1 + βt气 ． ( 34) 进料炉门漏气散热量: Q孔漏 = V0Ct t气 k开口 ． ( 35) 式中: F壁 为计算散热面积，m2 ; α辐 为外表面对空气的 辐射给热系数，W·m － 2·℃ － 1 ; α对 为外表面对空气的对 流给热系数，W·m － 2·℃ － 1 ; C导 为导来辐射系数，W· m － 2·K － 4 ; C 为实验系数; T壁 和 t壁 分别为壁面热力学温 度和摄氏温度; T空 和 t空 为空气热力学温度和摄氏温 度; t内 为炉内温度，℃ ; q底 为炉底单位面积散热损失，W ·m － 2 ; F底 为炉底的内表面，m2 ; k 为考虑到侧炉墙厚度 影响的系数; φ 为炉底形状系数; λ 为炉底材料的导热 系数，W·m － 1·℃ － 1 ; D 为炉底直径或矩形炉底短边的 长度，m; T孔 为孔口热力学温度，K; F孔 为炉墙上门孔或 缝隙的面积，m2 ;  为遮蔽系数; k开口 为每小时内孔口 的敞开时间，h·h － 1 ; μ 为束流系数; ΔP 为孔或缝附近 炉压，Pa; ρ气 为漏气在 t气 下的密度，kg·m － 3 ; β 为气体 的膨胀系数; Ct为漏气的平均热容，kJ·( m3 ·℃ ) － 1 ; t气 为漏气温度，℃ ． 1. 4 计算步骤 物质流计算步骤［10 － 11］: 以 12 t·h － 1的镍铁产品为 基础计算． 第一步 根据 Ni 回收率计算含 Ni 总量，通过红 土矿中 Ni 的成分计算干红土矿总量，再根据含水率计 算湿红土矿总量，由红土矿成分质量分数计算各成分 含量． 第二步 根据工艺脱水要求计算干燥筒中脱水 量、剩余红土矿量及其成分，由已确定干燥筒中烟煤量 和回转窑产生的烟气量计算干燥筒中生成烟气量． 第三步 依据回转窑中发生 2FeOOH Fe → 2O3 + H2O， ( Mg，Fe，Ni) 3 Si2O5 ( OH) 4→ ( Mg，Fe，Ni) SiO3 + ( Mg，Fe，Ni) 2 SiO4 + 2H2O， 2NiO + 2C + O22Ni + 2CO2↑， Fe2O3 + CO 2FeO + CO  2↑， FeO + CO Fe + CO  2↑， CaCO3CaO + CO2↑， C + CO22CO↑， 4C + 3O22CO2 + 2CO↑ 等化学反应，及经干燥筒后红土矿量和成分计算 NiO、 Fe2O3、FeO、C 的反应量和 Ni、FeO、CaO、Fe、CO、CO2生 成量以及生成的焙烧砂量和成分． 第四步 依据矿热炉中发生 NiO + C Ni + CO  ↑， FeO + C CO  ↑ + Fe， SiO2 + 2C Si + 2CO  ↑， Cr2O3 + 3C 2Cr + 3CO  ↑ 等化学反应及回转窑焙烧砂量和成分计算出 Ni、Fe、 Si、Cr 和 CO 量，炉渣量和成分，还有产生的镍铁产品 量和成分． 第五步 根据对碱度的要求计算熔剂的含量，并 依据矿热炉中 CO 含量计算炉气量和成分，再根据回 转窑和矿热炉中 C 反应量可求无烟煤量． 第六步 根据干燥筒、回转窑和矿热电炉各自热 量守恒，计算干燥筒和回转窑中各自烟煤需要量，进而 求出产生的烟气量． 能量流计算步骤: 同样以 12 t·h － 1的镍铁产品为基 础计算． 第一步( 干燥筒能量流计算) 输入热量: 根据已确定的烟煤量计算烟煤燃烧 热、烟煤带入热量和空气带入热量，由红土矿量计算 红土矿带入热量，由红土矿和烟煤中游离水量计算 水分带入热量，由回转窑产生的烟气量计算烟气带 入热量． 输出热量: 依据烟煤和红土矿中蒸发水量可计算 蒸发水分带走热量，由干燥后红土矿量可计算剩余红 土矿带走热量，由干燥筒中产生的烟气量计算烟气带 走的热量，由干燥筒炉体结构和尺寸计算热损失． 第二步( 回转窑能量流计算) 输入热量: 根据已确定的烟煤量计算烟煤燃烧热、 烟煤带入热量和空气带入热量，由矿热炉炉气量计算 炉气燃烧热和炉气带入热量，由红土矿量计算红土矿 带入热量，由红土矿、无烟煤和烟煤中游离水量计算水 分带入热量，由石灰石量计算石灰石带入热量，由无烟 煤量计算还原煤带入反应热． 输出热量: 依据焙烧砂量可计算焙烧砂带走热量， 由还原反应公式计算还原反应热［12］，由无烟煤、烟煤 和红土矿中含水量计算蒸发水带走热量，由回转窑中 产生的烟气量计算烟气带走的热量，由石灰石量计算 石灰石分解吸收热量，由回转窑炉体结构和尺寸计算 · 168 ·