·692· 北京科技大学学报 第34卷 针对以上问题，本文提出一种吹氧竖炉的新 (4)竖炉排出炉料中的脉石的质量为 工艺，设计出一种上部增设吹氧装置的竖炉（以下 Wmge=Wae（1-Xfe0.ome-Xfe204ore-XH,0oe）. 简称吹氧竖炉).在竖炉上部适当部位吹入02，通 (15) 过部分煤气的二次燃烧提供热量，打破只依赖煤 式中，X0和X4o.n分别为矿石中Fe,0,和水的 气物理热的局限，从而降低煤气需要量，同时也降 质量分数. 低了出口煤气还原势，从本质上提高其能量利用 (5)竖炉炉顶煤气量和成分为 系数 Vo=V+Vg.o' (16) 1竖炉的静态模型 Yco=（Vsas.Xco-Vcor-Vco.e）/V=mi'(（17） 本文以MIDREX竖炉为研究对象建立传统竖 Y电=(VX-Voe-Vh.e)/V=am’(18) Yco=(VXco+Vcoz+Vco.e+Vcm /V 炉和上部吹氧竖炉的静态模型，其内部存在的相及 (19) 其成分为：气相有C0、C02、H2、H20和CH4,固相有 Fe,03、Fe304、Fe0、Fe、Ca0、MgO、SiO2H,0和脉石. YH2o =(V+VHao.+Vgo.+Vz.+ 主要存在如下反应B: 2Vcl)/Pam’ (20) 3Fe203+C0=2Fe04+C02, (1) Ycm=(VXc-Vcm)/V (21) Fe304+C0=3Fe0+C02, (2) 式中，V为竖炉还原需要的煤气体积，V,为炉 FeO+CO=Fe +CO,, (3) 顶煤气体积，VH,o,h为炉料带入到竖炉中的水的体 3Fe,O3+H2=2Fe30,+H,0, (4) 积，Vo,为吹入的氧的体积，V0.为H,还原矿石而产 Fe304+H2=3Fe0+H20, (5) 生的水的体积，Vco.为C0还原矿石而产生的C02 FeO+H,Fe +H,O. (6) 的体积，Vco.eVE和VcH4e分别为发生燃烧反应的 由于在吹氧竖炉上部适当位置，燃烧少量煤气， CO、H2和CH,的体积，Xco、XH,、Xco2XH,o和XcH分 本模型也考虑如下反应： 别为还原煤气中C0、H2、C02、H0和CH,的体积分 c0+0,=c0, (7) 数，YcoY,Yco,YH,o和YcH分别为炉顶煤气中C0、 H2、C02、H,0和CH,的体积分数. H+20,=H0 (8) 1.2竖炉的热收入与热支出 竖炉的固相物料在室温加入，气相的温度远高 CH4+202=2H20+C02. (9) 于室温，所以在热平衡计算时只考虑还原煤气的显 1.1竖炉的物料收入与支出 热.因此竖炉的热收入为还原煤气带入的显热和煤 根据竖炉固相物料成分和金属化率计算总失氧 气燃烧反应热，热支出包括矿石还原反应热、水的蒸 量、金属铁量和脉石量：根据总失氧量、固相物料的 发热、炉顶煤气显热、固相炉料的显热和热损 水含量和还原煤气成分计算炉顶煤气成分.具体计 失B-).各部分热量的计算式如下 算式如下 (1)还原煤气带入的显热为 (1)竖炉的总失氧质量为 W。=Wo1+W2, (10) Qan=∑V=X,H, W1=We（Xe,m-XFo.me×56/72)/112×16, i为C0、C02、H2、H20和CH4. (22) (11) 式中，H为i气体的热焓. W2=WmXe,e/56×16×RM (12) (2)煤气燃烧反应热为 式中，Wo为竖炉中Fez03还原至Fe0失去的氧的质 Q。=（Vco.e×282.98+VHe×241.82+ 量，We为竖炉中FeO还原至Fe失去的氧的质量， VcH,e×890)×1000/22.4. (23) W为矿石的质量，Xo,e和Xe,m分别为矿石中 (3)矿石还原反应热为 Fe0和全铁的质量分数，Ru为金属化率 Q.=[Wo1/16×Rco×2.27+Wo1/16×Rco× (2)竖炉排出炉料中金属铁的质量为 (-4.43)+Wo/16×RH,×12.1+W2/16× WFe WoreXFe.ore R. (13) R×5.4]×1000×4.184.(24) (3)竖炉排出炉料中的Fe0的质量为 式中，Ro和R,分别为还原性气体中C0和H2的体 Wo=Wore Xge.ure(1-Rn）×72/56. (14) 积分数.北 京 科 技 大 学 学 报 第 34 卷 针对以上问题，本文提出一种吹氧竖炉的新 工艺，设计出一种上部增设吹氧装置的竖炉( 以下 简称吹氧竖炉) ． 在竖炉上部适当部位吹入 O2，通 过部分煤气的二次燃烧提供热量，打破只依赖煤 气物理热的局限，从而降低煤气需要量，同时也降 低了出口煤气还原势，从本质上提高其能量利用 系数． 1 竖炉的静态模型 本文以 MIDREX 竖炉为研究对象建立传统竖 炉和上部吹氧竖炉的静态模型，其内部存在的相及 其成分为: 气相有 CO、CO2、H2、H2O 和 CH4，固相有 Fe2O3、Fe3O4、FeO、Fe、CaO、MgO、SiO2、H2O 和脉石． 主要存在如下反应［3--4］: 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2， ( 1) Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2， ( 2) FeO + CO = Fe + CO2， ( 3) 3Fe2O3 + H2 = 2Fe3O4 + H2O， ( 4) Fe3O4 + H2 = 3FeO + H2O， ( 5) FeO + H2 = Fe + H2O． ( 6) 由于在吹氧竖炉上部适当位置，燃烧少量煤气， 本模型也考虑如下反应: CO + 1 2 O2 = CO2， ( 7) H2 + 1 2 O2 = H2O， ( 8) CH4 + 2O2 = 2H2O + CO2 ． ( 9) 1. 1 竖炉的物料收入与支出 根据竖炉固相物料成分和金属化率计算总失氧 量、金属铁量和脉石量; 根据总失氧量、固相物料的 水含量和还原煤气成分计算炉顶煤气成分． 具体计 算式如下［5］． ( 1) 竖炉的总失氧质量为 WO = WO1 + WO2， ( 10) WO1 = Wore ( XFe，ore － XFeO，ore × 56 /72) /112 × 16， ( 11) WO2 = WoreXFe，ore /56 × 16 × RM ． ( 12) 式中，WO1为竖炉中 Fe2O3还原至 FeO 失去的氧的质 量，WO2为竖炉中 FeO 还原至 Fe 失去的氧的质量， Wore为矿 石 的 质 量，XFeO，ore 和 XFe，ore 分 别 为 矿 石 中 FeO 和全铁的质量分数，RM为金属化率． ( 2) 竖炉排出炉料中金属铁的质量为 WFe = WoreXFe，oreRM ． ( 13) ( 3) 竖炉排出炉料中的 FeO 的质量为 WFeO = WoreXFe，ore ( 1 － RM ) × 72 /56． ( 14) ( 4) 竖炉排出炉料中的脉石的质量为 Wgangue = Wore ( 1 － XFeO，ore － XFe2O3，ore － XH2O，ore ) ． ( 15) 式中，XFe2O3，ore和 XH2O，ore分别为矿石中 Fe2O3和水的 质量分数． ( 5) 竖炉炉顶煤气量和成分为 Vgas，out = Vgas，r + VH2O，shaft + VO2 ， ( 16) YCO = ( Vgas，rXCO － VCO2，r － VCO，c ) /Vgas，out， ( 17) YH2 = ( Vgas，rXH2 － VH2O，r － VH2，c ) /Vgas，out， ( 18) YCO2 = ( Vgas，rXCO2 + VCO2，r + VCO，c + VCH4，c ) /Vgas，out， ( 19) YH2O = ( Vgas，rXH2O + VH2O，r + VH2O，shaft + VH2，c + 2VCH4，c ) /Vgas，out， ( 20) YCH4 = ( Vgas，rXCH4 － VCH4，c ) /Vgas，out ． ( 21) 式中，Vgas，r为竖炉还原需要的煤气体积，Vgas，out为炉 顶煤气体积，VH2O，shaft为炉料带入到竖炉中的水的体 积，VO2为吹入的氧的体积，VH2O，r为 H2还原矿石而产 生的水的体积，VCO2，r为 CO 还原矿石而产生的 CO2 的体积，VCO，c、VH2，c和 VCH4，c分别为发生燃烧反应的 CO、H2和 CH4 的体积，XCO、XH2 、XCO2 、XH2O和 XCH4 分 别为还原煤气中 CO、H2、CO2、H2O 和 CH4的体积分 数，YCO、YH2 、YCO2 、YH2O和 YCH4分别为炉顶煤气中 CO、 H2、CO2、H2O 和 CH4的体积分数． 1. 2 竖炉的热收入与热支出 竖炉的固相物料在室温加入，气相的温度远高 于室温，所以在热平衡计算时只考虑还原煤气的显 热． 因此竖炉的热收入为还原煤气带入的显热和煤 气燃烧反应热，热支出包括矿石还原反应热、水的蒸 发热、炉 顶 煤 气 显 热、固相炉料的显热和热损 失［5--7］． 各部分热量的计算式如下． ( 1) 还原煤气带入的显热为 Qgas，in = ∑i Vgas，rXiHi， i 为 CO、CO2、H2、H2O 和 CH4 ． ( 22) 式中，Hi 为 i 气体的热焓． ( 2) 煤气燃烧反应热为 Qc = ( VCO，c × 282. 98 + VH2，c × 241. 82 + VCH4，c × 890) × 1 000 /22. 4． ( 23) ( 3) 矿石还原反应热为 Qr =［WO1 /16 × RCO × 2. 27 + WO1 /16 × RCO × ( － 4. 43) + WO1 /16 × RH2 × 12. 1 + WO2 /16 × RH2 × 5. 4］× 1 000 × 4. 184． ( 24) 式中，RCO和 RH2分别为还原性气体中 CO 和 H2的体 积分数． ·692·