·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 ·