高炉冶炼物料平衡计算

高炉冶炼综合计算1.1概述组建炼铁车间（厂）或新建高炉，都必须依据产量以及原料和燃料条件作为高炉冶炼综合计算包括配料计算、物料平衡计算和热平衡计算。从计算中得到原料、燃料消耗量及鼓风消耗量等，得到冶炼主要产品（除生铁以外）煤气及炉渣产生量等基本参数。以这些参数为基础作炼铁车间（厂）或高炉设计。计算之前，首先必须确定主要工艺技术参数。对于一种新的工业生产装置，应通过实验室研究、半工业性试验、以致于工业性试验等一系列研究来确定基本工艺技术参数。高炉炼铁工艺已有200余年的历史，技术基本成熟，计算用基本工艺技术参数的确定，除特殊矿源应作冶炼基础研究外，一般情况下都是结合地区条件、地区高炉冶炼情况予以分析确定。例如冶炼强度、焦比、有效容积利用系数等。计算用的各种原料、燃料以及辅助材料等必须作工业全分析，而且将各种成分之总和换算成100％，元素含量和化合物含量要相吻合。将依据确定的工艺技术参数、原燃料成分计算出单位产品的原料、燃料以及辅助材料的消耗量，以及主、副产品成分和产量等，供车间设计使用。配料计算也是物料平衡和热平衡计算的基础。依据质量守恒定律，投入高炉物料的质量总和应等于高炉排出物料的质量总和。物料平衡计算可以验证配料计算是否准确无误， 也是热平衡计算的基础。物料平衡计算结果的相对误差不应大于 0.25％。常用的热平衡计算方法有两种。第一种是根据热化学的盖斯定律，即按入炉物料的初态和出炉物料的终态计算，而不考虑炉内实际反应过程。此法又称总热平衡法。它的不足是没有反应出高炉冶炼过程中放热反应和吸热反应所发生的具体空间位置，这种方法比较简便，计算结果可以判断高炉冶炼热工效果，检查配料计算各工艺技术参数选取是否合理，它是经常采用的一种计算方法。第二种是区域热平衡法。这种方法以高炉局部区域为研究对象，常将高炉下部直接还原区域进行热平衡计算， 计算其中热量的产生和消耗项目， 这比较准确地反应高炉下部实际情况，可判断炉内下部热量利用情况，以便采取相应的技术措施。该计算比较复杂。要从冶炼现场测取大量工艺数据方可进行。1.2配料计算.设定原料条件1、矿石成分：表1-1原料成分，%原Fe2OAl2OMgMn烧损FeMnPSFeOSiO2CaOOOP2O5FeSΣ料33H2OCO2烧58.30.0312.569.32.010.030.08100.0结0.030.035.821.548.540.0751458930矿球64.50.030.030.0085.20.520.040.080.00100.0团6.245.131.371.363373462480矿1混59.50.030.030.0211.272.5100.0合5.681.517.101.720.040.070.079125830矿石0.000.0351.00.070.00100.0灰1.800.061.101.261.960.090.890.101.0642.43163820石炉42.20.220.020.0815.642.715.81.338.731.290.280.060.221.96C=11.9100.0尘16306067750烧结与球团的比例为80：202、焦炭成分：表1-2焦炭成分，%灰分（12.64）挥发份（0.58）有机物（1.42）游C固SiOAl2OCaMgFeCOCOCH4H2N2H2N2SΣ离23OOO2水85.37.34.260.50.120.40.20.10.020.030.110.30.20.7100.04.1621319578679073、喷吹燃料成分：表1-3煤粉成分，%燃CHNSOH2O灰分Σ料SiO2Al2O3CaOMgOFeO煤77.752.280.520.302.320.857.316.700.730.320.92100.00粉预定生铁成分：表1-4预定生铁成分，%FeSiMnPSC95.230.550.030.0340.0264.13其中Si、S由生铁质量要求定，Mn、P由原料条件定，C参照下式定，其余为Fe。C=4.3-0.27Si-0.329P-0.032S+0.3Mn某元素在生铁、炉渣、炉气中的分配率（ %）见表1-5表1-5元素分配率分，%FeMnSP生铁99.750—100炉渣0.350—0炉气50.冶炼参数参考：燃料消耗量（kg/t生铁）：焦炭360（干）375（湿）煤粉150kg/t生铁鼓风湿度 12g/m3相对湿度1222.4φ=×=1.493%100018风温1100℃炉尘量20kg/t生铁2入炉熟料温度 80℃炉顶煤气温度 200℃焦炭冶炼强度 0.98 t/（m3·d）高炉有效容积利用系数 2.7t/（m3·d）炉渣碱度 R=1.10（1）燃料带入的铁量 GFe燃首先计算20kg炉尘中的焦粉量：G焦粉=G尘C%尘/C%焦=20×11.95/85.36=2.80kg高炉内参加反应的焦炭量为：G焦=360-G焦粉=360-2.80=357.2kg故GFe燃=G焦FeO%焦56+G煤煤5672FeO%7256=357.2×0.43%×+150×0.92%×567272=2.27kg（2）进入炉渣中的铁量GFe渣=1000Fe%生铁×0.3%99.7%0.3=2.865kg=952.3×99.7式中 0.3%、99.7%——分别为铁在炉渣和生铁中的分配比（3）需要由铁矿石带入的铁量为：GFe矿=1000Fe%生铁+GFe渣-GFe燃=952.3+2.856-2.27=952.9kg（4）冶炼1t生铁的铁矿石需要量：952.9G矿=GFe矿/Fe%矿==1599.09kg59.59%考虑到炉尘吹出量，入炉铁矿石量为：/G矿=G矿+G尘-G焦粉=1599.09+20-2.80=1616.29kg（1）设定炉渣碱度 R=CaO/SiO2=1.10（2）石灰石的有效溶剂性CaO有效=CaO%熔剂-RSiO2%熔剂=(51.03-1.101.×96)%=48.87%(3)原料、燃料带有的 CaO量GCaO铁矿石带入的CaO量为：3GCaO矿=G矿CaO%矿=1599.09×7.10%=113.54kg焦炭带入的CaO量为：GCaO焦=G焦 CaO%焦=357.2×0.51%=1.82kg煤粉带入的CaO量为：GCaO煤=G煤CaO%煤=150×0.73%=1.10kg故 GCaO =GCaO矿+GCaO焦+GCaO煤=113.54+1.82+1.10=116.46kg（4）原料、燃料带入的 SiO2量GSiO2铁矿石带入的SiO2量为：GSiO2矿=G矿SiO2%矿=1599.09×5.68%=90.83kg焦炭带入的SiO2量为：GSiO2焦=G焦SiO2%焦=357.2×7.32%=26.15kg煤粉带入的SiO2量为：GSiO2煤=G煤SiO2%煤=150×7.31%=10.97kg硅素还原消耗的 SiO2量为：GSiO2还=1000Si%生铁 60=11.79kg28故GSiO2=GSiO2矿+GSiO2焦+GSiO2煤-GSiO2还90.83+26.15+10.97-11.79=116.16kg熔剂（石灰石）需要量为：G熔=（RGSiO2-GCaO）/CaO有效=（1.10×116.16-116.46）/48.87%=23.16kg原料、燃料带入的成分见下表 1-6表1-6每吨生铁带入的有关物质的量原数量SiO2CaOAl2O3MgOMnOS燃kg%kg%kg%kg%kg%kg%kg料混1599.05.6113.51.524.11.727.50.60.02合90.837.100.040.40984152045矿焦357.27.326.150.511.824.215.20.10.430.792.82炭2622石23.161.90.4551.011.820.00.020.80.210.070.00.030.00灰639982684石煤7.30.736.710.00.30.300.4515010.971.1050.48粉102Σ128.4128.249.428.60.63.13084268（1）炉渣中CaO的量GCaO渣由上表： GCaO渣=128.28kg（2）炉渣中SiO2的量GSiO2渣由上表： GSiO2渣=128.40-GSiO2还=128.40-11.79=116.61kg（3）炉渣中Al2O3的量GAl2O3渣由上表： GAl2O3渣=49.44kg（4）炉渣中MgO的量GMgO渣由上表： GMgO渣=28.62kg（5）炉渣中MnO的量GMnO渣GMnO渣=0.66×50%=0.33kg50%——锰元素在炉渣中的分配率（6）炉渣中FeO的量GFeO渣进入渣中的铁量为：Fe渣=2.865kg，并以FeO形式存在72故 GFeO渣=2.865× =3.68kg56（7）炉渣中S的量GS渣原燃料带入的总S量为：GS=3.138kg（见表）3-6进入生铁的S量为：GS生铁=1000S%生铁=1000×0.026%=0.26kg进入煤气中的S量为：GS煤气S×=G5%=3.1380.05=0.157kg故GS渣=GS-GS生铁-GS煤气=3.138-0.26-0.157=2.72kg5炉渣成分见下表 1-7表1-7组元CaOSiO2Al2O3MgOMnOFeOS/2ΣCaO/SiO2kg128.28116.6149.4428.620.333.681.36328.32%39.0735.5215.068.720.11.120.41100.001.101）生铁含[P]按原料带入的磷全部进入生铁计算铁矿石带入的P量为：GP矿=G矿P%矿=1599.09×0.032%=0.51kg石灰石带入的P量为：GP熔=G熔P%熔=23.16×0.001%=0.0002kg故[P]=（0.51+0.0002）×1=0.051%1000（2）生铁含[Mn]按原料带入的锰有50%进入生铁计算故[Mn]=0.66×50%×55×1=0.026%711000（3）生铁含[C][C]=[100-(95.23+0.55+0.026+0.051+0.026)]%=4.117%校核后的生铁成分（%）见下表1-8表1-8 校核后的生铁成分 ，%[Fe] [Si] [Mn] [P] [S] [C]95.23 0.55 0.026 0.051 0.026 4.1171.3物料平衡计算（1）风口前燃烧的碳量 GC燃1）GC总=G焦C%焦+G煤C%煤=357.2×85.36%+150×77.75%=421.53kg2）溶入生铁中的碳量为：GC生铁=1000[C]%=1000×4.117%=41.17kg3）生成甲烷的碳量为：燃料带入的总碳量有 1%~1.5%与氢化合生成甲烷，本例去 1%。GC甲烷=1%GC总=0.01×421.53=4.22kg4）直接还原消耗的碳量 GC直锰还原消耗的碳量：G12×12C锰=1000[Mn]%×=0.06kg=10000.026%55556硅还原消耗的碳量：GC硅24××24=4.71kg2828磷还原消耗的碳量：GC磷60×601000[P]%=10000.051%=0.49kg-6262铁直接还原消耗的碳量：GC铁直=1000[Fe]%12rd/56rd/=rd-rH2rd一般为0.4~0.5，本计算取0.45。rH2=56[G焦(H2%焦挥发+H2%焦有机)+G煤H2%煤+2(V风/φ18+G煤H221822.4O%煤)]×ηH2α/(1000[Fe]%)=56[357.2(0.037%+0.36%)+150×2.28%+2(1200×1.493%×18+21822.4150×0.85%)]0×.35×0.9/(100095.23%)=0.06式中η0.3~0.5，本计算取0.35；H2——氢在高炉内的利用率，一般为α——被利用氢气量中，参加还原FeO的百分量，一般为0.85~1.0，取0.9；V风/——设定的每吨生铁耗风量，本计算取1200m3。GC铁直12=1000×95.23%××0.39=79.59kg56故GC直=GC锰+GC硅+GC磷+GC铁直=0.06+4.71+0.49+79.59=84.85kg风口前燃烧的碳量为：GC燃=GC总-GC生铁-GC甲烷-GC直=421.53-41.17-4.22-84.85=291.29kg（2）计算鼓风量V风1）鼓风中氧的浓度：N=21%(1-φ)+0.5φ=21%(1-1.493%)+0.51×.493%=21.43%GC燃燃烧需要氧的体积为：VO2=GC燃

22.42 12722.4=291.29×2 12=271.87m33）煤粉带入氧的体积为：VO2煤=G煤（O%煤+H2O%煤16）22.418321622.4=150（2.32%+0.85%）×=3.23m318324）需鼓风供给氧的体积为：VO2风=VO2-VO23煤271.87-3.23=268.64m故V风=VO2风268.643/N==1253.57m21.43%（1）甲烷的体积VCH41）由燃料碳素生成的甲烷量为：22.422.43VCH4碳=GC甲烷=4.22×=7.88m12122）焦炭挥发分中的甲烷量为：22.4VCH4焦=G焦CH4%焦1622.4=357.2×0.025%×16=0.125m3故VCH4=VCH4碳+VCH4焦7.88+0.125=8.01m3（2）氢气的体积VH21）由鼓风中水分分解产生的氢量为：VH2分=V风φ=1253.57×1.493%=18.72m32）焦炭挥发分及有机物中的氢量为：22.4VH2焦=G焦（H2%焦挥发 +H2%焦有机 ）222.4=357.2（0.037%+0.36%）2=15.88m33）煤粉分解产生的氢量为： OVH2煤=G煤（H2煤+H2O%煤2）22.4%182=150（2.28%+0.85%×2）22.4=39.89m318284）炉缸煤气中氢的总产量为：VH2 总 =VH2分+VH2焦+VH2煤=18.72+15.88+39.8935）生成甲烷消耗的氢量为：VH2烷=2VCH4=2×8.10=16.02m36）参加间接反应消耗的氢量为：VH2间=VH2总ηH2=74.04×0.35=25.91m3故VH2=VH2总-VH2烷-VH2间=74.04-16.02-25.913（3）二氧化碳的体积 VCO2）由还原23为FeO生成的CO2V/1COFeOGFe2O3=G矿Fe2O3%矿=1599.09×72.53%=1159.82kg参加还原Fe2O3为FeO的氢气量为：GH2还=VH2总ηH2（1-α）

222.4=74.04×0.35×（1-0.9）×

222.4=0.23kg由氢气还原Fe2O3的质量为：G/Fe2O3=GH2还1602160=0.23× =18.4kg2由CO还原Fe2O3的质量为：G//Fe2O3=GFe2O3-G/Fe2O3=1159.82-18.4=1141.42kg故 VCO/2还=G//Fe2O322.416022.4=1141.42×1609=159.80m32）由CO还原FeO为Fe生成的CO2量为：VCO//2还=1000[Fe]%[1-rd/-rH2]22.456=1000×95.23%(1-0.39-0.06)22.456=209.51m33）石灰石分解产生的 CO2量为：22.4VCO2分=G熔CO2%熔44=23.16×42.43%×22.444=5.00m34）焦炭挥发分中的 CO2量为：VCO2挥=G焦CO2%焦

22.444=357.2 ×0.91%×22.444=0.35m3故VCO2=V/CO2还+V//CO2还+VCO2分+VCO2挥=159.80+209.51+5.00+0.353（4）一氧化碳的体积 VCO1）风口前碳素燃烧生成的CO量为：VCO燃=GC燃22.4=291.29×22.4=543.74m312122）直接还原生成的CO量为：VCO直=GC直22.4=84.85×22.4=158.39m312123）焦炭挥发分中的CO量为：VCO挥=G焦CO%焦22.4=357.2×0.21%×22.4=0.60m328284）间接还原消耗的 CO量为：VCO间=V/CO2还+VCO//2还

3=159.80+209.51=369.31m故VCO=VCO燃+VCO直+VCO挥-VCO间=334.42m3（5）氮气的体积VN21）鼓风带入的氮气量为：VN2风=V风（1-φ）N2%风10=1253.57（1-1.493%）79%32）焦炭带入的氮气量为：VN2焦=G焦（N2焦挥发2焦有机）22.4%+N%2822.4=357.2（0.118%+0.27%）28=1.11m33）煤粉带入的氮气量为：22.4VN2煤=G煤N2%煤28=150×0.52%×22.428=0.62m3故 VN2=VN2风+VN2焦+VN2煤3=975.53+1.11+0.62=977.26m煤气成分见下表 1-9表1-9煤气量及成分成分CO2CON2H2CH4Σ体积，m3374.6633