第12期 佘雪峰等：转底炉直接还原工艺综合数学模型 ·1581· 有美国、德国、日本等国将其转而开发应用于铁矿 并联合求解，此模型主要是在满足5个计算原则 石的直接还原.综合分析转底炉直接还原工艺的特 的前提下进行模拟计算.本文详细描述了模型形式、 点，得出转底炉直接还原工艺的主要功能有如下三 求解方法、计算原则及其应用情况，并求解出转底 方面：处理钢铁厂含锌粉尘【1-2习：处理特殊矿3-刃， 炉直接还原工艺的基本工艺操作参数，为进一步研 采用转底炉+熔分工艺处理钒钛磁铁矿已经获得 究开发转底炉直接还原工艺提供理论依据. 成功：利用铁精粉生产金属化球团或珠铁阁.目前 转底炉直接还原技术已经成功应用于处理钢铁厂含 1综合数学模型 锌粉尘工艺，日本从2000年至今在Kimitsu、Hikari 1.1工艺流程设计 和Hirohata已经相继投产5座转底炉用来处理钢 根据转底炉工艺的技术特点，提出转底炉直接 铁厂含锌尘泥9-10，中国在最近3年内也分别在 还原处理特殊矿或铁精粉的工艺流程示意图如图1 莱钢、马钢、日钢和沙钢建成转底炉用来处理钢铁 所示，其工艺特点如下： 厂含锌尘泥.未来几年，转底炉直接还原工艺将继 (1)转底炉设置一个排烟口： 续延伸到处理特殊矿和利用铁精粉生产珠铁领域. (②)转底炉分五段，每段分别设置煤气烧嘴和 目前关于转底炉数学模型方面的研究，主要集 二次风喷嘴，煤气烧嘴和二次风喷嘴所用空气或富 中在热平衡计算和转底炉炉内流场、温度场和压力 氧空气由转底炉排出的废烟气进行预热： 场的模拟1-12.此类转底炉数学模型延用了传统 (3)转底炉排出的废烟气分两路，一路经过热 热化学平衡模型的计算方法，没有同时综合考虑原 风炉加热煤气助燃风和二次风，另一路通过煤气换 料、燃料、余热利用方式变化以及炉膛温度校核 热器预热煤气. 等因素，因此计算所得到的结果有一定的局限性. 转底炉直接还原工艺流程的不同是由于处理 本文建立了转底炉综合数学模型，模型由转底炉整 原料的不同造成的，但针对转底炉综合数学模型的 体热化学平衡模型、转底炉各个区域热平衡计算模 计算本质相同，都是关于煤气消耗量、碳消耗量、 型、转底炉余热回收流程模型、生球干燥热平衡模 回收蒸汽能量、炉膛温度校核和废气露点温度校核 型和炉膛温度校核和排放废气的露点校核模型组成 以及总能耗的计算 常温助燃风 预热后助燃风 常温二次风 空气换 预热后二次风 热器 空气换 热烟气 常温空气 煤气换热烟气 换向 煤气换热器 常温煤气 预热后煤气 除尘 转底炉 低压蒸汽发生器 生球干燥 ◆排烟 图1转底炉处理特殊矿或铁精粉工艺流程图 Fig.1 RHF process flow diagram of utilizing special mineral or iron concentrate powder 1.2模型条件假设 底炉的高温烟气完全进入余热系统 为简化模型建立和方便计算，就模型相关条件 根据上述模型条件假设可进一步假设相关计 进行如下假设：首先生球进入转底炉后铁氧化物全 算数据为：(1)生球成分；(2)煤气成分；(3)空气 部发生直接还原反应，碳一部分用于直接还原，一 成分、空气过剩系数和富氧率：(4)环境温度t。:(⑤) 部分被燃烧，剩余部分以残炭形式存在于球团中， 单位金属化球团所需要干燥生球量m,kgt~1；(6) 且假定球团铁氧化物颗粒质量传递为准稳态过程： 生球中C的去向，参与还原、参与燃烧和残留在金 其次直接还原后的最终产物是金属铁和CO,且假 属化球团中：(7)干燥后生球入炉温度t,℃，生球 定C0在转底炉内的二次燃烧率为100%：再次煤水分mw,%:(8)金属化球团出炉温度tDIo,℃：(9) 气在转底炉内完全燃烧，且煤气燃烧和二次风燃烧 金属化球团成分（质量分数）：(10)入炉空气预热温 后炉内的流场不影响转底炉内球团还原：最后出转 度ta,℃，入炉煤气温度tg,℃等第 12 期 佘雪峰等：转底炉直接还原工艺综合数学模型 1581 ·· 有美国、德国、日本等国将其转而开发应用于铁矿 石的直接还原. 综合分析转底炉直接还原工艺的特 点，得出转底炉直接还原工艺的主要功能有如下三 方面：处理钢铁厂含锌粉尘 [1−2]；处理特殊矿 [3−7]， 采用转底炉 + 熔分工艺处理钒钛磁铁矿已经获得 成功；利用铁精粉生产金属化球团或珠铁 [8] . 目前 转底炉直接还原技术已经成功应用于处理钢铁厂含 锌粉尘工艺，日本从 2000 年至今在 Kimitsu、Hikari 和 Hirohata 已经相继投产 5 座转底炉用来处理钢 铁厂含锌尘泥 [9−10]，中国在最近 3 年内也分别在 莱钢、马钢、日钢和沙钢建成转底炉用来处理钢铁 厂含锌尘泥. 未来几年，转底炉直接还原工艺将继 续延伸到处理特殊矿和利用铁精粉生产珠铁领域. 目前关于转底炉数学模型方面的研究，主要集 中在热平衡计算和转底炉炉内流场、温度场和压力 场的模拟 [11−12] . 此类转底炉数学模型延用了传统 热化学平衡模型的计算方法，没有同时综合考虑原 料、燃料、余热利用方式变化以及炉膛温度校核 等因素，因此计算所得到的结果有一定的局限性. 本文建立了转底炉综合数学模型，模型由转底炉整 体热化学平衡模型、转底炉各个区域热平衡计算模 型、转底炉余热回收流程模型、生球干燥热平衡模 型和炉膛温度校核和排放废气的露点校核模型组成 并联合求解，此模型主要是在满足 5 个计算原则 的前提下进行模拟计算. 本文详细描述了模型形式、 求解方法、计算原则及其应用情况，并求解出转底 炉直接还原工艺的基本工艺操作参数，为进一步研 究开发转底炉直接还原工艺提供理论依据. 1 综合数学模型 1.1 工艺流程设计 根据转底炉工艺的技术特点，提出转底炉直接 还原处理特殊矿或铁精粉的工艺流程示意图如图 1 所示，其工艺特点如下： (1) 转底炉设置一个排烟口； (2) 转底炉分五段，每段分别设置煤气烧嘴和 二次风喷嘴，煤气烧嘴和二次风喷嘴所用空气或富 氧空气由转底炉排出的废烟气进行预热； (3) 转底炉排出的废烟气分两路，一路经过热 风炉加热煤气助燃风和二次风，另一路通过煤气换 热器预热煤气. 转底炉直接还原工艺流程的不同是由于处理 原料的不同造成的，但针对转底炉综合数学模型的 计算本质相同，都是关于煤气消耗量、碳消耗量、 回收蒸汽能量、炉膛温度校核和废气露点温度校核 以及总能耗的计算. 图 1 转底炉处理特殊矿或铁精粉工艺流程图 Fig.1 RHF process flow diagram of utilizing special mineral or iron concentrate powder 1.2 模型条件假设 为简化模型建立和方便计算，就模型相关条件 进行如下假设：首先生球进入转底炉后铁氧化物全 部发生直接还原反应，碳一部分用于直接还原，一 部分被燃烧，剩余部分以残炭形式存在于球团中， 且假定球团铁氧化物颗粒质量传递为准稳态过程； 其次直接还原后的最终产物是金属铁和 CO，且假 定 CO 在转底炉内的二次燃烧率为 100%；再次煤 气在转底炉内完全燃烧，且煤气燃烧和二次风燃烧 后炉内的流场不影响转底炉内球团还原；最后出转 底炉的高温烟气完全进入余热系统. 根据上述模型条件假设可进一步假设相关计 算数据为：(1) 生球成分；(2) 煤气成分；(3) 空气 成分、空气过剩系数和富氧率；(4) 环境温度 te；(5) 单位金属化球团所需要干燥生球量 mb，kg·t −1；(6) 生球中 C 的去向，参与还原、参与燃烧和残留在金 属化球团中；(7) 干燥后生球入炉温度 ti，℃，生球 水分 mw，%；(8) 金属化球团出炉温度 tDRIO，℃；(9) 金属化球团成分 (质量分数)；(10) 入炉空气预热温 度 ta，℃，入炉煤气温度 tg，℃等