CN107609207A - 煤粉在高炉内的发热值的计算方法 - Google Patents

Abstract

公开了煤粉在高炉内的发热值的计算方法，其包括：a)测定所述煤粉的含碳量M_C、含氢量M_H2、含硫量M_S、挥发分M_V；以及b)计算所述煤粉在高炉内的发热值Q；其中：Q＝Q₁+Q₂+Q₃+Q₄；Q₁、Q₂、Q₃、Q₄如本申请所定义。使用该方法计算出的工况下的煤粉发热值与煤粉在高炉的实际发热值变化趋势一致，结果接近，比传统测量发热值相比更具有代表性。

Description

煤粉在高炉内的发热值的计算方法

领域

本申请大体上涉及钢铁冶金领域。更具体地，本申请涉及发热值分析领域。

背景

煤粉是高炉操作中重要的燃料，在高炉内替代焦炭作为高炉炼铁的还原剂、渗碳剂和发热剂，煤粉发热量的高低对炼铁过程的影响很大，是煤粉质量的主要指标之一。

目前在检测煤粉发热量时，所测定的发热量数值指的是单位质量的煤粉完全燃烧时所产生的热量。其测量过程是在氧化性气氛下测量煤粉完全燃烧生成产物CO₂和H₂O所放出的热量，反应热效应为1g碳元素完全燃烧放出的热量为32750J，1g氢元素完全燃烧放出的热量为121000J，1g煤粉检测值约为30000J。

通过热平衡计算，1g煤粉在高炉内的实际发热值并没有30000J，根据高炉工况不同只有检测值的60％左右，这反映出当前煤粉发热检测值不能准确代表煤粉在高炉内的实际发热值，如何准确反映煤粉在高炉内的实际发热值是当前需要解决的主要问题。

概述

一方面，本申请涉及煤粉在高炉内的发热值的计算方法，其包括：a)测定所述煤粉的含碳量M_C、含氢量M_H2、含硫量M_S、挥发分M_V；以及b)计算所述煤粉在高炉内的发热值Q；其中：Q＝Q₁+Q₂+Q₃+Q₄；Q₁为煤粉炉缸发热量，Q₁＝9208×M_C，单位为KJ；Q₂为煤粉高炉块状带发热量，Q₂＝23617×A×M_C+121000×(0.0014X²+0.0094X+0.798)A×M_H2，单位为KJ；Q₃为煤粉在高炉内脱硫耗热量，Q₃＝-4659×M_S，单位为KJ；Q₄为煤粉在高炉内挥发物分解耗热量，Q₄＝-(0.3305Y²-14.45Y+5700)×M_V，单位为KJ；X为高炉煤气中H₂的体积百分比份数；A为活度因子，取值范围为0.30-0.52；Y为挥发物的质量百分比份数；以及M_C、M_H2、M_S和M_V的单位皆为Kg。

详述

在以下的说明中，包括某些具体的细节以对各个公开的实施方案提供全面的理解。然而，相关领域的技术人员会认识到，不采用一个或多个这些具体的细节，而采用其它方法、部件、材料等的情况下仍实现实施方案。

除非本申请中另有要求，在整个说明书和所附的权利要求书中，词语“包括”、“包含”、“含有”和“具有”应解释为开放式的、含括式的意义，即“包括但不限于”。

在整个说明书中提到的“一实施方案”、“实施方案”、“在另一实施方案中”或“在某些实施方案中”意指在至少一实施方案中包括与该实施方案所述的相关的具体参考要素、结构或特征。因此，在整个说明书中不同位置出现的短语“在一实施方案中”或“在实施方案中”或“在另一实施方案中”或“在某些实施方案中”不必全部指同一实施方案。此外，具体要素、结构或特征可以任何适当的方式在一个或多个实施方案中结合。

定义

在本文中，术语“灰分”系指煤完全燃烧后剩下的残渣。

在本文中，术语“挥发分”系指煤在规定条件下隔绝空气加热,煤中的有机物质受热分解出一部分分子量较小的液态(此时为蒸汽状态)和气态产物，这些产物称为挥发物。挥发物占煤样质量的分数称为挥发分产率，简称为挥发分。

在本文中，术语“喷吹煤粉”系指可用于高炉喷吹的煤粉，其作用为代替部分价格昂贵的冶金焦，降低高炉冶炼成本。

在本文中，术语“高炉块状带”系指高炉炉身中上部区域，在该区域内焦炭和矿石交替层状分布，且皆为固体形态，故称块状带。

在本文中，术语“固定碳”系指煤脱去挥发物和灰分后的可燃物，它是煤的主要发热部分。

在本文中，术语“高炉煤气”系指高炉炼铁生产过程中副产的可燃气体，其包括二氧化碳(CO₂)、一氧化碳(CO)、氢气(H₂)、氮气(N₂)、烃类(C_xH_y)以及二氧化硫(SO₂)。

在本文中，术语“煤粉炉缸发热量”系指高炉喷吹煤粉在高炉炉缸区域的发热量。

在本文中，术语“煤粉高炉块状带发热量”系指高炉喷吹煤粉在高炉炉身中上部区域的发热量。高炉炉身中上部区域，在该区域内焦炭和矿石交替层状分布，且皆为固体形态，故称块状带。

在本文中，术语“煤粉在高炉内脱硫耗热量”系指高炉内去除喷吹煤粉中硫时，脱硫反应进行时需要吸收的热量。

在本文中，术语“煤粉在高炉内挥发物分解耗热量”系指高炉喷吹煤粉中挥发物分解时需要吸收的热量。

具体实施方案

高炉实际冶炼条件下，在高炉下部区域(高温区)内为碳元素过剩环境(还原性气氛)，煤粉中的碳元素燃烧产物为CO，氢元素无法发生氧化反应。在高炉上部区域(块状带区域)内CO和H₂部分与氧元素结合生成CO₂和H₂O，本申请通过煤粉成分和高炉煤气成分，在考虑分解耗热、脱硫耗热等条件后，可计算出不同煤粉在高炉工况下的发热值。

一方面，本申请涉及煤粉在高炉内的发热值的计算方法，其包括：

a)测定所述煤粉的含碳量M_C、含氢量M_H2、含硫量M_S、挥发分M_V；以及

b)计算所述煤粉在高炉内的发热值Q；

其中：

Q＝Q₁+Q₂+Q₃+Q₄；

Q₁为煤粉炉缸发热量，Q₁＝9208×M_C，单位为KJ；

Q₂为煤粉高炉块状带发热量，Q₂＝23617×A×M_C+121000×(0.0014X²+0.0094X+0.798)A×M_H2，单位为KJ；

Q₃为煤粉在高炉内脱硫耗热量，Q₃＝-4659×M_S，单位为KJ；

Q₄为煤粉在高炉内挥发物分解耗热量，Q₄＝-(0.3305Y²-14.45Y+5700)×M_V，单位为KJ；

X为高炉煤气中H₂的体积百分比份数；

A为活度因子，取值范围为0.30-0.52；

Y为挥发物的质量百分比份数；以及

M_C、M_H2、M_S和M_V的单位皆为Kg。

根据反应方程式C+1/2O₂＝CO+110.5KJ/mol，计算得出Q₁计算公式中的系数9208。

根据反应方程式CO+1/2O₂＝CO₂+283.4KJ/mol，计算得出Q₂计算公式中的系数23617。

根据反应方程式H₂+1/2O₂＝H₂O+242KJ/mol，计算得出Q₂计算公式中的系数121000。

根据公式CO₂/(CO+CO₂)，计算得出Q₂计算公式中的A，其中CO和CO₂为高炉煤气中各自所占份数。

在某些实施方案中，A的取值范围约为0.30-0.52。

由不同炉顶H₂含量对应的氢在高炉块状带反应比例计算出的系数回归得到回归方程y＝0.0014X²+0.0094X+0.798，其中X为高炉煤气中H₂的体积百分比份数。

在某些实施方案中，Q₂＝23617×A×M_C+121000×(0.8-0.88)A×M_H2。

在某些实施方案中，Q₂＝23617×A×M_C+121000×0.8A×M_H2。

高炉内脱硫方程FeS+CO+CaO+C＝Fe+CaS+CO-149.1KJ/mol，计算得出Q₃计算公式中的系数-4659。

Q₄计算公式中的回归方程为z＝0.3305Y²-14.45Y+5700，其中Y为挥发物的质量百分比份数。

在某些实施方案中，Q₄＝-5550×M_V。

下文中，本申请将通过如下实施例进行详细解释以便更好地理解本申请的各个方面及其优点。然而，应当理解，以下的实施例是非限制性的而且仅用于说明本申请的某些实施方案。

实施例

基准实施例

已知喷吹不同煤种化学成分如表1所示，依据根据GB/T 213-2003煤的发热量测定方法(即单位质量的煤粉完全燃烧时所产生的热量)，检测喷吹煤粉的发热值见表1。

表1.基准实施例的结果

灰分、挥发分、固定碳的测定依据国家标准GB/T212-2001《煤的工业分析方法》；硫分的测定依据GB/T214-1996《煤中全硫的测定方法》；挥发物中的碳含量、挥发物中的氢含量是依据国家标准

GB/T476-2001《煤的元素分析方法》。

潞安煤、府谷煤、清徐煤皆为太钢高炉用喷吹煤粉资源，其中潞安煤产地长治潞安，府谷煤产地陕西府谷，清徐煤产地太原清徐。

实施例1

实施例1中使用的计算方法为本申请的计算方法，计算出喷吹煤粉高炉工况下的发热值。

计算时先由煤气成分计算出活度因子A，其中A＝CO₂/(CO+CO₂)，CO和CO₂为高炉煤气中各自所占份数。本实施例中高炉炉顶煤气成分为CO：22.5％，CO₂：22.5％，H₂：2.0％，N₂：53％，A的取值为22.5/(22.5+22.5)＝0.5，计算出目前高炉工况下，喷吹煤粉的发热值，具体结果见表2。

表2.实施例1的结果

实施例2

针对以上三种煤种，进行工业试验，并测量了三种煤在高炉条件下实际发热值，具体结果见表3。

高炉条件如下所示：

测量原理：高炉热平衡

表3.实施例2的结果

表将基准实施例、实施例1的结果分别与实施例2的结果进行对比，对比结果见表4。

表4.结果对比

通过结果对比可以看出，传统氧化性气氛下的煤粉热值检测方法无法准确代表在高炉还原性气氛下煤粉的实际发热值，而利用本申请方法计算出的工况下的煤粉发热值与煤粉在高炉的实际发热值变化趋势一致，结果接近，比传统测量发热值相比更具有代表性。

从前述中可以理解，尽管为了示例性说明的目的描述了本发明的具体实施方案，但是在不偏离本发明的精神和范围的条件下，本领域所述技术人员可以作出各种变形或改进。这些变形或修改都应落入本申请所附权利要求的范围。

Claims (4)

1.煤粉在高炉内的发热值的计算方法，其包括：

a)测定所述煤粉的含碳量M_C、含氢量M_H2、含硫量M_S、挥发分M_V；以及

b)计算所述煤粉在高炉内的发热值Q；

其中：

Q＝Q₁+Q₂+Q₃+Q₄；

Q₁为煤粉炉缸发热量，Q₁＝9208×M_C，单位为KJ；

Q₂为煤粉高炉块状带发热量，Q₂＝23617×A×M_C+121000×(0.0014X²+0.0094X+0.798)A×M_H2，单位为KJ；

Q₃为煤粉在高炉内脱硫耗热量，Q₃＝-4659×M_S，单位为KJ；

Q₄为煤粉在高炉内挥发物分解耗热量，Q₄＝-(0.3305Y²-14.45Y+5700)×M_V，单位为KJ；

X为高炉煤气中H₂的体积百分比份数；

A为活度因子，取值范围为0.30-0.52；

Y为挥发物的质量百分比份数；以及

M_C、M_H2、M_S和M_V的单位皆为Kg。

2.如权利要求1所述的计算方法，其中Q₂＝23617×A×M_C+121000×(0.8-0.88)A×M_H2。

3.如权利要求1或2所述的计算方法，其中Q₂＝23617×A×M_C+121000×0.8A×M_H2。

4.如权利要求1至3中任一权利要求所述的计算方法，其中Q₄＝-5550×M_V。