第6期 刘炳南等：基于煤气化学能最大化利用的上部吹氧竖炉静态模型 ·693· (4)炉料中水的蒸发热为 (I)从还原角度出发，Fe0到Fe的还原是炉内 Qapm=WXh0.e/18×44225. (25) 还原所需气量的限制环节，而FO还原到金属铁时 (5)炉顶煤气显热为 煤气利用率最高只有30%.根据物料平衡，即满 Qam=∑Vauy,H, 足FeO到Fe反应所需的还原势，计算所需要的还 原煤气量为 i为C0、C02、H2、H20和CH4 (26) (6)固相炉料显热为 VXm+VuXo+Vcer+V0r≤0.3，(29) Qata=WeHe。+WroHo+Wpe pe·(27） Ver-VXCH 式中，HHo和H,c分别为Fe、FeO和脉石的热焓. W2/16×Rco×22.4+Wm/16×RH,×22.4 Vs≥ (7)竖炉的热损失为 0.3-0.3XcH +XH Xco2-XH2o (28) (30) QL=（Q.in+Qe）×xL 式中，x为热损失率. (2)根据热平衡，即满足炉顶煤气的温度，计算 1.3竖炉物料平衡热平衡模型 所需要的还原煤气量.根据热收入等于热支出，即 根据物料守恒和热量守恒，建立了竖炉物料平 Qa,in（1-xL）=vapour+Q.+Qnin+Qas,aut 衡热平衡模型，考察同时满足还原和供热所需要的 (31) 还原煤气量 整理得到满足供热所需要的还原煤气量为 +-Vcoz.Hco-Vzo..Huz Vcoz.Hco+(Vngo.+Vgo.Hngo ∑X,H,×(1-x)-∑X,H i为C0、C02、H2、H0和CH· (32) 热平衡所需气量是还原煤气量的限制环节 2 结果与讨论 表4是计算所得的传统竖炉热平衡表.为同时 2.1传统竖炉 满足还原和供热的需要，竖炉中不得不通入大量煤 为保证竖炉内还原反应的顺利进行，需要保证 气，耗能明显，数值为2566116k!.炉顶煤气显热占 还原反应所需还原势和炉顶煤气温度.本节以美国 热支出比例最大，为44.58%. 俄勒冈州波特兰市GILMORE厂的MIDREX竖炉为 表4传统竖炉热平衡（每吨直接还原铁） 模拟对象，选取如表1所示的典型操作条件回.还 Table 4 Heat balance of the traditional shaft furnace (per ton of direct 原煤气成分和矿石成分如表2和表3所示.计 iron) 算以生产1t直接还原铁为基准. 条目 参数 数值k」 比例/% 表1典型操作条件 还原煤气显热 2566115 100.00 热收入 Table 1 Typical operation conditions 合计 2566115 100.00 矿石还原反应热 423434 16.50 还原煤气入炉顶煤气固体物料入海绵铁海绵铁金热损 炉料中水的蒸发热 34527 1.35 炉温度/℃温度/℃炉温度/℃温度℃属化率/%失率/% 炉顶煤气显热 1144087 905 350 子 44.58 85093 15 热支出 固相炉料显热 579150 22.57 热损失 384917 15.00 表2还原煤气成分（体积分数） Table 2 Composition of the reducing gas 免 合计 2566115 100.00 H2 CO H20 C02 CH 2.2上部吹氧竖炉 52.58 29.97 4.65 4.80 8.00 选取典型操作条件，在还原煤气量为1404.67m3 表3矿旷石成分（质量分数） 的条件下，通过热平衡计算需要的吹氧量为20.32 Table 3 Composition of the iron ore % m3,计算吹氧竖炉炉顶煤气成分：在还原煤气量为1 TFe FeO Mgo Si02 H20其他 896.78m的条件下，计算传统竖炉炉顶煤气成分， 66.97 0.131.240.141.691.00 0.27 结果如表5所示. 由于热平衡需气量大于还原需气量，造成传统 计算所得到的每吨直接还原铁还原需气量和热 竖炉炉顶还原势较高，为1.38，每吨直接还原铁的 平衡需气量分别为1404.67m3和1896.78m3,所以 排碳量为29171.46mol.虽然含铁原料的还原过程第 6 期 刘炳南等: 基于煤气化学能最大化利用的上部吹氧竖炉静态模型 ( 4) 炉料中水的蒸发热为 Qvapour = WoreXH2O，ore /18 × 44 225. ( 25) ( 5) 炉顶煤气显热为 Qgas，out = ∑i Vgas，outYiHi， i 为 CO、CO2、H2、H2O 和 CH4 ． ( 26) ( 6) 固相炉料显热为 Qburden = WFeHFe + WFeOHFeO + WgangueHgangue ． ( 27) 式中，HFe、HFeO和 Hgangue分别为 Fe、FeO 和脉石的热焓． ( 7) 竖炉的热损失为 QL = ( Qgas，in + Qc ) × xL ． ( 28) 式中，xL 为热损失率． 1. 3 竖炉物料平衡热平衡模型 根据物料守恒和热量守恒，建立了竖炉物料平 衡热平衡模型，考察同时满足还原和供热所需要的 还原煤气量． ( 1) 从还原角度出发，FeO 到 Fe 的还原是炉内 还原所需气量的限制环节，而 FeO 还原到金属铁时 煤气利用率最高只有 30%［8］． 根据物料平衡，即满 足 FeO 到 Fe 反应所需的还原势，计算所需要的还 原煤气量为 Vgas，rXCO2 + Vgas，rXH2O + VCO2，r + VH2O，r Vgas，r － Vgas，rXCH4 ≤0. 3，( 29) Vgas，r≥ WO2 /16 × RCO × 22. 4 + WO2 /16 × RH2 × 22. 4 0. 3 － 0. 3XCH4 + XH2 － XCO2 － XH2O ． ( 30) ( 2) 根据热平衡，即满足炉顶煤气的温度，计算 所需要的还原煤气量． 根据热收入等于热支出，即 Qgas，in ( 1 － xL ) = Qvapour + Qr + Qburden + Qgas，out ． ( 31) 整理得到满足供热所需要的还原煤气量为 Vgas，r = Qvapour + Qr + Qburden － VCO2，rHCO － VH2O，rHH2 + VCO2，rHCO2 + ( VH2O，r + VH2O，shaft ) HH2O ∑i XiHi × ( 1 － xL ) － ∑i XiHi ， i 为 CO、CO2、H2、H2O 和 CH4 ． ( 32) 2 结果与讨论 2. 1 传统竖炉 为保证竖炉内还原反应的顺利进行，需要保证 还原反应所需还原势和炉顶煤气温度． 本节以美国 俄勒冈州波特兰市 GILMORE 厂的 MIDREX 竖炉为 模拟对象，选取如表 1 所示的典型操作条件［9］． 还 原煤气成分和矿石成分如表 2 和表 3 所示［10--11］． 计 算以生产 1 t 直接还原铁为基准． 表 1 典型操作条件 Table 1 Typical operation conditions 还原煤气入 炉温度/℃ 炉顶煤气 温度/℃ 固体物料入 炉温度/℃ 海绵铁 温度/℃ 海绵铁金 属化率/% 热损 失率/% 905 350 25 850 93 15 表 2 还原煤气成分( 体积分数) Table 2 Composition of the reducing gas % H2 CO H2O CO2 CH4 52. 58 29. 97 4. 65 4. 80 8. 00 表 3 矿石成分( 质量分数) Table 3 Composition of the iron ore % TFe FeO CaO MgO SiO2 H2O 其他 66. 97 0. 13 1. 24 0. 14 1. 69 1. 00 0. 27 计算所得到的每吨直接还原铁还原需气量和热 平衡需气量分别为 1 404. 67 m3 和 1 896. 78 m3 ，所以 热平衡所需气量是还原煤气量的限制环节． 表 4 是计算所得的传统竖炉热平衡表． 为同时 满足还原和供热的需要，竖炉中不得不通入大量煤 气，耗能明显，数值为 2 566 116 kJ． 炉顶煤气显热占 热支出比例最大，为 44. 58% ． 表 4 传统竖炉热平衡( 每吨直接还原铁) Table 4 Heat balance of the traditional shaft furnace ( per ton of direct iron) 条目 参数 数值/kJ 比例/% 热收入 还原煤气显热 2 566 115 100. 00 合计 2 566 115 100. 00 矿石还原反应热 423 434 16. 50 炉料中水的蒸发热 34 527 1. 35 热支出 炉顶煤气显热 1 144 087 44. 58 固相炉料显热 579 150 22. 57 热损失 384 917 15. 00 合计 2 566 115 100. 00 2. 2 上部吹氧竖炉 选取典型操作条件，在还原煤气量为 1 404. 67 m3 的条件下，通过热平衡计算需要的吹氧量为 20. 32 m3 ，计算吹氧竖炉炉顶煤气成分; 在还原煤气量为 1 896. 78 m3 的条件下，计算传统竖炉炉顶煤气成分， 结果如表 5 所示． 由于热平衡需气量大于还原需气量，造成传统 竖炉炉顶还原势较高，为 1. 38，每吨直接还原铁的 排碳量为 29 171. 46 mol． 虽然含铁原料的还原过程 ·693·