CN102952910A - 一种高炉配加高反应性焦炭后能量利用的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及构建了一种关于高炉配加高反应性焦炭后高炉能量利用的计算方法，其中包括了高炉热储备区的划分、高炉整体间接还原度变化以及节焦量变化，为高炉使用高反应性焦炭奠定理论基础。具体包括了高炉热储备区的划分、高炉整体间接还原度变化的计算以及节焦量变化的计算。本发明的方法为定量分析高反应性焦炭对高炉工艺参数的影响提供理论和计算依据，为高炉使用高反应性焦炭奠定了理论基础。

Description

一种高炉配加高反应性焦炭后能量利用的计算方法

技术领域

本发明涉及构建了一种关于高炉配加高反应性焦炭后高炉能量利用的计算方法，其中包括了高炉热储备区的划分、高炉整体间接还原度变化以及节焦量变化，为高炉使用高反应性焦炭奠定理论基础。 

背景技术

采用检索条件：摘要=(高炉)AND摘要=(高反应性焦炭)；或，摘要=(高炉)AND摘要=(能量利用)；以及abstract=(blast furnace)AND abstract=(high reactivity coke)在国内外的数据库进行检索。经过仔细检索，没有与本申报专利相同或类似的发明内容。 

焦炭是高炉冶炼的主要燃料，不仅是高炉冶炼的热量、还原剂和渗碳剂的来源，更为重要的是在高炉中起到骨架和煤气通道的作用，因此要求高炉焦炭不仅满足粒度的要求，同时冷、热态强度要高。由于焦炭在高炉内发生碳素熔损反应后，其强度急剧降低，因此高炉要求焦炭的反应性要低、反应后强度要高。基于这种认识，很长一段时期高炉未能使用高反应性焦炭，入炉前筛分得到的粒度<25mm反应性较高的碎焦经破碎后被作为了烧结燃料使用，这样无论是资源使用方面还是经济效益方面都相当不合理。 

目前，国内外已有很多企业在使用小块焦，且大部分都对高炉生产带来了良好的效果。通过理论分析，可以得知使用易发生气化反应 的焦炭（传统概念上的劣质焦炭），如小粒度焦炭或高反应性焦炭，可以促进炉身部位碳的气化反应，从而增大热储备区煤气流中的CO浓度，提高还原反应速率，同时气化反应的吸热效应又可降低热储备区温度，使得还原FeO所需的CO平衡浓度降低，如图1所示。上述两者共同作用的结果，将使得炉身热储备区中还原FeO的热力学、动力学条件获得明显改善，从而使在此区域的含铁炉料被还原出更多的金属Fe，从而促进该区域铁的间接还原反应的发展，使高炉整体的直接还原反应程度减小。 

然而以上分析仅仅局限于定性的分析，无法得知在配加高反应性焦炭后，高炉的直接还原度、间接还原度、炉身效率、燃料比的具体变化趋势，难以确立该工艺的理论基础，影响了对该工艺过程的定量解析，无法正确指导工艺设计和生产操作。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种高炉配加高反应性焦炭后能量利用的计算方法。 

本发明的技术方案如下：一种高炉配加高反应性焦炭后能量利用的计算方法，包括了高炉热储备区的划分、高炉整体间接还原度变化以及节焦量变化；具体计算方法如下： 

首先对高炉热储备区和高温区进行划分：热储备区下边界的煤气温度为1000℃，固体炉料温度950℃，热储备区上边界的煤气温度950℃，固体炉料温度900℃，高温区和热储备区的分界煤气温度为 1000℃；高温区包括风口回旋区和直接还原带；未添加高反应性焦炭时，认为热储备区只发生了FeO与CO和H₂的间接还原； 

其次，本方法在传统高炉物料平衡和热平衡计算的基础上，考虑向高炉内配加高反应性焦炭造成的影响，建立高炉配加高反应性焦炭理论计算模型；在深入分析配加高反应性焦炭后高炉内物料变化和能量变化基础上，建立高温区、热储备区联合计算迭代模块，在假设H2还原度不发生变化的基础上，计算得出高炉配加高反应性焦炭后间接还原度的变化； 

具体的高温区和热储备区联合计算方法如下：模型计算中热储备区CO来源主要有三方面，一是在热储备区内，高反应性焦炭发生气化反应，生成的CO；二是在热储备区内，高反应性焦炭的气化反应促使FeO发生直接还原，直接还原生成的CO；三是离开下部高温区、进入热储备区的CO；这三方面的CO来源构成了热储备区的CO，其与热储备区的温度相结合，即可算出热储备区的间接还原度，从而得出高温区直接还原度；而根据高温区直接还原度可以求出高温区直接还原生成的CO；这部分CO就是热储备区CO的第三个来源；使这两部分CO的量相等，然后进行循环迭代计算，即可以求出热储备区间接还原程度；利用热储备区的直接还原度即可求出整个高炉直接还原度，具体计算步骤如图2所示： 

最后，通过理论焦比计算模块的引入，计算高炉节焦量变化，具体方法如下：模型以实际焦比的变化与理论焦比的变化趋势相同为基础，因此使用高反应性焦炭后高炉的节焦量即为高炉添加高反应性焦 炭前后理论焦比的变化量；其中，理论焦比的计算，通过建立高温区热平衡方程及高温区碳氧平衡方程，求解出风口前燃烧耗碳量及铁的直接还原耗碳量，从而得到理论焦比； 

理论焦比的主要计算公式如下： 

高炉中碳素平衡方程：K×C_K=C_b.k+C_dFe+C_da+C_C+C_H    式1 

其中，K：理论焦比 

C_K：焦炭中的含碳量 

C_b.k：风口前燃烧焦炭量 

C_dFe：铁中直接还原耗碳量 

C_da：硅锰磷硫还原耗碳 

C_C：生铁渗碳量 

C_H：高反应性焦炭气化反应耗碳 

高温区热平衡方程：q_c×C_b.k-(3030+q_K)×C_dFe=Q_hz1-C_b.m×q_c.h    式2 

其中，q_c：燃烧1kg焦炭碳素所能z提供给高温区有效的综合热量 

q_K：每千克碳素的焦炭的自身耗热 

Q_hz1：高温区已知热量消耗项 

q_c.h：风口前燃烧1kg碳素的综合热量 

高温区碳氧平衡方程： 

$(\frac{1}{12\&times;3.237}+V_{H_2}^{\&prime;})\&times;C_{b.k}+\frac{1}{12}\&times;(1+\frac{1}{3.237})\&times;C_{\mathrm{dFe}}=\frac{O_{A2}}{16}-\frac{C_{b.m}+C_{\mathrm{da}}}{12\&times;3.237}-H_{2r.m}$ 式3 

风口前燃烧1kg碳素的鼓风带入的还原氢量 

O_A2：矿石经浮士体阶段所含有的氧量 

H_2r.m：每吨生铁的高温区来自煤粉的还原氢量 

将两个方程式2和式3联立，组成一个二元一次方程组，含有两个未知数：风口前燃烧的焦炭碳素量C_b.k，铁的直接还原消耗碳素量C_dFe，联立求解可求出它们的数值，带入式1即可确定理论焦比。 

本发明的方法为定量分析高反应性焦炭对高炉工艺参数的影响提供理论和计算依据，为高炉使用高反应性焦炭奠定了理论基础。 

附图说明

附图1：CO还原铁氧化物的平衡气相组成与温度的关系图。 

附图2：热储备区的间接还原程度计算流程图。 

附图3：不同高反应性焦炭反应量下高炉理论焦比、实际焦比和实际燃料比的变化图。 

附图4：不同高反应性焦炭反应量下高炉节焦量的变化图。 

附图5：不同高反应性焦炭反应量下高炉还原度的变化图。 

具体实施方式

不同高反应性焦炭反应量下高炉能量利用指标的变化： 

以国内某高炉一个月实绩生产数据为基础，首先进行物料及热平衡计算，并建立基础模型，并通过某高炉实际生产数据对所建立的模型进行检验，然后在此模型基础上进一步建立配加高反应性焦炭的高炉炼铁革新工艺计算模型。如图2所示，当计算得到的高温区生成的CO（V ₂）与下部高温区进入的CO（V₁）绝对差值大于0.01时，则 将计算得到的V₂返回并替代原来的V₁继续进行计算，如此循环，至计算结果V₂与V₁绝对差值小于等于0.01时则跳出循环，输出高温区进入的CO量，并以此计算热储备区间接还原程度。利用热储备区的直接还原度即可求出整个高炉直接还原度。随后，通过计算得知不同反应性焦炭反应量下理论焦比的变化，并在认为实际焦比的变化与理论焦比的变化趋势相同基础上，求出实际焦比的变化，最终得出燃料比的变化。计算结果如图3—图5所示。 

如图3所示，为不同高反应性焦炭反应量下高炉理论焦比、实际焦比和实际燃料比的变化。随着高反应性焦炭反应量的增加，理论焦比逐渐降低，则节焦量增大。 

如图4所示，为不同高反应性焦炭反应量下高炉节焦量的变化。高炉配加高反应性焦炭，设定高反应性焦炭的反应量由0kg/t升高至40kg/t，节焦量逐渐增大至16.8kg/t，体现出高反应性焦炭较好的节焦效果。 

如图5所示，为不同高反应性焦炭反应量下高炉还原度的变化。高炉配加高反应性焦炭，设定高反应性焦炭的反应量由0kg/t升高至40kg/t，高炉直接还原度由0.44降低为0.37，CO间接还原度由0.44升至0.51，配加高反应性焦炭对降低直接还原度、提升间接还原度有显著效果。 

Claims (1)

1.一种高炉配加高反应性焦炭后能量利用的计算方法，包括了高炉热储备区的划分、高炉整体间接还原度变化的计算以及节焦量变化的计算；具体方法如下：

首先对高炉热储备区和高温区进行划分：热储备区下边界的煤气温度为1000℃，固体炉料温度950℃，热储备区上边界的煤气温度950℃，固体炉料温度900℃，高温区和热储备区的分界煤气温度为1000℃；高温区包括风口回旋区和直接还原带；未添加高反应性焦炭时，认为热储备区只发生了FeO与CO和H₂的间接还原；

其次，本方法建立高温区、热储备区联合计算迭代模块，在假设H₂还原度不发生变化的基础上，计算得出高炉配加高反应性焦炭后间接还原度的变化；具体的高温区和热储备区联合计算方法如下：

模型计算中热储备区CO来源主要有三方面，一是在热储备区内，高反应性焦炭发生气化反应，生成的CO；二是在热储备区内，高反应性焦炭的气化反应促使FeO发生直接还原，直接还原生成的CO；三是离开下部高温区、进入热储备区的CO；这三方面的CO来源构成了热储备区的CO，其与热储备区的温度相结合，即可算出热储备区的间接还原度，从而得出高温区直接还原度；而根据高温区直接还原度可以求出高温区直接还原生成的CO；这部分CO就是热储备区CO的第三个来源；使这两部分CO的量相等，然后进行循环迭代计算，即可以求出热储备区间接还原程度；利用热储备区的直接还原度即可求出整个高炉直接还原度；

最后，通过理论焦比计算模块的引入，计算高炉节焦量变化，具体方法如下：模型以实际焦比的变化与理论焦比的变化趋势相同为基础，因此使用高反应性焦炭后高炉的节焦量即为高炉添加高反应性焦炭前后理论焦比的变化量；其中，理论焦比的计算，通过建立高温区热平衡方程及高温区碳氧平衡方程，求解出风口前燃烧耗碳量及铁的直接还原耗碳量，从而得到理论焦比；

理论焦比的主要计算公式如下：

高炉中碳素平衡方程：K×C_K=C_b.k+C_dFe+C_da+C_C+C_H    式1

其中，K：理论焦比

C_K：焦炭中的含碳量

C_b.k：风口前燃烧焦炭量

C_dFe：铁中直接还原耗碳量

C_da：硅锰磷硫还原耗碳

C_C：生铁渗碳量

C_H：高反应性焦炭气化反应耗碳

高温区热平衡方程：q_c×C_b.k-(3030+q_K)×C_dFe=Q_hz1-C_b.m×q_c.h  式2

其中，q_c：燃烧1kg焦炭碳素所能z提供给高温区有效的综合热量

q_K：每千克碳素的焦炭的自身耗热

Q_hz1：高温区已知热量消耗项

q_c.h：风口前燃烧1kg碳素的综合热量

高温区碳氧平衡方程：

$\left(\frac{1}{12\&times;3.237}{+V}_{H_2}^{\&prime;}\right)\&times;C_{b.k}+\frac{1}{12}\&times;(1+\frac{1}{3.237})\&times;C_{\mathrm{dFe}}=\frac{O_{A2}}{16}-\frac{C_{b.m}+C_{\mathrm{da}}}{12\&times;3.237}-H_{2r.m}$ 式3

风口前燃烧1kg碳素的鼓风带入的还原氢量

O_A2：矿石经浮士体阶段所含有的氧量

H_2r.m：每吨生铁的高温区来自煤粉的还原氢量

将两个方程式2和式3联立，组成一个二元一次方程组，含有两个未知数：风口前燃烧的焦炭碳素量C_b.k，铁的直接还原消耗碳素量C_dFe，联立求解可求出它们的数值，带入式1即可确定理论焦比。

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