CN102876823A - 高反应性焦炭下高炉直接还原度及煤气利用率的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于高炉炼铁领域，涉及一种高炉配加高反应性焦炭条件下煤气利用效率的计算方法，同时可计算高炉配加高反应性焦炭条件下高温区和热储备区的直接还原度、间接还原度。高炉总的直接还原度r_d为:

高炉煤气利用率η_co为：

本发明能够在以上原料条件下，对高炉冶炼直接还原度和煤气利用率进行准确计算，指导高炉生产，同时该方法对传统高炉使用冶金焦的情况同样适用。

Description

高反应性焦炭下高炉直接还原度及煤气利用率的计算方法

技术领域

本发明专利属于高炉炼铁领域，涉及一种高炉配加高反应性焦炭条件下煤气利用效率的计算方法，同时可计算高炉配加高反应性焦炭条件下高温区和热储备区的直接还原度、间接还原度。

背景技术

采用检索条件：摘要=(高反应性焦炭)AND摘要=(煤气利用率)；或，摘要=(高反应性焦炭)AND摘要=(直接还原程度)；以及abstract=(high reactive coke)AND abstract=(direct reducerate)；或abstract=(high reactive coke)AND abstract=(gasutilization efficiency)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。

高炉煤气利用率是指煤气中CO₂成分占CO与CO₂成分总和的比例，其数值越高表征煤气的利用程度越高。高炉煤气利用率一定程度上反映了高炉冶炼的工艺水平以及燃料的消耗量，因此是高炉生产一个非常重要的生产指标。通常的高炉煤气利用率计算方法是在假定炉身区域焦炭不发生反应的基础上而进行计算。但是近年来有研究者发现，高炉冶炼配加适当比例的高反应性焦炭，使焦炭在炉身部位与CO₂发生碳素溶损反应，从而有利于提升高炉炉身还原效率，降低燃料消耗以及CO₂的排放量。在这种情况下，通常的计算高炉煤气利用率的方法已不适用，有必要采用新的方法对高炉煤气利用率进行准确计算。

发明内容

本发明的目的是，计算高炉冶炼中配加一部分高反应性焦炭条件下，根据焦炭在炉身的失重率计算高炉炉身、炉缸的直接还原度以及H₂、CO的还原度，以反映高炉各区域热量变化及煤气利用状况，在此基础上计算高炉煤气利用率，已解决现有计算方法的缺陷。

本发明的技术方案如下：

高炉高反应性焦炭条件下直接还原度的计算方法，其特征在于，所述方法如下：

直接还原度的计算过程如下所示：

FeO+nCO＝Fe+CO₂+(n-1)CO

反应式中：n——过剩系数；

根据标准的吉布斯自由能公式计算温度T下，CO还原FeO的反应平衡常数Kco，其公式如下：

${\mathrm{\ΔG}}^{\mathrm{\Θ}}=-\mathrm{RT}\ln K_{\mathrm{CO}}---\left(1\right)$

——标准吉布斯生成自由能，J·mol^-1。

$\mathrm{Kco}=\frac{-13160+17.21\×T}{R\·T}---\left(2\right)$

式中：Kco——温度T下，CO还原FeO的平衡常数；R——气体平衡常数，8.314J·mol^-1·K^-1

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{CO}}^1=\frac{1}{n}=\frac{1}{1+\frac{1}{\mathrm{Kco}}}---\left(3\right)$

式中:

——热储备区煤气利用率；

假设未配加高反应性焦炭时,高炉冶炼的间接还原度为r_i1,则高反应性焦炭促进的间接还原度r_i为:

$r_i=r_{i1}+\frac{m_C}{12}\×{\mathrm{\η}}_{\mathrm{CO}}^1\×\frac{M_{\mathrm{Fe}}}{1000\×\left[\mathrm{Fe}\right]}---\left(4\right)$

式中：m_C——炉身高反应性焦炭的反应量，M_Fe——铁原子摩尔质量，[Fe]——铁水中铁元素含量；

炉身直接还原度r_d1为:

$r_{d1}=\frac{\frac{m_C}{12}\×M_{\mathrm{Fe}}}{1000\×\left[\mathrm{Fe}\right]}---\left(5\right)$

高温区域的直接还原度r_d2为:

$r_{d2}=1-r_{d1}-r_i-r_{H_2}---\left(6\right)$

式中：

——热储备区H₂的间接还原度；

高炉总的直接还原度r_d为:

$r_d=1-r_i-r_{H_2}---\left(7\right).$

高炉高反应性焦炭条件下煤气利用率的计算方法，其特征在于，所述方法如下：

进入炉身热储备区域的CO气体流量为V_CO，则热储备区间接还原产生的CO₂的体积为

$V_{\mathrm{ri}}^{{\mathrm{CO}}_2}=\frac{r_{i1}\×\left[\mathrm{Fe}\right]\×1000}{\mathrm{Me}}\×22.4---\left(8\right)$

炉身热储备区因高反应性焦炭的碳素熔损反应：C+CO₂=2CO与间接还原反应叠加而实现直接还原反应：FeO+C=Fe+CO，则热储备区直接还原反应产生的CO会促进间接还原的进行，此反应生成CO₂的体积为

$V_{\mathrm{ri}1}^{{\mathrm{CO}}_2}=\frac{m_C}{12}\×22.4\×{\mathrm{\η}}_{\mathrm{CO}}^1---\left(9\right)$

Fe₃O₄还原成FeO生成CO₂的体积为

$V_{F{e}_3{O}_4-\mathrm{FeO}}^{{\mathrm{CO}}_2}=n_{{\mathrm{Fe}}_3{O}_4}\×22.4---\left(10\right)$

Fe₂O₃还原成FeO生成CO₂体积为

$V_{F{e}_2{O}_3-F{e}_3{O}_4}^{{\mathrm{CO}}_2}=\frac{n_{{\mathrm{Fe}}_2{O}_3}\×22.4}{3}---\left(11\right)$

则高炉煤气利用率η_co为：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{co}}=\frac{V_{\mathrm{ri}}^{{\mathrm{CO}}_2}+V_{\mathrm{ri}1}^{{\mathrm{CO}}_2}\text{+}{V}_{{\mathrm{Fe}}_3{O}_4-\mathrm{FeO}}^{{\mathrm{CO}}_2}+V_{F{e}_2{O}_3-F{e}_3{O}_4}^{{\mathrm{CO}}_2}}{V_{\mathrm{CO}}+\frac{m_C}{12}\×22.4}\×100\%---\left(12\right).$

本发明的有益效果如下：对于高炉配加反应性焦炭、小块焦冶炼，或使用矿煤团块、含碳烧结矿冶炼时，铁矿石的直接还原不仅发生在高炉炉缸，炉身部位由于碳素溶损反应也有部分直接还原，因此原有直接还原度、煤气利用率的计算方法已不适用。本发明能够在以上原料条件下，对高炉冶炼直接还原度和煤气利用率进行准确计算，指导高炉生产，同时该方法对传统高炉使用冶金焦的情况同样适用。

附图说明

附图1：高炉配加高反应性焦炭图解。

附图2：直接还原度配置说明。

附图3：煤气利用率计算示意图说明。

具体实施方式

以国内某大型钢厂的原燃料、操作工艺等生产数据为基础，计算高反应性焦炭的配加比例由0%增大到12%，高炉直接还原度、间接还原度、煤气利用率的变化，计算结果如表1所示。

表1配加高反应性焦炭（HRC）的解析计算结果

由表1可以看出，随着配加高反应性焦炭的反应量由0增加12%时，高炉冶炼的间接还原度由0.440增加到0.453，直接还原度由0.400降低到0.348，高温区直接还原度由0.400降低到0.255，热储备区的煤气利用率由25.18%增加到30.12%，高炉煤气的利用率由52.15%增加到59.33%，表明高炉配加一定比例的高反应性焦炭有利于提高煤气的利用率。

Claims (2)

1.高炉高反应性焦炭条件下直接还原度的计算方法，其特征在于，所述方法如下：

直接还原度的计算过程如下所示：

FeO+nCO=Fe+CO₂+(n-1)CO

反应式中：n——过剩系数；

根据标准的吉布斯自由能公式计算温度T下，CO还原FeO的反应平衡常数Kco，其公式如下：

${\mathrm{\ΔG}}^{\mathrm{\Θ}}=-\mathrm{RT}\ln \mathrm{Kco}---\left(1\right)$

——标准吉布斯生成自由能，J·mol^-1。

$\mathrm{Kco}=\frac{-13160+17.21\×T}{R\·T}---\left(2\right)$

式中:Kco——温度T下，CO还原FeO的平衡常数；R——气体平衡常数，8.314J·mol^-1·K^-1

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{CO}}^1=\frac{1}{n}=\frac{1}{1+\frac{1}{\mathrm{Kco}}}---\left(3\right)$

式中:

——热储备区煤气利用率；

假设未配加高反应性焦炭时,高炉冶炼的间接还原度为r_i1,则高反应性焦炭促进的间接还原度r_i为:

$r_i=r_{i1}+\frac{m_C}{12}\×{\mathrm{\η}}_{\mathrm{CO}}^1\×\frac{M_{\mathrm{Fe}}}{1000\×\left[\mathrm{Fe}\right]}---\left(4\right)$ 式中：m_C——炉身高反应性焦炭的反应量，M_Fe——铁原子摩尔质量，[Fe]——铁水中铁元素含量；

炉身直接还原度r_d1为:

$r_{d1}=\frac{\frac{m_C}{12}\×M_{\mathrm{Fe}}}{1000\×\left[\mathrm{Fe}\right]}---\left(5\right)$ 高温区域的直接还原度r_d2为:

$r_{d2}=1-r_{d1}-r_i-r_{H_2}---\left(6\right)$

式中：

——热储备区H₂的间接还原度；

高炉总的直接还原度r_d为:

$r_d=1-r_i-r_{H_2}---\left(7\right).$

2.高炉高反应性焦炭条件下煤气利用率的计算方法，其特征在于，所述方法如下：

进入炉身热储备区域的CO气体流量为V_CO，则热储备区间接还原产生的CO₂的体积为

$V_{\mathrm{ri}}^{{\mathrm{CO}}_2}=\frac{r_{i1}\×\left[\mathrm{Fe}\right]\×1000}{\mathrm{Me}}\×22.4---\left(8\right)$

炉身热储备区因高反应性焦炭的碳素熔损反应：C+CO₂=2CO与间接还原反应叠加而实现直接还原反应：FeO+C=Fe+CO，则热储备区直接还原反应产生的CO会促进间接还原的进行，此反应生成CO₂的体积为

$V_{\mathrm{ri}1}^{{\mathrm{CO}}_2}=\frac{m_C}{12}\×22.4\×{\mathrm{\η}}_{\mathrm{CO}}^1---\left(9\right)$

Fe₃O₄还原成FeO生成CO₂的体积为

$V_{F{e}_3{O}_4-\mathrm{FeO}}^{{\mathrm{CO}}_2}=n_{{\mathrm{Fe}}_3{O}_4}\×22.4---\left(10\right)$

Fe₂O₃还原成FeO生成CO₂体积为

$V_{F{e}_3{O}_4-F{e}_3{O}_4}^{{\mathrm{CO}}_2}=\frac{n_{{\mathrm{Fe}}_2{O}_3}\×22.4}{3}---\left(11\right)$

则高炉煤气利用率η_co为：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{co}}=\frac{V_{\mathrm{ri}}^{{\mathrm{CO}}_2}+V_{\mathrm{ri}1}^{{\mathrm{CO}}_2}\text{+}{V}_{{\mathrm{Fe}}_3{O}_4-\mathrm{FeO}}^{{\mathrm{CO}}_2}+V_{F{e}_2{O}_3-F{e}_3{O}_4}^{{\mathrm{CO}}_2}}{V_{\mathrm{CO}}+\frac{m_C}{12}\×22.4}\×100\%---\left(12\right).$

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