CN102086484A - 对活动炉排上烧结湿铁矿石球团的在线优化 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种用于优化烧结炉的操作的系统及其方法，所述系统(12)包含：交互式构件(66)，其用以监视和控制所述炉(10)以提供经优化的炉操作；校准构件(62)，其用于为了验证目的而产生多个理想设定点；以及处理单元(60)，其实时接收来自所述交互式构件(66)的在线过程数据(70)且在其中计算与来自所述校准构件(62)的对应的理想设定点匹配的多个实时活动设定点，其中在需要优化的情况下产生优化信号且将其传送到所述交互式构件(66)。所述系统(12)实时预测无法直接测量的过程参数和产品参数，因此提供所述炉操作的实时优化，且进而减少操作成本和生产成本。

Description

对活动炉排上烧结湿铁矿石球团的在线优化

技术领域

本发明涉及自动化过程控制的领域。

明确地说，本发明涉及一种用于优化烧结炉的操作的系统。

背景技术

在钢铁工业中生产铁矿石球团通常需要矿石浓缩阶段和铁矿石浓缩物结块阶段。铁矿石球团化过程由两个关键阶段组成，其中将铁矿石细粒与粘合剂(例如，膨润土)、燃料(煤炭或焦炭)和熔剂(例如，石灰石)的混合物以及水份一起馈入例如旋转鼓或盘等造球装置以生产湿球团或生球团。这些湿球团被装载到活动炉排的导带上以在烧结炉的馈入端处形成颗粒填料床。烧结实质上是将湿球团暴露于高温且接着冷却以便赋予必要的机械和化学性质且获得焙烧球团的热处理过程。

直炉排烧结炉用于在高温下通过热处理对湿球团进行烧结过程。随着活动炉排的导带从馈入端移动到排放端，颗粒填料床经受越来越热的过程气体以干燥并焙烧球团，且接着使环境空气经过以冷却球团。在烧结过程期间，发生若干复杂现象，例如球团干燥、硬化(或烘烤)、熔融和冷却、焦炭燃烧、磁石氧化以及石灰石煅烧。

通常，直炉排烧结炉包含七个区，其中包括向上通风干燥(UDD)区、向下通风干燥(DDD)区、预加热(PH)区、焙烧(F)或点火(IGN)区、焙烧后(AF)区、第一阶段冷却(CZ1)区和第二阶段冷却(CZ2)区。在炉内部，气体/空气流相对于从馈入端到排放端的床移动在正交流方向上垂直流动穿过多孔移动床。炉的活动炉排上的物理化学过程的多元交互作用使得所述过程具有高度交互性且因此控制较复杂。

从烧结过程形成的铁矿石球团的质量由其在此热处理期间实现的强度界定，且与将湿球团暴露于炉内部的时间-温度历史具有直接关系。归因于缺少任何用以直接测量炉内部的颗粒填料床温度曲线的手段，基于在活动炉排的导带下方离开床的废气的最高温度来间接控制所述操作。然而，监视废气温度并不揭露颗粒填料床的完整热图片。而且，在缺乏任何用以测量其强度的实时手段的情况下，必须将从炉排放的焙烧铁矿石球团带到实验室以进行离线测试。然而，仅仅由于在实验室设备中进行样本采集和测试所需要的时间，可能要每2小时或4小时的间隔才获得此信息。

因此，需要一种实时优化系统，其基于可靠的过程模型来检测并修改过程参数以在增加生产水平、降低操作成本、改进产品质量控制且降低能量和燃料消耗的方面增加过程效率。

已经做出若干尝试来使过程控制自动化且提供实时优化，这些揭露内容中的一些发明在以下现有技术中列出：

第6513024号美国专利揭示一种自优化方法及其物品，其用于通过按照计算机设计的测试矩阵对选定控制变量实行若干自动实验循环来快速改进或优化对象的性能。所述物品包含计算机可读程序代码构件，其用于相对于多个控制变量对可优化的对象执行多个计算机化的自动实验循环，其中计算机可读程序代码构件执行以下步骤：在所述循环中的每一者内计算机规划所设计的实验；计算机执行每一实验循环以获得测试结果；计算机分析所述测试结果以优化对象的性能；计算机编码以供以可读形式存储；以及计算机存储。

第2002013664号美国公开案揭示一种用于控制并监视旋转设备的系统和方法。US2002013664中的揭露内容提供一种用于使用神经网络或加权距离分类符监视机械组件的计算机实施的方法，其中所述方法参考一组预定候选数据特征以用于传感器测量所述组件的操作属性且导出那些特征中随后实时用以确定参数变量的子集。当遇到异常测量时实时更新数据库。

第2009193936号美国公开案揭示一种用于在吹氧炉中进行在线质量预测和控制的方法和系统。根据US2009193936的系统包含：数据库，其经配置以存储与第一倾炉质量相关联的历史数据；耦合到数据库的预测模块，其包括基于支持向量回归的炉的计算机实施的模型，支持向量回归是用以产生第一倾炉质量的预测的统计技术，且所述预测模块进一步经配置以接收历史数据；以及逐轮控制模块，其耦合到预测模块且经配置以将模型应用于历史数据以获得第一倾炉质量的预测并将所述预测与实际测量进行比较以调整吹氧炉的控制配方。

第2010219567号美国公开案揭示一种用于控制例如连续退火线或镀敷线等过程线的设备及其方法，其中在所述过程线上连续处理钢材料。如US2010219567中所揭示的方法包含在位于加热过程之前的位置处且在位于冷却过程之后的位置处测量钢材料的质量，检查测量结果以基于确定标准确定材料是否为可接受的，记录于数据库中，校正包括加热或冷却温度以及钢材料的输送速度在内的过程条件。

第WO201092430号PCT公开案揭示一种用于针对回收锅炉优化参数的的方法及系统。WO201092430的系统揭示：具有过程模型的过程模型组件，所述过程模型描述至少一个单元的各种过程变量之间的关系；参数估计组件，其用以估计至少一个单元参数；控制器组件，其用以基于所估计的参数来控制第二单元，其中所述过程模型完全或部分基于第一原理数学模型且参数估计组件使用沿锅炉的各种单元进行的在线测量，使用过程模型计算过程变量，使用实验室数据来估计不可直接测量的锅炉参数。

由多米尼克·波默洛(Dominique Pomerleau)等人在第11届地中海控制与自动化会议上公开的题目为“模拟氧化铁球团烧结炉的优化(Optimization of a simulatediron-oxide pellets induration furnace)”的技术论文建议基于使用IMC优化算法、静态非线性优化算法的可靠过程模型实时优化烧结炉，所述模型提供如气流温度曲线、气流中的能量平衡和压降等过程参数。

本发明揭示一种此类优化系统，其尤其针对用于生产铁矿石球团的烧结炉，所述优化系统使用用于实时预测无法在线测量的过程和球团质量参数的基于模型的组件以及模拟与优化算法，所述算法用以实施烧结炉的操作的实时优化以在不影响产品质量的情况下优化生产率。

发明内容

本发明的目的

本发明的目的是提供一种用以优化用于生产铁矿石球团的烧结炉的操作的系统。

本发明的另一目的是提供一种用于优化烧结炉的操作的系统，其增加了炉生产率。

本发明的再一目的是提供一种用于优化烧结炉的操作的系统，其连续监视烧结炉的操作，建议所操纵的过程参数的最佳值，且进而给出一致的产品质量。

本发明的又一目的是提供一种用于优化烧结炉的操作的系统，其实时预测沿着炉的整个长度和高度的无法直接测量的过程参数，例如，炉内部的球团和气体的温度曲线和化学成分曲线。

本发明的再一个目的是提供一种用于优化烧结炉的操作的系统，其实时预测无法直接测量的焙烧球团质量参数，包括冷压缩强度、转鼓指数和磨损指数。

本发明的再一目的是提供一种用于优化烧结炉的操作的系统，其减少了炉的燃料消耗。

本发明的又一目的是提供一种用于优化烧结炉的操作的系统，其实时连续地提供炉内部的热条件，这是对焙烧球团质量具有强力影响的关键因素。

本发明的额外目的是提供一种用于优化烧结炉的操作的系统，其减少了烧结过程的总操作成本和生产成本。

本发明的概要

根据本发明，提供一种用于优化烧结炉的操作的系统，所述系统包含：

·交互式构件，其用以监视和控制所述炉以提供经优化的炉操作，所述交互式构件选自由可编程逻辑控制器(PLC)、分布式控制系统(DCS)和监控与数据采集系统(SCADA)组成的群组，所述交互式构件适于与所述炉通信以实时检索在线过程数据，且适于实时发送所述在线过程数据以供处理，且在其中接收优化信号以传送到所述炉以用于更改所述炉的至少一个过程条件；

·校准构件，其用于为了验证目的而产生多个理想设定点，所述校准构件包括用于接收与所述炉相关的过程信息的实验室信息系统，所述过程信息是选自由焙烧球团质量参数、铁矿石的物理特性、所述铁矿石的化学特性、燃料(煤炭或焦炭)的物理特性、所述燃料(煤炭或焦炭)的化学特性、熔剂(石灰石)的物理特性和所述熔剂(石灰石)的化学特性组成的群组中的至少一者，且适于处理所述信息以产生多个理想设定点以校准所述炉以在经优化的水平下操作；以及

·处理单元，其适于执行实时优化，所述处理单元适于实时接收所述在线过程数据和所述多个理想设定点，且包含：计算构件，其经配置以使用所述在线过程数据来计算多个实时活动设定点；确证构件，其经配置以使所述多个实时活动设定点中的至少一者与对应的理想设定点匹配；报警构件，其经配置以在所述多个实时活动设定点中的至少一者不匹配于所述对应的理想设定点的情况下产生信号以用于优化至少一个过程条件；优化构件，其经配置以在接收到来自所述报警构件的所述信号时产生至少一个优化信号，所述至少一个优化信号被传送到所述交互式构件以用于优化所述炉的所述操作。

通常，根据本发明，所述处理单元包含接收器构件，所述接收器构件用以接收来自所述交互式构件的所述在线过程数据和来自所述校准构件的所述多个理想设定点。

优选地，根据本发明，所述处理单元包含中央储存库，所述中央储存库用以在预定持续时间内存储所述在线过程数据、所述多个理想设定点、所述多个实时活动设定点以及所述优化信号。

根据本发明，所述计算构件进一步适于使用所述在线过程数据来计算不可直接测量的过程参数和焙烧球团质量参数，所述不可直接测量的过程参数包括跨越所述炉的各个区段的球团和气流的热曲线、球团和气流的成分曲线、所述气流的压降、球团水份干燥曲线、煤炭或焦炭燃烧曲线和石灰石煅烧曲线，所述焙烧球团质量参数包括冷压缩强度、转鼓指数和磨损指数。

优选地，根据本发明，所述处理单元包括输出构件，所述输出构件适于将所述优化信号传输到所述交互式构件和所述中央储存库。

通常，根据本发明，显示模块提供于所述交互式构件与所述处理单元之间。

优选地，根据本发明，所述在线过程数据和所述过程信息包含所述炉的各个区段的尺寸、例如微粒大小分布、化学成分、水份含量等湿铁矿石球团性质，以及煤炭/焦炭和石灰石的微粒大小分布、气流温度、化学成分、水份含量、压力和流动速率、床高度、炉排速度和底料层的细节。

根据本发明，提供一种用于优化用于生产铁矿石球团的烧结炉的操作的方法，所述方法包含以下步骤：

·为了验证目的在具有实验室信息系统的校准构件中通过处理与所述炉相关的过程信息而产生多个理想设定点，所述过程信息选自由焙烧球团质量参数以及铁矿石、燃料(煤炭或焦炭)和熔剂(石灰石)的物理和化学特性组成的群组；

·通过交互式构件实时检索所述在线过程数据，所述交互式构件选自由可编程逻辑控制器、分布式控制系统和监控与数据采集系统组成的群组，其中所述交互式构件经提供以与所述炉通信以实时监视和控制所述炉，以提供经优化的炉操作；

·将所述在线过程数据和所述多个理想设定点传输到处理单元以用于实时优化；

·在所述处理单元的计算构件中通过处理所述在线过程数据来计算多个实时活动设定点；

·在所述处理单元的确证构件中使所述多个实时活动设定点中的至少一者与对应的理想设定点匹配；

·在所述多个实时活动设定点中的至少一者不匹配于所述对应的理想设定点的情况下在所述处理单元的报警构件中发信号以用于优化；

·在所述处理单元的优化构件中产生至少一个优化信号，以用于更改所述炉的至少一个过程条件；以及

·将所述优化信号传送到所述交互式构件以用于实时优化所述炉的所述操作。

通常，根据本发明，用于优化烧结炉的操作的方法包括将所述在线过程数据、所述多个理想设定点、所述多个实时活动设定点以及所述优化信号存储在中央储存库中的步骤。

优选地，根据本发明，用于优化烧结炉的操作的方法包括将所述优化信号手动或自动传输到所述交互式构件的步骤。

通常，根据本发明，用于优化烧结炉的操作的方法包括经由所述交互式构件介接所述处理单元与所述炉的步骤。

根据本发明，用于优化烧结炉的操作的方法包括在离线模式中获得所述过程的详细分析的步骤。

通常，根据本发明，用于优化烧结炉的操作的方法包括优化所述过程条件的步骤，所述过程条件选自由所述炉的各个区段中的球团床的高度、活动炉排的速度、冷却气流的流动速率、点火气体的温度以及所述气流的压降组成的群组。

优选地，根据本发明，用于优化烧结炉的操作的方法包含根据所述炉排上的球团的流动速率和最终产品的质量参数来选择所述多个设定点的步骤。

附图说明

现将借助于附图来描述本发明，在附图中：

图1说明展示根据本发明的与处于操作条件中的烧结炉通信的优化系统的示意图；

图2说明根据本发明的用于优化处于操作条件中的烧结炉的操作的系统的示意图；

图3说明根据本发明的用于优化烧结炉的操作的系统的处理单元的示意图；

图4说明根据本发明的在操作上与烧结过程通信的优化系统的模型的示意图；

图5说明根据本发明的在线优化过程的示意图；

图6说明展示根据本发明的球团床温度轮廓的实时预测的示意图；

图7说明根据本发明的本发明优化系统的验证的图形表示，其展示所预测的风箱温度与来自工业烧结炉的实际测量值的比较，数据由瑟尔比(Thurlby)等人在矿物处理国际杂志第6期(1979年)第43-64页中公布；

图8说明根据本发明的本发明优化系统的验证的图形表示，其展示所预测的床温度与不同风箱中的各种床高度处的床温度的比较，数据由瑟尔比(Thurlby)等人在矿物处理国际杂志第6期(1979年)第43-64页中公布；以及

图9说明根据本发明的本发明优化系统的验证的图形表示，其展示所预测的床温度与不同床高度处的罐炉排单元内部的实际床温度测量值的比较，数据由瑟尔比(Thurlby)等人在矿物处理国际杂志第6期(1979年)第43-64页中公布。

具体实施方式

现将参看附图描述本发明，附图不限制本发明的范围和领域。完全借助于实例和说明来提供所述描述。

本发明设想一种用于优化烧结炉的操作的系统。本发明的系统使用基于模型的优化组件，其是基于炉内部的交互阶段之间的热量和质量转移的基本原理、水份的蒸发与冷凝动力学、操作期间焦炭燃烧和石灰石煅烧的化学反应动力学和穿过多孔颗粒填料床的气流的流动速率来开发的。本发明的系统监视炉的活动炉排上的颗粒填料床中的铁矿石球团的流动速率以及炉内部的各种气流的流动速率，且预测铁矿石球团强度和其它质量参数以及铁矿石球团床在炉的各个区段处的渗透性、多孔性、碳消耗曲线、石灰石消耗曲线和水份干燥曲线。此外，本发明的系统预测不可直接测量的过程参数，如在炉的各个区段处的炉内部的固相和气相的热曲线、针对固相和气相两者的炉内部的各种化学物质的成分曲线以及跨越炉的各个区的气相压降。

此外，本发明的系统预测跨越球团床的尺寸的水份浓度曲线、碳浓度曲线和碳酸钙浓度曲线以及固体多孔床的渗透性。其还预测沿炉的长度和高度的气相中的氧气、二氧化碳和水份浓度。出于此目的，使用床下方的废气温度来自动调谐和校准所述系统。所述系统可在各种操作范围内以在线模式和离线模式来使用。在在线模式中，系统通过交互式构件与炉介接，所述交互式构件实时监视并控制炉的操作。在离线模式中，系统可用于过程的详细分析和诊断。

本发明的系统主要包含：交互式构件，其经提供为在操作期间与炉通信以从(例如)可编程逻辑控制或分布式控制系统或监控与数据采集系统以及实验室信息与管理系统实时检索在线过程数据；所述交互式构件适于在其中接收优化信号，以更改炉的至少一个过程条件；校准构件，其为了验证目的而产生多个理想设定点；处理单元，其：使用在线过程数据在计算构件中计算多个实时活动设定点；确证构件，其用于使所述多个实时活动设定点中的至少一者与对应的理想设定点匹配；报警构件，其在所述多个实时活动设定点中的至少一者不匹配于对应的理想设定点的情况下产生信号；以及优化构件，其产生优化信号以更改炉的至少一个过程条件；所述交互式构件接收优化信号以更改炉的至少一个过程条件，所述优化信号被实时传送到炉，进而增强生产率，同时将产品质量维持在合意的规格内。系统具备中央储存库，其用于存储过程相关数据以实现逐日记录。任选地，处理单元进一步包含输出构件，其经提供为与优化构件通信，以将优化信号传输到交互式构件和中央储存库。

本发明中所设想的计算构件包含多个模型，其具有一组非线性部分微分和代数方程式，其辅助使用实时在线过程数据来计算气相和固相的总材料平衡和能量平衡、每一相中所有个别物质沿炉的整体长度和高度的材料平衡以及炉内部的气相压降。计算构件基于在线过程数据通过跨越颗粒填料床的整个尺寸将含有铁矿石球团的颗粒填料床划分成细网格来模拟炉操作。在这些网格中的每一者处，对模型方程式进行求解以估计过程的总状态。

图1说明展示与处于操作条件中的直炉排烧结炉通信的本发明的优化系统的示意图，所述炉大体上由参考标号10表示。用于优化烧结炉10的操作的系统(大体上由参考标号12表示)连接到交互式构件(图1中未展示)，所述交互式构件包含可编程逻辑控制器(PLC)或分布式控制系统(DCS)或监控与数据采集系统(SCADA)，所述监控与数据采集系统(SCADA)又控制烧结炉10的过程条件。

通常，直炉排烧结炉10由七个区组成，其包括向上通风干燥区(UDD)、向下通风干燥区(DDD)、预加热区(PHZ)、点火区(IGN)、焙烧后区(AFZ)、第一冷却区(CZ1)和第二冷却区(CZ2)。湿铁矿石球团以颗粒填料床的形式放置于烧结炉10的活动炉排上。当活动炉排在操作中时，湿铁矿石球团进入烧结炉10的UDD区且经受热气体以用于在UDD和DDD区中干燥湿球团。湿铁矿石球团在UDD中在初始干燥阶段中以向上通风干燥模式干燥且在DDD中在第二干燥阶段中以向下通风干燥模式干燥。湿铁矿石球团中所含有的大量水在UDD和DDD区中蒸发。从第二干燥区DDD，经干燥的铁矿石球团的颗粒填料床进入烧结炉10的PHZ，其中烧结或焙烧过程开始。烧结过程在IGN和AFZ区中通过从罩燃烧器(大体上由20表示)发射的热量而加速。来自罩燃烧器20的热量在IGN区处进入烧结炉10。在焙烧之后，将铁矿石球团发送到冷却区(CZ1和CZ2)以用于将球团冷却到合适的处置温度。

冷却空气流26在冷却区CZ1处进入烧结炉10且穿过铁矿石球团床。从冷却区CZ1出来的流26具有通常为1000℃的平均温度。接着分配所述流26且在PHZ、IGN和AFZ区中使用吹风机将其向下通风拉动穿过铁矿石球团的颗粒填料床。IGN区进一步被提供来自罩燃烧器20的额外热量，进而使新气流的温度升高到约1200℃到1300℃。来自焙烧区PHZ、IGN和AFZ的气流26被回收并在向下通风干燥区DDD中用于第二干燥阶段。从DDD排放排气流28。

进入烧结炉10的另一冷却气流27向上通风穿过第二冷却区CZ2。来自CZ2的排气流11进一步再循环到UDD以用于初始干燥阶段。从UDD排放排气流30。

系统12接收关于包括湿球团大小分布(PSD)和湿球团成分(图1中由14总体表示)以及球团质量(大体上由22表示)在内的湿铁矿石球团性质的信息。根据所提供的数据，系统12产生输出，所述输出提供进入烧结炉10的铁矿石球团床16的合适高度、应操作活动炉排的最佳速度18、冷却气流26和27的流动速率以及在20处进入的点火气体的温度曲线。来自系统12的此输出有助于在不损害所要产品质量22的情况下最大化生产24。系统12具备用以实时预测炉10所生产的焙烧铁矿石球团的强度和质量的构件。因此，系统12提供用以监视所生产的最终产品的质量的直接手段。而且，万一最终产品的质量不满足指定标准，那么实时更改炉的过程条件，因此节省时间和能量。

图2说明在操作上配置有烧结炉10的系统12的示意图。交互式构件(由标号66指代)包含可编程逻辑控制器(PLC)或分布式控制系统(DCS)或监控与数据采集系统(SCADA)，监控与数据采集系统(SCADA)允许系统12在操作期间与炉10介接以实时连续检索在线过程数据。交互式构件66监视并控制炉操作以提供经优化的炉操作。与待在炉10中实行的操作相关的过程信息由校准构件(由标号62指代)接收，所述校准构件包含实验室信息系统，接收并在其中处理与炉10相关的过程信息，且产生多个理想设定点，其用于验证目的。由校准构件62产生的多个理想设定点考虑到所要的最终球团质量、铁矿石、燃料(煤炭或焦炭)、熔剂(石灰石)和粘合剂(膨润土)的物理和化学性质，以校准所述炉来按经优化的水平操作。

由交互式构件66检索的在线过程数据通过线70提供到处理单元(由标号60表示)以用于处理。交互式构件66直接连接到炉10，以实时监视炉10内部的操作条件。这些过程细节被转发到处理单元60。处理单元60还接收来自校准构件62的多个理想设定点。在处理单元62中，通过使用在线过程数据，计算多个实时活动设定点，所述多个实时活动设定点暂时存储在校准构件62中。在处理单元60中，使多个实时活动设定点与对应的理想设定点匹配，以确定是否需要优化来维持所要产品质量。万一当需要优化时，产生用于更改炉10的至少一个过程条件的优化信号，其可用交互式构件66传送，参看图2。可手动地或自动地将优化信号传输到交互式构件66。任选地，显示模块(由标号64表示)可提供于处理单元60与交互式构件66之间，其中通过显示模块64将优化信号传输到交互式构件66。接着通过交互式构件66将用于更改炉10的至少一个过程条件的优化信号传送到炉10，以便优化操作条件，且进而在不危害最终产品质量的情况下优化生产率。

根据本发明的优选实施例，系统12可针对各种操作范围以在线模式以及离线模式来使用。在在线模式中，系统12通过交互式构件66与烧结炉10介接。然而，在离线模式下，系统12用于过程的详细分析。系统12还提供对过程的在线控制。

图3说明本发明的系统12的处理单元60的示意图。处理单元60通常包含：接收器构件72、计算构件74。中央储存库80、确证构件73、报警构件75、优化构件76和输出构件78。

适于执行实时优化的处理单元60与交互式构件66和校准构件62通信以提取在线过程数据和多个理想设定点。此数据由接收器构件72接收，其中在线过程数据包含：炉尺寸的细节、湿铁矿石球团性质、流动输入和颗粒填料床细节。

炉尺寸和输入参数一般包括：

·每一炉区段的长度，即UDD、DDD、PHZ、IGN AFZ、CZ1和CZ2；

·炉排速度；

·风箱的总数；

·每一风箱的长度；

·焙烧罩中的燃烧器的数目；

·焙烧罩中的燃烧器的位置；以及

·焙烧罩中的燃烧器之间的间距；

湿铁矿石球团性质一般包括：

·铁矿石球团大小分布(PSD)；

·铁矿石球团化学成分；

·铁矿石球团水份含量；

·煤炭/焦炭的化学成分和水份含量；

·石灰石的化学成分和水份含量；以及

·煤炭/焦炭和石灰石的颗粒大小分布；

流动输入一般包括：

·到炉排的湿铁矿石球团流动速率；

·湿铁矿石球团的温度；

·入口气流的压力、温度和流动速率；以及

·入口气流的化学成分和水份含量

颗粒填料床细节一般包括：

·颗粒填料床的总高度；

·底料层的高度；以及

·底料层的颗粒大小分布和化学成分

由接收器构件72提取的此实时过程数据和所述多个理想设定点存储在中央储存库80中以进行逐日数据记录。此数据由计算构件74从中央储存库80提取以计算来自烧结炉10的活动炉排的焙烧铁矿石球团的吞吐量和来自烧结炉10的最终球团的质量参数，进而产生多个实时活动设定点。另外，计算构件74导出在炉10的各个区段处的烧结炉10内部的铁矿石球团床的渗透性和水份干燥曲线、气流和铁矿石球团的总材料平衡和能量平衡、在每一相中的所有个别物质沿烧结炉10的整体长度和高度的材料平衡以及炉10内部的气流的压降。

计算构件74通过实时处理在线过程数据来预测不可直接测量的过程参数，如在炉10的各个区段处的烧结炉10内部的铁矿石球团和气流的热曲线、烧结炉10内部的各种化学物质的成分曲线以及跨越烧结炉10的各个区的气流的压降。计算构件74进一步预测跨越烧结炉10的活动炉排上的铁矿石球团颗粒填料床的尺寸的水份浓度曲线、碳浓度曲线和碳酸钙浓度曲线。计算构件74还预测沿烧结炉10的长度和高度的气相中的氧气、二氧化碳和水份浓度。

多个实时活动设定点和多个理想设定点接收于确证构件73中，其中确证构件经配置以使多个实时活动设定点中的至少一者与对应的理想设定点匹配，以检验炉是否正适宜地操作。如果多个实时活动设定点中的至少一者不匹配于对应的理想设定点，那么将数据传递到报警构件75。报警构件75产生用于优化炉操作的信号。此信号接收于优化构件76中，所述优化构件76产生优化信号以更改炉10的至少一个过程条件。待优化的过程条件选自：球团床的高度、活动炉排的速度、冷却气流的流动速率、点火气体的温度以及气流的压降。优化信号经由输出构件78传输到交互式构件66和中央储存库80。交互式构件66接收优化信号且进而实时优化炉的操作。

在图4中，展示在操作上与烧结过程通信的优化系统的模型(图4中由标号100表示)的示意图。计算构件74包含烧结过程模型102、渗透性模型104和质量模型116，其是基于材料和能量平衡的基本原理、在炉10内部发生的化学反应的反应动力学以及穿过多孔颗粒填料床的气流动的数学模型。所述模型使用一组非线性部分微分和代数方程式来计算气流和铁矿石球团的总材料平衡和能量平衡、在每一相中的所有个别物质沿炉10的整体长度的材料平衡以及炉10内部的气流的压降。烧结模型102、渗透性模型104和质量模型116接收与待在炉10中实行的操作相关的过程信息，其包括床高度和压降(参看106)、罩温度、炉排速度、气流动速率(参看108)、铁矿石、燃料(煤炭/焦炭)和熔剂(石灰石)的球团化学成分细节和物理性质(参看110)、测得的过程变量(参看120)、球团大小分布和气体性质(参看112)、气体速度(参看114)。所述模型预测质量参数(参看126)以及烧穿温度(参看122)，其被发送到优化构件(图4中由标号118表示)以产生被发送到炉10的优化信号128，其中优化信号包括更改炉10的过程条件，其包括床高度、炉排速度、冷却气流流动速率、罩温度曲线以及炉的不同区段中的气相压降。

如图4中所说明，所述模型还包含一组子单元。所述组子单元计算将发送到所述模型以产生铁矿石球团床性质和气相性质的实时测量值的数据。

所述组子单元包含以下各项：

·热量转移计算单元，其通过使用一组部分微分方程式以在操作期间估计热量转移细节来计算气流和铁矿石球团的总能量平衡；

·质量转移计算单元，其通过使用一组部分微分方程式以在操作期间估计质量转移细节来计算气流和铁矿石球团的总材料平衡以及在气相和球团中的个别化学物质的材料平衡；

·反应动力学计算单元，其评估在操作期间发生的所有化学反应(煤炭或焦炭的燃烧以及石灰石的煅烧)的反应动力学；以及

·球团熔融计算单元，其在操作期间估计铁矿石球团熔融曲线；

铁矿石球团床性质的实时估计包括：

·铁矿石球团床温度曲线；以及

·铁矿石球团床成分曲线；

气相性质的实时估计包括：

·废气的流动速率、压力、温度和化学成分；

·整个炉中的气相的压力和速度曲线；

·整个炉中的气相的温度曲线；以及

·整个炉中的气相的化学成分曲线。

由计算构件74的模型产生的输出也存储于中央储存库80中以用于逐日数据记录。

参看图5，展示在线优化系统的示意图，其中实时过程数据和实验室测量值接收于本发明的优化系统的实时数据库中。所述信息由过程模型接收以用于处理且由软传感器接收以确定不可直接测量的过程参数且最终用于优化，其中将最佳设定点实时传送到PLC/DCS/SCADA。

图6说明展示使用本发明的系统12的对跨越炉10的各个区的球团床温度轮廓的实时预测的示意图。图7、8和9展示用于通过将与风箱温度、各个床高度处的床温度和沿炉排的长度的床温度有关的模拟数据与从工业烧结炉和实验室罐炉排炉获得的实际测量值(由瑟尔比(Thurlby)等人，根据在矿物处理国际杂志(Intl.J.Mineral Process)第6期(1979年)第43-64页公布的数据)进行比较来验证本发明的优化系统12的图形表示。从图7、8和9了解到，使用本发明的过程模型(其用于获得不可直接测量的过程参数)获得的模拟数据为适当准确的。

技术优点

如本发明中揭示的用于优化用于生产铁矿石球团的烧结炉的操作的系统具有若干技术优点，包括但不限于实现：

·用于优化烧结炉的操作的系统，其通过实时交互而增加炉生产率；

·用于优化烧结炉的操作的系统，其通过交互式构件而连续监视和控制烧结炉的操作，进而给出一致的产品质量；

·用于预测颗粒填料床的多孔性和渗透性的系统；

·用于预测无法直接在线测量的焙烧球团质量参数的系统，所述焙烧球团质量参数包括冷压缩强度、转鼓指数和磨损指数；

·用于优化烧结炉的操作的系统，其实时预测不可直接测量的过程参数，如炉的各个区段中的炉内部的固相和气相的热曲线、针对固相和气相两者的炉内部的各种化学物质的成分曲线以及跨越炉的各个区的气相压降；

·用于优化烧结炉的操作的系统，其减少炉的燃料消耗；

·用于优化烧结炉的操作的系统，其连续地实时监视炉内部的热条件；以及

·用于优化烧结炉的操作的系统，其减少烧结过程的总操作成本和生产成本。

针对各种物理参数、尺寸或数量而提到的数值仅仅是近似值，且设想比指派给所述参数、尺寸或数量的数值高/低的值属于本发明的范围内，除非说明书中存在特定针对相反情况的陈述。

鉴于可应用本发明的原理的广泛多种实施例，应理解，所说明的实施例仅是示范性的。虽然本文已将相当多的重点放在本发明的特定特征上，但将了解，在不脱离本发明的原理的情况下在优选实施例中可做出各种修改且可做出许多改变。所属领域的技术人员从本文的揭示内容中将了解本发明或优选实施例的性质的这些和其它修改，借此将显然了解到，上述描述性内容应解释为仅作为对本发明的说明而不是限制。

Claims (14)

1.一种用于优化烧结炉的操作的系统，所述系统包含：

交互式构件，其用以监视和控制所述炉以提供经优化的炉操作，所述交互式构件选自由可编程逻辑控制器(PLC)、分布式控制系统(DCS)和监控与数据采集系统(SCADA)组成的群组，所述交互式构件适于与所述炉通信以实时检索在线过程数据，且适于实时发送所述在线过程数据以用于处理，且在其中接收优化信号以传送到所述炉，以用于更改所述炉的至少一个过程条件；

校准构件，其用于为了验证目的而产生多个理想设定点，所述校准构件包括用于接收与所述炉相关的过程信息的实验室信息系统，所述过程信息为选自由焙烧球团质量参数、铁矿石的物理特性、所述铁矿石的化学特性、燃料(煤炭或焦炭)的物理特性、所述燃料(煤炭或焦炭)的化学特性、熔剂(石灰石)的物理特性和所述熔剂(石灰石)的化学特性组成的群组中的至少一者，且适于处理所述信息以产生多个理想设定点来校准所述炉以在经优化的水平下操作；以及

处理单元，其适于执行实时优化，所述处理单元适于实时接收所述在线过程数据和所述多个理想设定点，且包含：计算构件，其经配置以使用所述在线过程数据来计算多个实时活动设定点；确证构件，其经配置以使所述多个实时活动设定点中的至少一者与对应的理想设定点匹配；报警构件，其经配置以在所述多个实时活动设定点中的至少一者不匹配于所述对应的理想设定点的情况下产生信号，以用于优化至少一个过程条件；优化构件，其经配置以在接收到来自所述报警构件的所述信号时产生至少一个优化信号，所述至少一个优化信号被传送到所述交互式构件以用于优化所述炉的所述操作。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理单元包含接收器构件，所述接收器构件用以接收来自所述交互式构件的所述在线过程数据和来自所述校准构件的所述多个理想设定点。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理单元包含中央储存库，所述中央储存库用以在预定持续时间内存储所述在线过程数据、所述多个理想设定点、所述多个实时活动设定点以及所述优化信号。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述计算构件进一步适于使用所述在线过程数据来计算不可直接测量的过程参数和焙烧球团质量参数，所述不可直接测量的过程参数包括跨越所述炉的各个区段的球团和气流的热曲线、球团和气流的成分曲线、所述气流的压降、球团水份干燥曲线、煤炭或焦炭燃烧曲线和石灰石煅烧曲线，所述焙烧球团质量参数包括冷压缩强度、转鼓指数和磨损指数。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理单元包括输出构件，所述输出构件适于将所述优化信号传输到所述交互式构件和所述中央储存库。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述交互式构件与所述处理单元之间提供有显示模块。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述在线过程数据和所述过程信息包含所述炉的各个区段的尺寸、例如颗粒大小分布、化学成分、水份含量等湿铁矿石球团性质以及煤炭/焦炭和石灰石的颗粒大小分布、气流温度、化学成分、水份含量、压力和流动速率、床高度、炉排速度和底料层的细节。

8.一种用于优化用于生产铁矿石球团的烧结炉的操作的方法，所述方法包含以下步骤：

为了验证目的在具有实验室信息系统的校准构件中通过处理与所述炉相关的过程信息而产生多个理想设定点，所述过程信息选自由焙烧球团质量参数以及铁矿石、燃料(煤炭或焦炭)和熔剂(石灰石)的物理和化学特性组成的群组；

通过交互式构件实时检索所述在线过程数据，所述交互式构件选自由可编程逻辑控制器、分布式控制系统和监控与数据采集系统组成的群组，其中所述交互式构件经提供为与所述炉通信以实时监视和控制所述炉，以提供经优化的炉操作；

将所述在线过程数据和所述多个理想设定点传输到处理单元以用于实时优化；

在所述处理单元的计算构件中通过处理所述在线过程数据来计算多个实时活动设定点；

在所述处理单元的确证构件中使所述多个实时活动设定点中的至少一者与对应的理想设定点匹配；

在所述多个实时活动设定点中的至少一者不匹配于所述对应的理想设定点的情况下，在所述处理单元的报警构件中发信号以用于优化；

在所述处理单元的优化构件中产生至少一个优化信号，以用于更改所述炉的至少一个过程条件；以及

将所述优化信号传送到所述交互式构件以用于实时优化所述炉的所述操作。

9.根据权利要求8所述的方法，其包括将所述在线过程数据、所述多个理想设定点、所述多个实时活动设定点以及所述优化信号存储在中央储存库中的步骤。

10.根据权利要求8所述的方法，其包括将所述优化信号手动地或自动地传输到所述交互式构件的步骤。

11.根据权利要求8所述的方法，其包括经由所述交互式构件介接所述处理单元与所述炉的步骤。

12.根据权利要求8所述的方法，其包括在离线模式中获得所述过程的详细分析的步骤。

13.根据权利要求8所述的方法，其包括优化所述过程条件的步骤，所述过程条件选自由所述炉的各个区段中球团床的高度、活动炉排的速度、冷却气流的流动速率、点火气体的温度以及所述气流的压降组成的群组。

14.根据权利要求8所述的方法，其包含根据所述炉排上的球团的流动速率和最终产品的质量参数来选择所述多个设定点的步骤。

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