CN102221820B - 一种优化控制高炉顶燃式热风炉燃烧换向周期的模型 - Google Patents

Abstract

一种优化控制高炉顶燃式热风炉燃烧换向周期的模型，属于工业炉窑燃烧技术领域。该模型由热平衡计算模块、传热模拟计算模块和热风炉燃烧换向周期优化模块组成：热平衡计算模块可以定量得出热风炉运行过程中的热量利用情况。采用传热模拟计算模块可以确定热风炉蓄热室在燃烧期和送风期传热量变化情况。热风炉燃烧换向周期优化模块是建立在热平衡计算模块和传热模拟计算模块的基础上，利用该模块优化燃烧参数，得出热风炉最佳燃烧时间和送风时间，这样既可保证热风炉风温满足高炉热风温度需求，又可避免出现由于燃烧时间过长而造成煤气浪费以及热风炉内耐火材料使用寿命的降低等问题。有利于降低能源消耗，减少NOx等污染气体的排放，改善环境。

Description

一种优化控制高炉顶燃式热风炉燃烧换向周期的模型

技术领域

本发明属于工业炉窑燃烧技术领域，特别提供了一种优化控制高炉热风炉燃烧换向周期的模型，应用于高炉顶燃式热风炉燃烧制度优化控制。

技术背景

热风炉是高炉高风温的载体。热风炉良好操作的主要问题是在燃烧期怎样获得足够的热量，以满足下一步送风期所需温度的热风量。在热风炉操作中，煤气压力、流量、热值的波动以及空气湿度、空气温度、流量等都会影响热风炉燃烧的好坏。

目前热风炉操作存在以下不足：

一是热风炉燃烧时空气、煤气配比调节是在煤气量一定的情况下，依据烟道中氧气含量的中间值确定是否调节和调节多少助燃空气量。这种操作方法带来的弊端是由于反馈信号滞后，操作被动，热风炉内的燃烧状态主要靠操作人员的实际经验和温度检测等仪表显示数据，较难实现热风炉的合理燃烧，造成煤气不足或煤气浪费情况。

二是目前多数顶燃式热风炉燃烧、送风周期的确定是沿用最初的操作制度，尚未建立一种科学有效的方法确定热风炉的操作周期。

三是热风炉自动控制系统的建立是由自动控制专业人员研发出来的，在热工理论方面没有更多的考虑，尚未建立热负荷一定的条件下，蓄热体传热量与燃烧时间、送风时间的定量关系，不利于风温的进一步提高和耐火材料使用寿命的延长。

因此，为了获得顶燃式热风炉操作的最佳周期，需要建立科学的方定量确定热风炉燃烧时间、送风时间，进行热风炉操作制度优化，更好地提高热风炉的实际控制水平。达到降低燃料消耗，提高热风炉热效率，同时提高热风炉内部耐火材料的使用寿命的目的。节能、减污、增效。

首钢京唐钢铁联合有限责任公司(简称京唐公司)2号高炉(5500m³)热风炉于2010年6月投产以来，基本满足了高炉高风温需求。为了进一步提高京唐公司高炉BSK顶燃热风炉操作控制的技术水平，发明一种优化控制大型高炉顶燃式热风炉燃烧换向周期的模型，提高热风炉热效率、延长热风炉的使用寿命，进一步提高热风温度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种优化控制高炉顶燃式热风炉燃烧换向周期的模型，在保证高炉送风温度的前提下，合理确定热风炉的燃烧时间、送风时间，不仅有利于提高风温，减少烟气带走的热量损失，同时有利于提高热风炉耐火材料的使用寿命，满足高炉高风温需求，提高热风炉热效率，降低能耗，同时减少污染气体的排放，具有较大的社会价值。

本发明根据煤气成分变化预知煤气燃烧时的最高理论燃烧温度，并确定热风炉燃烧期、送风期内换热系数变化及单位面积传热量，在热交换充分的前提下优化热风炉操作参数，得出热风炉最佳燃烧时间、送风时间，热量得到充分利用，提高热风炉热效率，在降低燃料消耗的同时提高耐火材料的使用寿命。

本发明将优化控制模型用于高炉热风炉燃烧、送风周期的优化，分别确定热风炉最佳燃烧时间、送风时间。

本发明的模型包括热风炉热平衡计算模块、传热模拟计算模块以及燃烧换向周期优化模块三部分。

热平衡计算模块是输入热风炉所用燃料成分％(m³/m³)、煤气流量Q_煤等参数，经过该模块计算，输出最高热风炉理论燃烧温度t_理、煤气完全燃烧时所需要的空气流量Q_空，输出热风炉热平衡图。利用该模块可以计算出热风炉作业条件，设定每座热风炉必须投入的热量、混合煤气和拱顶温度，便于操作人员及时、定量掌握热风炉操作过程中的热量利用情况。

传热模拟计算模块是模拟计算热风炉蓄热室在燃烧期和送风期的温度场，冷风、烟气在燃烧期、送风期的温度场，以及交错并联送风时热风炉混风量变化情况。利用该计算模块，首先输入热风炉以及热风炉结构参数(如：高度、直径等)、冷风和蓄热体初始温度t_0冷、t_0蓄数值，利用该模块进行迭代计算，计算得出燃烧期综合换热系数α1、送风期综合换热系数α2以及单位面积传热量(Q_传)。迭代的判定条件是蓄热体各部位同一时刻的平均温度与上一次循环的平均值相差不超过设定的精度cha，cha＝0.1，保证模拟计算进入稳定状态，此时确定为模拟的温度场曲线达到稳定的收敛状态，迭代结束，输出蓄热室内温度场变化曲线，退出传热模拟计算模块。

热风炉燃烧换向周期优化模块是建立在热平衡计算模块和传热模拟计算模块的基础上建立起来的。利用该模块，输入高炉所需要的热风温度T_风、拱顶温度T_顶、排烟温度T_烟的数值，与蓄热体传热过程耦合，对热风炉燃烧和送风操作周期进行优化计算，输出蓄热体热贮存能力条件下的热风炉最佳燃烧时间て_燃和送风时间て_风，然后退出热风炉燃烧换向周期优化模块。

所述的优化是指通过热平衡计算、传热模拟计算模块以及约束条件(如：T_风、T_顶、T_烟)等，进行燃烧时间、送风时间优化，在蓄热体吸热饱和时停止燃烧，输出最佳燃烧时间て_燃；在蓄热体内放热充分时停止送风，输出最佳送风时间て_风；这样既保证热风炉风温满足高炉热风温度需求，又避免出现由于燃烧时间过长而造成煤气浪费以及热风炉内耐火材料使用寿命的降低等问题。降低能源消耗，同时减少燃烧产物中NOx等污染气体的排放，改善环境。

本发明的优点在于，可以及时定量地评价热风炉能量利用状况，为热风炉操作提供科学合理的依据，预知热风炉理论燃烧温度，确定合理的热风炉操作参数(比如：最佳燃烧时间、送风时间)，这样既可保证热风炉风温满足高炉热风温度需求，又可避免出现由于燃烧时间过长而造成煤气浪费以及热风炉内耐火材料使用寿命的降低等问题。不仅有利于降低能源消耗，而且还可以减少燃烧产物中NOx等污染气体的排放，改善环境。

附图说明

图1为本发明的优化控制高炉热风炉燃烧换向周期模型的程序框图。

具体实施方式

利用优化控制高炉顶燃式热风炉燃烧换向周期模型，实现热风炉燃烧、送风时间控制的优化，根据热风炉能量收入、支出情况以及蓄热体在燃烧期、送风期内传热温度变化曲线，进行热风炉操作参数优化，根据在热风炉结构一定的条件下，煤气燃烧的有效热与燃烧换热系数、送风换热系数的关系，得出热负荷一定情况下热风炉最佳燃烧时间て_燃、送风时间て_风，使热风炉内格子砖蓄热体在蓄热即将达到饱和状态时停止燃烧，改为送风，从而使煤气燃烧的有效热得到充分利用，提高热风炉热效率，降低燃料消耗，同时有利于提高高炉热风温度。

优化控制高炉顶燃式热风炉燃烧换向周期的关键技术在于应用模型直接根据顶燃式热风炉结构参数、煤气成分和流量、拱顶温度、烟气温度和流量、热风温度和流量等参数，确定在热负荷一定的情况下，传热系数随燃烧期、送风期时间的变化规律，从而得出热风炉最佳操作周期，输出热风炉内格子砖蓄热、放热(即热风炉燃烧、送风)时间。

以首钢2536m³高炉热风炉为例，第一步先输入热风炉燃烧高炉煤气成分(％)、煤气流量Q_煤(170000m³·h^-1)，通过热风炉热平衡计算模块(见附图1)计算得出助燃空气流量Q_风(104508m³·h^-1)、最高理论燃烧温度t_理(1218℃)，输出热风炉热平衡表和热平衡图；第二步运行传热模拟计算模块，输入热风炉蓄热体参数、并装载热平衡计算模块(如：助燃空气温度t_空、流量Q_空等)，输出不同时间热风温度与不同烟气温度随蓄热体高度分布曲线、燃烧期与送风期不同高度蓄热体温度随时间分布曲线、不同高度蓄热体内烟气温度随时间分布等曲线；第三步运行燃烧与送风周期优化模块，输入约束条件，如：初始无因次量系数、高炉需求的热风温度T_风(1098℃)、拱顶温度T_顶(1250℃)、排烟温度T_烟(330℃)，经过模块计算，输出优化热风炉燃烧时间て_燃(40min)、送风时间て_风(50min)，同时得出热风炉本体热效率(80.12％)。

实现优化控制顶燃式热风炉燃烧换向周期模型框图见说明书附图1。其中包括的主要环节有：一是热平衡计算模块，实现热风炉热能利用状况评价，输出热平衡表、热平衡图；二是蓄热体传热模拟计算模块，实现蓄热体内部传热模拟，分别给出燃烧期和送风期传热系数α以及蓄热体单位面积的传热量；三是燃烧换向周期优化模块，在载入热平衡计算模块、传热模拟计算模块输出结果的基础上，根据约束条件(T_风、T_顶、T_烟等)进行燃烧时间、送风时间优化，实现保证高炉需要风温的前提下，蓄热体吸热饱和时停止燃烧，开始换成送风，输出最佳燃烧时间て_燃；当蓄热体内放热结束时停止送风，输出最佳送风时间て_风。

Claims (2)

1.一种优化控制高炉顶燃式热风炉燃烧换向周期的模型的建模方法，其特征在于，该模型包括热风炉热平衡计算模块、传热模拟计算模块和燃烧换向周期优化模块三部分；

热平衡计算模块是在输入热风炉所用燃料成分体积百分比、煤气流量Q_煤参数后，经过计算，输出最高热风炉理论燃烧温度t_理、煤气完全燃烧时所需要的助燃空气流量Q_空，输出热风炉热平衡表、热平衡图；利用该模块得出热风炉作业条件，便于操作人员及时、定量掌握热风炉操作过程中的热量利用情况；

传热模拟计算模块是模拟计算热风炉蓄热室在燃烧期和送风期的温度场，冷风、烟气在燃烧期、送风期的温度场，以及交错并联送风时热风炉混风量变化情况；利用该计算模块，首先输入热风炉以及热风炉结构参数、冷风和蓄热体初始温度t_0冷、t_{0 蓄}数值，利用该模块进行迭代计算，计算得出燃烧期综合换热系数α1、送风期综合换热系数α2以及单位面积传热量Q_传；迭代的判定条件是蓄热体各部位同一时刻的平均温度与上一次循环的平均值相差不超过设定的精度cha,cha=0.1,保证模拟计算进入稳定状态，此时确定为模拟的温度场曲线达到稳定的收敛状态，迭代结束，输出蓄热室内温度场变化曲线，退出传热模拟计算模块；

热风炉燃烧换向周期优化模块是建立在热平衡计算模块和传热模拟计算模块的基础上，输入高炉需要的热风温度T_风、拱顶温度T_顶、排烟温度T_烟数值，与蓄热体传热过程耦合，对热风炉燃烧和送风操作周期进行优化计算，输出蓄热体热贮存能力条件下的热风炉最佳燃烧时间て_燃和送风时间て_风，然后退出燃烧换向周期优化模块。

2.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述的优化是指通过热平衡计算、传热模拟计算模块以及约束条件：T_风、T_顶、T_烟，进行燃烧时间、送风时间优化，在蓄热体吸热饱和时停止燃烧，输出最佳燃烧时间て_燃；在蓄热体内放热充分时停止送风，输出最佳送风时间て_风；这样既保证热风炉风温满足高炉热风温度需求，又避免出现由于燃烧时间过长而造成煤气浪费以及热风炉内耐火材料使用寿命的降低。

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