<<
>>

4.3. Расчет материального баланса процесса4.3.1. Общие положения расчета материального баланса.

Ядром разработанной методики расчета материального и теплового балансов процесса РОМЕЛТ является система из четырех балансовых уравнений: 1) баланса фиксированного углерода; 2) по основности шлака; 3) для выхода шлака; 4) для выхода металла.

В качестве неизвестных величин в них были приняты: расход угольной шихты, кг/ч; расход флюсующей шихты, кг/ч; количество образующегося шлака, кг/ч; количество образующегося металла, кг/ч.

4,3.2. Уравнения материального баланса.

Уравнение баланса фиксированного углерода.

Далее для краткости будем называть угольную, флюсующую и железосодержащую шихту соответственно углем (у), флюсом (ф) и рудой (р).

Для упрощения расчета необходимо ввести следующие константы:

а) средняя гигроскопическая влажность шихты;

Щ = (71)

k=1

где i - руда (флюс, уголь); xt - доля компонента к в соответствующей шихте, доли ед. (масс.); Wk - гигроскопическая влажность компонента к в i-й шихте, доли ед. (масс.); п -количество компонентов в й шихте;

б) постоянные загрузки:

- для флюса и руды: В, =(1-Z7;H1 - W,)s (72)

- для угля: В, =(1-П,)-(1-Ж1)-А°, (73)

где В; - доля сухого г-го материала, поступающего в шлаковую ванну; 77, -

пылевынос z'-го материала, доли ед. (масс.); Ас - зола угля, доли ед. (масс.).

Приход фиксированного углерода.

Фиксированный углерод поступает в ванну с шихтовыми материалами (главным образом с углем), причем общее количество фиксированного углерода складывается из фиксированного углерода шихты и пиролитического углерода от разложения углеводородов летучих компонентов угля;

^•¦PyKCU +~-CBl-kCHt)-k^)-(l~Wy)-Pv, (74)

где Сфнкс - содержание фиксированного углерода в угле, доли ед. (масс.);

Сшф _ содержание пиролитического углерода в угле, доли ед. (масс.); СН I - содержание СН4 в угле, доли ед. (масс.); Ру-- расход угля, кг/ч. Величина Спир определяется при расчете состава летучих компонентов угля по справочным данным (см. глава 3). Углерод, образующийся при термическом разложении метана, рассчиты-

12

вается по выражению; — • CHJ ¦ kah .

Приход фиксированного углерода с рудой и флюсом описывается общим выражением:

где i - руда или флюс; СфЛ1Я. - содержание фиксированного углерода в г-м

компоненте, доли ед. (масс.); Р,-расход i-й шихты, кг/ч. Расход фиксированного углерода.

1) Расход фиксированного углерода на взаимодействие с кислородом дутья нижних фурм. Процесс горения фиксированного углерода на нижних фурмах печи РОМЕЛТ можно представить в виде реакции: г k Л

^ "-СО/СО ;

Oi -Xl-ftoaco S) C02 +

С

k-coico , • со . (76) Тогда расход фиксированного углерода шихты на взаимодействие с кислородом дутья нижних фурм определяется выражением:

12

ф? -К: (77)

j НФ __ у НФ

где V^ - объем кислорода дутья нижних фурм, м3/ч - определяется выражением:

Г? = ¦< (78)

где Кнф - расход дутья на нижние фурмы, м3/ч; d^ - доля кислорода в дутье

на нижние фурмы, доли ед. (объем.); со02- чистота производимого кислорода, доли ед. (объем.); Жнф - содержание влаги в дутье на нижние фурмы, доли ед. (масс.).

Унос фиксированного углерода с пылью составит:

ФпТ = (79)

где i - руда (флюс, уголь).

Расход фиксированного углерода на взаимодействие с влагой. Большая часть поступающей влаги испаряется и в виде паров воды удаляется с газами, а некоторая часть - взаимодействует с углеродом с образованием СО и Н2.

Согласно результатам, полученным в главе 2, доля влаги угля, взаимодействующая с его уг-леродом () определяется из выражения (20), а доля Н20, взаимодействующая с

углеродом в объеме шлакового расплава (к^г0), принимается равным нулю. При

специальной подаче воды в виде водяного пара в дутье нижних фурм (при газификации угля в шлаке или для регулирования (понижения) температуры расплава) доля влаги взаимодействующей с углеродом () будет отличной от нуля. Расход углерода на взаимодействие с влагой составит: • для руды и флюса:

фс-? • Pi - кко ¦ ~¦ сщ + н2огр • а -щ»-р„ (so)

где i - руда юга флюс; Н20['щр - содержание гидроскопической влаги в 7-й шихте, доли ед. (масс.);

для угля:

(81)

где Н20™др~ содержание гидр о скопической влаги в угле, доли ед. (масс.);

Н2Оу - содержание Н20, образующейся при выделении летучих компонентов, в угле, доли ед. (масс.).

для дутья на нижние фурмы:

фН20(нф) Г. . J ,ТД/ .у ч

^с 224 НФ ЕФ (82)

Расход фиксированного углерода на взаимодействие с С02. При использовании в качестве флюса известняка и при наличии карбонатов в руде, в шлаковую ванну поступает значительное количество С02. Часть двуокиси углерода, также как и влага может взаимодействовать с углеродом в шлаковой ванне, а часть удаляется из ванны с газами, не вступая в реакцию.

Расход углерода на взаимодействие с С02 составит:

для руды и флюса:

Фс52 • в - ?cCOi ¦ • С02]о6щ ¦ (1.- Щ) ¦ Р,, (83)

где i - руда или флюс; С02°6щ - суммарное содержание двуокиси углерода в соединениях i-й шихты, доли ед. (масс.);

для угля:

-ру =feco, ¦§•(!-Wy)-(C02^ -А+С01УРу, (84)

где СОэ°6щ- суммарное содержание двуокиси углерода в соединениях угля,

доли ед. (масс.); СО^ - содержание С02, образующегося при выделении летучих компонентов, в угле, доли ед. (масс.). Расход углерода на восстановление железа. Главным образом оксиды же-леза поступают в печь с железосодержащим сырьем. Некоторое их количество содержится в золе углей и флюсующей шихте. Часть оксидов железа не достигает

ванны расплава и выносится из печи вместе с пылью. После расплавления шихтовых материалов в шлаковом расплаве происходит восстановление оксидов железа.

Следует отметить, что механизм восстановления железа (прямое восстановление или восстановление через газовую фазу с последующей регенерацией СО2) не имеет значения для данной математической модели, так как при реализации любого из них расходуется твердый углерод [105-108].

Расход фиксированного углерода на восстановление железа составит:

а) при восстановлении Fe203 до FeO по реакции Fe203 + С = 2FeO + СО;

(85)

где г - руда (флюс, уголь); Fe20'j * - содержание Ре2Оз в i-й шихте, доли ед. (масс.).

б) при восстановлении FeO до Fe по реакции FeO + С - Fe + СО:

фМ.р^Щ.-ЕеО^-В.-Р,, (86)

где FeOf™ - общее содержание FeO в на шихте, равное сумме FeO шихты

(FeO из FeC03; FeO, образующегося при окислении FeS и FeS2) и FeO, образовавшегося из Fe203, доли ед. (масс.).

Часть FeO останется в шлаке. Не израсходуется на восстановление этого FeO углерода:

ФГ)-01ИЯ=§-(№О)1ЩГ-еш„ (87)

где^еО)^- содержание FeO в шлаке, доли ед. (масс.); выход шлака,

кг/ч.

6) Расход углерода на восстановление других элементов. Кроме железа в шлаковой ванне будут восстанавливаться и некоторые другие элементы. Основными элементами, содержание которых в шихтовых материалах достаточно велико и восстановление которых достаточно заметно, являются: Mn, Si, Р, РЬ, Zn, Си, К, Na, Сг.

V. Степень восстановления этих элементов определяется большим числом технологических параметров.

В общем виде восстановление элемента (Э) из его оксида (3*0^) углеродом можно записать следующим образом;

ЭжОу + у - С = я • Э + у ¦ СО. (88)

Обозначим коэффициенты распределения элемента между металлом, шлаком и пылегазовой фазой как ; К'^ и К'гйз, соответственно. Они показывают долю 7-го элемента, перешедшего в соответствующую фазу.

Общая формула для расчета количества углерода, необходимого для восстановления элемента из его оксида запишется как:

где i - руда (флюс, уголь); ЭхОу- [MnO, NiO, Сг203, V205, ТЮ2, ВаО, Р203:

PbO, ZnO, К20, Na20, CuO, Si03, А1203, СаО, MgO] - содержание соответствующего оксдда в 7-й шихте, доли ед. (масс.); Л/, (С), Мг(ЭхОу)~ молекулярные массы углерода и оксида, соответственно, г/моль.

12-.CaS04i+-^- MgS04;+Jf--BaS04l. I¦?„ (90)

Расход углерода на разложение сульфатов составит:

ф сульфат _ р __ g _

v-

136 120/3 ° " 233,3

где i - руда (флюс, уголь); CaS04i,MgS04;,BaS04i- содержание CaSO^

MgS04 и BaS04 в /-й шихте, доли ед. (масс.).

Расход углерода на науглероживание металла определяется как:

' Смет ~ ^ иет ' Q мет = (91)

где QMeT— выход металла, кг/ч; Смет - содержание углерода в металле, доли ед. (масс.).

Расход углерода на взаимодействие с кислородом фурм для дооюигания определяется по следующему выражению:

(92)

где Vq* - расход кислорода дутья на верхние фурмы, м3/ч.

определяется выражением:

V$=Vt (93)

где УЕф - расход дутья на верхние фурмы, м3/ч; сЩ- доля кислорода в дутье

на верхние фурмы, доли ед. (объем.).

Учитывая выражения для различных статей прихода и расхода фиксированного углерода, балансовое уравнение для фиксированного углерода примет вид:

фу ^фс-у}-ФсГ-Ш-*-Фс°фW +Ф?0)-СЗШП -

V /к ^

' ^ (94)

^С WiteT

- ФЕ -ФоГ-ZCp -^р -фс-р jPp Ф^С^Кф +ФСФ-"*оф

где г-[МпО, NiO, Cr203, V205; ТЮ2, BaO, Р305, PbO, ZnO, K20, Na30, CuO, Si02, A1203, CaO, MgO, CaS04, MgS04, BaS04].

Уравнение no основности шлака. С учетом заданной основности образующегося шлака (?=Ca0/Si02) второе балансовое уравнение процесса РОМЕЛТ бу-дет иметь вид:

„ _ (Вр-Рр 'СаОр + Вф -Рф СаОф + Ву-Ру -СаОу)-^

или

ВТ-(СаО,-К?-В.ЭЮ17-К%я)-Р7 +

Вф ¦ (СаОф ¦ - В ¦ ЗЮ2ф ¦ К^) ¦ Рф =. (96)

где СаО/, S102j- - массовая доля оксидов кальция и кремния, соответственно, в i-й шихте.

Уравнение выхода ишака. Общая масса образующегося шлака складывается из масс присутствующих в шлаке соединений. Содержание закиси железа в шлаке задается и является одним из настроечных коэффициентов. Для остальных элементов запишем общее выражение, определяющее переход каждого из них в шлак:

nrf=Pf.Br3rOy(.K^, (97)

где г - руда (флюс, уголь); Э ~ [Si, Al, Са, Mg, Р, MIL, Ni, Cr, V, Ti, В а, РЪ, Zn, К, Na, Си].

Масса серы, перешедшей в шлак, рассчитывается следующим образом:

- для руды и флюса:

РГШ! =Pt.Д, i(l-J88 1 120 21) iC+^L

для угля:

120 2>J KL + Kt

шп мет

где руда (флюс); FeS; - содержание FeS в й шихте, доли ед. (масс.); FeS3; - содержание FeS2 в i-й лшхте, доли ед. (масс.); S, - содержание элементарной серы в г-й шихте, доли ед. (масс.).

Учитывая выражения для расчета масс компонентов, перешедших в шлак, балансовое уравнение шлака принимает вид:

ру ¦ ЦЩ+рф ¦ ЕЧ - о** ¦ а ¦- (Fe°u )=-Рр-ещ (100)

где / - [Si, A1, Ca, Mg, Р, Mn, Ni, Cr, V, Ti, Ва, РЪ, Zn, К, Na, Си, S], Уравнение выхода металла. Содержание углерода в металле задается и является одним из настроечных коэффициентов. Масса железа, формирующая металл, складывается из массы FeMer, содержащегося в сырье, и массы железа, восстановленного из FeO, с учетом того, что часть FeO остается в шлаке:

MtPe =Pt - В, .(jl-FeOf4 +Fer), (101)

где i - руда (флюс, уголь); Бе,нет - содержание металлического железа в 7-й

шихте, доли ед. (масс.).

Для остальных элементов (Э) запишем общее выражение, определяющее пе-реход каждого из них в металл:

где i - руда (флюс, уголь); МГ(Э), Л?,.(ЭхОу) - молекулярные массы элемента и его оксида, соответственно, г/моль; Э - [Si, Al, Ca, Mg, Р, Mn, Ni, Cr, V, Ti, Ва, РЪ, Zn, К, Na, Си].

Масса серы, перешедшей в металл, определяется следующим выражением:

- для руды и флюса:

P,.Mf =P1.Bl.((1-KL){|.FeS,+2.f0.FeS!,).I^-+^.S1), (103)

- для угля:

где г- руда (флюс).

Учитывая массу углерода, перешедшего в металл, массу железа, перешедшего в шлак, а также выражения дж расчета масс элементов, перешедших в металл, балансовое уравнение металла принимает вид:

VL4+V IX -Ош-Щ- (Fe°)w - Q«=r ¦ (i-c^) = -рр ¦ 1м;, (юз)

где / - [Fe, Si, Al, Ca, Mg, P, Mn, Ni, Cr, V, Ti, Ba, Pb, Zn, K, Na, Cu, S].

Система балансовых уравнений. Полученные четыре уравнения - (94),(96),(100),(105) являются ядром разработанной модели. В общем виде система этих уравнений может быть представлена следующим образом:

\i' ру + *i2' -Рф + к1з" О™ + К* и • QMeT = -fcis • + Л16 • тнф + к17 ¦ швф

^ ^21 ' Ру + ^22 ' Рф + ^23 ' Ошл + ^24 ' биет = ^25 ' ^Р ^31 ' Ру + ^32 ' -Рф + ^33 ' Ошл + ' Омет = '

Ki ¦ Ру + Кг-Рф+К-Яиш+км-Ож = ¦ Рр

Коэффициенты уравнений являются функционалами от ряда парамет

ров процесса. Описание каждого функционала кК приведено в табл.27.

Описание коэффициентов ^ системы балансовых уравнений (106)

Таблица 27 коэф-фици-ент kij определяющие параметры 1 2 hi • приход углерода с углем - Ф-с;

вынос углерода угля с пылью - Ф™;

расход углерода угля на:

восстановление элементов золы угля из их соединений - ^Фс-у (здесь и далее с учетом коэффициентов распределения

элементов между фазами);

восстановление гигроскопической, гигроскопической влаги угля и Н20, содержащейся в летучих угля - Фреакцию с диоксидом карбонатов угля и С02, содержащимся в летучих компонентах угля - Ф?°2, Под количеством углерода., израсходованного в процессе, понимается разность между количеством углерода, поступившего в ванну с шихтовыми материалами, и количеством углерода, унесенного из печи с пылью и летучими угля, т.е. не прореагировавшего в ванне.

1 2 кп • приход углерода с флюсом - Ф|;

вынос углерода флюса с пылью - Ф™;

расход углерода на:

восстановление элементов флюса из их соединений - Фс-ф ;

восстановление шдроскопической, гигроскопической влаги флюса - ФС-Ф '

реакцию с диоксидом карбонатов флюса - Ф^. ки > уменьшение расхода углерода на восстановление оксидов железа, за счет потерь части железа в виде FeO со шлаком -Ф^е0). ки > расход углерода на науглероживание металла - ). kis • приход углерода с рудой - ;

вынос углерода руды с пылью - Ф™;

расход углерода на:

восстановление элементов руды из их соединений - V Ф'с_р ;

восстановление гигроскопической и гигроскопической влаги руды-

реакцию с диоксидом карбонатов руды - Ф™р2; kt6 • > расход углерода на:

взаимодействие с кислородом дутья нижних фурм - Ф"ф;

восстановление влаги дутья низших фурм - к17 > расход углерода на взаимодействие с кислородом дутья верхних фурм кг 1 > содержание «свободных оснований» в угле - Д. • (СаОу ¦ IV^ - в-Si02y ¦ /О. кгг > содержание «свободных оснований» во флюсе - • (СаС^ -ii^ -В-SiG^-K^J. кгъ > содержание «свободных оснований» в руде -Вр -(СаОр -К^ -B-Si02p -К^). кзг > вклад соединений золы угля (кроме Fe) в формирование шлака - къг > вклад соединений флюса (кроме Fe) в формирование шпака - . к3з > наличие в шлаке оксидов железа - (-(1 -(FeO)^)). kss > вклад соединений руды (кроме Fe) в формирование шлака - ^ ¦ к4i > вклад восстановленных элементов угля в формирование металла -

ЪК' к4г > вклад восстановленных элементов флюса в формирование металла -

ТК- км > потери железа, перешедшего в шлак в виде FeO (в коэффициентах ЬЦ, кц2? k4s принимается, что все железо, кроме железа, покинувшего печь

с пылью, переходит в металл) - ™ (FeO)^ j.

1 2 /Г44 > увеличение массы металла за счет растворенного углерода -

Hi-cMeI)). *45 > вклад восстановленных элементов руды в формирование металла -

2Х Коэффициенты кг4, Ьэ4 равны нулю.

Неизвестными величинами при заданном расходе руды в системе являются Ру, Рф, Ошл> С)!у,ет- Из (106) видно, что вместо расхода руды для расчета материального баланса могут быть заданы и другие параметры процесса: расход угля, расход флюса, количество образующегося шлака или количество образующегося металла.

<< | >>
Источник: Бабкин Дмитрий Геннадьевич. его моделирование с целью совершенствования технологии [Электронный ресурс]: Дис. ... канд. техн. наук 05.16.02 .—М.: РГБ, 2003(Из фондов Российской Государственной Библиотеки). 2003

Еще по теме 4.3. Расчет материального баланса процесса4.3.1. Общие положения расчета материального баланса.:

  1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ РАСЧЕТА МАТЕРИАЛЬНОГО И ТЕПЛОВОГО БАЛАНСОВ ПРОЦЕССА РОМЕЛТ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПУТЕЙ ИХ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ
  2. 7. МЕТОДИКА ЗОНАЛЬНОГО РАСЧЕТА МАТЕРИАЛЬНОГО И ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА ПЛАВКИ И ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА ПОКАЗАТЕЛИ ПРОЦЕССА
  3. 4.4. Расчет теплового баланса процесса
  4. 1.2. Методы зонального расчета балансов процесса РОМЕЛТ
  5. МЕТОДИКА РАСЧЕТА МАТЕРИАЛЬНОГО И ТЕПЛОВОГОБАЛАНСОВ И ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИПРОЦЕССА РОМЕЛТ
  6. Формы расчетов и правовое регулирование отношений по расчетам
  7. Уравнение баланса углерода
  8. Вынос и баланс питательных веществ
  9. VI. 2.2.4. Управление водопотреблением и водохозяйственный баланс
  10. 4.1. Алгоритм расчета
  11. Статья 59. Передаточный акт и разделительный баланс
  12. 4.4.1. Тепловой баланс шлаковой ванны.
  13. Баланс нервных процессов по подвижности
  14. 4.4.2, Тепловой баланс зоны дожигания.
  15. Глава 32 ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ФАКТОР. ТЕПЛИЧНЫЙ ЭФФЕКТ И ОЗОНОВАЯ ДЫРА
  16. Нарушения в балансе и круговороте углерода и кислорода в биосфере
  17. Андрогинный баланс как фактор индивидуального своеобразия психики человека
  18. В.В. Степанов МЕХАНИЗМ ПЕРЕПИСИ: БАЛАНС БЮРОКРАТИЧЕСКОГО И НАУЧНО МЫШЛЕНИЯ