Определение технических показателей доменной плавки при проектировании нового металлургического предприятия

сухого дутья 

963,4-11,8= 951,5 м³.

Расход влажного обогащенного дутья 

963,4+100 = 1063 м³,

в котором содержится кислорода 

(96+206)∙100/1063= 27,6 %.

5.5. Количество и состав фурменного газа

5.5.1. Оксид углерода

При окислении на фурмах 323,9кг углерода образуется

323,9∙22,4/12 = 604,7 м³.

Вносится летучими кокса

450∙(100-3,12)∙0,9∙34,85∙22,4/(28∙10⁶) = 1,09 м³.

Всего оксида углерода

604,7+1,09 = 605,7 м³.

5.5.2. Водород

Вносится:

коксом 

450∙(100-3,2)∙0∙22,4/(2∙100∙100)= 0 м³;

влагой дутья 11,8 м³;

природным газом 

120∙1,99=239 м³,

где 1,995 – количество водорода в природном газе, м³/м³ (п.5.2);

Всего водорода 251 м³.

5.5.3. Азот

Вносится:

коксом  2,8 м³;

природным газом  34 м³;

технологическим кислородом

100∙4/100 = 4 м³.

 

 влажным дутьем 

963,4∙78,03/100 = 751,7 м³.

Всего

2,8+34+4+751,7 = 792,5 м³.

Количество и состав фурменного газа представлен в таблице 10

Таблица 10 - Количество и состав фурменного газа

Наименование	м3	%
Оксид углерода	605,78	36,7
Водород	251	15,2
Азот	792,5	48,1
Всего	1648,90	100

 

5.6. Изменение  состава газа в процессах восстановления

Агломерат и окатыши вносят 1205 кг Fe2O3. При восстановлении до FeO отнимается кислорода

1205∙22,4/(160∙2) = 84,4 м³.

При восстановлении 942-276= 665 кг железа из FeO косвенным путем отнимается кислорода

665∙22,4/(56∙2) = 133 м³.

Всего отнимается кислорода  косвенным путем

133+84,4 = 217,4 м³.

В процессах горения топлива  у фурм образуется 605,7 м³ оксида углерода

При восстановлении прямым путем 276 кг железа получается оксида углерода 276,9∙22,4/56 = 110,8 м³. При восстановлении примесей чугуна и переводе серы в шлак– дополнительно в количестве 19,5 м³.

Всего образуется оксида углерода у фурм и в процессах восстановления твердым углеродом 736 м³.

Изменение состава газа в  процессах непрямого восстановления можно рассчитать, найдя значения степеней использования водорода η_Н = Н₂О/(Н₂О + Н₂) и оксида углерода η_СО = СО₂/(СО₂ + СО), отношение которых обычно находится в пределах 0,8 – 1,2. Наиболее высокие значения η_Н/η_СО наблюдается при выплавке горячих чугунов, меньшие – при работе на холодной шихте (здесь Н₂, Н₂О, СО, СО₂ – содержание соответствующих компонентов в колошниковом газе, %).

Принимаем  η_Н/η_СО = 1,1 и составляем уравнение баланса кислорода, отнимаемого оксидом углерода и водородом, т.е. непрямым путем

0,5∙(251∙ η_Н + 736∙η_СО)= 214,2,

где 251 и 736 – количество водорода и оксида углерода, участвующие в   восстановлении соответственно, м³;

 214,2 – кислород, отнимаемый косвенным путем, м³.

Решение полученных двух уравнений  дает

η_Н = 0,467 и η_СО = 0,425.

5.7. Количество  и состав колошникового газа

5.7.1. Диоксид углерода

Образуется при восстановлении

736∙0,425 = 312,8 м³;

вносится летучими кокса

450∙(100-3,2)∙29,45∙0,9∙22,4/(44∙10⁶) = 0,59 м³.

Всего переходит в колошниковый газ 313 м³.

5.7.2. Оксид углерода

Расходуется в процессах  восстановления 313 м³.

Остается в колошниковом газе 736-313 = 423,2 м³.

5.7.3. Водород

Расходуется при восстановлении 251∙0,467 = 117;

Остается в колошниковом газе 259-117 = 133 м³.

5.7.4. Азот

Полностью переходит в  колошниковый газ в количестве 792,5 м³

Количество и состав колошникового  газа представлен в таблице 11

Таблица 11 - Количество и состав сухого колошникового  газа

Составляющие	СО2	СО	Н2	N2	Всего
Кол-во, м3	313	423,2	133,6	792,5	1663
Содержание, %	18,8	25,5	8,0	47,7	100

5.7.5. Влага

В газ переходит:

влага кокса в количестве

14,04 кг или 14,04∙22,4/18 = 17,47 м³;

водяной пар, образовавшийся в процессах восстановления водородом, в количестве  117 м³ или 117∙11/22,4 = 94,1кг

Всего влаги в колошниковом газе 

17,47 + 117 = 134,5 м³ или 108 кг.

Получается влажного колошникового  газа  1797,2 м³.

 

5.8. Материальный  баланс

 Для составления материального  баланса необходимо газообразные  составляющие выразить в массовых  единицах.

Плотность газов по составу  и молекулярным массам компонентов, кг/м³.

природный газ 

(94,2∙16+2,1∙30+0,5∙44+0,1∙58+0,3∙72+0,5∙442,3∙28)/(100∙22,4) = 0,76;

сухой колошниковый газ 

(18,8∙44+25,5∙28+8∙2+47,7∙28)/(100∙22,4) = 1,29;

сухое дутье 

(21∙32+79∙28)/(100∙22,4)= 1,29;

водяной пар 

18/22,4 = 0,805;

технологический кислород

(96∙32+4∙28)/(100∙22,4) = 1,42.

Расчет по этим данным дает приходные и расходные статьи материального баланса в соответствии с таблицей 12.

Навязка баланса составляет 0,99 %.

Из этого следует, что  баланс сходится с достаточной точностью – погрешность не       превышает 1 %.

Таблица 11 - Материальный баланс плавки

Поступает, кг		Получается, кг
сухое дутье	1225	чугун	1026,44
влага дутья	9,51	шлак	291,31
технологический кислород	142,1	колошниковый газ	2147,16
природный газ	91,4	влага газов	134,5
кокс влажный	450
агломерат	637
окатыши	1009
всего	3598,2	всего	3569,4

 

 

6. Общий  тепловой баланс

Тепловой баланс составляется с целью установления обеспеченности процесса теплом при проектировании и выяснении причин изменения  расхода кокса в конкретных случаях  доменной плавки. В нашей стране общие тепловые балансы составляются чаще всего по методикам академика  М.А. Павлова. Ниже приведены особенности  этой методики, так называемого первого  способа составления баланса.

1. Тепловой баланс составляется по начальному и конечному состояниям.

Например, оксиды железа претерпевают в доменной печи ряд превращений (Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → Fe), а в общем балансе учитывается только начальное (Fe₂O₃ и Fe₃O₄) и конечное состояние оксида (Fe_чуг). Углерод в доменной печи окисляется в различных процессах (при горении, восстановлении железа и примесей), а в общем тепловом балансе учитывается начальное состояние его в коксе и топливной добавке и конечное в газе (С → СО, СО₂).

2. Процессы восстановления в общем тепловом балансе по первому способу

представлены реакциями  диссоциации восстанавливаемых  оксидов в расходных статьях  баланса и реакциями окисления  углерода в приходной части баланса. Например, тепловой эффект реакции  FeO+C = Fe + CO, равный – 152,19 МДж, представлен затратами тепла на диссоциацию оксида железа (FeO → Fe + 0,5О₂ – 270,035 МДж) в расходной части баланса и поступлением от окисления углерода C + 0,5О₂ = СО + 117,845 МДж в приходной части его.

Тепловой эффект окисления  углерода зависит от степени графитизации углерода, находящейся обычно в пределах 0,5-0,6. А.Н. Рамм [13] рекомендует использовать следующие значения теплового эффекта  окисления углерода кокса:

33,4 МДж (7980 ккал)/кг для  реакции С + О₂ = СО₂;

9,8 МДж (2340)/кг для реакции  С + 0,5О₂ = СО.

3. В общем тепловом  балансе не учитываются особенности  окисления углерода: в процессе  горения у фурм углерод окисляется  только до оксида углерода, а  происходящее при восстановлении  окисление оксида до диоксида  характеризует использование углерода  как восстановителя, а не как  источника тепла.

Отмеченные особенности  облегчают составление балансов, так как при этом не рассматривается  многообразные реакции процесса. Эти же особенности позволяют  считать один и тот же углерод  в доменной печи и источником тепла, и восстановителем.

Приходную часть общего теплового  баланса составляют тепло от окисления  углерода до оксида (60-80%), тепло от окисления  водорода (до 15 %), теплота шлакообразования (до 2,5 %), физическое тепло горячего дутья (14-20 %) и физическое тепло шихты (до 5 %).

По общему тепловому балансу 60-70 % тепла от итога расходуется  на диссоциацию восстанавливаемых  оксидов, 10-15 % на нагрев чугуна, 6-10 % на нагрев шлака, от 0,5-5 до 15 % (при плавлении  бурых железняков) на выделение и  испарение влаги, до 10 % на разложение карбонатов при проплавке бедного  не офлюсованного сырья, до 8-10 % на потери с колошниковым газом и 6-12 % на потери в окружающую среду и неточности расчета.

Второй способ составления  общего теплового баланса включает действительный (фактический) расход тепла  и отличается от первого статьями прихода и расхода тепла. Ряд  статей прихода тепла, рассчитанных по первому способу, является фиктивным, сто отмечалась выше. В  печи не выделяется тепло от окисления углерода прямого  восстановления и догорания монооксида углерода. Подобное допущение компенсируется соответствующим увеличением расхода  тепла на диссоциацию оксидов. Таким  образом, баланс в целом не нарушается, но следует иметь в виду, что  он не соответствует действительному  расходу тепла на процесс.

В соответствии с этим меняется и доля статей баланса в приходе  и расходе тепла, хотя, например, абсолютные значения потерь тепла, поступление  тепла с нагретым дутьем (в МДж) остаются прежними.

6.1. Приход  тепла

6.1.1. Горение природного  газа у фурм

120∙1,74 = 209,36 МДж,

где  1,74– теплота горения  природного газа, МДж/м³;

         120 – расход природного газа, м³.

6.1.2. Горение углерода  кокса у фурм

Выделяется тепла при  горении 1 кг углерода кокса 9,8 МДж или на 1м³ образующего СО

9,8∙12/22,4 = 5,25 МДж.

При окислении углерода кокса  у фурм образуется монооксида углерода

604,7-(65,8∙22,4/12) = 481,9 м³,

с выделением тепла в количестве

481,9∙5,25 = 2530,1 МДж,

6.1.3. Физическое тепло  нагретого дутья

При снижении температуры  дутья в воздухопроводах и  фурменных приборах на 1 % оно поступает  в горн с температурой

1200∙(1-0,01) = 1188 ºС.

Вносится тепла:

Сухим дутьем

951,5∙1188∙(1,422∙10^-3) = 1607,5 МДж;

влагой дутья 

12∙1188∙1,734∙10^-3 = 24,4 МДж;

кислородом для обогащения

100∙1188∙1,422∙10^-3 = 168,9 МДж.

Расходуется на диссоциацию  влаги дутья

12∙10,8 = 127,9 МДж,

где 10,8 – теплота диссоциации  водяного пара, МДж/м³.

Всего

1607,5+24,4+168,9-127,9 = 1672,9 МДж.

6.1.4. Физическое тепло  природного газа

120∙40∙1,59∙10^-3 = 7,632 МДж,

где   1,59 – теплоемкость природного газа при 40 °С, кДж/(м³∙град).

Всего выделяется тепла в  области горения у фурм

209,36+2530,1+1672,9+7,63 = 4420 МДж.

6.1.5. Окисление углерода  в процессах прямого восстановления

130∙5,25 = 683,8 МДж.