转底炉直接还原工艺综合数学模型_佘雪峰

第35卷第12期2013年12月北京科技大学学报

Journal of University of Science and Technology Beijing Vol. 35No. 12

Dec. 2013

转底炉直接还原工艺综合数学模型

佘雪峰1, 2) ，王静松1) ，韩毅华1) ，张欣欣2) ，薛庆国

1)

1) 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京1000832) 北京科技大学机械工程学院，北京

100083

通信作者，E-mail:[email protected]

摘要为发展和深入认识转底炉直接还原工艺技术，建立了转底炉综合数学模型，该模型由转底炉本体热化学平衡、

转底炉区域热平衡计算模型、余热回收模型、生球干燥模型、炉膛温度校核与尾气露点校核模型和转底炉流程模型组成. 采用综合模型计算了该工艺流程的基本工艺参数. 计算结果表明：煤气热值、废气排放温度和余热回收利用方案对整体能量消耗有不同程度影响，煤气发热值每增加50kJ ·m −3，理论燃烧温度提高22∼25℃，煤气用量减少41∼47m 3·t −1；空气预热温度平均每增加100℃，理论燃烧温度提高35∼40℃，煤气用量减少90∼103m 3·t −1. 此外，应用此模型还可以计算任何原料和燃料等条件下的直接还原工艺参数，研究不同余热回收方案条件下的各个工艺参数的变化规律. 关键词分类号

治金炉；直接还原；数学模型；余热回收TF556

Comprehensive mathematical model of direct reduction for rotary hearth furnaces

SHE Xue-feng 1, 2) ,WANG Jing-song 1) , HAN Yi-hua 1) , ZHANG Xin-xin 2) , XUE Qing-guo

1)

1) State Key Laboratory of Advanced Metallurgy, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) School of Mechanical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083,

China

Corresponding author, E-mail:[email protected]

ABSTRACT A comprehensive mathematical model was established to develop and deeper understand direct re-

duction technology for rotary hearth furnaces (RHF).The model consists of the overall thermal and chemical balance model, the calculation model of heat balance at differentzones, the waste heat recovery process model, the drying model of green pellets, the checking model of furnace box temperature and waste gas dew point, and the RHF process model. The basic process parameters of RHF were calculated by the model. Calculation results show that the overall energy consumption is effectedby gas calorificvalue, waste gas temperature, and the recycling scheme of waste heat recovery. When the gas calorificvalue increases by 50kJ ·m −3, the theoretical combustion temperature increases by 22to 25℃, and the gas consumption decreases by 41to 47m 3·t −1. But when the preheating temperature increases by 100℃, the theoretical combustion temperature increases by 35to 40℃, and the gas consumption decreases by 90to 103m 3·t −1. Furthermore, the model can be applied to calculate technical parameters when the raw materials and fuel conditions are different,and the change laws of these technical parameters under differentwaste heat recovery processes can also be studied by this model. KEY WORDS

metallurgical furnaces; direct reduction process; mathematical models; waste heat recovery

转底炉直接还原工艺是近二三十年来发展起来的新工艺，其最初用于处理含铁废料，但很快就

收稿日期：2012-08-18

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51090381);国家自然科学基金青年科学基金资助项目(51304015)

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]

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.

. 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]

1

1.1

综合数学模型

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

，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

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]

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

. 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

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

Fig.1

转底炉处理特殊矿或铁精粉工艺流程图

RHF process flowdiagram 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

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t e ；(5)单位金属化球团所需要干燥生球量m b ，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t i ，℃，生球水分m w ，%；(8)金属化球团出炉温度t DRIO ，℃；(9)金属化球团成分(质量分数) ；(10)入炉空气预热温度t a ，℃，入炉煤气温度t g ，℃等.

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

1.3热化学平衡模型

(1)铁平衡.

1.3.2热量平衡

(1)转底炉全炉热平衡.

Q mcon +Q ercon +Q ccon +Q hcon +Q zhwl +Q erwl +

Q mwl +Q sqwl =Q hy +Q fq +Q sf +

Q hff+Q jsq +Q loss .

(8)

(1)

1.3.1物质平衡

1000×w Fe , P +W D ×w Fe , D =W O ×w Fe , O +W C ×w Fe , C .

(2)碳平衡.

W C ×w C , C =1000×w C , P +W C , R +W C , B2. (3)氢平衡.

(V B1+V B2) ×W H 2O +11. 2×W C ·w H , C =

g g V g ×X H +X (3)H 2. 2O (4)氧平衡.

32B

+W C ×w O , C +W O ××(V B1+V B2) ×X O 2

22. 4

481616O O

η×w Fe ×+w ××V g ×=O FeO 23

1607222. 4 g g g X CO +2×X CO +X (4)H 2O . 2

(5)氮平衡.

22. 4g B

×W C ×w N 2, C . V g ×X N =(V +V ) ×X +B1B1N 22

28

(5)

(6)挥发物平衡.

1000×w Metmp +W D ×w MetD =W p ×w MetP +W PC ×w MetPC , 1000w NClmp +W D ×w NClD =W p ×w NClP +W PC ×w NClPC .

(7)(6)(2)

式中：Q mcon 为煤气燃烧放热，kJ ·t −1；Q ercon 为还原生成CO 与二次风燃烧碳放热，kJ ·t −1；Q ccon 为煤粉中固定碳燃烧放热，kJ ·t −1；Q hcon 为煤粉挥发分燃烧放热，kJ ·t −1；Q zhwl 、Q erwl 、Q mwl 和Q sqwl 分别为助燃风、二次风、煤气和生球带入的物理热，kJ ·t −1；Q hy 为铁氧化物和其他可还原氧化物还原耗热，kJ ·t −1；Q fq 为转底炉废气带走热量，kJ ·t −1；Q sf 为生球带入转底炉水分随废气带走的热量，kJ ·t −1；Q hff为挥发分分解耗热，kJ ·t −1；Q jsq 为金属化球团带走物理热，kJ ·t −1；Q loss 为热损失，kJ ·t −1.

1.4

区域热平衡

转底炉本体分为五个区域，分别为预热区、还

原一区、还原二区、均热一区和均热二区，排烟位置在预热区和还原一区之间. 区域热平衡计算模型的依据是球团在不同区域内的还原进程[1]，根据上述工艺条件可列出转底炉五个区域的分区热平衡：

Q i mcon +Q i ercon +Q i ccon +Q i hcon +Q i zhwl +Q i erwl +Q i mwl +Q i sqwl =Q i hy +Q i fq +Q i sf +

Q i hff+Q i js +Q i loss

(9)

式中，w Fe , P 为金属化球团中Fe 的质量分数；w Fe , D 为炉尘中Fe 质量分数；w Fe , O 为矿石中Fe 质量分数；w Fe , C 为煤粉中Fe 质量分数；W C 为煤耗量，kg ·t −1；W D 为炉尘量，kg ·t −1；W O 为矿石量，kg t −1；w C , C 和w C , P 分别为煤粉和金属化球团中碳质量分数；W C , R 为直接还原耗碳，kg ·t −1；η为还原度；w O , C 为煤中能和碳结合的氧质量分数；W C , B2为由二次风燃烧的碳量，kg ·t −1；V B1和V B2为助燃风和二次风体积，m 3·t −1；W H 2O 为空气含水量，kg ·m −3；w H , C 为煤粉中H 质量分

g g g g g

数；X CO 、X CO 、X H 、X H 和X N 分别为转底22O 22

式中：Q i mcon 为第(i ) 段煤气燃烧放热，kJ ·t −1；

Q i ercon 为第(i ) 段还原生成CO 与二次风燃

烧热，kJ ·t −1；Q i ccon 为第(i ) 段煤粉碳燃烧放热，kJ ·t −1；Q i hcon 为煤第(i ) 段粉挥发分燃烧碳放热，kJ ·t −1；Q i zhwl 、Q i erwl 、Q i mwl 和Q i sqwl 分别为第(i ) 段助燃风、二次风、煤气和生球带入的物理热，kJ ·t −1；Q i hy 为第(i ) 段铁氧化物和其他可还原氧化物还原耗热，kJ ·t −1；Q i fq 为转底炉第(i ) 段废气带走热量，kJ ·t −1；Q i sf 为生球带入转底炉水分随废气带走热量，kJ ·t −1；Q i hff为第(i ) 段挥发分分解耗热，kJ ·t −1；Q i js 为第(i ) 段金属化球团带走物理热，kJ ·t −1；Q i loss 为第(i ) 热段损失，kJ ·t −1.

1.5

炉烟道废气中CO 、CO 2、H 2O 、H 2和N 2气体的

B 体积分数；V g 为烟道废气体积，m 3·t −1；X O 和2B O X N 分别为鼓风中O 2和N 2体积分数；w Fe

22O 3O 和w FeO 分别为矿石中Fe 2O 3和FeO 质量分

余热回收模型

转底炉废气排放温度高达1100∼1200℃，因此

数；w Metmp 、w NClmp 、w MetD 、w NClD 、w MetP 、w NClP 、

w MetPC 和w NClPC 分别为金属化球团、粉尘、矿石

烟气余热回收的效率，直接影响到转底炉系统的整体能耗，通过对转底炉工艺特点的分析，烟气余热回收主要应用于以下四个方面：(1)加热助燃风和二次风；(2)加热煤气；(3)产生蒸汽；(4)用于球团

和煤粉中可还原挥发的金属和可挥发的金属化氯化物的质量分数；w N 2, C 为煤粉中N 2质量分数.

烘干. 由转底炉直接还原工艺特点，空气预热温度高低关系低发热值煤气能否利用和煤气消耗量，进而直接关系到转底炉直接还原系统的能耗. 通过建立余热回收方程考察余热回收对整体能耗的影响.

T t1

(10)Q aph =V air (C pzr (T )+C pec (T ))d T,

T 0

T t2

Q gph =V gas C pgas (T )d T, (11)

Q vap =V exh

Q sq =m sq η

T in1T 0

T out

论温度的计算受以上三个方面的限制，计算炉膛理论温度应满足工艺要求，其计算式如下：

T f =α ·T f1+β ·T f2+χ·T f3, T f1=[Q mcon +Q zhwl +Q mwl −Q water ]/

gas gas gas [C CO 2(T ) ·V CO +C H 2O (T ) ·V H +C N 2(T ) ·V N ]222

(16)

(17)

T f2=

Q ercon +Q erwl

+C (T ) ·V , C CO 2(T ) ·V CO N 2N 22

(18)

C pexh (T )d T,

T in

T out1

(12)(13)

C qt (T )d T.

T f3=[Q ccon +Q hcon +Q merwl +Q sqwl −Q mfj −

mei

Q mqh −Q driwl ]/[C CO 2(T ) ·V CO +C H 2O (T ) ·2

mei mei

V H +C N 2(T ) ·V N ]. 2O 2

式中：Q aph 、Q gph 、Q vap 和Q sq 分别为预热

空气、预热煤气、产生蒸汽和烘干球团回收的热量，kJ ·t −1；T 0、T t1、T t2、T in 、T out 、T in1和T out1分别为空气和煤气开始温度、空气预热后温度、煤气预热温度、烟气进余热锅炉和出余热锅炉温度、烟气进烘干机和出烘干机温度，℃；C pzr (T ) 、C pec (T ) 、C pgas (T ) 、C pexh (T ) 和C qt (T ) 分别为助燃风、二次风、煤气、烟气和生球的比热容，kJ ·kg −1·K −1；V air 、V gas 、V exh 和m sq 分别为生产1t 金属化球团消耗的空气量、煤气量，产生烟气量和所需生球量，m 3·t −1和kg ·t −1；η为球团烘干所需热量的过剩系数.

1.6

(19)

式中：α 、β 和χ分别为煤气燃烧、二次风燃烧和煤粉燃烧的理论温度与炉膛温度的相关系数；T f 、T f1、T f2

和

T f3

分别为炉膛温

度，煤气、二次风和煤粉理论燃烧温度；Q merwl

gas mei ec ec mei mei

和V N 分别为煤气、V N 、V CO 、V N 、V CO 、V H

22222O 2gas gas

为燃烧煤粉所需二次风的物理热，kJ ；V CO 、V H 、22

二次风和煤粉燃烧后废气成分中CO 2、H 2和N 2的体积分数.

1.7.2废气露点温度校核

生球干燥模型

从总体节能降耗的角度结合转底炉直接还原

转底炉烟气经过生球烘干机后，进入布袋除尘器，然后排空. 根据工艺要求，转底炉废气中含有一定量的SO 2，其含量的高低关系到废气的露点温度，因此需要对废气露点温度进行校核，使之满足布袋除尘器的工艺要求，其校核计算式

T dryinmin −∆T T dryoutmin >max(T egdewpiont , T waterpoint ) ,

(20)

[13]

工艺整体流程综合考虑，生球干燥所需的热风应来源于转底炉的高温废气，由于转底炉高温废气经历助燃风、二次风、煤气和蒸汽的换热过程，剩余烟气还应满足生球的烘干工艺，因此引入判别式ξmin ，满足以下方程：

ξmin =α·V drymin +β·∆T,

ξmin Q sq .

(14)(15)

如下：

式中：ξmin 为烘干所需最小焓值，kJ ·t −1；α和β分别为烘干气体体积最小值和烘干温差系数；V drymin 为烘干所需最小气体体积，m 3，∆T 为烘干前后的烟气温差，℃.

由于在生球干燥计算模型中ξmin 值只包括了烘干气体进出口的温度差，并未涉及到烘干气体的进口和出口的热力学温度，因此在废气露点校核过程中将继续引入烘干气体的进口和出口热力学温度进行计算和判别.

1.7

T egdewpiont =10. 8809+27. 61lg P H 2O +10. 83lg P SO 3+

1. 06(lgP SO 3+2. 9943) 2. 19. (21)

式中：T dryinmin 、T dryoutmin 、T egdewpiont 和T waterpoint 分别为烟气进烘干机最低温度、烟气出烘干机最低温度、废气露点和水沸点温度，℃；P H 2O 和P SO 3分别为烟气中水蒸气和SO 3的分压，Pa.

2模型的计算原则

为了获得较为精确的计算结果，模型计算基

[14−16]

于以下五个原则：(1)物料平衡相对误差

炉膛温度校核和排放废气的露点校核转底炉炉膛燃烧包括三方面内容即煤气燃烧、

1.7.1炉膛温度校核个区域热平衡误差

炉内二次风燃烧和球团配碳燃烧. 因此对于炉膛理

3模型的求解方法

以生产1t 金属化球团为计算单位，在满足五

示(布袋除尘灰量为1.04kg ·t −1) ，预设生球碳氧摩尔比为1.0，金属化球团的金属化率为85%，金属化球团成分如表5所示，助燃风和二次风预热温度为900℃，煤气预热温度为350℃，球团入炉温度为100℃，出炉烟气温度为1100℃，最终排放废气温度为180℃，采用综合模型对所设计的转底炉直接还原工艺进行计算，得到的具体工艺参数如表6所示.

从表6模型的计算结果中可以发现：

(1)该工艺流程用转底炉排放高温烟气预热空

个计算原则的前提下，采用综合数学模型对原燃料和工艺操作参数进行模拟计算，其计算程序如图2所示. 为了能获得较为准确的炉膛温度，转底炉综合数学模型采用循环逼近求解；另外，结合生球干燥实验

[1]

，获得废气烘干生球过程的气体消耗量，

进而校核烘干能力和露点温度

.

气和煤气，为确保合理的炉膛温度需要保证煤气发热值和空气预热温度. 所以，既要满足理论燃烧温度又要符合全炉热平衡，在两者都满足的前提下，模型计算得到煤气消耗量和空气消耗量分别为

469.5和1693.3m 3·t −1，校核理论炉膛温度为1303∼1360℃，符合计算原则中理论炉膛温度范围.

(2)模型计算转底炉工艺生产金属化球团煤比302.4kg ·t −1，煤气比469.5m 3·t −1，折合总煤比为436.1kg ·t −1，此时全炉热损失为20%符合计算原则

范围.

(3)流程中去烘干的烟气量为3489.6m 3·t −1，烟

气量满足生球烘干需求；烘干后废气温度为200℃，大于排放废气的露点温度173℃，满足布袋除尘的需要.

(4)转底炉系统能源消耗的高低取决于转底炉

烟气排放温度和烟气余热利用效率的高低. 转底炉的高温烟气带走热量占整体能耗的45%∼53%.本模型计算转底炉烟气余热总计4771.3MJ ·t −1，空气、煤气和蒸汽回收余热分别为2228.0、249.7和

276.4MJ ·t −1，因而得到余热有效利用率为57.7%.4.2

工艺参数对转底炉系统的影响

转底炉系统热量平衡是建立在一定的原料和

燃料基础条件上的，因此本节考察对于改变原燃料的工艺参数对转底炉热平衡的影响.

(1)煤气热值对工艺参数影响. 以发生炉煤气

为例，煤气中可燃烧部分为CO 、H 2和CH 4，当固定了原料条件和球团金属化率，且二次燃烧为定值时，由于煤气成分不同导致废烟气量不同，应用综合模型研究了不同煤气热值对转底炉能耗的变化规

图2

Fig.2matical model

综合数学模型计算流程图

律，结果如图3所示.

由图3可以看出，随着煤气发热值的提高，理论燃烧温度提高且煤气消耗量减小，煤气发热值每增加50kJ ·m −3时，理论燃烧温度提高22∼25℃且煤气用量减少41∼47m 3·t −1. 此外还可以看出，为保证理论温度达到1300℃，煤气发热值需要达到

1325kJ ·t −1.

Calculation flowchart of the comprehensive mathe-

4

4.1

计算结果及分析

工艺参数

转底炉综合模型计算所用原料由莱钢提供，其

中原燃料成分如表1∼3所示，炉尘成分如表4所

第12期佘雪峰等：转底炉直接还原工艺综合数学模型

表1

Table 1

·1585·

原料成分(质量分数)

%

S 0.78

P 0.054

H 2O —

Chemical composition of the raw material

MgO 1.69

Al 2O 30.94

MnO 0.25

TFe 62.03

FeO 20.05

CaO 3.93

SiO 24.57

表2

Table 2

CO 30.0

CO 29.0

煤气成分(质量分数)

%

CH 42.0

N 245.0

Chemical compositions of the gas

H 214.0

表3

Table 3

C 73.96

H 24.33

O 23.72

N 22.76

S 0.445

煤粉成分(质量分数)

%

Chemical composition of the coal

P 0.05

SiO 26.93

Al 2O 32.82

灰分CaO

0.40

MgO 0.79

FeO 3.73

表4

Table 4

TFe 9.46

FeO 5.8

SiO 226.88

Al 2O 333.06

炉尘成分(质量分数)

%

P 0.64

MnO 3.13

C 3.37

Chemical composition of the dust

CaO 12.42

MgO 1.59

S 3.65

表5

Table 5

TFe 75.99

MFe 64.59

FeO 14.65

CaO 5.06

金属化球团成分(质量分数)

%

P 0.08

C 0.50

Chemical compositions of the metallized pellets

SiO 26.64

Al 2O 31.45

MgO 2.14

S 1.07

其他

3.78

表6

Table 6

综合数学模型计算结果

Results of the comprehensive mathematical model

参数

煤气消耗量/(m3·t −1) 空气消耗量/(m3·t −1) 矿石量/(kg·t −1) 煤比/(kg·t −1)

物料平衡的相对误差/%出转底炉总烟气量/(m3·t −1) 预热空气需要烟气量/(m3·t −1) 煤气换热器前兑入空气/(m3·t −1) 预热煤气的烟气量/(m3·t −1) 去烘干的烟气量/(m3·t −1)

煤气热值/(kJ·m −3)

数值

469.51693.31214.7302.40.102264.91650.11224.71839.53489.61446.3

参数

烟气带走热量/(MJ·t −1) 铁还原吸热/(MJ·t −1) 空气带入物理热/(MJ·t −1) 煤气带入物理热/(MJ·t −1)

全炉热损失/%

回收蒸汽热量/(MJ·t −1)

空气富氧率/%

烘干后排放废气温度/℃排放废气的露点温度/℃

理论炉膛温度/℃

数值

4771.3(占比45.8%)2191.3(占比21.0%)2228.1(占比21.4%)249.7(占比2.4%)

20276.[1**********]3∼1360

(2)二次燃烧率对工艺参数影响. 转底炉内热量量减少108∼113m 3·t −1，因此二次燃烧率的高低很大程度影响转底炉工艺的能耗水平. 此外还可以看出，为保证理论温度达到1300℃，二次燃烧率应大于54%.

(3)空气或煤气预热温度对工艺参数的影响. 根

另一个来源是炉内球团发生直接还原产生CO 的二次燃烧，由于二次风配比的不同会造成炉内CO 的二次燃烧率不同，CO 不完全燃烧将导致理论燃烧温度降低，本节应用综合模型研究了不同CO 二次燃烧率对转底炉能耗变化的影响规律，结果如图4所示.

由图4可以看出，二次燃烧率的提高，理论燃烧温度提高且煤气消耗量减小，平均二次燃烧率每增加10%时，理论燃烧温度提高13∼15℃且煤气用

据工艺条件，煤气预热温度一般不超过450℃. 此外从表6综合数学模型计算结果可知，煤气带入物理热只占总热量的2.4%，而空气带入物理热达到

21.4%，因此考察空气预热温度对转底炉能耗的影

响具有重要的现实意义. 空气预热温度对工艺参数

·1586·北京科技大学学报第35卷

影响结果如图5所示

. 热温度的高低也在很大程度上影响转底炉工艺的能耗水平.

此外还可以看出，为保证理论温度达到

1300℃，空气预热温度应大于720℃.

5模型的应用前景

影响转底炉的工艺参数是多因素的，如原料、

燃料条件的改变是重要参考基础，计算中发现高品位矿和低品位矿对于二次风的计算有较大差距. 此外，转底炉燃料采用焦炉煤气、高炉煤气或者混合煤气对废气量、空气预热温度、理论炉膛温度和露点温度等有较大影响. 具体参数需要详细测算才能

图3

Fig.3tion of

RHF

煤气热值对转底炉能耗的影响

获得精确结果.

转底炉综合数学模型可以计算不同原料和燃料等条件下的直接还原工艺参数，或研究相同原料和燃料条件下的各个工艺参数的变化规律，从理论上可以系统分析、对比和优化转底炉的工艺流程和工艺参数. 因此，本综合模型对研究和开发转底炉直接还原工艺具有重要的理论指导意义和广泛的应用前景.

Influenceof gas calorificvalue on the energy consump-

6结论

(1)模型计算得到该工艺的基本参数为：发生

炉煤气469.5m 3·t −1，煤比302kg ·t −1.

(2)煤气热值、二次燃烧率和空气预热温度对

转底炉能耗和理论炉膛温度影响显著，煤气发热值

图4

Fig.4

二次燃烧率对转底炉能耗的影响

Influenceof secondary combustion rate on the energy

每增加50kJ ·m −3时，理论燃烧温度提高22∼25℃且煤气用量减少41∼47m 3·t −1；平均二次燃烧率增加10%，理论燃烧温度提高13∼15℃且煤气用量减少108∼113m 3·t −1；平均空气预热温度每增加

100℃时，理论燃烧温度提高35∼40℃且煤气用量

consumption of

RHF

减少90∼103m 3·t −1.

(3)该综合模型还可以计算任何原料和燃料等

条件下的工艺操作参数，研究相同原料和燃料条件下的各个工艺参数的变化规律，对研究和开发转底炉直接还原工艺具有重要的理论指导意义和广泛的应用前景.

参考文献

图5

Fig.5

空气预热温度对转底炉能耗的影响

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Influenceof air preheating temperature on the energy

consumption of RHF

由图5可以看出，随着空气预热温度的提高，理论燃烧温度提高且煤气消耗量减小，平均空气预热温度每增加100℃时，理论燃烧温度提高35∼

40℃且煤气用量减少90∼103m 3·t −1，因此空气预

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