Экстракция черных металлов из природного и техногенного сырья

В приходных  статьях общего материального баланса  учитываются сырьевые материалы  и кокс (шихта), дутье и топливные  добавки, в расходных  - продукты плавки, т.е. чугун, шлак, газ, колошниковая пыль. В учебных расчетах расход материалов может вычисляться без  учета выноса мелочи, при этом колошниковую пыль следует исключить из расходных  статей.

Расход  дутья и выход колошникового  газа в балансах фактических доменных плавок обычно также определяются расчетом. Измеряемый расход дутья включает его  потери через разгрузочный клапан “Снорт”, которые составляют от 4 до 12 %. Выход  газа измеряется после мокрой очистки, что приводит к насыщению его  влагой. На результатах измерения  отражаются, кроме того, потери газа на участке колошник – газоочистка.

Количество  дутья и газа вычисляется по балансам углерода, азота и кислорода, дающим возможность составить три пары уравнений (С и N, С и О, О и N) для определения двух неизвестных (расхода дутья и выхода газа). При этом должны быть известны расходы и составы материалов и горючего, а также степень прямого восстановления (расчетная или заданная) или полный состав газа (в расчетах на основе практических данных).

5.1. Дополнительные данные

Состав кокса, % (весовые)

Влага Wr	ЗолаАd	ЛетучиеVd	Сера Sd	АзотNd	Водород Нd
2,06	11,8	1,62	0,79	0,57	0,28

 

Состав летучих  кокса (V^d), % (весовые)

СО2	СО	СН4	Н2	N2
30,00	35,11	0,88	4,28	29,32

 

На выплавку 1 т чугуна расходуется 105 м³ технологического кислорода (состав его 96 % О₂ и 4 % N₂) и 110 м³ природного газа следующего состава, %:

СН4	С2Н6	С3Н8	С4Н10	С5Н12	СО2	N2
94,63	2,15	0,62	0,14	0,09	0,60	2,45

 

Другие  данные: температура дутья 1100˚С, влажность дутья 12,0 г/м³, температура колошникового газа 180˚С.

Влажность воздуха  – 10 г/м³ или по объему

φ = 100*(10*22,4/18)/(1000 +10*22,4/18) = 1,23 %.

5.2. Степень прямого восстановления

В доменной плавке без топливных добавок  и дополнительного кислорода 45-55 % всего железа восстанавливается  прямым путем, т.е.

r_d = 100*Fe_d/Fe_B = 45-55 %,

где Fe_d – количество железа, восстановленного из FeO прямым путем, кг;

Fe_B – общее количество восстановленного железа, кг.

 

При работе на комбинированном дутье степень  прямого восстановления можно определить по эмпирической формуле 

r_d = r_d⁰*10^-Sλ(0,684 + 0,01*t_д^0,5)/(0,96 + 4*φ),

где r_d⁰ – степень прямого восстановления в базовом режиме (ω = 0,21;

φ = 0,01; t_д = 1000;S = 0);

ω  - доля кислорода в дутье;

      φ – влажность дутья, м³/м³ сухого дутья;

t_д – температуры дутья, ºС;

S – расход топливной добавки, м³(кг)/кг чугуна;

      λ  - характеристика топливной  добавки.

 

Принимаем r_d⁰ = 50 %.

Задано:  t_д = 1100 ºС; расход природного газа 110 м³/т чугуна означает, что

S = 0,11м³/кг; чугуна; влажности дутья 11 г/м³ соответствует

φ= 11*22,4/18*1000 = 0,013 м³/м³; состав природного газа обеспечивает

λ=0,2C_пг+0,9Н_пг=0,2*1,024+0,9*1,994=1,998

C_пг = (1*94,63+2*2,15+3*0,62+4*0,14+5*0,09+1*0,6)/100=1,024 м³/м³ – количество углерода, поступающего с природным газом;

 Н_пг  = (2*94,63+3*2,15+4*0,62+5*0,14+6*0,09)/100=1,994 м³/м³ – количество водорода, поступающего с природным газом.

Для заданных условий степень прямого восстановления составляет

r_d =50*10^{-(0,11*1,998)}(0,684+0,01*1100*^0,5)/(0,96+4*0,013)=30,78%

 

5.3. Распределение нелетучего углерода  кокса и природного газа

Содержание  кислорода:

В летучих  кокса 

30*32/44+35,11*16/28 = 41,88 %;

В коксе

1,62*41,88/100 = 0,68 %.

Содержание  углерода:

в коксе

100 –  (11,8+0,79+0,67+0,28+0,68+1,3) = 84,48%;

в летучих  кокса

(30/44+35,11/28+0,88/16)*1,62*12/100 = 0,26 %.

Содержание  в коксе нелетучего углерода

84,48-0,26 = 84,22 %.

Количество  углерода в 1 м³ природного газа

(1*94,63+2*2,15+3*0,62+4*0,14+5*0,09+1*0,6)*12/(22,4*100) = 0,55 кг.

Поступает углерода:

с коксом

(при W^r = 2,06 %) = 470*(100-2,06)*84,22*10^-4 = 387,7кг

с природным  газом 

110*0,55 = 60,5 кг;

387,7+60,5=448,2 из которых 45 кг  переходит в чугун.

Окисляется  углерода кислородом дутья и шихты

448,2- 45=403,2кг.

 

Расходуется углерода по реакциям в соответствии с составом чугуна и количеством  переходящей в шлак серы (см. табл. 4.1):

SiO2+2C=SiO2+2C        5,14

MnO+C=Mn+CO            1,97

P2O5+5C=3P+5CO        2,34

FeS+CaO+C=Fe+CaS+CO    2,44

Всего   5,14 + 1,97+2,34 +2,44 = 11,89 кг.

Окисляется 391,31кг

Всего восстанавливается 916,2-2,65=913,55 

Восстановление железа прямым путем 913,55*30,78=281,2 кг. При этом расходуется по реакции FeO + C = Fe + CO углерода кокса = 60,2 кг.

Окисляется углерода на фурмах = 331,1 кг, что составляет = 84,6 % от всего окисляемого в печи углерода.

 

5.4. Расход дутья

Для окисления  на фурмах по реакции 2С + О₂ = 2СО углерода в количестве 331,1 кг требуется кислорода =309 м³.

Поступает кислорода:

- за счет  обогащения дутья  = 96 м³;

- с природным  газом (связанного в СО₂)  = 0,66  м³;

- с влажным атмосферным дутьем = 212,34 м³.

Во влажном атмосферном дутье (φ=1,23 %) содержится:

кислорода = 21,35 %,

азота = 78,03 %

Расход  влажного атмосферного дутья = 994,6м³;

в том числе:  водяного пара  = 12,2 м³;

 сухого  дутья =982,4 м³.

Расход  влажного обогащенного дутья = 1099,6 м³,

в котором  содержится кислорода = 28 %.

 

5.5. Количество и состав фурменного  газа

5.5.1. Оксид углерода

При окислении на фурмах 329,1 кг углерода образуется = 618 м³.

Вносится  летучими кокса = 2,1 м³.

Всего оксида углерода =620,1 м³.

5.5.2. Водород

Вносится:

коксом = 13,88 м³;

влагой дутья =12,2 м³;

природным газом:  110*1,994 = 219,34м³,

где 1,994 – количество водорода в природном газе, м³/м³ (п.5.2);

Всего водорода 13,88 + 12,2 + 219,34 = 245,42м³.

5.5.3. Азот

Вносится:

                          коксом = 2,47м³;

природным газом = 2,7 м³;

технологическим кислородом = 4 м³.

 влажным  дутьем = 776 м³.

Всего = 785,2 м³.

5.6. Изменение состава газа в процессах  восстановления

Агломерат и  окатыши вносят (см. табл. 3.2): 1009,7+193,4= 1203,1 кг Fe2O3. При восстановлении до FeO отнимается = 84,2 м³ кислорода.

При восстановлении 913,55-281,2 = 632,35 кг железа (п.5.3) из FeO косвенным путем отнимается = 126,47 м³ кислорода.

Всего отнимается кислорода косвенным путем = 210,67 м³.

В процессах  горения топлива у фурм образуется 620,1 м³ оксида углерода (табл. 5.1).

При восстановлении прямым путем 281,2 кг железа получается оксида углерода 112,48м³. При восстановлении примесей чугуна и переводе серы в шлак (п. 5.3) – дополнительно в количестве = 22,2 м³.

 

 

Таблица 5.1- Количество и состав фурменного газа
Наименование	м3	%
Оксид углерода	620,1	37,56
Водород	245,42	14,86
Азот	785,2	47,58
Всего	1650,72	100

 

Всего образуется оксида углерода у фурм и в процессах  восстановления твердым углеродом = 754,78м³.

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*(245,42* η_Н + 754,78*η_СО)= 210,67

где 245,42 и 754,78 – количество водорода и оксида углерода, участвующие в   восстановлении соответственно, м³;

210,67 – кислород, отнимаемый косвенным путем, м³.

Решение полученных двух уравнений дает

η_Н = 0,452 и η_СО = 0,411.

5.7. Количество и состав колошникового  газа

5.7.1. Диоксид углерода

Образуется  при восстановлении = 310,2м³;

вносится  летучими кокса = 1,1 м³.

Всего переходит  в колошниковый газ =311,3 м³.

5.7.2. Оксид углерода

Расходуется в процессах восстановления 310,2 м³.

Остается  в колошниковом газе = 444,58 м³.

5.7.3. Водород

Расходуется при восстановлении = 110,9м³;

Остается  в колошниковом газе= 134,52 м³.

5.7.4. Азот

Полностью переходит в колошниковый газ  в количестве 785,2 м³

(см. табл. 5.1).

Переходящее в колошниковый газ компоненты обеспечивают состав его в соответствии с    табл. 5.2.

 

 

 

Таблица 5.2 кол-во и состав сухого колошникового  газа
Составляющие	СО2	СО	Н2	N2	Всего
Кол-во, м3	311,3	444,58	134,52	785,2	1675,6
Содержание,%	18,57	26,53	8,03	46,86	100

 

 

 

 

5.7.5. Влага

В газ  переходит:

влага кокса  в количестве

9,68 кг (см. табл.4.1) или = 12,04 м³;

водяной пар, образовавшийся в процессах восстановления водородом, в количестве  = 110,9 или = 89,1 кг.

Всего влаги  в колошниковом газе  12,04+110,9 = 122,94 м³ или = 98,78 кг.

Получается  влажного колошникового газа  = 1798,54 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 

(94,63*16+2,15*30+0,62*44+0,14*58+0,09*72+0,6*44+2,45*28)/(100*22,4)= 0,766

сухой колошниковый газ (см. табл. 5.2)

(18,57*44+26,53*28+8,03*2+46,86*28)/(100*22,4)=1,289

сухое дутье = 1,288;

водяной пар = 0,805;

технологический кислород = 1,35.

Расчет по этим данным дает приходные и расходные  статьи материального баланса в  соответствии с табл. 5.3.

Навязка баланса составляет

(3645,2-3641,6)*100/3645,2=0,098%

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