Розрахунок агломераційної шихти по рівнянням матеріального і теплового балансів, а також основності

ПРАКТИЧНЕ ЗАНЯТТЯ № 3-4

При переходе к спеканию руд новых месторождений часто необходимо вычислить также расход коксовой мелочи в агломерационную шихту. В этом случае к неизвестным расходам руды (X кг/100 кг агломерата), известняка (Y кг/100 кг агломерата) добавляется третье неизвестное – расход коксовой ме-лочи (Z кг/100 кг агломерата). В дополнение к уравнениям материального ба-ланса и баланса основности агломерата необходимо составить уравнение теп-лового баланса спекания:

q c+ q возд+ q ш+ q s+ q заж+ q доп.об+ q окисл+ q м=

= q гигр + q гидр + q карб + q дисс + q отх. г + q агл + q т. п,

где q_c –теплота горения твердого топлива в СО и СО ₂;

q _возд –теплота воздуха,всасываемого в слой при температуре цеха илипосле специального нагрева в воздухонагревателях;

q _ш –теплота шихты при температуре цеха или после специального нагре-ва в воздухонагревателях;

q _s –теплота горения органической серы и сульфидов;

q _заж –теплота зажигания агломерационной шихты пламенем газовогогорна;

q – теплота дополнительного обогрева спекаемого слоя пламенем га-

зового горна;

q _окисл –теплота окисления магнетита шихты до гематита(учитывается вслучае, когда количество FeO в шихте больше количества FeO в готовом агломерате);

q _м –теплота минералообразования при агломерации; q _гигр –теплота испарения гигроскопической влаги шихты;

q _гидр –теплота разложения гидратов и испарения гидратной влаги; q _карб –теплота диссоциации карбонатов;

q _дисс –теплота диссоциации оксидов железа и сложных минералов исход-ной шихты при спекании;

q _отх.г –теплота газов,отходящих из агломерационной установки; q _агл –теплота пирога агломерата;

q _т.п –тепловые потери.

Ниже приведены два примера полных расчетов аглошихты для случаев спекания:

1) Смеси бурых железняков (80 %) и сидеритов (20 %) на топливной сме-си (80 % коксовой мелочи +20 % антрацитового штыба) при 8 кг окалины и 42 кг возврата (на 100 кг агломерата);

2) Магнетитового криворожского концентрата на топливной смеси (50 % коксовой мелочи +50 % антрацитового штыба) при 6 кг окалины и 50 кг возвра-

та (на 100 кг агломерата). Данные о химическом составе шихтовых материалов приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1 – Химический состав компонентов шихт, % (на сухую массу)

Компонент шихты FeO Fe2O3 MnO SiO2 Al2O3	CaO MgO Sорг	FeS	SO2	P2O5 Cнелет	CO2	–лет.топл
FeS2	H2Oгидр

Шихта № 1
бурый железняк	1,56	69,91	1,63	10,14	3,57	0,52	1,21	–	–	0,07	0,08	–	–	_– _
11,31
сидерит	28,86	16,75	1,50	6,88	2,59	2,96	8,92	–	–	0,40	0,07	–	31,07	–
смесь: 80% бур.														_ – _
железняка +20%	7,02	59,29	1,60	9,49	3,37	1,01	2,75	–	–	0,14	0,08	–	6,21
9,05
сидерита
коксовая мелочь	–	2,80	0,21	6,01	3,20	1,36	0,64	0,31	0,25	0,21	0,02	83,89	–	1,10
–	–
антрацитовый	–	1,96	0,17	7,21	3,08	1,11	0,39	0,27	_ –_	0,31	0,02	77,03	–	8,06
штыб	0,39	–
смесь: 80% коксо-									0,20					2,49
вой мелочи + 20%	–	2,63	0,20	6,25	3,18	1,31	0,59	0,30	0,23	0,02	82,52	–
0,08	–
штыба
известняк	–	0,82	–	1,18	0,40	52,0	2,60	–	–	0,20	0,04	–	42,76	–
окалина	3,90	94,00	0,50	0,85	0,15	0,40	0,10	–	–	0,06	0,04	–	–	–
Шихта № 2
магнетитовый	21,46	64,55	0,08	11,65	1,27	0,86	–	–	–	0,05	0,08	–	–	–
концентрат
коксовая мелочь	–	4,70	0,37	8,42	2,17	0,44	0,26	1,44	0,71	0,40	0,02	78,79	–	2,28
–	–
антрацитовый	–	2,19	0,11	6,75	1,83	0,23	0,17	1,21	_–_	0,54	0,02	80,05	–	5,92
штыб	0,98	–
смесь: 50% коксо-									0,36					4,10
вой мелочи + 50%	–	3,45	0,24	7,58	2,00	0,33	0,21	1,33	0,47	0,02	79,42	–
0,49	–
штыба
Известняк	–	0,38	–	2,10	0,80	43,8	8,90	–	–	0,04	0,02	–	43,96	–
Известь	–	1,01	–	2,02	0,88	84,94	3,0	–	–	0,02	0,15	–	5,61	_–_
2,37

1. Уравнение материального баланса агломерации,кг/100кг агломерата:

æ

100 - dx ö

æ

100 - d y ö

æ

100 - d z ö

æ

100 - dm ö

ç

÷

× X + ç

÷ × Y + ç

÷

× Z + ç

÷

× M

è

100 ø

ç

÷

è

100 ø

è

100 ø

è

ø

æ

X (FeO) x

Y (FeO) y

Z (FeO) z

M (FeO) m

ö

=

ç FeOагл

-

-

-

-

÷

è

ø

-100 =

,

где d_x, d_y, d_z, d_m – потери массы компонентов шихты при спекании (табл. 2.2), кг/100 кг компонентов шихты; X, Y, Z, M – определяемые расходы рудной смеси, известняка, топливной смеси и заданный расход добавок, кг/100 кг агломерата; FeO_агл – заданное содержание закиси железа в агломерате (при расчете шихты № 1

задаемся 17 % FeO_агл, для шихты № 2 – 15 % FeO_агл); FeO_x, FeO_y, FeO_z, FeO_m –

содержание FeO в компонентах шихты, %.

Таблица 2.2 – Потери массы d компонентов агломерационных шихт № 1 и 2 при спекании, кг/100 кг шихты.

		Шихта № 1			Шихта № 2
Параметр	рудная	топливная	известняк	окалина	концентрат	топливная	известняк	известь
	смесь	смесь				смесь
Снелет	–	82,520	–	–	–	79,420	–	–
Vлет.топл.	–	2,490	–	–	–	4,100	–	–
H2Oгидр	9,050	–	–	–	–	–	–	2,370
CO2	6,210	–	42,760	–	–	–	43,960	5,610
0,95Sорг	–	0,285	–	–	–	1,263	–	–
0,95SFeS,	–	0,109	–	–	–	0,372	–	–
FeS2
0,6SO3^1	0,084	0,138	0,120	0,036	0,030	0,282	0,024	0,012
Кислород
на окисле-
ние железа	–	- 0,067	–	–	–	- 0,186	–	–
сульфидов
Суммарные
потери	15,344	85,475	42,880	0,036	0,030	85,251	43,984	7,992
массы

П р и м е ч а н и е. Коэффициенты удаления вредных примесей из офлюсованной шихты при агло-мерации: 90-98 % сульфидной серы; 15-30 % фтора; до 30 % Zn. Мышьяк и фосфор целиком перехо-дят в агломерат.

¹ Учитывается удаление 95% S_орг и сульфидной серы, а также 60 % сульфатной серы.

² Количество кислорода на окисление железа сульфидов подсчитывается по уравнениям 4FeS+7O₂

=2Fe₂O₃+4SO₂; 4Fe₂S+11O₂ =2Fe₂O₃+8SO₂; FeS·0,636·0,95(48/112)+FeS₂·0,467·0,95(48/112)

Уравнение материального баланса для агломерационной шихты № 1:

æ

100 -15,344

ö

æ

100 - 42,880

ö

æ

100 - 85,475

ö

ç

÷

× X + ç

÷

× Y + ç

÷

× Z +

è

ø

è

ø

è

ø

æ

100 - 0,036

ö

æ

7,02 X

3,90 ×8

ö

+

ç

÷

×8 -100 =

ç

-

-

;

÷

è

ø

è

ø

0,8544· X + 0,5712· Y + 0,1452· Z = 93,8571.

Уравнение материального баланса для агломерационной шихты № 2:

æ

100 - 0,030

ö

æ

100 - 43,984

ö

æ

100 - 85,251

ö

ç

÷

× X + ç

÷

× Y + ç

÷

× Z +

è

ø

è

ø

è

ø

æ

100 - 7,992

ö

æ

21,46 X ö

+

ç

÷

× 6 -100 =

ç

-

;

÷

è

ø

è

100 ø

1,0235· X + 0,5602· Y + 0,1475· Z = 96,1462.

При агломерации в зависимости от расхода топлива и ряда других факторов значительное развитие могут получать либо восстановительные, либо окисли-тельные процессы. В случае расчета шихты № 1 содержание FeO в агломерате больше, чем в шихте. Если в правую часть уравнения материального баланса аг-ломерации подставить ориентировочное значение X, которое чаще всего состав-ляет 85–100 кг/100 кг агломерата, то получим абсолютную потерю кислорода при восстановлении и термической диссоциации, кг О₂ /100 кг агломерата:

(1/9) (17 – 0,01·7,02·100 – 0,01·3·90·8)» 1,1.

Если же содержание FeO в шихте больше, чем в агломерате, и процесс в це-лом имеет окислительный характер, то подобный подсчет даст отрицательную ве-личину. Для шихты № 2 имеем, кг О₂ /100 кг агломерата:

(1/9) (15 – 21,46·85·0,01)» – 0,4.

Подобный приблизительный расчет необходимо делать из начальной стадии подведения баланса, так как при восстановительном характере спекания в расход-ной части теплового баланса учитывается теплота диссоциации оксидов. При окислительном характере процесса теплота окисления магнетита до гематита учи-тывается в приходной части теплового баланса.

2. Уравнение основности агломерата из шихты №1:

(CaO + MgO)

X +(CaO + MgO)

Y +(CaO + MgO)

Z +(CaO + MgO)

M

x

y

z

M

=1,4

(SiO + Al O

)

X +(SiO + Al O

)

Y +(SiO + Al O

)

Z +(SiO + Al O

)

M

2 3

x

2 3

y

2 3

z

2 3

M

(1,01 + 2,75) X + (52,00 + 2,60) Y + (1,31 + 0,59) Z + (0,40 + 0,1)8

=1,4

(9,49 + 3,37) X + (1,18 + 0,40) Y + (6,25 + 3,18) Z + (0,85 +

0,15)8

14,244· X – 52,388· Y + 11,302· Z = –7,2;

Уравнение основности агломерата из шихты № 2:

0,86 X + (43,80 + 8,90) Y + (0,33 + 0,21) Z + (84,94 + 3,00)×6	=1,2
(11,65 +1,27) X + (2,10 + 0,8) Y + (7,58 + 2,0) Z + (2,02 + 0,88)×6
14,644· X – 49,22· Y + 10,956· Z = 506,76.

3. Уравнение теплового баланса агломерации, кДж/100 кг агломерата

q c+ q возд+ q ш+ q S+ q заж+ q доп. об+ q окисл+ q м = = q гигр+ q гидр+ q карб+ q дисс+ q отх. г+ q агл+ q т. п.

а) Теплота горения углерода в СО и СО₂.

Принимается, что степень графитизации углерода коксовой мелочи не пре-вышает 20 % и тепловые эффекты горения при этом равны соответственно

С + 1/2О₂ = СО + 10 104 кДж/кг С; С + О₂ = СО₂ + 33 685 кДж/кг С.

Для случая горения аморфного углерода антрацита и тощего угля тепловые эффекты составят:

С + 1/2О₂ = СО + 10 330 кДж/кг С; С + О₂ = СО₂ + 33 911 кДж/кг С.

Таким образом, для аглошихты № 1 (топливная смесь 80 % коксовой мелочи и 20 % антрацитового штыба) эти тепловые эффекты составляют, кДж/кг С:

10104·0,8 + 10330·0,2 = 10149;

33685·0,8 + 33911·0,2 = 33730.

Для аглошихты № 2 (топливная смесь 50 % коксовой мелочи и 50 % антра-цитового штыба) тепловые эффекты составят, кДж/кг С:

10104·0,5 + 10330·0,5=10217;

33685·0,5 + 33911·0,5 = 33798.

Учитывается теплота горения топливной смеси, углерода колошниковой пы-ли, чугунного крошья (см. табл. 3.5): С_ш1=0,8252 Z; С_ш2=0,7942 Z.

Перед началом расчета необходимо задаться отношением содержаний СО₂ к СО в продуктах горения углерода шихты, величина которого зависит прежде все-го от расхода топлива на спекание. В частности, при спекании магнетитовых, мартитовых и гематитовых руд и концентратов CO₂/CO=3,5¸4,5, если спекается агломерат нормального качества (12–18 % FeO). Для агломерации сидеритовых, бурожелезняковых, шамозитовых и тюрингитовых руд необходим повышенный расход топлива, что снижает отношение СО₂ /СО₃=3,0¸2,5.

В расчетных примерах № 1 и 2 принимаем величину отношения (СО₂:СО) равной соответственно 3 и 4.

Тогда теплота горения составит: Пример № 1:

0,75·33730+0,25·10149=27834 кДж/ кг С q_c =27834·0,8252 Z =22968,6 Z кДж/100кг агломерата.

Пример № 2:

0,80·33798+0,20·10217=29082 кДж/ кг С q_c =29082·0,7942 Z =23096,9 Z кДж/100кг агломерата.

б) Теплота зажигания и дополнительного обогрева спекаемого слоя

(qзаж, qдоп.об).

Установка удлиненных газовых горнов, с помощью которых осуществляется не только зажигание, но и дополнительный обогрев спекаемого слоя, считается обязательной при проектировании новых агломераци-онных лент.

В проектных расчетах рекомендуется принимать q_заж + q_доп.об = = 33500– 41900 кДж/100 кг агломерата. В примерах № 1 и 2 значения q_заж + q_доп.об состав-ляют 33500 кДж/100 кг агломерата.

в) Теплота шихты.

Удельная теплоемкость аглошихт колеблется в довольно узких пределах – от 0,9 до 1,0 кДж/(кг·К) (большие цифры относятся к шихтам с повышенным содер-жанием коксовой мелочи). С учетом массы возврата (соответственно 42 и 50 воз-врата/100 кг агломерата) имеем, кДж/100 кг агломерата:

q_ш№1 = 1·60·(X + Y + Z +42)=60 X +60 Y +60 Z +2520; q_ш№2 = 0,9·60·(X + Y + Z +50)=54 X +54 Y +54 Z +2700.

г) Теплота горения органической серы и сульфидов (q_S).

Горение идет по реакциям:

S_орг+O₂=SO₂+927 кДж/кг S; 4FeS₂+11O₂=2Fe₂O₃+8SO₂+7014 кДж/кг FeS₂; 4FeS+7O₂=2Fe₂O₃+4SO₂+6906 кДж/кг FeS; SO₂+0,5O₂=SO₃+3092 кДж/кг S.

Степень выгорания серы составляет 95 %. От 20 до 40 % SО₂ догорает затем до SO₃. Теплота горения составит, кДж/100 кг агломерата:

q _s,_№1= 0,003·0,95·9278 Z +0,002·0,95·6906 Z +0,0008·0,95·7014 Z +

+ (0,003+0,364·0,002+0,533·0,0008)·0,95·0,3·3092 Z =48,419 Z; q _s,_№2= 0,0133·9278 Z ·0,98+0,0036·0,98·6906 Z +0,0049·0,95·14 Z +

+(0,0133+0,364·0,0036+0,533·0,0049)·0,98·0,3·3092 Z =194,610 Z.

д) Теплота минералообразования.

При образовании известковистого оливина, двухкальциевого силиката и фер-ритов кальция выделяется тепло, что должно учитываться в приходнойчасти ба-ланса. Расчет позволяет оценить эту величину равной 14644–16736 кДж/100 кг аг-ломерата. При расчетах целесообразно задаваться q_м в пределах 16740–20920 кДж/100 кг агломерата.

В расчетных вариантах принимаем:

q_м,_№1=20000и

q_м,_№2=18000кДж/100кг агломерата.

Дата добавления: 2014-12-16