基于镍铁冶炼工艺流程中物质流和能量流的模型与软件

通过对镍铁冶炼生产工艺中物质流和能量流平衡过程研究,获得了镍铁冶炼工艺中各个环节热量的利用率和损耗情况,以及红土矿、还原剂和熔剂在各部分中反应率,并分析了红土矿和镍铁合金中Ni含量对炉渣中镍铁成分的影响.构建针对镍铁冶炼工艺系统的总体物质流和能量流计算模型,在保证系统总体计算模型的前提下,又具有协同各子工艺系统的物质流和能量流计算模型的功能.依据各子工艺系统中物质流和能量流的关联性,计算烟气和炉气的利用率及热量损失,并利用VB软件对冶炼工艺流程计算软件进行开发.

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工程科学学报，第37卷，第7期：857866,2015年7月 Chinese Journal of Engineering,Vol.37,No.7:857-866,July 2015 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2015.07.006:http://journals.ustb.edu.cn 基于镍铁治炼工艺流程中物质流和能量流的模型与软件刘鹏，李宝宽，吴文远东北大学材料与治金学院，沈阳110819 ☒通信作者，E-mail:ibk@smm.neu.cdu.cn 摘要通过对镍铁治炼生产工艺中物质流和能量流平衡过程研究，获得了镍铁治炼工艺中各个环节热量的利用率和损耗情况，以及红土矿、还原剂和熔剂在各部分中反应率，并分析了红土矿和镍铁合金中含量对炉渣中镍铁成分的影响.构建针对镍铁治炼工艺系统的总体物质流和能量流计算模型，在保证系统总体计算模型的前提下，又具有协同各子工艺系统的物质流和能量流计算模型的功能。依据各子工艺系统中物质流和能量流的关联性，计算烟气和炉气的利用率及热量损失，并利用VB软件对治炼工艺流程计算软件进行开发关键词镍铁合金：治炼：能量流：物质流：数学模型：软件分类号TF644 Model and software of materials flow and energy flow in ferronickel smelting LIU Peng,LI Bao-kuan,WU Wen-yuan School of Materials and Metallurgy,Northeastem University,Shenyang 110819,China Corresponding author,E-mail:libk@smm.neu.edu.cn ABSTRACT On the basis of studies on material flow and energy flow balances in ferronickel smelting,the utilization rate and heat loss of every process were obtained,and the reaction rates of ores,reductants and fluxes were calculated in each part of the ferronickel smelting process.The effect of nickel content in the nickel laterite ore and ferronickel alloy on the contents of nickel and iron in the slag was analyzed.Computational models of overall material flow and energy flow were built.In addition to the function of calculating overall material flow and energy flow in the system,the computational models also have the function of coordinating material flow and energy flow among subsystems.Based on the relevance of material flow and energy flow in each subsystem,the utilization rate and heat loss of flue gas and furnace gas were calculated,and the calculation software of the overall ferronickel smelting process was developed by using Visual Basic. KEY WORDS ferronickel alloys;smelting:energy flow:material flow:mathematical models;software 在利用火法熔炼红土镍矿制备镍铁的回转窑一矿对于提高产品的质量具有重要意义. 热炉(RKEF)工艺中，红土镍矿在干燥筒和回转窑中目前，采用火法治炼红土镍矿比较普遍，而针对火脱水程度及还原剂对镍铁矿中氧化物的还原率直接受法治炼红土镍矿生产镍铁制品工艺的研究方法很多. 温度影响，而温度的控制又受制于干燥筒、回转窑和矿例如彭志刚四利用计算回转窑一矿热炉治炼镍铁的工热炉中热量的利用率.通过物质流计算可掌握物料在艺系统的质量、能量和的平衡计算，以及分析不同工干燥筒、回转窑和矿热炉中的反应率和消耗量.因此，况和参数下能源利用率的变化，对比不同参数下系统研究回转窑一矿热炉工艺中能量流和物质流计算结果效率的影响趋势，揭示能量的利用率，能量损耗的环收稿日期：2013-1205 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51210007)

工程科学学报，第 37 卷，第 7 期: 857--866，2015 年 7 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 37，No． 7: 857--866，July 2015 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2015． 07． 006; http: / /journals． ustb． edu． cn 基于镍铁冶炼工艺流程中物质流和能量流的模型与软件刘鹏，李宝宽，吴文远东北大学材料与冶金学院，沈阳 110819  通信作者，E-mail: libk@ smm． neu． edu． cn 摘要通过对镍铁冶炼生产工艺中物质流和能量流平衡过程研究，获得了镍铁冶炼工艺中各个环节热量的利用率和损耗情况，以及红土矿、还原剂和熔剂在各部分中反应率，并分析了红土矿和镍铁合金中 Ni 含量对炉渣中镍铁成分的影响．构建针对镍铁冶炼工艺系统的总体物质流和能量流计算模型，在保证系统总体计算模型的前提下，又具有协同各子工艺系统的物质流和能量流计算模型的功能．依据各子工艺系统中物质流和能量流的关联性，计算烟气和炉气的利用率及热量损失，并利用 VB 软件对冶炼工艺流程计算软件进行开发．关键词镍铁合金; 冶炼; 能量流; 物质流; 数学模型; 软件分类号 TF644 Model and software of materials flow and energy flow in ferronickel smelting LIU Peng，LI Bao-kuan ，WU Wen-yuan School of Materials and Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110819，China  Corresponding author，E-mail: libk@ smm． neu． edu． cn ABSTＲACT On the basis of studies on material flow and energy flow balances in ferronickel smelting，the utilization rate and heat loss of every process were obtained，and the reaction rates of ores，reductants and fluxes were calculated in each part of the ferronickel smelting process． The effect of nickel content in the nickel laterite ore and ferronickel alloy on the contents of nickel and iron in the slag was analyzed． Computational models of overall material flow and energy flow were built． In addition to the function of calculating overall material flow and energy flow in the system，the computational models also have the function of coordinating material flow and energy flow among subsystems． Based on the relevance of material flow and energy flow in each subsystem，the utilization rate and heat loss of flue gas and furnace gas were calculated，and the calculation software of the overall ferronickel smelting process was developed by using Visual Basic． KEY WOＲDS ferronickel alloys; smelting; energy flow; material flow; mathematical models; software 收稿日期: 2013--12--05 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51210007) 在利用火法熔炼红土镍矿制备镍铁的回转窑--矿热炉( ＲKEF) 工艺中，红土镍矿在干燥筒和回转窑中脱水程度及还原剂对镍铁矿中氧化物的还原率直接受温度影响，而温度的控制又受制于干燥筒、回转窑和矿热炉中热量的利用率．通过物质流计算可掌握物料在干燥筒、回转窑和矿热炉中的反应率和消耗量．因此，研究回转窑--矿热炉工艺中能量流和物质流计算结果对于提高产品的质量具有重要意义．目前，采用火法冶炼红土镍矿比较普遍，而针对火法冶炼红土镍矿生产镍铁制品工艺的研究方法很多．例如彭志刚［1］利用计算回转窑--矿热炉冶炼镍铁的工艺系统的质量、能量和的平衡计算，以及分析不同工况和参数下能源利用率的变化，对比不同参数下系统效率的影响趋势，揭示能量的利用率，能量损耗的环

·858· 工程科学学报，第37卷，第7期节和原因：卢红波网利用HSC Chemistry热力学软件对据，根据已知初始物料条件、过程参数和预定最终产品红土镍矿电炉还原熔炼镍铁合金过程进行热力学分条件，计算干燥筒、回转窑和矿热炉中物料和产物的进析，结果表明红土镍矿电炉还原反应分为还原和分解出平衡关系及热量的利用和损耗情况，在满足系统总两个过程，并掌握了物料还原和分解的先后顺序：刘志体物质流和能量流计算模型合理的前提下，又具有协宏等因对红土镍矿进行DTA-TG分析，确定脱水和固同各子工艺系统的物质流和能量流计算模型的功能，体碳还原反应的温度区间，并采用控制CaO加入量的依据总体工艺系统和各子工艺系统物质流和能量流的方法调节炉渣的黏度和密度，从而提高金属与渣分离关联性，计算各子工艺系统中未知量的值，掌握各子工及镍回收率提高等问题，以及还原剂焦粉及CaO用艺系统中热量的输入和输出情况及物料的反应率可，量、温度和时间对熔炼效果的影响：张夫恩等田论述了并按照计算值进行红土镍矿的配料、干燥、预还原煤粉在风口前燃烧取代焦炭的根本原因，并根据焦炭等9，为回转窑一矿热炉生产工艺提供合理的操作参与煤粉在风口前燃烧的不同特点，提出计算两者有效数，从而实现提高生产能力，降低原材料消耗和成本，热量的热平衡模型，通过这种计算模型，可以分析喷煤提高镍铁产品质量和经济效益，最大限度利用余热和对高炉治炼指标的影响，确定喷煤量与各种高炉治炼矿热炉炉气.回转窑一矿热炉工艺过程的物质流和能指标之间的定量关系；Tan和Neuschutz建立一个热量流示意图分别为图1和图2 力学模型用来预测Ni、Cu、Co、Fe、S等元素在快速镍气锍熔炼过程和NCO公司快速熔炼过程中的分布，通烟煤 (除尘) 过实验证明这些元素在镍熔炼炉中的分布取决于熔化温度、氧气局部压力等过程参数：Pk等圆根据热重量粉尘造粒（含N) 湿红土矿（游分析，在不同比例混合氧化物下研究还原性和动力学离水23) 简 ←烟煤反应机制，并发现最初还原反应阶段是由气体扩散和 +一石灰石红上矿（游离水7% 一无烟煤界面化学反应机理共同控制的.目前，虽然对回转窑一矿热窑工艺中质量、能量和的平衡计算，以及物料、回转还原剂、溶剂和煤粉对镍铁治炼反应的影响等进行大量研究，但对于总体工艺系统和各子工艺系统物质流和能量流关联性，及各子工艺系统之间质量和能量的培烧砂热料游离水0) 转换和损耗的研究还有不足.本文立足于物质流与能量流关联性，计算红土矿、烟煤和无烟煤等在各个环节中反应率、变化量及成分本研究构建针对回转窑一矿热炉工艺流程系统的总体物质流和能量流计算模型，通过总体镍铁治炼工综铁炉清合金艺中物质流和能量流计算，掌握治炼工艺中红土矿由图1回转窑-矿热炉工艺中物质流示意图干燥筒进入回转窑期间和由回转窑进入矿热炉期间热 Fig.1 Schematic illustration of material flow in RKEF process 量的损失量，由回转窑进入到干燥筒中烟气的利用率和热量损失量，以及由矿热炉进入回转窑中炉气的利如图1可知，干燥筒中输入物料量包含湿红土矿用率和热量损耗量等；在研究总体工艺系统和各子工 (游离水23%和结晶水12%)、烟煤以及由回转窑产生艺系统物质流和能量流关联性的基础上，同时利用含粉尘烟气：输出物料量有烟气（除尘）、红土矿（游离 Visual Basic(VB)编程对总体治炼工艺流程的物质水7%和结晶水12%)和粉尘造粒（含N).回转窑中流、能量流和相关工艺参数的计算进行软件开发，便于输入物料量包含红土矿（游离水7%和结晶水12%）、计算和检验其工况操作参数下热源和物料的利用率、粉尘造粒（含N)、烟煤、无烟煤、石灰石和净化后炉产品生成量及烟气和炉渣排放量，从而对热量的转化气：输出物料量有含粉尘烟气及焙烧砂热料（游离水和利用情况进行更真实、更科学的分析和评价，得出热 0%和结晶水0%).矿热炉中输入物料量包含焙烧砂量损耗的程度和部位以及热量损失的原因，为降低能热料及随焙烧砂带入的烟气：输出物料量有净化后炉耗、成本及提高产品质量提供理论依据气、炉渣和粗镍铁制品如图2所示，干燥筒中输入热量包含烟煤燃烧热、 1镍铁冶炼工艺中物质流和能量流理论烟煤带入热量、红土矿带入热量、水分带入热量、空气 1.1物质流和能量流流程构架带入热量和回转窑烟气带入热量：输出热量包含烟气物质流和能量流是以物质和能量守恒为理论依带走热量、红土矿带走热量、7%游离水带走热量、水分

工程科学学报，第 37 卷，第 7 期节和原因; 卢红波［2］利用 HSC Chemistry 热力学软件对红土镍矿电炉还原熔炼镍铁合金过程进行热力学分析，结果表明红土镍矿电炉还原反应分为还原和分解两个过程，并掌握了物料还原和分解的先后顺序; 刘志宏等［3］对红土镍矿进行 DTA － TG 分析，确定脱水和固体碳还原反应的温度区间，并采用控制 CaO 加入量的方法调节炉渣的黏度和密度，从而提高金属与渣分离及镍回收率提高等问题，以及还原剂焦粉及 CaO 用量、温度和时间对熔炼效果的影响; 张夫恩等［4］论述了煤粉在风口前燃烧取代焦炭的根本原因，并根据焦炭与煤粉在风口前燃烧的不同特点，提出计算两者有效热量的热平衡模型，通过这种计算模型，可以分析喷煤对高炉冶炼指标的影响，确定喷煤量与各种高炉冶炼指标之间的定量关系; Tan 和 Neuschutz［5］建立一个热力学模型用来预测 Ni、Cu、Co、Fe、S 等元素在快速镍锍熔炼过程和 INCO 公司快速熔炼过程中的分布，通过实验证明这些元素在镍熔炼炉中的分布取决于熔化温度、氧气局部压力等过程参数; Pak 等［6］根据热重量分析，在不同比例混合氧化物下研究还原性和动力学反应机制，并发现最初还原反应阶段是由气体扩散和界面化学反应机理共同控制的．目前，虽然对回转窑-- 矿热窑工艺中质量、能量和的平衡计算，以及物料、还原剂、溶剂和煤粉对镍铁冶炼反应的影响等进行大量研究，但对于总体工艺系统和各子工艺系统物质流和能量流关联性，及各子工艺系统之间质量和能量的转换和损耗的研究还有不足．本文立足于物质流与能量流关联性，计算红土矿、烟煤和无烟煤等在各个环节中反应率、变化量及成分．本研究构建针对回转窑--矿热炉工艺流程系统的总体物质流和能量流计算模型，通过总体镍铁冶炼工艺中物质流和能量流计算，掌握冶炼工艺中红土矿由干燥筒进入回转窑期间和由回转窑进入矿热炉期间热量的损失量，由回转窑进入到干燥筒中烟气的利用率和热量损失量，以及由矿热炉进入回转窑中炉气的利用率和热量损耗量等; 在研究总体工艺系统和各子工艺系统物质流和能量流关联性的基础上，同时利用 Visual Basic ( VB) 编程对总体冶炼工艺流程的物质流、能量流和相关工艺参数的计算进行软件开发，便于计算和检验其工况操作参数下热源和物料的利用率、产品生成量及烟气和炉渣排放量，从而对热量的转化和利用情况进行更真实、更科学的分析和评价，得出热量损耗的程度和部位以及热量损失的原因，为降低能耗、成本及提高产品质量提供理论依据． 1 镍铁冶炼工艺中物质流和能量流理论 1. 1 物质流和能量流流程构架物质流和能量流是以物质和能量守恒为理论依据，根据已知初始物料条件、过程参数和预定最终产品条件，计算干燥筒、回转窑和矿热炉中物料和产物的进出平衡关系及热量的利用和损耗情况，在满足系统总体物质流和能量流计算模型合理的前提下，又具有协同各子工艺系统的物质流和能量流计算模型的功能，依据总体工艺系统和各子工艺系统物质流和能量流的关联性，计算各子工艺系统中未知量的值，掌握各子工艺系统中热量的输入和输出情况及物料的反应率［7］，并按照计算值进行红土镍矿的配料、干燥、预还原等［8 － 9］，为回转窑--矿热炉生产工艺提供合理的操作参数，从而实现提高生产能力，降低原材料消耗和成本，提高镍铁产品质量和经济效益，最大限度利用余热和矿热炉炉气．回转窑--矿热炉工艺过程的物质流和能量流示意图分别为图 1 和图 2．图 1 回转窑--矿热炉工艺中物质流示意图 Fig． 1 Schematic illustration of material flow in ＲKEF process 如图 1 可知，干燥筒中输入物料量包含湿红土矿 ( 游离水23% 和结晶水12% ) 、烟煤以及由回转窑产生含粉尘烟气; 输出物料量有烟气( 除尘) 、红土矿( 游离水 7% 和结晶水 12% ) 和粉尘造粒( 含 Ni) ．回转窑中输入物料量包含红土矿( 游离水 7% 和结晶水 12% ) 、粉尘造粒( 含 Ni) 、烟煤、无烟煤、石灰石和净化后炉气; 输出物料量有含粉尘烟气及焙烧砂热料( 游离水 0% 和结晶水 0% ) ．矿热炉中输入物料量包含焙烧砂热料及随焙烧砂带入的烟气; 输出物料量有净化后炉气、炉渣和粗镍铁制品．如图 2 所示，干燥筒中输入热量包含烟煤燃烧热、烟煤带入热量、红土矿带入热量、水分带入热量、空气带入热量和回转窑烟气带入热量; 输出热量包含烟气带走热量、红土矿带走热量、7% 游离水带走热量、水分 · 858 ·

刘鹏等：基于镍铁冶炼工艺流程中物质流和能量流的模型与软件 859 蒸发带走热量及热损失.回转窑中输入热量包含烟煤温度是950℃. 燃烧热、烟煤带入热量、矿热炉炉气燃烧热、矿热炉炉 1.3数学模型气带入热量、空气带入热量、红土矿带入热量、水分带镍铁治炼能耗物耗分析系统，以物质流和能量流入热量、石灰石带入热量和无烟煤带入热量：输出热量为基础，建立镍铁治炼物耗能耗计算模型包含烟气带走热量、焙烧砂带走热量、还原反应吸热、 (1)镍铁治炼物质流计算. 水分蒸发带走热量、石灰石分解吸热和热损失.矿热 ①干燥筒物质流计算炉中输入热量包含电能转换热、焙烧砂带入热量、CO 物料收入：生成热和造渣反应热量：输出热量包含粗镍铁制品带 W-n=W干-楼+W干空+W国-烟+W干-1 (1) 走热量、反应吸热、炉渣铁带走热量、炉气带走热量、炉物料支出：壁散热、电损失、物料熔化热和冷却水热损失 W-=W干-的+W干-烟 (2) 7%游水蒸红士其中， W干爆=W回-瓶+W干-+W干-m,+W千0+ ·烟煤燃烧热 W千0，+W千0. (3) 无烟煤带入热量式中：W干-为烟煤量，：W干-空为燃烧空气量，：W回- 矿热炉炉气磁烧热为回转窑中烟气排放量，：W-1为红土矿输入量，t; W2为红土矿输出量，：W为烟气排放量，：W-飞石带人热量为助燃空气中剩余的N,量，：W-0,为燃烧产生的C02 量热可转回转窑烟气带人热量，：Wo为蒸发产生的水蒸气量，：Ws,为燃烧产烟气损失热 +还原反应吸热石灰石分解吸热生的S0,量，t:Wo,为助燃空气中剩余的02量，l. 焙烧砂损失热品 ②回转窑物质流计算物料收入： W国a=W日-+W气+W日空+W干-+ W日培+W国螺 (4) 物料支出： W国=W国-格十W国-烟 (5) 量其中，图2回转窑一矿热炉工艺中能量流示意图 W目-限=W国-X+W日-0，+W国0+W日s0,+W国-0， Fig.2 Schematic illustration of energy flow in RKEF process (6) 碱度比关系式： 1.2计算所需原始数据物质流和能量流计算所需的基本数据：每小时镍 Wg-s(Ca0%)+We+Wa-s(Mg0%）:a.(7） Wso,+W-(Si02%) 铁产品产量、镍铁产品中N含量、湿红土矿成分、烟煤熔剂量：成分、无烟煤成分和熔剂成分.生产工艺要求：在干燥 aWsio.-WMgo 筒中的热源，主要利用回转窑排出的烟气来进行物料 Wa-t=(Ca0%)+(Mg09%)-a(Ssi0,% (8) 干燥工艺，而热量不足时用烟煤燃烧提供辅助热源，经式中：W国为烟煤量，W-炉气为矿热炉炉气量，【：干燥筒后游离水剩余7%：随粉尘带出的N经除尘处 W县空为燃烧空气量，；W国为熔剂输入量，：W日为理后再输入回转窑中，此过程认为Ni成分没有损失. 无烟煤输入量，；Wa为焙烧砂输出量，；W心，为烟在回转窑中，红土矿中的游离水和结晶水将被彻底去气中N2的质量，t:W国-0，为烟气中C02的质量，t:W回-0 除：热源方面，利用矿热炉中所排出的炉气和烟煤作为为蒸发产生的水蒸气，；W国s,为烟气中S0,的质量，t: 燃料燃烧提供热源，其中矿热炉提供的炉气进入到回 Wo,为烟气中02的质量，t;Wo为红土矿中Mg0质转窑中时温度为230℃：还原剂（无烟煤）和红土矿掺量，t:Wo,为红土矿中Si02质量，t;a为碱度比，这里取混到一起进入回转窑中进行还原反应：烟煤只用来燃 0.8. 烧，无烟煤只进行还原反应：熔剂（石灰石）和物料参 ③矿热炉物质流计算混到一起，用来控制物料的酸碱比及降低渣的熔点，促物料收入：进渣金分离：由回转窑焙烧后出来的焙烧砂的温度是 W矿n=W国-培+W矿-烟 (9) 900℃直接进入矿热电炉中.矿热电炉的热源来自于物料支出：电极加热，为封闭式矿热电炉，而矿热电炉排出的炉气 W对-=W时-牌铁+W矿-益+W矿-的气 (10)

刘鹏等: 基于镍铁冶炼工艺流程中物质流和能量流的模型与软件蒸发带走热量及热损失．回转窑中输入热量包含烟煤燃烧热、烟煤带入热量、矿热炉炉气燃烧热、矿热炉炉气带入热量、空气带入热量、红土矿带入热量、水分带入热量、石灰石带入热量和无烟煤带入热量; 输出热量包含烟气带走热量、焙烧砂带走热量、还原反应吸热、水分蒸发带走热量、石灰石分解吸热和热损失．矿热炉中输入热量包含电能转换热、焙烧砂带入热量、CO 生成热和造渣反应热量; 输出热量包含粗镍铁制品带走热量、反应吸热、炉渣铁带走热量、炉气带走热量、炉壁散热、电损失、物料熔化热和冷却水热损失．图 2 回转窑--矿热炉工艺中能量流示意图 Fig． 2 Schematic illustration of energy flow in ＲKEF process 1. 2 计算所需原始数据物质流和能量流计算所需的基本数据: 每小时镍铁产品产量、镍铁产品中 Ni 含量、湿红土矿成分、烟煤成分、无烟煤成分和熔剂成分．生产工艺要求: 在干燥筒中的热源，主要利用回转窑排出的烟气来进行物料干燥工艺，而热量不足时用烟煤燃烧提供辅助热源，经干燥筒后游离水剩余 7% ; 随粉尘带出的 Ni 经除尘处理后再输入回转窑中，此过程认为 Ni 成分没有损失．在回转窑中，红土矿中的游离水和结晶水将被彻底去除; 热源方面，利用矿热炉中所排出的炉气和烟煤作为燃料燃烧提供热源，其中矿热炉提供的炉气进入到回转窑中时温度为 230 ℃ ; 还原剂( 无烟煤) 和红土矿掺混到一起进入回转窑中进行还原反应; 烟煤只用来燃烧，无烟煤只进行还原反应; 熔剂( 石灰石) 和物料掺混到一起，用来控制物料的酸碱比及降低渣的熔点，促进渣金分离; 由回转窑焙烧后出来的焙烧砂的温度是 900 ℃直接进入矿热电炉中．矿热电炉的热源来自于电极加热，为封闭式矿热电炉，而矿热电炉排出的炉气温度是 950 ℃ ． 1. 3 数学模型镍铁冶炼能耗物耗分析系统，以物质流和能量流为基础，建立镍铁冶炼物耗能耗计算模型． ( 1) 镍铁冶炼物质流计算． ①干燥筒物质流计算．物料收入: W干--in = W干--煤 + W干--空 + W回--烟 + W干--矿1 ． ( 1) 物料支出: W干--out = W干--矿2 + W干--烟． ( 2) 其中， W干--烟 = W回--烟 + W干--N2 + W干--CO2 + W干--H2O + W干--SO2 + W干--O2 ． ( 3) 式中: W干--煤为烟煤量，t; W干--空为燃烧空气量，t; W回--烟为回转窑中烟气排放量，t; W干--矿1 为红土矿输入量，t; W干--矿2为红土矿输出量，t; W干--烟为烟气排放量，t; W干--N2 为助燃空气中剩余的 N2量，t; W干--CO2 为燃烧产生的 CO2 量，t; W干--H2O为蒸发产生的水蒸气量，t; W干--SO2 为燃烧产生的 SO2量，t; W干--O2 为助燃空气中剩余的 O2量，t． ②回转窑物质流计算．物料收入: W回--in = W回--煤1 + W矿--炉气 + W回--空 + W干--矿2 + W回--熔 + W回--煤2 ． ( 4) 物料支出: W回--out = W回--焙 + W回--烟． ( 5) 其中， W回--烟 = W回--N2 + W回--CO2 + W回--H2O + W回--SO2 + W回--O2 ． ( 6) 碱度比关系式: W回--熔 ( CaO% ) + WMgO + W回--熔 ( MgO% ) WSiO2 + W回--熔 ( SiO2% ) = a． ( 7) 熔剂量: W回--熔 = aWSiO2 － WMgO ( CaO% ) + ( MgO% ) － a( SiO2% ) ． ( 8) 式中: W回--煤1 为烟煤量，t; W矿--炉气为矿热炉炉气量，t; W回--空为燃烧空气量，t; W回--熔为熔剂输入量，t; W回--煤2为无烟煤输入量，t; W回--焙为焙烧砂输出量，t; W回--N2 为烟气中 N2的质量，t; W回--CO2 为烟气中 CO2的质量，t; W回--H2O 为蒸发产生的水蒸气，t; W回--SO2 为烟气中 SO2的质量，t; W回--O2 为烟气中 O2 的质量，t; WMgO为红土矿中 MgO 质量，t; WSiO2 为红土矿中 SiO2质量，t; a 为碱度比，这里取 0. 8． ③矿热炉物质流计算．物料收入: W矿--in = W回--熔 + W矿--烟． ( 9) 物料支出: W矿--out = W矿--镍铁 + W矿--渣 + W矿--炉气． ( 10) · 958 ·

·860· 工程科学学报，第37卷，第7期炉渣量： ③矿热炉能量流计算 W矿撞=W回-格一Wr-四一Wr-绿铁 (11) 热量输入：炉气量： Qrn=Qr-电1+Qr-培+Qr-o+Q时-恤1· (19) W-炉气=W烟+Wc0 (12) 热量输出：式中：W烟为随焙烧砂进入的烟气量，：Wr-铁为粗 Qr=Qr-牌铁+Q矿-流2+Qr矿-还+Q时-护气+ Nife产品量，t:Wr为炉渣量，t:Wro为还原反应产 Qr-格+Qm-培+Qr-电2+Q矿-水· (20) 生的C0量，t:Wg为干红土矿质量，L. 式中：Qr-电为电能转化热，Mh:Qr将为焙烧砂带 ④镍铁治炼系统物质流计算. 入热量，Mh;Q-为C0生成热，Mh;Qr1为物料收入：造渣反应热，Mh;Q-铁为粗镍铁制品带走热量， W。=W干-迷+W干-空+W回+W日-楼+ Mh-:Q-为炉渣带走热量，h:Qr-运为还原 W回空+W日格+W日照· (13) 反应吸热，Mh:Qr-4为炉气带走热量，Mh: 物料支出： Wa=W干爆+Wg-像铁+W矿-道 (14) Qr-a为热损失，Mh:Qr为物料熔化热，Mh: (2)镍铁治炼能量流计算. Qr-电2为电损失，Mh:Q-*为水冷散热，M山h. ①干燥筒能量流计算 ④镍铁治炼系统总能量流计算热量输入：热量输入： Q干m=Q干-w1+Q干-+Q干1+Q干-水1+ Qn=Q干n+Q日m+Qrn· (21) (15) 热量输出： Q于-空+Q干1· 热量输出： Qm=Q干-ut+Q日-u+Qr-a (22) 其中，能量流中烟煤和C0气体燃烧所需空气量计算 Q干a=Q千-2+Q干2+Q干-和+Q干-水+Q干-格公式如下所示. (16) 烟煤燃烧需要理论空气量：式中：Q-为烟煤燃烧热，Mh:Q-为烟煤带入 L。=0.0889用+0.2667u用+0.0333（用-w用）. 热量，Mh:Qr1为红土矿带入热量，Mh:Q-* 为红土矿和烟煤的水分带入热量，Mh:Q-空为空 (23) 烟煤燃烧需要实际空气量：气带入热量，h:Q-为回转窑烟气带入热量， W=bL。W磁 (24) MhQ-为烟气带走热量，Mh;Q为红土 C0燃烧需要的理论空气量：矿带走热量，Mh:Q-为7%游离水带走热量， L,=(0.5p品+0.5p提+20+3p.- MhQ-为水分蒸发带走热量，Mh:Q-B为 p+1.5p是)/21. (25) 热损失，Mh 总C0燃烧时需要的实际空气量： ②回转窑能量流计算 V=bLoV气 (26) 热量输入：式中：L。为理论空气量，m3t或m3·m3;用、w用、用 Q日-=Q国-w+Q月-阳+Q回-炉气1+Q回-的e+ 和用分别为燃料中C、H、S和0应用成分的质量分 Q日-空+Q日-n+Q日-水1+Q目-格+Q国-地·(17) 热量输出：数：p恶p混、p温pp和p限分别为燃料中C0、 H2CHC,H、02和H2S湿成分的体积分数；b为空气 Q日=Q回-烟+Q日格+Q回-还+Q日-水2+ 系数；W为烟煤燃烧空气量，；V为炉气燃烧空气量， Q日w1+Q回结· (18) mh:V气为炉气体积，mh. 式中：Q国-w为烟煤燃烧热，Mh;Q国2为烟煤带入热量，h-:Q为炉气燃烧热，h:Qae 热损失包含有炉壁散热损失、炉底散热、出料炉门散热、进料炉门散热等项，其计算公式如下，为炉气带入热量，Mh:Q国-空为空气带入热量，M训· ①炉壁散热损失. h:Qa-为红土矿带入热量，M训h:Qa-水为红土炉壁散热的总换热系数：矿、烟煤和无烟煤的水分带入热量，M山h:Qa熔为熔 a总=a辐+a对=C导【《T/100)4- 剂带入热量，Mh:Q回-为无烟煤带入热量，M· (T室/100)门/（壁-t室）+C(tg-t空)a5.(27) hQ为烟气带走热量，Mh;Q#为焙烧砂带干燥筒壁散失的热量：走热量，Mh:Q国-为还原反应吸热，h:Qa- Q壁=3.6F壁aa(L壁-t空). (28) 为水蒸发带走热量，Mh:Q日1为石灰石热分解吸 ②炉底散热热，Mh:Qa-为热损失，Mh. 炉底散热：

工程科学学报，第 37 卷，第 7 期炉渣量: W矿--渣 = W回--焙－ W矿--CO － W矿--镍铁． ( 11) 炉气量: W矿--炉气 = W矿--烟 + W矿--CO ． ( 12) 式中: W矿--烟为随焙烧砂进入的烟气量，t; W矿--镍铁为粗 NiFe 产品量，t; W矿--渣为炉渣量，t; W矿--CO为还原反应产生的 CO 量，t; W干矿为干红土矿质量，t． ④镍铁冶炼系统物质流计算．物料收入: Win = W干--煤 + W干--空 + W回--矿1 + W回--煤1 + W回--空 + W回--熔 + W回--煤2 ． ( 13) 物料支出: Wout = W干--烟 + W矿--镍铁 + W矿--渣． ( 14) ( 2) 镍铁冶炼能量流计算． ①干燥筒能量流计算．热量输入: Q干--in = Q干--煤1 + Q干--煤2 + Q干--矿1 + Q干--水1 + Q干--空 + Q干--烟1 ． ( 15) 热量输出: Q干--out = Q干--烟2 + Q干--矿2 + Q干--水2 + Q干--水3 + Q干--热． ( 16) 式中: Q干--煤1为烟煤燃烧热，MJ·h--1 ; Q干--煤2 为烟煤带入热量，MJ·h--1 ; Q干--矿1为红土矿带入热量，MJ·h － 1 ; Q干--水1 为红土矿和烟煤的水分带入热量，MJ·h － 1 ; Q干--空为空气带入热量，MJ·h － 1 ; Q干--烟1 为回转窑烟气带入热量， MJ·h － 1 ; Q干--烟2为烟气带走热量，MJ·h － 1 ; Q干--矿2为红土矿带走热量，MJ·h － 1 ; Q干--水2 为 7% 游离水带走热量， MJ·h － 1 ; Q干--水3为水分蒸发带走热量，MJ·h － 1 ; Q干--热为热损失，MJ·h － 1 ． ②回转窑能量流计算．热量输入: Q回--in = Q回--煤1 + Q回--煤2 + Q回--炉气1 + Q回--炉气2 + Q回--空 + Q回--矿1 + Q回--水1 + Q回--熔 + Q回--煤3 ． ( 17) 热量输出: Q回--out = Q回--烟 + Q回--焙 + Q回--还 + Q回--水2 + Q回--熔1 + Q回--热． ( 18) 式中: Q回--煤1为烟煤燃烧热，MJ·h － 1 ; Q回--煤2为烟煤带入热量，MJ·h － 1 ; Q回--炉气1 为炉气燃烧热，MJ·h － 1 ; Q回--炉气2 为炉气带入热量，MJ·h － 1 ; Q回--空为空气带入热量，MJ· h － 1 ; Q回--矿1为红土矿带入热量，MJ·h － 1 ; Q回--水1 为红土矿、烟煤和无烟煤的水分带入热量，MJ·h － 1 ; Q回--熔为熔剂带入热量，MJ·h － 1 ; Q回--煤3 为无烟煤带入热量，MJ· h － 1 ; Q回--烟为烟气带走热量，MJ·h － 1 ; Q回--焙为焙烧砂带走热量，MJ·h － 1 ; Q回--还为还原反应吸热，MJ·h － 1 ; Q回--水2 为水蒸发带走热量，MJ·h － 1 ; Q回--熔1为石灰石热分解吸热，MJ·h － 1 ; Q回--热为热损失，MJ·h － 1 ． ③矿热炉能量流计算．热量输入: Q矿--in = Q矿--电1 + Q矿--焙 + Q矿--CO + Q矿--渣1 ． ( 19) 热量输出: Q矿--out = Q矿--镍铁 + Q矿--渣2 + Q矿--还 + Q矿--炉气 + Q矿--热 + Q矿--熔 + Q矿--电2 + Q矿--水． ( 20) 式中: Q矿--电1为电能转化热，MJ·h － 1 ; Q矿--焙为焙烧砂带入热量，MJ·h － 1 ; Q矿--CO为 CO 生成热，MJ·h － 1 ; Q矿--渣1为造渣反应热，MJ·h － 1 ; Q矿--镍铁为粗镍铁制品带走热量， MJ·h － 1 ; Q矿--渣2为炉渣带走热量，MJ·h － 1 ; Q矿--还为还原反应吸热，MJ·h － 1 ; Q矿--炉气为炉气带走热量，MJ·h － 1 ; Q矿--热为热损失，MJ·h － 1 ; Q矿--熔为物料熔化热，MJ·h － 1 ; Q矿--电2为电损失，MJ·h － 1 ; Q矿--水为水冷散热，MJ·h － 1 ． ④镍铁冶炼系统总能量流计算．热量输入: Qin = Q干--in + Q回--in + Q矿--in ． ( 21) 热量输出: Qout = Q干--out + Q回--out + Q矿--out ． ( 22) 其中，能量流中烟煤和 CO 气体燃烧所需空气量计算公式如下所示．烟煤燃烧需要理论空气量: L0 = 0. 0889w用 C + 0. 2667w用 H + 0. 0333( w用 S － w用 O ) ． ( 23) 烟煤燃烧需要实际空气量: W = bL0W煤． ( 24) CO 燃烧需要的理论空气量: L0 = ( 0. 5φ 湿 CO + 0. 5φ 湿 H2 + 2φ 湿 CH4 + 3φ 湿 C2H4 － φ 湿 O2 + 1. 5φ 湿 H2S ) /21. ( 25) 总 CO 燃烧时需要的实际空气量: V = bL0V炉气． ( 26) 式中: L0为理论空气量，m3 ·t － 1或 m3 ·m － 3 ; w用 C 、w用 H 、w用 S 和 w用 O 分别为燃料中 C、H、S 和 O 应用成分的质量分数; φ 湿 CO、φ 湿 H2 、φ 湿 CH4 、φ 湿 C2H4 、φ 湿 O2 和 φ 湿 H2S 分别为燃料中 CO、 H2、CH4、C2H4、O2和 H2 S 湿成分的体积分数; b 为空气系数; W 为烟煤燃烧空气量，t; V 为炉气燃烧空气量， m3 ·h － 1 ; V炉气为炉气体积，m3 ·h － 1 ．热损失包含有炉壁散热损失、炉底散热、出料炉门散热、进料炉门散热等项，其计算公式如下． ①炉壁散热损失．炉壁散热的总换热系数: α总 = α辐 + α对 = C导［( T壁 /100) 4 － ( T空 /100) 4 ］/( t壁－ t空 ) + C ( t壁－ t空 ) 0. 25 ． ( 27) 干燥筒壁散失的热量: Q壁 = 3. 6F壁 α总 ( t壁－ t空 ) ． ( 28) ②炉底散热．炉底散热: · 068 ·

刘鹏等：基于镍铁治炼工艺流程中物质流和能量流的模型与软件 861 Q底=3.6q底F底=3.6kpA/D(L内-1空)F度·(29) 2Ni0+2C+02=2Ni+2C02↑， ③出料炉门散热 Fe,03+C0=2Fe0+C02↑，出料炉门辐射散热量： Fe0+C0=fe+C02↑， Q孔=20.41(T/100)F乳中k开和 (30) CaC0,=Ca0+C02↑，出料炉门漏气量： C+C02=2C0↑， V,=3600pu乳√p1+B 2△P1 4C+30,=2C0,+2C0↑ (31) 等化学反应，及经干燥筒后红土矿量和成分计算N0、出料炉门漏气散热量： Fe,0,、fe0、C的反应量和Ni、fe0、Ca0、Fe、CO、CO2生 Q孔漏=V。C,l气k开a (32) 成量以及生成的焙烧砂量和成分 ④进料炉门散热. 第四步依据矿热炉中发生进料炉门散热量： NiO+C=Ni+CO↑， Q乳=20.41（T孔100)F孔k开和 (33) Fe0+C=CO↑+Fe, 进料炉门漏气量： Si02+2C=Si+2C0↑， 2AP 1 Cr203+3C=2Cr+3C0↑ ,=3600pF√p1+4 (34) 等化学反应及回转窑焙烧砂量和成分计算出Ni、Fe、进料炉门漏气散热量： Si、C和C0量，炉渣量和成分，还有产生的镍铁产品 Q孔漏=V。C,l1k开和 (35) 量和成分式中：F单为计算散热面积，m:a为外表面对空气的第五步根据对碱度的要求计算熔剂的含量，并辐射给热系数，W·m2.℃；a对为外表面对空气的对依据矿热炉中C0含量计算炉气量和成分，再根据回流给热系数，W·m2℃1：C为导来辐射系数，W· 转窑和矿热炉中C反应量可求无烟煤量. m2,K4;C为实验系数：T和t分别为壁面热力学温第六步根据干燥筒、回转窑和矿热电炉各自热度和摄氏温度：T空和【空为空气热力学温度和摄氏温量守恒，计算干燥筒和回转窑中各自烟煤需要量，进而度：为炉内温度，℃：9底为炉底单位面积散热损失，W 求出产生的烟气量. m2;F账为炉底的内表面，m2;k为考虑到侧炉墙厚度能量流计算步骤：同样以12th的镍铁产品为基础计算影响的系数：©为炉底形状系数；入为炉底材料的导热系数，W·m1℃；D为炉底直径或矩形炉底短边的第一步（干燥筒能量流计算）输入热量：根据已确定的烟煤量计算烟煤燃烧长度，m:T为孔口热力学温度，K;F为炉墙上门孔或热、烟煤带入热量和空气带入热量，由红土矿量计算缝隙的面积，m2;中为遮蔽系数：k和为每小时内孔口红土矿带入热量，由红土矿和烟煤中游离水量计算的散开时间，h·h;u为束流系数；△P为孔或缝附近水分带入热量，由回转窑产生的烟气量计算烟气带炉压，Pap气为漏气在t气下的密度，kgm3B为气体入热量. 的膨胀系数：C,为漏气的平均热容，kJ·(m3.℃)l;t气输出热量：依据烟煤和红土矿中蒸发水量可计算为漏气温度，℃ 蒸发水分带走热量，由干燥后红土矿量可计算剩余红 1.4计算步骤土矿带走热量，由干燥简中产生的烟气量计算烟气带物质流计算步骤0-Ⅲ：以12th的镍铁产品为走的热量，由干燥筒炉体结构和尺寸计算热损失. 基础计算. 第二步（回转窑能量流计算）第一步根据Ni回收率计算含Ni总量，通过红输入热量：根据已确定的烟煤量计算烟煤燃烧热、土矿中Ni的成分计算干红土矿总量，再根据含水率计烟煤带入热量和空气带入热量，由矿热炉炉气量计算算湿红土矿总量，由红土矿成分质量分数计算各成分炉气燃烧热和炉气带入热量，由红土矿量计算红土矿含量. 带入热量，由红土矿、无烟煤和烟煤中游离水量计算水第二步根据工艺脱水要求计算干燥筒中脱水分带入热量，由石灰石量计算石灰石带入热量，由无烟量、剩余红土矿量及其成分，由已确定干燥筒中烟煤量煤量计算还原煤带入反应热和回转窑产生的烟气量计算干燥简中生成烟气量输出热量：依据焙烧砂量可计算焙烧砂带走热量，第三步依据回转窑中发生由还原反应公式计算还原反应热网，由无烟煤、烟煤 2Fe00H-→Fe203+H,0, 和红土矿中含水量计算蒸发水带走热量，由回转窑中 (Mg,Fe,Ni)Si2O;(OH)- 产生的烟气量计算烟气带走的热量，由石灰石量计算 (Mg,Fe,Ni)SiO,+(Mg,Fe,Ni),SiO,+2H,O, 石灰石分解吸收热量，由回转窑炉体结构和尺寸计算

刘鹏等: 基于镍铁冶炼工艺流程中物质流和能量流的模型与软件 Q底 = 3. 6q底 F底 = 3. 6kφλ/D( t内－ t空 ) F底． ( 29) ③出料炉门散热．出料炉门辐射散热量: Q孔辐 = 20. 41 ( T /100) 4 F孔 k开口． ( 30) 出料炉门漏气量: V0 = 3600μF孔 2ΔP 槡ρ气 1 1 + βt气． ( 31) 出料炉门漏气散热量: Q孔漏 = V0Ct t气 k开口． ( 32) ④进料炉门散热．进料炉门散热量: Q孔辐 = 20. 41 ( T孔 /100) 4 F孔 k开口． ( 33) 进料炉门漏气量: V0 = 3600μF孔 2ΔP 槡ρ气 1 1 + βt气． ( 34) 进料炉门漏气散热量: Q孔漏 = V0Ct t气 k开口． ( 35) 式中: F壁为计算散热面积，m2 ; α辐为外表面对空气的辐射给热系数，W·m － 2·℃ － 1 ; α对为外表面对空气的对流给热系数，W·m － 2·℃ － 1 ; C导为导来辐射系数，W· m － 2·K － 4 ; C 为实验系数; T壁和 t壁分别为壁面热力学温度和摄氏温度; T空和 t空为空气热力学温度和摄氏温度; t内为炉内温度，℃ ; q底为炉底单位面积散热损失，W ·m － 2 ; F底为炉底的内表面，m2 ; k 为考虑到侧炉墙厚度影响的系数; φ 为炉底形状系数; λ 为炉底材料的导热系数，W·m － 1·℃ － 1 ; D 为炉底直径或矩形炉底短边的长度，m; T孔为孔口热力学温度，K; F孔为炉墙上门孔或缝隙的面积，m2 ;  为遮蔽系数; k开口为每小时内孔口的敞开时间，h·h － 1 ; μ 为束流系数; ΔP 为孔或缝附近炉压，Pa; ρ气为漏气在 t气下的密度，kg·m － 3 ; β 为气体的膨胀系数; Ct为漏气的平均热容，kJ·( m3 ·℃ ) － 1 ; t气为漏气温度，℃ ． 1. 4 计算步骤物质流计算步骤［10 － 11］: 以 12 t·h － 1的镍铁产品为基础计算．第一步根据 Ni 回收率计算含 Ni 总量，通过红土矿中 Ni 的成分计算干红土矿总量，再根据含水率计算湿红土矿总量，由红土矿成分质量分数计算各成分含量．第二步根据工艺脱水要求计算干燥筒中脱水量、剩余红土矿量及其成分，由已确定干燥筒中烟煤量和回转窑产生的烟气量计算干燥筒中生成烟气量．第三步依据回转窑中发生 2FeOOH Fe → 2O3 + H2O， ( Mg，Fe，Ni) 3 Si2O5 ( OH) 4→ ( Mg，Fe，Ni) SiO3 + ( Mg，Fe，Ni) 2 SiO4 + 2H2O， 2NiO + 2C + O22Ni + 2CO2↑， Fe2O3 + CO 2FeO + CO  2↑， FeO + CO Fe + CO  2↑， CaCO3CaO + CO2↑， C + CO22CO↑， 4C + 3O22CO2 + 2CO↑ 等化学反应，及经干燥筒后红土矿量和成分计算 NiO、 Fe2O3、FeO、C 的反应量和 Ni、FeO、CaO、Fe、CO、CO2生成量以及生成的焙烧砂量和成分．第四步依据矿热炉中发生 NiO + C Ni + CO  ↑， FeO + C CO  ↑ + Fe， SiO2 + 2C Si + 2CO  ↑， Cr2O3 + 3C 2Cr + 3CO  ↑ 等化学反应及回转窑焙烧砂量和成分计算出 Ni、Fe、 Si、Cr 和 CO 量，炉渣量和成分，还有产生的镍铁产品量和成分．第五步根据对碱度的要求计算熔剂的含量，并依据矿热炉中 CO 含量计算炉气量和成分，再根据回转窑和矿热炉中 C 反应量可求无烟煤量．第六步根据干燥筒、回转窑和矿热电炉各自热量守恒，计算干燥筒和回转窑中各自烟煤需要量，进而求出产生的烟气量．能量流计算步骤: 同样以 12 t·h － 1的镍铁产品为基础计算．第一步( 干燥筒能量流计算) 输入热量: 根据已确定的烟煤量计算烟煤燃烧热、烟煤带入热量和空气带入热量，由红土矿量计算红土矿带入热量，由红土矿和烟煤中游离水量计算水分带入热量，由回转窑产生的烟气量计算烟气带入热量．输出热量: 依据烟煤和红土矿中蒸发水量可计算蒸发水分带走热量，由干燥后红土矿量可计算剩余红土矿带走热量，由干燥筒中产生的烟气量计算烟气带走的热量，由干燥筒炉体结构和尺寸计算热损失．第二步( 回转窑能量流计算) 输入热量: 根据已确定的烟煤量计算烟煤燃烧热、烟煤带入热量和空气带入热量，由矿热炉炉气量计算炉气燃烧热和炉气带入热量，由红土矿量计算红土矿带入热量，由红土矿、无烟煤和烟煤中游离水量计算水分带入热量，由石灰石量计算石灰石带入热量，由无烟煤量计算还原煤带入反应热．输出热量: 依据焙烧砂量可计算焙烧砂带走热量，由还原反应公式计算还原反应热［12］，由无烟煤、烟煤和红土矿中含水量计算蒸发水带走热量，由回转窑中产生的烟气量计算烟气带走的热量，由石灰石量计算石灰石分解吸收热量，由回转窑炉体结构和尺寸计算 · 168 ·

·862· 工程科学学报，第37卷，第7期热损失 2 软件的开发与应用第三步（矿热炉能量流计算）输入热量：根据矿热炉所需电能计算电能转化热、由于回转窑一矿热窑生产工艺的物质流和能量流由焙烧砂量计算焙烧砂带入热量，由矿热炉中产生C0 计算比较复杂，且各成分的含量在镍铁治炼过程中随量计算C0生成热，由矿热炉生成渣量计算造渣反工况不同而改变，本研究针对回转窑一矿热炉生产工应热. 艺中12th、粗制镍的质量分数12%、镍的回收率输出热量：依据生成镍铁产品量可计算粗镍铁制 95%、碱度比为0.8和适应不同红土矿、烟煤和无烟煤品带走热量，由还原反应公式计算还原反应吸热，由生中成分变化进行研究，以满足不同粗镍铁制品的生产，成的炉渣量计算炉渣带走热量，由矿热炉中产生的炉简化手工计算的重复劳动，提高计算的准确度，特对其气量计算炉气带走的热量，由矿热炉炉体结构和尺寸计算过程利用Visual Basic编程软件制作完成，程序框计算热损失图如图3所示 (开始设定参数干燥简是否进行进行物质误差是是是否进行是进行能城误差是是偷物质流和能量物质流计算流算否究许能量流计算流计算否允许流算表及饼图反馈间转等进行向转密烟气及热量 i算回转窑喻：物流和能量误差品进行能量是5进立进行物硬是是否讲行流计算表及饼图智允许流算能量流计算否允许流计算物质流计算进行利反做矿共炉热炉计算炉气量及热量矿热炉是否进疗是进行物质误烧是是是否进行是进行能量类龙是恤出物研流利能量物质流计算流计算雪允许能量流计算流谊雪元作流计算表及图结浆图3物质流和能量流程序计算框图 Fig.3 Block diagram of a program for material flow and energy flow calculation 图4是Visual Basic计算软件的主界面，在该界面灰石量，干燥筒和回转窑中产生的烟气量及其成分、干上可通过两个操作参数和物性参数的设置界面按钮进燥筒中水分蒸发量和余热烟气进入量、烟气中热量的行参数设置，用“矿热炉主要结构参数与产量关系”的利用率、矿热炉炉气量和利用率、各系统中输入热量和按钮对矿热炉电极直径、炉子结构、二次电压、二次电输出热量中各项含量、粗镍铁制品中S和P的去除率、流等参数进行计算，而干燥筒、回转窑和矿热炉的物质渣铁比、炉渣量及成分和镍铁产品含量，并计算矿热炉流和能量流分别通过“干燥筒”、“回转窑”和“矿热电极、炉体尺寸、二次电压、二次电流量、额定电容等炉”三个按钮进入其相应界面计算. 数据. 3计算结果图5、图6和图7分别为干燥筒物质流和能量流计算界面、回转窑物质流和能量流计算界面、矿热炉物质利用Visual Basic软件对干燥筒、回转窑和矿热炉流和能量流计算界面.由图5计算结果可知，由于干中各自的物质流和能量流及各阶段红土矿成分的变化燥筒利用烟煤燃烧和余热烟气干燥物料，使物料质量量进行计算，通过各阶段物料中各成分含量的变化分减少20.7h,而干燥产生的水蒸气和烟煤燃烧产生析红土矿被还原情况，根据能量流分配情况及红土矿的C02又使排放的烟气质量增加37.38th.干燥筒被还原程度计算各子工艺系统所需烟煤、无烟煤和石的主要作用是干燥物料，因此能量损失主要集中在蒸

工程科学学报，第 37 卷，第 7 期热损失．第三步( 矿热炉能量流计算) 输入热量: 根据矿热炉所需电能计算电能转化热、由焙烧砂量计算焙烧砂带入热量，由矿热炉中产生 CO 量计算 CO 生成热，由矿热炉生成渣量计算造渣反应热．输出热量: 依据生成镍铁产品量可计算粗镍铁制品带走热量，由还原反应公式计算还原反应吸热，由生成的炉渣量计算炉渣带走热量，由矿热炉中产生的炉气量计算炉气带走的热量，由矿热炉炉体结构和尺寸计算热损失． 2 软件的开发与应用由于回转窑--矿热窑生产工艺的物质流和能量流计算比较复杂，且各成分的含量在镍铁冶炼过程中随工况不同而改变，本研究针对回转窑--矿热炉生产工艺中 12 t·h － 1、粗制镍的质量分数 12% 、镍的回收率 95% 、碱度比为 0. 8 和适应不同红土矿、烟煤和无烟煤中成分变化进行研究，以满足不同粗镍铁制品的生产，简化手工计算的重复劳动，提高计算的准确度，特对其计算过程利用 Visual Basic 编程软件制作完成，程序框图如图 3 所示．图 3 物质流和能量流程序计算框图 Fig． 3 Block diagram of a program for material flow and energy flow calculation 图 4 是 Visual Basic 计算软件的主界面，在该界面上可通过两个操作参数和物性参数的设置界面按钮进行参数设置，用“矿热炉主要结构参数与产量关系”的按钮对矿热炉电极直径、炉子结构、二次电压、二次电流等参数进行计算，而干燥筒、回转窑和矿热炉的物质流和能量流分别通过“干燥筒”、“回转窑”和“矿热炉”三个按钮进入其相应界面计算． 3 计算结果利用 Visual Basic 软件对干燥筒、回转窑和矿热炉中各自的物质流和能量流及各阶段红土矿成分的变化量进行计算，通过各阶段物料中各成分含量的变化分析红土矿被还原情况，根据能量流分配情况及红土矿被还原程度计算各子工艺系统所需烟煤、无烟煤和石灰石量，干燥筒和回转窑中产生的烟气量及其成分、干燥筒中水分蒸发量和余热烟气进入量、烟气中热量的利用率、矿热炉炉气量和利用率、各系统中输入热量和输出热量中各项含量、粗镍铁制品中 S 和 P 的去除率、渣铁比、炉渣量及成分和镍铁产品含量，并计算矿热炉电极、炉体尺寸、二次电压、二次电流量、额定电容等数据．图5、图6 和图7 分别为干燥筒物质流和能量流计算界面、回转窑物质流和能量流计算界面、矿热炉物质流和能量流计算界面．由图 5 计算结果可知，由于干燥筒利用烟煤燃烧和余热烟气干燥物料，使物料质量减少 20. 7 t·h － 1，而干燥产生的水蒸气和烟煤燃烧产生的 CO2又使排放的烟气质量增加 37. 38 t·h － 1 ．干燥筒的主要作用是干燥物料，因此能量损失主要集中在蒸 · 268 ·

·864· 工程科学学报，第37卷，第7期 Formld a☒ 热炉物质流和能量流计算物质流计算进料量护迪成分/摆 iFeS02C:200C0■e0Pst地 007 0.0218.70.200.9016.715.00.01Q.06g.0 查铁比 671 气成分/ c2 e0S02022 胺电容 96640029405010.00100530505 11150.48 1200 4.94 能量液计算 e轨口始出山量 115759.3 40922.07 192.415113g.92 920.9 10S70.34435. 物质流计能茧流计物质流饼能量流饼返回算图显示图显示数据输出图7矿热炉物质流和能量流计算界面 Fig.7 Interface of material flow and energy flow calculation in the submerged arc furace 发水分上约占66%，其次是排放烟气所损失的能量约为例.图8为干燥筒中进料量饼图和出料量饼图.在占21.12%.由图6计算结果可知，由于回转窑利用烟饼图中，可清晰地看出各成分在干燥筒进料量中所占煤和矿热炉炉气燃烧产生的热量使溶剂CaC0,热分解的比例，为实际生产中物料和烟煤的输入量提供参考占热损失的18.31%，无烟煤还原物料中氧化物生成依据：出料量中，只包含物料输出量和烟气释放量，而 C0,、水分蒸发和烟煤燃烧产生C0,、S0,等气体进入烟物料输出量所占份额小于烟气释放量，是因为物料中气导致物料经回转窑后减少40.731h1.由于受到回水分的蒸发和燃烧所生成的烟气，使得烟气比例增加转窑内温度和物料停留时间的影响，回转窑只是对物而物料比例减少.图9为干燥筒中输入热量和输出热料进行预还原和彻底干燥物料中剩余游离水和结晶量饼图.从图中可清晰地看出输入热量和输出热量中水，这可由焙烧砂成分与红土矿成分对比可知.在回各自比例份额，其中由烟煤燃烧和余热烟气提供的大转窑中，由于生成的烟气输入到干燥筒中干燥物料，因部分热量用来蒸发物料中的水分而损耗大部分热量. 此高温焙烧砂的输出损耗到环境中占损失热量的依据物质流计算考虑降耗，以生产12th'镍铁产 21.58%.由图7计算结果可知，由于矿热炉利用电极品中Ni的质量分数12%为指标计算其炉渣量、炉渣发热使无烟煤还原物料产生C0炉气4.94th,在回中Ni和Fe的质量分数分别为80.56th、0.09%和转窑中作为燃料提高20.47%的热量，可节省2.14t· 16.97%,若镍铁产品中含N量指标为10%（或的烟煤量，以及镍铁制品熔化与炉渣的分离损耗热 14%),则炉渣量、炉渣中Ni和Fe含量分别为65.19t· 量约占13.9%.通过炉渣成分表可知，配料中镍铁成h(95.94t·h1)、0.1%(0.09%)和14.84% 分已大部分被还原，而Si0,和C20,受无烟煤量和本 (18.42%),由此可知随镍铁产品中Ni含量的增加，炉身化学性相对稳定少量反应.在矿热炉中，随炉渣排渣量将增加，炉渣中Ni含量降低，Fe含量升高，将导放损失热量份额最大致炉渣量增多和损失到炉渣中的铁增多：计算中另一饼图显示窗口仅以干燥筒的物质流和能量流计算项指标为原料红土矿N的质量分数1.65%，且同样生 G可家 FocHs (a) 14 90UA 5.67E 121/h.1 显示产出返回显示进量不返回图8干燥筒物质流饼图显示界面.(a)进料量：(b)出料量 Fig.8 Interface of material flow pie charts in the drying eylinder:(a)input material:(b)output material

工程科学学报，第 37 卷，第 7 期图 7 矿热炉物质流和能量流计算界面 Fig． 7 Interface of material flow and energy flow calculation in the submerged arc furnace 发水分上约占 66% ，其次是排放烟气所损失的能量约占 21. 12% ．由图 6 计算结果可知，由于回转窑利用烟煤和矿热炉炉气燃烧产生的热量使溶剂 CaCO3热分解占热损失的 18. 31% ，无烟煤还原物料中氧化物生成 CO2、水分蒸发和烟煤燃烧产生 CO2、SO2等气体进入烟气导致物料经回转窑后减少 40. 73 t·h － 1 ．由于受到回转窑内温度和物料停留时间的影响，回转窑只是对物图 8 干燥筒物质流饼图显示界面． ( a) 进料量; ( b) 出料量 Fig． 8 Interface of material flow pie charts in the drying cylinder: ( a) input material; ( b) output material 料进行预还原和彻底干燥物料中剩余游离水和结晶水，这可由焙烧砂成分与红土矿成分对比可知．在回转窑中，由于生成的烟气输入到干燥筒中干燥物料，因此高温焙烧砂的输出损耗到环境中占损失热量的 21. 58% ．由图 7 计算结果可知，由于矿热炉利用电极发热使无烟煤还原物料产生 CO 炉气 4. 94 t·h － 1，在回转窑中作为燃料提高 20. 47% 的热量，可节省 2. 14 t· h － 1的烟煤量，以及镍铁制品熔化与炉渣的分离损耗热量约占 13. 9% ．通过炉渣成分表可知，配料中镍铁成分已大部分被还原，而 SiO2 和 Cr2 O3 受无烟煤量和本身化学性相对稳定少量反应．在矿热炉中，随炉渣排放损失热量份额最大．饼图显示窗口仅以干燥筒的物质流和能量流计算为例．图 8 为干燥筒中进料量饼图和出料量饼图．在饼图中，可清晰地看出各成分在干燥筒进料量中所占的比例，为实际生产中物料和烟煤的输入量提供参考依据; 出料量中，只包含物料输出量和烟气释放量，而物料输出量所占份额小于烟气释放量，是因为物料中水分的蒸发和燃烧所生成的烟气，使得烟气比例增加而物料比例减少．图 9 为干燥筒中输入热量和输出热量饼图．从图中可清晰地看出输入热量和输出热量中各自比例份额，其中由烟煤燃烧和余热烟气提供的大部分热量用来蒸发物料中的水分而损耗大部分热量．依据物质流计算考虑降耗，以生产 12 t·h － 1镍铁产品中 Ni 的质量分数 12% 为指标计算其炉渣量、炉渣中 Ni 和 Fe 的质量分数分别为 80. 56 t·h － 1、0. 09% 和 16. 97% ，若镍铁产品中含 Ni 量指标为 10% ( 或 14% ) ，则炉渣量、炉渣中 Ni 和 Fe 含量分别为 65. 19 t· h － 1 ( 95. 94 t ·h － 1 ) 、0. 1% ( 0. 09% ) 和 14. 84% ( 18. 42% ) ，由此可知随镍铁产品中 Ni 含量的增加，炉渣量将增加，炉渣中 Ni 含量降低，Fe 含量升高，将导致炉渣量增多和损失到炉渣中的铁增多; 计算中另一项指标为原料红土矿 Ni 的质量分数1. 65% ，且同样生 · 468 ·

刘鹏等：基于镍铁治炼工艺流程中物质流和能量流的模型与软件 865 ( b 天显幢出返回显不】国图9干燥简能量流饼图显示界面.()输入热量：(b)输出热量 Fig.Interface of energy flow pie charts in the drying eylinder:(a)heat input:(b)heat output 产12th镍铁产品，若红土矿N的质量分数指标为位论文].上海：上海交通大学，2010) 1.5%（或1.7%)，则炉渣量、炉渣中Ni和Fe的质量 Lu H B.Thermodynamic research on production of ferronickel al- 分数分别为89.8th(77.84th)0.08%(0.1%) loy by electric furnace reduction from lateritic nickel ore.Chin J Rare Met,.2012,36(5):785 和17.9%(16.66%)，由此可知随红土矿中Ni含量的 (卢红波.红土镍矿电炉还原熔炼镍铁合金的热力学研究.稀增加，炉渣量将减少，炉渣中N含量升高，Fe含量降有金属，2012,36(5)：785) 低，有助于降低炉渣量，但损失到炉渣中的镍增多.从 B3]Liu Z H.Yang H L.Li O H,et al.Study on the process of ex- 能量流角度考虑，矿热炉中最高温度在1800℃以上， traction ferronickel from laterite by electric smelting.Nonferrous 而镍铁氧化物反应温度相对较低，分别在450℃和650 Met Extr Metall,2010 (2)2 ℃开始发生反应，因此若能适当降低矿热炉内温度也 (刘志宏，杨慧兰，李启厚，等.红土镍矿电炉熔炼提取镍铁可达到节能降耗的目的，同时炉内温度过高将提高合金的研究.有色金属：治炼部分，2010(2)：2) 4 FO的还原率，从而降低产品中镍的品位. Zhang F E,Liao M,Li B,et al.Analysis and application of the material balance and heat balance calculation of 180 ton converter 4结论 1Proceedings of 2012 the National Steelmaking-Continuous Cast- ing Production Technology Meeting.Chongqing,2012:272 本文建立了回转窑一矿热炉工艺中物质流和能量 (张夫恩，廖明，李斌，等.180t转炉物料平衡及热平衡计算流构架模型，依据总体回转窑一矿热炉工艺系统和各分析及应用/12012年全国炼钢一连铸生产技术会论文集子工艺系统中物质流和能量流的关联性，并利用Visu- 重庆，2012：272) [5] al Basic软件对回转窑-矿热炉工艺流程中物质流、能 Tan P F,Neuschutz D.A thermodynamic model of nickel smelting and direct high-grade nickel matte smelting processes:Part I. 量流和相关工艺参数进行计算，由计算结果可得如下 model development and validation.Metall Mater Trans B.2001, 结论： 32(2):341 (1)随镍铁产品中N含量的增加，炉渣量将增 6]Pak J J,Bahgat M,Kim B H,et al.Low temperature isothermal 加，炉渣中Ni含量降低，Fe含量升高，将导致炉渣量 reduction kinetics of Fe2O/NiO mixed oxides and comparative 增多和损失到炉渣中的铁增多. synthesis of FeNi,alloys.Mater Trans,2008,49(2):352 (2)随红土矿中N含量的增加，炉渣量将减少， 7]Fan XX,Dong HG,Wang Y H,et al.Study on a novel process 炉渣中Ni含量升高，Fe含量降低，因此有助于降低炉 of extracting nickel,cobalt and iron from laterites ore.Min Met- all,2012,21(3):39 渣量，但损失到炉渣中的镍增多. (范兴祥，董海刚，汪云华，等.从红土镍矿中提取镍钻铁的 (3)从能量流角度考虑，若能适当降低矿热炉内新工艺研究.矿治，2012,21(3)：39) 温度也可达到节能降耗的目的，降低铁的还原率保证 8] Zhao Y,Gao J M,Yue Y,et al.Extraction and separation of 产品中高品位的镍含量. nickel and cobalt from saprolite lateriteore by microwave-assisted hydrothermal leaching and chemical deposition.Int Min Metall 参考文献 Mater,2013,20(7):612 ]PengZG.Calculation of Exergy Loss and Study of Loss Decreasing 9]Fan X X,Dong H G,Wang Y H,et al.Production of Ni-Fe al- Strategy Pyrometallurgical Smelt System for Fe-Ni [Dissertation]. loy from nickeliferous laterite ore by prereduction-electric furnace Shanghai:Shanghai Jiao Tong University,2010 smelting separation.J Cent South Unig Nat Sci,2012,43 (9): (彭志刚.火法治炼镍铁系统损耗计算及降耗策略研究[学 3344

刘鹏等: 基于镍铁冶炼工艺流程中物质流和能量流的模型与软件图 9 干燥筒能量流饼图显示界面． ( a) 输入热量; ( b) 输出热量 Fig． 9 Interface of energy flow pie charts in the drying cylinder: ( a) heat input; ( b) heat output 产 12 t·h － 1镍铁产品，若红土矿 Ni 的质量分数指标为 1. 5% ( 或 1. 7% ) ，则炉渣量、炉渣中 Ni 和 Fe 的质量分数分别为 89. 8 t·h － 1 ( 77. 84 t·h － 1 ) 、0. 08% ( 0. 1% ) 和 17. 9% ( 16. 66% ) ，由此可知随红土矿中 Ni 含量的增加，炉渣量将减少，炉渣中 Ni 含量升高，Fe 含量降低，有助于降低炉渣量，但损失到炉渣中的镍增多．从能量流角度考虑，矿热炉中最高温度在 1800 ℃ 以上，而镍铁氧化物反应温度相对较低，分别在 450 ℃和 650 ℃开始发生反应，因此若能适当降低矿热炉内温度也可达到节能降耗的目的，同时炉内温度过高将提高 FeO 的还原率，从而降低产品中镍的品位． 4 结论本文建立了回转窑--矿热炉工艺中物质流和能量流构架模型，依据总体回转窑--矿热炉工艺系统和各子工艺系统中物质流和能量流的关联性，并利用 Visual Basic 软件对回转窑--矿热炉工艺流程中物质流、能量流和相关工艺参数进行计算，由计算结果可得如下结论: ( 1) 随镍铁产品中 Ni 含量的增加，炉渣量将增加，炉渣中 Ni 含量降低，Fe 含量升高，将导致炉渣量增多和损失到炉渣中的铁增多． ( 2) 随红土矿中 Ni 含量的增加，炉渣量将减少，炉渣中 Ni 含量升高，Fe 含量降低，因此有助于降低炉渣量，但损失到炉渣中的镍增多． ( 3) 从能量流角度考虑，若能适当降低矿热炉内温度也可达到节能降耗的目的，降低铁的还原率保证产品中高品位的镍含量．参考文献［1］ Peng Z G． Calculation of Exergy Loss and Study of Loss Decreasing Strategy Pyrometallurgical Smelt System for Fe--Ni［Dissertation］． Shanghai: Shanghai Jiao Tong University，2010 ( 彭志刚．火法冶炼镍铁系统损耗计算及降耗策略研究［学位论文］．上海: 上海交通大学，2010) ［2］ Lu H B． Thermodynamic research on production of ferronickel alloy by electric furnace reduction from lateritic nickel ore． Chin J Ｒare Met，2012，36( 5) : 785 ( 卢红波．红土镍矿电炉还原熔炼镍铁合金的热力学研究．稀有金属，2012，36( 5) : 785) ［3］ Liu Z H，Yang H L，Li Q H，et al． Study on the process of extraction ferronickel from laterite by electric smelting． Nonferrous Met Extr Metall，2010( 2) : 2 ( 刘志宏，杨慧兰，李启厚，等．红土镍矿电炉熔炼提取镍铁合金的研究．有色金属: 冶炼部分，2010( 2) : 2) ［4］ Zhang F E，Liao M，Li B，et al． Analysis and application of the material balance and heat balance calculation of 180 ton converter / / Proceedings of 2012 the National Steelmaking-Continuous Casting Production Technology Meeting． Chongqing，2012: 272 ( 张夫恩，廖明，李斌，等． 180 t 转炉物料平衡及热平衡计算分析及应用 / / 2012 年全国炼钢—连铸生产技术会论文集．重庆，2012: 272) ［5］ Tan P F，Neuschütz D． A thermodynamic model of nickel smelting and direct high-grade nickel matte smelting processes: Part I． model development and validation． Metall Mater Trans B，2001， 32( 2) : 341 ［6］ Pak J J，Bahgat M，Kim B H，et al． Low temperature isothermal reduction kinetics of Fe2 O3 /NiO mixed oxides and comparative synthesis of Fe1 － xNix alloys． Mater Trans，2008，49( 2) : 352 ［7］ Fan X X，Dong H G，Wang Y H，et al． Study on a novel process of extracting nickel，cobalt and iron from laterites ore． Min Metall，2012，21( 3) : 39 ( 范兴祥，董海刚，汪云华，等．从红土镍矿中提取镍钴铁的新工艺研究．矿冶，2012，21( 3) : 39) ［8］ Zhao Y，Gao J M，Yue Y，et al． Extraction and separation of nickel and cobalt from saprolite laterite ore by microwave-assisted hydrothermal leaching and chemical deposition． Int J Min Metall Mater，2013，20( 7) : 612 ［9］ Fan X X，Dong H G，Wang Y H，et al． Production of Ni--Fe alloy from nickeliferous laterite ore by prereduction-electric furnace smelting separation． J Cent South Univ Nat Sci，2012，43 ( 9) : 3344 · 568 ·

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