熔融还原竖炉-铁浴流程操作模型的应用

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1990.03.003 节1？卷节3期 北京科找大学学报 Vel.12 No.3 1930年：月 Journal of Cniversity of Science and Technology Bei ing May 1990 熔融还原竖炉-铁浴流程操作模型的应用 吴铿·杨天钧·周渝生·左广庆” 摘要：培滩还原华一铁浴流程的操作枝型可以用来让算煤在铁浴中气化、喷丝馆 化废钢、竖预还原及铁浴终还原过程的热平衡和物料平衡，模型计算结果与工业实松钻果 有较好的吻合。由此出发，对这一流歌上艺参数的选择提出一些有益的建议， 关键词：培德还原，数学模型，媒气化，培化度倒，竖炉，铁浴 The Application of Mathematical Model on Smelting Reduction Process Using Shaft Furnace-Iron Bath Wu Keng Yang Tianjun Zhou Yusheng Zuo Guangqing ABSTRACT:The mathematical model of the smelting reduction two-stage process with the shaft furnace-iron bath can be used for calculating the energy balance for the processcs of the coal gasification in the iron bath,smelting scrap,prere- ducing cre cr pellets in the shaft furnace and smelting redution in the iron bati:.The results calculated by the model conform with the results of the pilot plant lest of those processes satisfactorily,w hich shows that the model is very reliable.Meanw hile,the parameters in the model is discussed in detail and sele- cted reasenably s.,that the model can be used for calculaling the energy balance of the smelting reduetion Iw o-stage process w ith the shaft furnace iron bath. KEY WORDS:smelting reduction,mathematical model,co:l g'sification, smelting scrap,shaft furnace,iron bath 关丁下融还原的能量分析，已经做过许多工作。E.corp等1,2]分析了熔神还原过程 的能耗并与高炉的能耗进行对比。Tokuda〔3分析了不同煤种性能对熔融还原过程的影响， 马积棠〔4探过了煤的可用作的彩响。上述分析较少与工业实验的对比，参数的选择相荣很 1988一11一30收稿 ·治金苏(Dcpt,of Metall,) 212

竹 忿舫 期 北 京 不 卜芝 大 学 学 报 。 丁 ‘ 〕 年 几 月 ’ 、 手 一 手 · 飞。 落 刁 卜可 付 。 。 匀 熔融还原 竖炉 一 铁浴流程操作模型的应用 吴 铿 ’ 杨天 钧 ， 周 渝 生 ， 左广庆 摘 要 熔 融 还 原 卜炉 一 铁浴 流 程的 操 作模 型可 以用 来 计算煤 在铁浴 中 气 化 、 咖黝 化废 钢 、 ’淤炉 预 还 原 及 铁 洛 终 还 原 过 程的热 乎衡 和 物 料 平衡 ， 模 型 计算结 果 与 几业 实脸 结 果 有较 好 的 吻 合 。 由此 出发 ， 对 这一 流 程 〔 艺参 数 的选 择 提出 一 些 有 益的 建 义 。 关健词 熔 融 还 原 ， 扮赞模 烈 ， 煤 气化 ， 熔 化 废 钢 ， 竖炉 ， 铁浴 尸或 一 甲 “ ” “ 。 夕 ‘ 浏， 一 从 一 卜 、 ‘。 。 。 、 ，。 、 。 ， ， ， ‘ ， 一。 、、 一 。 一 ， 一 、 、 。 、 ， 、 、 一 、 、 一 〔 、 、 、 少 · 、 、 入 。 、 丫 。 ， ， ‘ ， 、 、 。 。 一 一 、 、 、‘ 、 ， 一 、 · ， 一 一。 、 。 〔 ， 以 一 一 红 卜 · 。 · 只手 ， ‘ 一 一 哎， 一 、 、 、 · 一 城 、 〔 一 ‘ 、 ，一 线 。 ，。 。 、 、 一 。 、 一 一 · 一‘ 、 一 一 一 代 一 ， ，一 、 ， 。 、 〔 ， ， ‘ 城 ，、 、 、 “ 一 ， 、 ， 一 一 一 。 、 ， ， 〕 、 、 关 ’ 灯奈融 还 凉 的能 分析 ， 已经 做过 许多工 作 。 快 等 〔 ” 〕 分 析 一 户 熔 融 还 原 过 程 的能 耗 井与 高炉 的能 耗 进 行 对 比 。 呱 〔 “ ’ 分析 了 不 同煤 种 性能 对熔 融 还 原 过 程 的影 响 ， 马积 棠 〔 ’ 探 讨 ’ 煤 的 可 用 ’ 的 影 响 。 述分 析较 少 与工 业 实驮 的 对 比 ， 参数 的选择 相 差 很 一 一 收 稿 冶 众系 尸 ， DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1990．03．003

大，难于实际应用。本文利用Rst操作线出发所建立的熔融还原竖炉一铁浴流程的操作模 型进行铁浴造气、废钢熔化和竖炉预还原的能量分析，并与工业实验的结果比较，证实了模 型和选择参数的正确性，方法简捷，并较好反映了过程参数变化。 1铁浴气化热平衡计算 1.1计算方法 在竖炉一铁浴流程中，铁浴中的物质平衡和热平衡的联合方程可写成下面形式[5)： (n仓+n'.y)=K/G (1) 式中：K=C1.056Xrx0+(Si/Fe)m+(Mn/Fe)m+2 nc.co3J-Q°2(x+y)- QFe'(x+y)-〔Q-Q°2(x+y)门〔C/Fe)m+ncco3J (2) G=x+〔(8+)”0，-0门+0-0：w+) (3) nd=nI.x-(C/Fe)=-nc.cos (4) QF/=QF+QL088+Q8i.(Si/Fe)m+QC.(C/Fe)m+QMn,(Mn/Fe)m +Ws~Ds+ncc0g·Qcc0g (5) 即K为生产每摩尔铁所需的热量；G为每摩尔喷吹物(Cx(Hz)yOz)中同氧反应的碳和 氢在铁浴气化时所放出的热量，利用(3)式可对铁浴气化进行热平衡分析。 1.2喷吹物生成热的计算 计算中所用热力学数据分别选自有关手册！~)。在计算Q'时需要喷吹物的生成热 Hi,(©x:2)y0,)的值。对于简单物质的生成热可从手册查出，对于天然碳氢化合物和煤等 燃料不能直接查出，考虑到生成热与燃烧热有关，则有： =是将H+H%H- H Cw =1 Co 2982100 (6) 298 298(CxH2)y02) coH20(1) 式中：H(cxH2)y0z)一喷吹物(Cx(H2)yO,)燃烧热，kJkg喷吹物。 对于石油等碳氢化合物的燃烧热可由文献查出，在计算中对于煤粉用低发热值的负值代 替其燃烧热。生成热为1摩尔物质与氧反应，完全燃烧时所放出的热效应，而低发热值表示 单位燃料完全燃烧后，燃烧产物的温度冷却到参加燃烧反应物的原始温度(20°C)所放出的 热量，因而两者绝对值相差不大。 喷吹物含有水分，煤粉等固体喷吹物需用载气吹入铁浴，则Q1‘(煤粉等在铁浴中吸收 热量)记为： 213

大 ， 难于 实际应用 。 本文利用 操作线 出发 所建立的熔融还原竖 炉 － 铁浴流程 的操作模 、 、 型进行铁 浴 造气 、 废 钢熔化和 竖 炉预还原的能 量分析 ， 并 与工业 实验 的结果 比较 ， 证 实了模 型和选择参数 的正 确性 ， 方法简捷 ， 并较好反映 了过程 参数变化 。 铁浴气化热平衡计算 计 算方法 在竖 炉 － 铁浴流程 中 ，铁 浴 中的物质平衡和 热平衡的联 合方程 可写 成下面形式 〔 “ 〕 合 ， ’ 一 夕 、 式 中 〔 · “ ’ · 〕 · ， · “ 一 。 ， · ‘ 夕 一 〔 一 夕 〕 · 〔 ” · 〕 ， 〔 ‘ · 一 。 〕 ‘ 一 ‘ “ ， ’ 合 ’ · 一 “ 一 ， ， ， ’ “ “ “ “ ’ · ’ · ， ” · 皿 班 。 · “ · ‘ “ “ 即 为生产每摩尔铁所需的热 量 ‘ 为每摩尔喷吹物 、 中同 氧反 应 的碳和 氢在铁 浴气化时所放 出的热 量 ， 利 用 式可对铁 浴气化进行热 平衡分析 。 。 喷 吹 物 生 成 热 的计 算 计算 中所 用热 力 学数据分别 选 自有 关手册 〔 日一 。 〕 。 在计算 时 需要 喷 吹 物 的 生 成 热 ， 。 。 。 。 ，， 。 的值 。 对于 简单物质的生 成热 可从 手册查 出 ， 对于 天然碳氢 化合物和煤等 燃料 不能直接查 出 ， 考虑 到生 成热 与燃烧热 有关 ， 则有 簇 二 责 孺 · ， 。 一 式 中 全了 。 。 ，一 喷吹 物 燃 烧热 ， 喷 吹 物 。 对于 石油等碳氢 化合物 的燃烧 热可 由文 献 查 出 ， 在 计算 中对于 煤粉 用低 发 热值 的负值代 替其燃烧热 。 生 成热 为 摩尔物质与氧 反应 ， 完全燃烧时所放 出的 热效 应 ， 而低 发热值表示 单位燃料完全燃烧 后 ， 燃烧产物的温 度冷 却 到参加燃 烧反 应物 的原始温 度 “ 所放 出 的 热量 ， 因而两者绝 对值相差 不大 。 喷吹 物含有水分 ， 煤粉 等固体喷吹 物需用载气吹 人铁浴 ， 则 ’ 尹 媒 粉 等在铁浴 中吸 收 热 量 记为 与

0=〔-日0286-ngwn+ia的，- Coal Co H20(1) +g06-n,+2906n.-in +bi.-,+m、-i:nJ) 式中：煤的成分是考虑水分和灰分在内的wt%: VN2A)是喷吹所用的钱气量Nm3kg煤： H煤在298K附的低发热值Mkg~煤： nc01是为计算方便引入的一个量叫煤的摩尔数，让算方法见附录。 对于唢吹物(Cx(H2),Oz)中的x、y、之，简单化合物容易确定。煤中今有多种化合 物，不易确定，为了运算方便，假定煤中的会以CH,的形式，氧以自巾形式花在，则有： x=C% (8) y=8·H%+W% (9) 2=O%+W% (10) 如果挥发分很高，甚至高达56以上，可能有复杂的碳氢化合物生成，则有： *=C%+2H (11) y=10.4H%4W00 (12) 1.3计算实例及讨论 对CGS,KID,MIP!CIG铁水熔池粉煤气化的半工业实验结果(1'、用(3)式进行 ◆ithout adding CacO 5 30 o Adding Caco.. 4 品 25 1 0 20 232731 0- 35 5 ]015 Q,MJ/kg.coal x10 kg stcam.kg.cont 「附1喷吹物发热值'化许热的关系 图2加入水汽对气化净热和产品煤气中氢的 Fig.I Relationship between the net heat 百分令量的影利 of the coal gasification in the 1米加CaCO32加CaCO:3气体产物中H2含量 iron bath and lower calorific value Fig.2 Influence of added stcam on the of coal net heat of coal gasification in iron bath and Hz content in the generated gas 214

叭 自 们石 旱 、 一 呈 。 ， 。 口 ︺︸，︹ ︷ 走 了了 广︸ ︸ 、汉 州 产 〔 一 干 石 ， 。 马 。 ， 导 ， 一 厅 茹 。 卜 子 。 。 目 ﹁︸ ，白， 。石 导 。 一 宝 ， 。 不 尸 人 ’ 一 一 。 旱 。 ， ， 、 〕 一 。 二 曰 ‘ 式 中 煤 的 成分 是 考虑水 分 和 灰分 在 内的 犷 、 是 喷吹 所 用的 载气量 ’ 煤 ， 娜 、 煤 在 时 的低 发 热 值 · 煤 ， 尸 ” 。 。 。 。 是 为计算方便 引人 的 一个 录叫煤 的摩尔数 ， 卜算方 法见附录 。 对于 喷 吹 物 ， ， 中的 、 、 ， 简 单化 合 物 容 易确定 。 煤 中 含 有 多 种 化 合 物 ， 不 易确定 ， 为 了运 算方便 ， 假 定 煤 中的氢 以 的 形式 ， 氧 以 自由 形 式存 在 ， 则 有 夕石 夕 一 牙 二 环 尸 “ 石 如果 挥发分 很 高 ， 甚 至 高达 滩 以 ， 可 能 有复 杂的碳气 化 合物 生 成 ， 贝 有 义 小 厂 。 牙 夕石 州阵 计 算实 例及 讨 论 对 ， 又 ， 和 铁 水 熔 池 粉 煤 气化 的半工 业 实验 结 果 〔 ‘ ’ ， 川 式 进行 劝 一 丫 一 竺 八 〔 、 之 卜 口工 了 ﹁川一创，刁 必 二 尸 求 卜名加。侧 · 产︼ 引介 一形一 曰﹂ 己立盆胃忱。勺 盯 扎 ， 一〔 ， 一、 刃 、 。 一 ’ ‘ “ ‘ 〔 ，‘ 图 喷 次 物 发热 ’ 〔 ’ 产 屯化 净热 的 关 系 「 一 卜 、、 · 一 厂 图 加 入水 恢汽 讨 ’ 化 净 热 和一祝 公士某气中氧的 百分 含 决的 影 响 未 一 加 气休 产 物 ，』 含量 窝 「 亡 卜 卜一

计算，如图1，由图可见，每kg粉煤在铁浴气化所放出的热量G随低发热值Q增加而增加。 CGS法对同-一煤种进行了加入不同水蒸汽的实验，如图2。由图2可见，随着水蒸气量 增加，氢的百分含量有所提高，但气化净热明显下降。 在铁裕气化过程中热量支出计算结果，如表1。 表1铁浴煤气化中间实验的热平衡 Table 1 The heat balance of the coal gasification in the iron bath of the pilot plant 煤气化方法 CGS CIG KHD MIP 煤 的 1(a)1(b)1(c)28pp焦油 A·B 低发热值MJ/kg·煤 29.929.929.928.121.435.526.631.31.126.032.529.4 在铁浴中气化净热kJ/kg:煤4932397831693946129181504121626055712082204683 废倒消耗的热kJ/kg襟1061 60 15202500 62125295 生石灰消耗的热kJ/止g·煤 828282174 82 336263727092 镁石灰或溶剂消耗热kJ/kg煤10101021 公 115 铁矿石消耗的热kJ/上g·煤 166 利余的热kJ/kg·煤 377938863077369112946538160060215308 217080251181 热损失kJ/kg煤 9859859859859859859851159800115911591159 注：PP汽油沥青，A·焦粉 1.4铁浴煤气化产品气体成分估算 从铁浴煤气化中间实验结果看[1)，载气N2或Ar所占的比例为(1~5)%，不考虑二次 燃烧，底吹时CO2含量为1%，顶吹时为(3~6)%。确定出煤气中H2的含量后，可大致估算 产品气体的主要成分。 每kg煤所带入的氢可由下式计算： 30 H.%=H%+(W/9)%+1/9(Hz0g):R 说 20 +0.01(C3Hg)1a (13) 式中：H。%一每kg煤在气化时带人总的H 10 量×10-2kg/kg煤 1.23456 7 H%和W%一煤中H和水分的wt% Ha,% (H2O):。一气化时吹入的水蒸气 图3气化时每上名媒带入的H。与'气化后产品 kgH2Os/kg煤 气体中H2含量的关系 Fig.3 Relationship betwcen the Ha con- (CsHs):。一底吹喷嘴冷却剂 tent added by injcction and the Nm3,CaHa/kg煤 H2 content in gencrated gas 可求出产品气体中氢的成分，进而估算出产品气体中主要成分如图3。 2熔融还原过程中铁浴内的热平衡 2.1计算方法 在熔融还原过程中，为了保证：品铁水质量，炉渣必须具有一定的碱度。计算时假定炉 ! 215

计 算 ， 如图 ， 由图可见 ， 每 粉煤在铁 浴 气化所放 出的 热 量 随低 发 热 值 增加 而 增加 。 法对 同 一煤 种 进行 了加 入 不同水 蒸汽 的实验 ， 如 图 。 由图 可见 ， 随 着水蒸 气量 增加 ， 氢 的百 分 含量有所 提高 ， 但气化净热 明显下 降 。 在铁 浴 气化过程 中热 量支 出计算结果 ， 如 表 。 表 铁 浴 煤 气化 中间实 验 的热平 衡 煤 气 化 方 法 一 一 一 一 一－ 一 － 一 － 一 煤 号 户 焦 浓 －奋－－ 低 发 热 值 · 煤 通 工 凌 在 铁浴 中气 化 净 热 · 煤 了 通 丁 了 废 钢 消耗 的热 ‘ · 煤 生 石 灰 消耗 的热 ’ 煤 况 月 刊 蛇 镁 石灰 或溶 剂 消 耗热 · 煤 铁矿石 消耗 的热 ’ 煤 剩余 的 热 厂 · 煤 ， 吕 了 里 了 工 热 损失 · 煤 注 汽 油 沥青 ， 焦 粉 。 铁浴煤 气化产 品 气体成分 估 算 从铁 浴煤气化 中间 实验结果 看 〔 ‘ 。 〕 ， 载气 或 所 占的 比例 为 一 ， 不 考虑 二 次 燃烧 ， 底吹 时 含 量 为 ， 顶吹 时 为 一 。 确定 出煤气 中 的含量 后 ， 可大致估算 产品气体的 主要 成分 。 口示二 每 煤所 带人 的氢 可 由下 式计 算 。 写 班 ‘ ， 。 · 。 。 ， 。 式 中 。 － 每 煤 在气化 时 带人 总 的 量 一 艺 煤 肠和 附 写－煤 中 和 水分 的、 厂 肠 。 。 － 气化时 吹 入 的 水 蒸气 · · 煤 。 。 － 底吹 喷 嘴冷 却剂 “ · 。 了 · 煤 。 ’ 一 黔 丫 牙 ， ‘ 了 沪 鱼丛 、 。 ， 气 化时每 煤 带人 好 ‘ 与 气化后 产 品 气 体 中 含 量的 关 系 可 求 出产 品气体 中氢 的 成分 ， 迸而 占算 出产 品气体 中主 要成分 如 图 。 熔 融还原 过程 中铁浴 内的热平衡 计 算方法 在熔融还原过程 中 ， 为 了保 证 产品铁水质量 ， 炉渣必须 具有 一定的碱度 。 计算时 假定 炉

讹成分为2CaO.SiO2和CaO·SiO2。出下两式可以计算加入CaCO3摩尔数(ncco,)和生成 渣摩尔数(ns)。 e,=6R 1一n (14) neol 6=g.6】n 60n60a1 (15) 式中：R—碱度值， A%一一煤粉中的灰分的wt%, B一煤粉中SiO2含量不同时乘上的一个系数，0<B:1。 为了简化计算，人造富矿的SO2不另外考虑，可在B中一起考虑，但这时B可能大于 1。将(14)式和(15)式代入(1)式可得： nc+n.y=K/G (16) K'=C1.056Xr.o+(Si/Fe)E (Mn/Fe)mJ.Qo2.(x+y)-QF(x+y)-(C/Fe)x B.R:4%.t(x+y).Qc.co3+Q-(2x+3y+2)Q] Q'-Q°2(y+2)-60n。0 (x+y)+（F.R·A%1(60·neu1) f:10,.Q8.(x+y) 60·nc01 (17) -(x+y)+(FRA%1(60ne1） G=x+〔(8)”Q-Q+Q-0(y+2+ B.R.4%t(+y)Qc.co,+Q-(2x+3y+)Q:+B4%Q.(x+y) 60:n601.— 60ns01-- (x+y)+(f·R·A%)/(60·neu1) (18) 式中：Qr。"=Qr。+Qlos·+Qsi(Si/Fe)m+Qc(C/Fe)m+QMa(Mn/Fe)m G'是每摩尔喷吹物(Cx(H2)yOz)中同氧反应的碳和氢在铁浴中气化，扣除了喷吹物含 行灰分调正碱度所消耗的热量后所剩的热量净值。 2,2计算结果和讨论 图1中给出了加入CCO。对净剩热址的影响，下式给出了煤粉中的灰分与加入CaCO, 后所吸收热量Q.的关系（计算中B=1)。 Q.=0.133(A%)MJ (19) 式中：A:一为煤粉小灰分的“t6。 从(19)式可知，向铁浴中直接加入CCO,要吸收较多的热量。妥善的方法是在竖炉中 216

法 成分为 · ‘ 不 “ · 。 下两式可以 计算加 入 摩尔数 。 · 和生成 尹 炉渣摩 尔数 。 。 · 刀 · 月 月 。 。 肠八 一 石一 一 一 ， 一 式 中 － 碱 度值 ， 写－ 煤 粉 中的 灰 分的 ， 刀－ 煤 粉 中 含 量不同时 乘上 的 一 个系数 ， 声 一 、 。 为 了简 化计算 ， 人 造富矿 的 不 另外考虑 ， 可 在 声 中一起考虑 ， 但 这时 声 可 能大于 。 将 式 和 式 代入 式可 得 会十 。 · 二 ‘ ‘ ‘ 〔 。 、 。 ’ 〕 · “ · 一 ’ 尸 一 “ 。 一 。 。 · ‘二 “ ， 刀 。 · 陀 。 。 。 〔 夕 “ “ 一 ” 〕 少 刀 一 。 。 。 。 少型 。 。 只 十 一 护古 刀 · 二 ’ ” · 。 · ， ‘ “ ， 〔 王 ’ 一 “ 〕 一 之 份 “ · “ ‘少‘ 、 。 ， 一 。 一 ， 二 〕 票华丝 一 ‘ · ‘ ， 幻 刀 。 一 几 。 ‘ 夕 声 一 肠 一 。 ， 式 ， “ “ ， ’ “ “ “ ‘ “ ’ “ “ ‘ 是每摩 尔喷 吹 物 、 中同氧反 应 的 碳 和氢 在铁 浴 中气化 ， 扣除 了喷吹物 含 有灰 分调正 碱 度 所 消耗 的热 业后 所 剩 的热 量净值 。 啥 计 算结 果 和讨 论 图 中给 出 了加 人 对 净剩热 璧 的影 响 ， 下 式给 出了煤粉 中的灰分 与加人 、 后 所 吸收热 量 、 的 关系 计算中 声二 。 、 。 叼 式 ‘ ， 刁 与 － 为煤粉 ， ，灰 分 的 叭 。 从 式 可知 ， 向铁 浴 ‘ ，直 接加 入 要吸 收较 多 的热 量 。 妥 善的 方 法是在竖 炉 ‘