一种确定高炉冶炼最低焦比的方法
阅读说明：本技术 一种确定高炉冶炼最低焦比的方法 (Method for determining minimum coke ratio in blast furnace smelting ) 是由 许俊 邹忠平 王刚 赵运建 吴开基 牛群 于 2021-08-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种确定高炉冶炼最低焦比的方法,属于高炉生产领域,包括设定原料条件和冶炼工艺条件；设定铁的直接还原度,计算吨铁直接还原耗碳、吨铁间接还原耗碳、吨铁耗热需碳、铁水中其他元素还原耗碳及铁水渗碳量；计算吨铁耗碳量,吨铁耗碳量＝吨铁间接还原耗碳和吨铁耗热需碳二者中的较大值+吨铁直接还原耗碳+铁水中其他元素还原耗碳+铁水渗碳量；选取多个直接还原度,重复上述步骤,对应得到多个吨铁耗碳量,选出其中最小值,即为该原料条件和冶炼工艺条件下的最低焦比。能够帮助操作者获得确定的减碳目标,即在特定原料条件和冶炼工艺条件下的冶炼能达到的最低焦比；并根据提供的信息制定可行的减碳措施,实现合理的减碳效果。(The invention relates to a method for determining the lowest coke ratio in blast furnace smelting, which belongs to the field of blast furnace production and comprises the steps of setting raw material conditions and smelting process conditions; setting the direct reduction degree of iron, and calculating the direct reduction carbon consumption of ton iron, the indirect reduction carbon consumption of ton iron, the heat carbon consumption of ton iron, the reduction carbon consumption of other elements in molten iron and the carburization amount of molten iron; calculating the carbon consumption of iron per ton, wherein the carbon consumption of iron per ton is the larger value of indirect reduction carbon consumption of iron per ton and heat carbon consumption of iron per ton, direct reduction carbon consumption of iron per ton, reduction carbon consumption of other elements in molten iron and carburization amount of molten iron; selecting a plurality of direct reduction degrees, repeating the steps to correspondingly obtain a plurality of tons of iron carbon consumption, and selecting the minimum value, namely the lowest coke ratio under the raw material condition and the smelting process condition. The operator can be helped to obtain a determined carbon reduction target, namely the lowest coke ratio which can be achieved by smelting under specific raw material conditions and smelting process conditions; and a feasible carbon reduction measure is made according to the provided information, so that a reasonable carbon reduction effect is realized.)
技术领域
本发明属于高炉生产领域，涉及一种确定高炉冶炼最低焦比的方法。
背景技术
高炉冶炼是冶金行业碳排放的主要工序，低碳不仅可以降低高炉冶炼成本，还可减少碳排放，减弱温室效应，减少环境污染。高炉冶炼过程是复杂的物理、化学反应过程，固体原料从高炉上方向下移动过程中升温并伴随铁氧化物的还原、高温煤气从风口向上流动，煤气在上升的过程中将热量传递给下降的炉料，同时煤气中的还原气体将炉料中的氧化物分级还原，部分未被还原气体还原的氧化物在炉身下部液态区域进行直接还原，还原后的金属和炉渣在通过风口区高温气体加热熔化，同时完成向铁水渗碳，形成液态渣铁分层储存在下部炉缸里，定时排出炉外。从高炉冶炼过程可以看出，高炉冶炼碳消耗主要有低价金属氧化物直接还原、还原气体对金属氧化物间接还原、形成熔融状态渣铁耗热和铁水渗碳。从降低成本和保护环境的角度，高炉冶炼碳消耗越少越好，但是能低到什么程度，这是需要探索的，高炉原料条件影响热量消耗，直接还原生成CO会参与间接还原，所以直接还原度既影响还原剂的量，又影响热量的消耗，并且热量耗碳生成CO也会参加间接还原，所以热量耗碳与间接还原剂有重叠，因此碳消耗是以原料为基础、而受制于直接还原度。除了高品位的原料外，找寻合适的直接还原度下碳消耗是低碳冶炼设计和生产最重要的任务，本发明就是基于原料条件和直接还原度的一种确定高炉冶炼最低焦比的系统和方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种确定高炉冶炼最低焦比的方法，解决一定原料条件和冶炼工艺条件下高炉冶炼碳消耗最低焦比无法准确确定的问题。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种确定高炉冶炼最低焦比的方法，包括以下步骤：
S1.设定原料条件和冶炼工艺条件；
S2.设定铁的直接还原度，计算吨铁直接还原耗碳；
S3.计算吨铁间接还原耗碳；
S4.计算吨铁耗热需碳；
S5.计算铁水中其他元素还原耗碳；
S6.计算铁水渗碳量；
S7.计算吨铁耗碳量，吨铁耗碳量＝吨铁间接还原耗碳和吨铁耗热需碳二者中的较大值+吨铁直接还原耗碳+铁水中其他元素还原耗碳+铁水渗碳量；
S8.选取多个直接还原度，重复步骤S2～S7，对应得到多个吨铁耗碳量，选出其中最小值，即为该原料条件和冶炼工艺条件下的最低焦比。
进一步，步骤S2具体包括以下步骤：
S201.设定铁的直接还原度rd，根据铁的直接还原方程式FeO+C＝Fe+CO，得出吨铁直接还原耗碳计算公式Mrdc＝12/56*rd*1000，计算出吨铁直接还原耗碳，Kg/tFe；
S202.同时计算出直接还原生成的CO量n1CO＝Mrdc*1000/12，mol/tFe。
进一步，步骤S3具体包括以下步骤：
S301.计算由Fe3O4还原成步骤S2中的FeO所需CO量n2CO
根据Fe3O4还原成FeO的方程式(1/3)Fe3O4+n1CO＝FeO+(n1-1/3)CO+(1/3)CO2及其反应平衡常数Kp1，计算出CO过剩系数n1，mol；则Fe3O4还原成步骤S2中的FeO所需CO量为n2CO＝1000000*rd/56*n1，mol/tFe；
S302.计算间接还原CO的过剩系数n2
根据间接还原反应炉身下部反应方程式FeO+n3CO＝Fe+CO2+(n3-1)CO+Q及其反应平衡常数Kp2，式中Q为反应生成热，求出n3，炉身中上部反应方程式(1/3)Fe3O4+CO2+(n4-1)CO＝FeO+(n4-4/3)CO+(4/3)CO2，求出n4，n2＝max(n3，n4)；
S303.计算直接还原生成的CO可用于间接还原Fe3O4-FeO-Fe的量n5＝n1CO-n2CO，mol；
S304.计算直接还原剩余CO量可还原的Fe量n1Fe＝n5/n2，mol；
S305.计算剩余需间接还原的Fe量n2Fe＝1000000/56*(1-rd)-n1Fe，mol；
S306.计算剩余需间接还原的Fe量n2Fe的耗碳Mic＝n2Fe*n2*12/1000，Kg/tFe，即为吨铁间接还原耗碳。
进一步，步骤S4具体包括以下步骤：
S401.计算由Fe2O3间接还原成FeO放出的热量QFe2O3-FeO；
根据Fe2O3还原成Fe3O4和Fe3O4还原成FeO的热反应方程式，可计算吨铁由Fe2O3间接还原成FeO放出的热量QFe2O3-FeO；
S402.计算FeO间接还原成Fe放出的热量QiFeO-Fe；
根据FeO间接还原成Fe的热反应方程式及直接还原度rd，则可计算FeO间接还原成Fe放出的热量QiFeO-Fe；
S403.计算FeO直接还原成Fe吸收的热量QdFeO-Fe；
根据FeO直接还原成Fe的热反应方程式及直接还原度rd，则可计算FeO直接还原成Fe放出的热量QdFeO-Fe；
S404.计算高炉冶炼其他耗热Qe；
根据高炉冶炼的原料条件、部分冶炼参数及直接还原度rd，进行物料平衡和热平衡计算，得到Si、Mn、P还原耗热Q1，炉渣、铁水、煤气带走的热量Q2，以及热风带入的物理热Q3，高炉冶炼其他耗热Qe＝Q1+Q2-Q3；
S405.计算冶炼耗热总量Qz
根据能量收支情况，Qz＝QFe2O3-FeO+QiFeO-Fe-QdFeO-Fe-Qe；
S406.计算吨铁耗热需碳Mre
根据风口前碳素燃烧的热反应方程式得到单位碳素燃烧放出热量q，吨铁耗热需碳Mre＝Qz/q。
进一步，步骤S5具体包括以下步骤：
根据物料平衡计算，进而得到铁水中其他元素还原耗碳Mcd[Si、Mn、P]，其他元素为Si、Mn和P。
进一步，步骤S6的计算公式为铁水渗碳量M[Fe]＝铁水含碳量*10。
本发明的有益效果在于：
本发明能够帮助操作者获得确定的减碳目标，即在特定原料条件和冶炼工艺条件下的冶炼能达到的最低焦比；并根据提供的信息制定可行的减碳措施，实现合理的减碳效果。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明流程示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1，一种确定高炉冶炼最低焦比的方法，包括以下步骤：
S1.设定原料条件和冶炼工艺条件；
高炉原料条件见表一：
高炉冶炼工艺条件见表二(为简化，本发明将喷煤量设为0，本发明能分析特定喷煤量下的最低焦比)：
高炉鼓风参数见表三：
S2.设定铁的直接还原度，计算吨铁直接还原耗碳；具体包括以下步骤：
S201.设定铁的直接还原度rd＝0.45，根据铁的直接还原方程式FeO+C＝Fe+CO，得出吨铁直接还原耗碳Mrdc＝12/56*rd*1000＝12/56*0.45*1000＝96.4286Kg/tFe；
S202.同时计算出直接还原生成的CO量n1CO＝Mrdc*1000/12＝8035.7143mol/tFe。
S3.计算吨铁间接还原耗碳；具体包括以下步骤：
S301.计算由Fe3O4还原成步骤S2中的FeO所需CO量n2CO
根据Fe3O4还原成FeO的方程式(1/3)Fe3O4+n1CO＝FeO+(n1-1/3)CO+(1/3)CO2及其反应平衡常数Kp1＝2.5806(800℃)＝CO2％/CO％＝(1/3)/(n1-1/3)，计算出CO过剩系数n1＝0.4625mol；则Fe3O4还原成步骤S2中的FeO所需CO量为n2CO＝1000000*rd/56*n1＝1000000*0.45/56*0.4625＝3716.7589mol/tFe；
S302.计算间接还原CO的过剩系数n2
根据间接还原反应炉身下部反应方程式FeO+n3CO＝Fe+CO2+(n3-1)CO+Q及其反应平衡常数Kp2＝0.5319(800℃)＝CO2％/CO％＝1/(n3-1)，式中Q为反应生成热(是由生成物的焓减去反应物的焓得出)，求出n3＝2.88，炉身中上部反应方程式(1/3)Fe3O4+CO2+(n4-1)CO＝FeO+(n4-4/3)CO+(4/3)CO2，Kp1＝2.5806＝CO2％/CO％＝(4/3)/(n4-4/3)，求出n4＝1.85，n2＝max(n3，n4)＝max(2.88，1.85)＝2.88；
S303.计算直接还原生成的CO可用于间接还原Fe3O4-FeO-Fe的量n5＝n1CO-n2CO＝8035.7143-3716.7589＝4318.9554mol；
S304.计算直接还原剩余CO量可还原的Fe量n1Fe＝n5/n2＝4318.9554/2.88＝1499.6373mol；
S305.计算剩余需间接还原的Fe量n2Fe＝1000000/56*(1-rd)-n1Fe＝1000000/56*(1-0.45)-1499.6373＝8321.7913mol；
S306.计算剩余需间接还原的Fe量n2Fe的耗碳Mic＝n2Fe*n2*12/1000＝8321.7913*2.88*12/1000＝287.6011Kg/tFe，即为吨铁间接还原耗碳。
S4.计算吨铁耗热需碳；具体包括以下步骤：
S401.计算由Fe2O3间接还原成FeO放出的热量QFe2O3-FeO；
根据Fe2O3还原成Fe3O4和Fe3O4还原成FeO的热反应方程式，3Fe2O3+CO＝2Fe3O4+CO2+24.9288KJ(800℃)，Fe3O4+CO＝3FeO+CO2-3.2485KJ(800℃)，可计算吨铁由Fe2O3间接还原成FeO放出的热量QFe2O3-FeO＝(-24.929+3.2485*2)/6*1000000/56＝-54.854.1667KJ/tFe；
S402.计算FeO间接还原成Fe放出的热量QiFeO-Fe；
根据FeO间接还原成Fe的热反应方程式FeO+CO＝Fe+CO2-16.3125KJ(800℃)及直接还原度rd，则可计算FeO间接还原成Fe放出的热量QiFeO-Fe＝-16.313*(1-0.45)*100000/56＝-160216.9643KJ/tFe；
S403.计算FeO直接还原成Fe吸收的热量QdFeO-Fe；
根据FeO直接还原成Fe的热反应方程式FeO+C＝Fe+CO-133.7155KJ及直接还原度rd，则可计算FeO直接还原成Fe放出的热量QdFeO-Fe＝133.7155*0.45*1000000/56＝1074495.536KJ/tFe；
S404.计算高炉冶炼其他耗热Qe；
根据高炉冶炼的原料条件、部分冶炼参数及直接还原度rd，进行物料平衡和热平衡计算，得到Si、Mn、P还原耗热Q1＝173257.572KJ/tFe，炉渣、铁水、煤气带走的热量Q2＝2312297.843KJ/tFe，以及热风带入的物理热Q3＝1628015.441KJ/tFe，高炉冶炼其他耗热Qe＝Q1+Q2-Q3＝173257.572+2312297.843-1628015.441＝857539.974KJ/tFe；
S405.计算冶炼耗热总量Qz
根据能量收支情况，Qz＝QFe2O3-FeO+QiFeO-Fe-QdFeO-Fe-Qe＝54.854.1667+160216.9643-1074495.536-857539.974＝1716963.405KJ/tFe；
S406.计算吨铁耗热需碳Mre
根据风口前碳素燃烧的热反应方程式得到单位碳素燃烧放出热量q＝9357.9725KJ/Kg，吨铁耗热需碳Mre＝Qz/q＝1716963.405/9357.9725＝183.476Kg/tFe。
S5.计算铁水中其他元素还原耗碳；根据物料平衡计算，进而得到铁水中其他元素还原耗碳Mcd[Si、Mn、P]＝5.8Kg/tFe，其他元素为Si、Mn和P。
S6.计算铁水渗碳量；铁水渗碳量M[Fe]＝铁水含碳量*10＝4.8*10＝48Kg/tFe。
S7.计算吨铁耗碳量MC＝Mrdc+max(Mic，Mre)+Mcd[Si、Mn、P]+M[Fe]＝96.4286+max(287.6011，183.476)+5.8+48＝437.8297Kg/tFe。
S9.在0～1范围内选取多个直接还原度(每0.05一个梯度)，重复步骤S2～S7，对应得到多个吨铁耗碳量，选出其中最小值，即为该原料条件和冶炼工艺条件下的最低焦比。见表四：
从表四中可以看出该原料条件和冶炼条件下最低焦比是475Kg/tFe，对应直接还原度是0.55。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
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