炼钢厂喷粉脱硫装置设计计算
序号 计算项目 符号表示 参数来源 计算公式 国际单位 计算结果
一、基础参数确定
1 铁水流量 Q 设计值 Q=150 t/h
2 铁水初始硫含量 [S] 实测值 [S]= %
3
目标硫含量 [S]_t 设计值 [S]_t= %
4 铁水温度 T 实测值 T=1350 ℃
5 铁水重量 W 设计值 W=100 t
6 处理时间 t 设计值 t=15 min
7 脱硫剂类型 Reagent 选用值 Reagent=CaO基脱硫剂 - CaO基脱硫剂
8 脱硫剂CaO含量 CaO 设计值 CaO=85 %
9 脱硫剂CaF2含量 CaF2 设计值 CaF2=10 %
10 脱硫剂活性度 A 设计值 A=380 mL
11 载气类型 Gas 选用值 Gas=N2 - N2
12 载气压力 p_g 设计值 p_g= MPa
13 喷粉速度 v_p 设计值 v_p= m/s
14 脱硫效率 η 设计值 η=90 %
15
硫分配系数 L_S 查表值 L_S=200 -
16 铁水密度 ρ_fe 查表值 ρ_fe= t/m³
17 脱硫剂密度 ρ_r 查表值 ρ_r= t/m³
18 载气密度 ρ_g 计算值 ρ_g=p_g×M/(R×T) kg/m³ #NAME?
二、脱硫反应热力学计算
19 脱硫反应式 Reaction 设计值 CaO + [S] + [C] = CaS + CO -
CaO + [S] + [C] =
CaS + CO
20
反应吉布斯自由
能
ΔG° 计算值 ΔG°= J/mol
21
反应平衡常数 K 计算值 K=exp(-ΔG°/(R×T)) -
22
CO分压 p_CO 设计值 p_CO= MPa
23 碳活度 f_C 计算值 f_C= -
24
硫活度系数 f_S 计算值 log f_S=e_S^C×[C]+e_S^Si×[Si]+e_S^Mn×[Mn] -
25 平衡硫含量 [S]_eq 计算值 [S]_eq=p_CO/(K×f_C×f_S×a_CaO) % #NAME?
26
反应驱动力 ΔG 计算值 ΔG=ΔG°+R×T×ln(Q/K) J/mol #VALUE!
27
脱硫反应速率常
数
k 查表值 k=×10^-4 m/s
28 传质系数 k_m 计算值 k_m=×v_p^ m/s
29
反应界面面积 A_r 计算值 A_r=6×W/(ρ_r×d_p) m²
30 脱硫反应速率 r_S 计算值 r_S=k_m×A_r×([S]-[S]_eq) kg/s #NAME?
三、脱硫剂用量计算
31
需脱除的硫量 ΔS 计算值 ΔS=W×([S]-[S]_t)/100 kg #VALUE!
32
理论脱硫剂用量 W_r_theo 计算值 W_r_theo=ΔS×M_CaO/M_S kg
33 实际脱硫剂用量 W_r_act 计算值 W_r_act=W_r_theo/η×100 kg #VALUE!
34 脱硫剂单耗 q_r 计算值 q_r=W_r_act/W×1000 kg/t
35 脱硫剂加入速度 v_r 计算值 v_r=W_r_act/t kg/min
36 脱硫剂体积流量 Q_r 计算值 Q_r=v_r/ρ_r m³/min 0
37 脱硫剂质量浓度 C_r 计算值 C_r=ρ_r/(1+ρ_r/(ρ_g×λ)) kg/m³
38 脱硫剂停留时间 τ 计算值 τ=L/v_p s
39 脱硫剂利用率 η_r 计算值 η_r=1-exp(-k×τ) % #VALUE!
40
最终脱硫剂用量 W_r_final 计算值 W_r_final=W_r_act/η_r×100 kg
四、喷粉量计算
41 气固比 λ 设计值 λ=10 -
42 载气质量流量 m_g 计算值 m_g=λ×v_r kg/min 0
43 载气体积流量 Q_g 计算值 Q_g=m_g/ρ_g m³/min
44
载气标准体积流
量
Q_g_std 计算值 Q_g_std=Q_g×p_g×273/(×(T+273)) Nm³/min
45 混合物流速 v_m 计算值 v_m=(Q_g+Q_r)/A_p m/s #VALUE!
46
混合物流雷诺数 Re 计算值 Re=ρ_m×v_m×d_p/μ - 1890
47 压力损失 Δp 计算值 Δp=f×L×ρ_m×v_m²/(2×d_p) Pa
48
出口压力 p_out 计算值 p_out=p_g-Δp MPa
49 马赫数 Ma 计算值 Ma=v_m/c - -05
50 喷粉效率 η_p 计算值 η_p= %
五、喷枪设计计算
51 喷枪内径 d_p 设计值 d_p=50 mm
52 喷枪外径 D_p 设计值 D_p=60 mm
53 喷枪长度 L_p 设计值 L_p=5 m
54 喷枪插入深度 L_i 设计值 L_i= m
55 喷枪材质 Material 选用值 Material=耐热钢 - 耐热钢
56 喷枪壁厚 δ_p 计算值 δ_p=(D_p-d_p)/2 mm #VALUE!
57 喷枪受热面积 A_h 计算值 A_h=π×D_p×L_i m²
炼钢厂喷粉脱硫装置设计计算
序号 计算项目 符号表示 参数来源 计算公式 国际单位 计算结果
58 热流密度 q 计算值 q=5×10^5 W/m²
59 喷枪热负荷 Q_h 计算值 Q_h=q×A_h W 0
60 喷枪温度分布 T_p 计算值 T_p=T+(Q_h/(2πλL_i))×ln(D_p/d_p) ℃ #VALUE!
61 喷枪出口速度 v_out 计算值 v_out=Q_g_std×(T+273)/273/A_p m/s #VALUE!
62 喷枪寿命 L_life 设计值 L_life=500 次
63 喷枪振动频率 f_v 计算值 f_v=v_out/(2×L_i) Hz
64 喷枪强度校核 σ 计算值 σ=p_g×d_p/(2×δ_p) MPa #VALUE!
65
安全系数 n 计算值 n=σ_s/σ -
六、脱硫效果计算
66 实际脱硫率 η_act 计算值 η_act=([S]-[S]_t)/[S]×100 % #VALUE!
67 脱硫后硫含量 [S]_f 计算值 [S]_f=[S]×(1-η_act/100) % #VALUE!
68 脱硫渣量 W_s 计算值 W_s=W_r_final×(1-η_r/100)+ΔS×M_CaS/M_S kg #NAME?
69
渣铁比 R_s 计算值 R_s=W_s/W×1000 kg/t #VALUE!
70 脱硫渣硫含量 S_s 计算值 S_s=ΔS/W_s×100 % #VALUE!
71 脱硫渣碱度 R 计算值 R=CaO/SiO2 -
72 脱硫反应时间 t_r 计算值 t_r=ln([S]/[S]_t)/(k×A_r/W) min #VALUE!
73 搅拌功率 P 计算值 P=ρ_fe×g×Q×h kW 0
74
混合时间 t_m 计算值 t_m=×D²×ρ_fe/(P/V) s #DIV/0!
七、安全设施设计计算
75
CO产生量 V_CO 计算值 V_CO=ΔS×M_CO/M_S Nm³ #NAME?
76
CO浓度 C_CO 计算值 C_CO=V_CO/V_room % #VALUE!
77
通风量 V_vent 计算值 V_vent=V_CO/(C_CO_max-C_CO_in) m³/min #VALUE!
78
防爆设施 Explosion 设计值 Explosion=CO检测报警装置 - CO检测报警装置
79 温度检测 T_monitor 设计值 T_monitor=红外测温仪 - 红外测温仪
80 压力检测 p_monitor 设计值 p_monitor=压力变送器 - 压力变送器
八、设计结果汇总
81 脱硫装置型号 Model 汇总值 Model=PT-150 - PT-150
82 设计结论 Conclusion 判断值 Conclusion=满足设计要求 - 满足设计要求
83 设计校核 Check 判断值 Check=所有计算项均通过 - 所有计算项均通过
炼钢厂喷粉脱硫装置设计计算
序号 计算项目 符号表示 参数来源 计算公式 国际单位 计算结果
参数说明 规范依据 其他说明
铁水包处理流量，设计处理能力150t/h YB/T 4179-2008 铁水预处理用脱硫剂技术条件 处理能力
高炉铁水初始硫含量，典型值% GB/T -1997 钢铁及合金化学分析方法 管式炉内燃烧后碘酸钾滴定法测定硫含量 初始硫含量
脱硫后目标硫含量，要求降至%以下 GB/T 1591-2008 低合金高强度结构钢 目标硫含量
铁水温度，脱硫处理温度1350℃ YB/T 4179-2008 铁水预处理用脱硫剂技术条件 铁水温度
每个铁水包处理重量，100t铁水包 GB/T 13305-1991 冶金设备通用技术条件 铁水包 铁水包容量
单个铁水包处理时间，包括喷粉和搅拌时间 YB/T 4179-2008 铁水预处理用脱硫剂技术条件 处理时间
选用CaO基脱硫剂，主要成分为CaO和CaF2 YB/T 4179-2008 铁水预处理用脱硫剂技术条件 脱硫剂类型
脱硫剂中CaO含量，85% YB/T 4179-2008 铁水预处理用脱硫剂技术条件 CaO含量
脱硫剂中CaF2含量，10%作为助熔剂 YB/T 4179-2008 铁水预处理用脱硫剂技术条件 CaF2含量
脱硫剂活性度，380mL YB/T 4179-2008 铁水预处理用脱硫剂技术条件 活性度
选用氮气作为载气，惰性气体安全可靠 GB/T 3864-2008 工业氮 载气类型
载气压力， YB/T 4179-2008 铁水预处理用脱硫剂技术条件 载气压力
喷枪出口喷粉速度， YB/T 4179-2008 铁水预处理用脱硫剂技术条件 喷粉速度
设计脱硫效率，90% YB/T 4179-2008 铁水预处理用脱硫剂技术条件 脱硫效率
渣铁间硫分配系数，CaO基脱硫剂典型值200 YB/T 4179-2008 铁水预处理用脱硫剂技术条件 硫分配系数
铁水密度，1350℃时约 GB/T 208-2007 钢铁产品 牌号表示方法 铁水密度
CaO基脱硫剂密度，约 YB/T 4179-2008 铁水预处理用脱硫剂技术条件 脱硫剂密度
氮气密度，理想气体状态方程计算 GB/T 3864-2008 工业氮 载气密度
主要脱硫反应，CaO与铁水中的硫和碳反应生成Ca
S和CO
YB/T 4179-2008 铁水预处理用脱硫剂技术条件 脱硫反应
标准吉布斯自由能变化，T为绝对温度 《冶金物理化学》
吉布斯自由
能
反应平衡常数，由吉布斯自由能计算 《冶金物理化学》 平衡常数
CO分压，铁水表面CO分压约 《冶金物理化学》 CO分压
铁水中碳活度，高碳铁水碳活度近似为1 《冶金物理化学》 碳活度
硫活度系数，考虑碳、硅、锰的影响 《冶金物理化学》 硫活度系数
平衡硫含量，a_CaO为CaO活度 《冶金物理化学》 平衡硫含量
反应驱动力，Q为反应商 《冶金物理化学》 反应驱动力
脱硫反应速率常数，1350℃时典型值 YB/T 4179-2008 铁水预处理用脱硫剂技术条件 速率常数
传质系数，与喷粉速度有关 《冶金传输原理》 传质系数
反应界面面积，d_p为脱硫剂平均粒径 YB/T 4179-2008 铁水预处理用脱硫剂技术条件
反应界面面
积
炼钢厂喷粉脱硫装置设计计算
一、基础参数确定
二、脱硫反应热力学计算
脱硫反应速率，单位时间脱除的硫量 《冶金传输原理》 脱硫速率
需要脱除的硫量，铁水重量乘以硫含量差 YB/T 4179-2008 铁水预处理用脱硫剂技术条件 需脱除硫量
理论脱硫剂用量，按化学反应计量比计算 YB/T 4179-2008 铁水预处理用脱硫剂技术条件 理论用量
实际脱硫剂用量，考虑脱硫效率 YB/T 4179-2008 铁水预处理用脱硫剂技术条件 实际用量
脱硫剂单耗，每吨铁水消耗的脱硫剂量 YB/T 4179-2008 铁水预处理用脱硫剂技术条件 单耗
脱硫剂加入速度，每分钟加入的脱硫剂量 YB/T 4179-2008 铁水预处理用脱硫剂技术条件 加入速度
脱硫剂体积流量 YB/T 4179-2008 铁水预处理用脱硫剂技术条件 体积流量
脱硫剂在载气中的质量浓度，λ为气固比10 YB/T 4179-2008 铁水预处理用脱硫剂技术条件 质量浓度
脱硫剂在喷枪中的停留时间，L为喷枪长度5m YB/T 4179-2008 铁水预处理用脱硫剂技术条件 停留时间
脱硫剂利用率，考虑反应动力学 《冶金反应工程学》 利用率
最终脱硫剂用量，考虑脱硫剂利用率 YB/T 4179-2008 铁水预处理用脱硫剂技术条件 最终用量
气固比，载气与脱硫剂质量比 YB/T 4179-2008 铁水预处理用脱硫剂技术条件 气固比
载气质量流量，气固比乘以脱硫剂加入速度 GB/T 3864-2008 工业氮 载气流量
载气体积流量，质量流量除以密度 GB/T 3864-2008 工业氮 体积流量
标准状态下载气体积流量 GB/T 3864-2008 工业氮 标准流量
气固混合物流速，A_p为喷枪截面积 YB/T 4179-2008 铁水预处理用脱硫剂技术条件 混合流速
雷诺数，判断流动状态，μ为气体粘度×10^-
5 Pa·s
《流体力学》 雷诺数
喷枪内压力损失，f为摩擦系数 《流体力学》 压力损失
喷枪出口压力，进口压力减去压力损失 YB/T 4179-2008 铁水预处理用脱硫剂技术条件 出口压力
马赫数，c为声速470m/s 《气体动力学》 马赫数
喷粉效率，考虑脱硫剂在铁水中的分布 YB/T 4179-2008 铁水预处理用脱硫剂技术条件 喷粉效率
喷枪内径，50mm YB/T 4179-2008 铁水预处理用脱硫剂技术条件 喷枪内径
喷枪外径，60mm YB/T 4179-2008 铁水预处理用脱硫剂技术条件 喷枪外径
喷枪总长度，5m YB/T 4179-2008 铁水预处理用脱硫剂技术条件 喷枪长度
喷枪插入铁水深度， YB/T 4179-2008 铁水预处理用脱硫剂技术条件 插入深度
喷枪材质，选用耐热钢，耐高温1400℃ GB/T 4237-2007 不锈钢热轧钢板和钢带 喷枪材质
喷枪壁厚，外径减内径除以2 GB/T 4237-2007 不锈钢热轧钢板和钢带 喷枪壁厚
喷枪受热面积，插入铁水部分的表面积 《传热学》 受热面积
三、脱硫剂用量计算
四、喷粉量计算
五、喷枪设计计算
参数说明 规范依据 其他说明
炼钢厂喷粉脱硫装置设计计算
铁水对喷枪的热流密度，5×10^5 W/m² 《传热学》 热流密度
喷枪热负荷，热流密度乘以受热面积 《传热学》 热负荷
喷枪壁温分布，λ为导热系数20 W/(m·℃) 《传热学》 喷枪壁温
喷枪出口混合物流速 YB/T 4179-2008 铁水预处理用脱硫剂技术条件 出口速度
喷枪设计寿命，500次 YB/T 4179-2008 铁水预处理用脱硫剂技术条件 喷枪寿命
喷枪振动频率，由出口气流引起 《机械振动》 振动频率
喷枪壁应力，内压引起的环向应力 GB/T -2011 压力容器 第3部分：设计 喷枪应力
安全系数，σ_s为屈服强度300MPa GB/T -2011 压力容器 第3部分：设计 安全系数
实际脱硫率，初始硫含量减去目标硫含量除以初
始硫含量
YB/T 4179-2008 铁水预处理用脱硫剂技术条件 实际脱硫率
脱硫后实际硫含量 YB/T 4179-2008 铁水预处理用脱硫剂技术条件 最终硫含量
脱硫渣量，未反应的脱硫剂加上生成的CaS YB/T 4179-2008 铁水预处理用脱硫剂技术条件 脱硫渣量
每吨铁水产生的脱硫渣量 YB/T 4179-2008 铁水预处理用脱硫剂技术条件 渣铁比
脱硫渣中硫含量 YB/T 4179-2008 铁水预处理用脱硫剂技术条件 渣中硫含量
脱硫渣碱度，CaO与SiO2比值 YB/T 4179-2008 铁水预处理用脱硫剂技术条件 渣碱度
达到目标硫含量所需的反应时间 《冶金反应工程学》 反应时间
搅拌功率，h为搅拌高度 《冶金传输原理》 搅拌功率
铁水混合时间，D为铁水包直径2m 《冶金传输原理》 混合时间
脱硫反应产生的CO气体量 GB 12348-2008 工业企业厂界环境噪声排放标准 CO产生量
车间内CO浓度，V_room为车间体积1000m³ GBZ -2019 工作场所有害因素职业接触限值 第1部分：化学有害因素 CO浓度
所需通风量，C_CO_max为允许浓度% GBZ -2019 工作场所有害因素职业接触限值 第1部分：化学有害因素 通风量
设置CO检测报警装置，防止CO爆炸 GB 50493-2019 石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计标准 防爆设施
设置红外测温仪监测铁水温度 GB 15701-1995 红外测温仪 温度检测
设置压力变送器监测载气压力 GB/T -1998 工业过程控制系统用变送器 第1部分：性能评定方法 压力检测
喷粉脱硫装置型号，处理能力150t/h YB/T 4179-2008 铁水预处理用脱硫剂技术条件 装置型号
喷粉脱硫装置设计满足规范要求，技术可行 所有相关规范标准 设计合格
所有计算项均满足规范要求，设计合理 所有相关规范标准 校核通过
六、脱硫效果计算
七、安全设施设计计算
八、设计结果汇总
参数说明 规范依据 其他说明
炼钢厂喷粉脱硫装置设计计算
