CN103243190A - 一种预测热风炉煤气消耗量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种预测热风炉煤气消耗量的方法，包括输入热风炉前一周期使用的煤气等参数；进行计算、判断，预测下一燃烧周期的热风炉煤气的消耗量。本发明不需要耦合热风炉炉型结构、格子砖局部温度等设计参数，只需根据前一周期热风炉烧炉、送风相关参数的计算，就可以预测出下一燃烧周期热风炉煤气的消耗情况。同时，能根据下一周期的风量、风温来确定所需要的煤气化学热，并对预测的数据结果进行可视化处理，以得到直观的图像结果；指导热风炉操作，操作使用简单，提高工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及高炉炼铁领域，特别涉及一种预测热风炉煤气消耗量的方法，是一种用于预测高炉热风炉煤气消耗量的方法。
背景技术
在高炉炼铁生产中，热风炉是最重要的配套设施之一。热风炉的作用将鼓风加热到要求的温度，并提供给高炉。热风炉燃烧一般使用高炉煤气，其能耗约占到高炉煤气的45%左右，是炼铁工序煤气资源消耗大户。由于高炉煤气的压力、成分受炉况影响而波动频繁，因而热风炉的燃烧控制成为热风炉最复杂的系统之一。因此，根据高炉现有条件，建立热风炉传热模型对热风炉系统进行计算、预测，以实现对热风炉燃烧系统优化控制，同时降低煤气消耗，成为国内外众多学者的研究重点。
早在20世纪二三十年代豪森（Hausen)等人对蓄热式热风炉热交换进行过研究，提出了以格子砖内部的导热传热过程为基础的数学模型。但由于无法确定气流速度、温度分布参数对传热过程的影响，这种模型不能真实准确反映热风炉蓄热传热过程，造成研究人员后续无法利用该模型预测出热风炉的煤气消耗情况。
德国西门子公司的热风炉数学模型，规避了前期研究中无法确定传热参数的问题，以热流计算为基础，通过列出热风炉热损失计算出热风炉每个工作循环的效率，以求得加热用的煤气流量。该模型虽然能模拟烧炉现场、较准确的预测煤气消耗量，但由于该数学模型用常微分方程来表述，模型的输入、干扰因素设定范围有限等缺陷，这个早期的模型预测精度和应用范围很有限。
日本在1974年发表了关于热风炉数模法控制的专利，该方法是以热风炉的热平衡为研究基础，通过高炉作业条件，计算出输入热量、燃烧目标值、拱顶温度等燃烧条件的物理模型，根据热风温度、风量等要求预测出热风炉热状态和煤气消耗情况。该模型在预测煤气消耗、指导操作、提高热效率等方面获得了相当大的成功，是后期热风炉数学模型优化奠定了理论研究基础。但由于该模型的理论分析因素复杂（耦合了热风炉炉型结构、内部煤气流动等参数），无法用在热风炉炉型设计参数位置的情况下预测热风炉煤气消耗。而且在实际使用的过程中检测点多、投资大，在生产条件不够稳定、装备水平较低的热风炉中不容易实现，因此限制了方法的广泛应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种预测热风炉煤气消耗量的方法，用于在对热风炉炉型参数未知的情况下对热风炉煤气的消耗量进行预测。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种预测热风炉煤气消耗量的方法，所述方法包括：
a.输入热风炉前一周期使用的煤气参数、助燃空气参数、排出的废烟气参数、热风炉拱顶温度参数、能源鼓风参数；
b.计算热风炉煤气燃烧所产生的热量、热风炉排出废烟气带走的热量、热风炉损失的热量、热风炉加热鼓风所消耗的热量，以及热风炉理论燃烧产生的烟气流量；
c.根据煤气燃烧所产生的热量和热风炉理论燃烧产生的烟气流量计算出热风炉理论燃烧温度，根据热风炉理论燃烧温度和排出废烟气带走的热量计算热风炉实际燃烧产生的烟气热容；
d.判断所述热风炉理论燃烧温度和所述热风炉排出废烟气带走的热量与所述热风炉实际燃烧产生的烟气的热容偏差是否收敛，如发散则返回步骤c，调整炼铁气体计算常数重新计算热风炉的理论燃烧温度，如收敛则确定热风炉理论燃烧温度；
e.根据的热风炉理论燃烧温度以及所述热风炉排出的废烟气带走的热量、热风炉损失的热量确定热风炉的热效率；
f.根据热风炉的热效率和热风炉加热鼓风所消耗的热量，根据公式
其中，所述热风炉理论燃烧温度是通过公式： 
kJ/m3 得到，公式中： 
为单位体积下炼铁气体组分的平均热容，kJ/m3； a、b、c为炼铁气体计算常数，m3。
方案进一步是，所述煤气参数包括CO、CH4、H2、H2O的浓度和摩尔份数、质量流量、温度；所述助燃空气参数包括助燃空气的温度、质量流量；所述热风炉拱顶温度参数即检测的拱顶温度；所述排出的废烟气参数包括废烟气CO2、O2、N2、H2O的浓度和摩尔份数、质量流量、温度；所述的能源鼓风参数包括能源冷风的温度、质量流量以及热风炉出口热风的流量、温度。
方案进一步是，所述根据热风炉理论燃烧温度和所述热风炉排出废烟气带走的热量计算热风炉实际燃烧产生的烟气热容是：首先由煤气燃烧所产生的热量除以热风炉理论燃烧产生的烟气流量得到理论烟气热容，根据所述理论烟气热容计算出预估的理论燃烧温度，然后根据理论燃烧温度和实际废烟气成分计算出实际燃烧产生的烟气热容。
方案进一步是，所述确定理论燃烧温度是修正热风炉的理论燃烧温度，修正后的热风炉理论燃烧温度为：
；其中，tx 为修正后的热风炉理论燃烧温度，℃；t0为预估的热风炉理论燃烧温度，℃；
为热风炉理论燃烧产生的烟气的平均热容，kJ/m3；
为热风炉实际燃烧产生的烟气的平均热容，kJ/m3。
方案进一步是，所述是否收敛是根据迭代法计算得到，首先计算热风炉实际燃烧产生的烟气的平均热容，在t0温度下，根据热风炉实际排出的废烟气成分，计算热风炉实际燃烧产生的烟气的平均热容
，将热风炉实际燃烧产生的烟气的平均热容
和热风炉理论燃烧产生的烟气的平均热容前后两次迭代得到的平均数进行相减，其差值小于10-5则视为差值收敛，否则为不收敛即发散。
所述热风炉一个周期包括烧炉时间、并炉时间和送风时间，其中所述烧炉时间包括煤气燃烧时间和并炉前的保温时间。
本发明与现有技术相比具有如下优点：本发明的不需要耦合热风炉炉型结构、格子砖局部温度等设计参数，只需根据前一周期热风炉烧炉、送风相关参数的计算，就可以预测出下一燃烧周期热风炉煤气的消耗情况。同时，能根据下一周期的风量、风温来确定所需要的煤气化学热，并对预测的数据结果进行可视化处理，以得到直观的图像结果；指导热风炉操作，操作使用简单，提高工作效率。
下面结合附图和实施例对本发明作一详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例提供的预测热风炉煤气消耗量的方法流程图；
图2为本发明实施例提供的热风炉系统热平衡原理图。
具体实施方式
参见图1和图2，一种预测热风炉煤气消耗量的方法，包括：
a.输入热风炉前一周期使用的煤气参数、助燃空气参数、排出的废烟气参数、热风炉拱顶温度参数、能源鼓风参数；
b.计算热风炉煤气燃烧所产生的热量、热风炉排出废烟气带走的热量、热风炉损失的热量、热风炉加热鼓风所消耗的热量，以及热风炉理论燃烧产生的烟气流量；
c.根据煤气燃烧所产生的热量和热风炉理论燃烧产生的烟气流量计算出热风炉理论燃烧温度，根据热风炉理论燃烧温度和排出废烟气带走的热量计算热风炉实际燃烧产生的烟气热容；
d.判断所述热风炉理论燃烧温度和所述热风炉排出废烟气带走的热量与所述热风炉实际燃烧产生的烟气的热容偏差是否收敛，如发散则返回步骤c，调整炼铁气体计算常数重新计算热风炉的理论燃烧温度，如收敛则确定热风炉理论燃烧温度；
e.根据确定的热风炉理论燃烧温度以及所述热风炉排出的废烟气带走的热量、热风炉损失的热量确定热风炉的热效率；
f.根据热风炉的热效率和热风炉加热鼓风所消耗的热量，根据公式
其中，所述热风炉理论燃烧温度是通过公式： 
kJ/m3 得到，公式中： 
为单位体积下炼铁气体组分的平均热容，kJ/m3； a、b、c为炼铁气体计算常数，m3。
实施例中，所述煤气参数包括CO、CH4、H2、H2O的浓度和摩尔分数、质量流量、温度；所述助燃空气参数包括助燃空气的温度、质量流量；所述热风炉拱顶温度参数即检测的拱顶温度；所述排出的废烟气参数包括废烟气CO2、O2、N2、H2O的浓度和摩尔分数、质量流量、温度；所述的能源鼓风参数包括能源冷风的温度、质量流量以及热风炉出口热风的流量、温度。
实施例中，所述根据热风炉理论燃烧温度和所述热风炉排出废烟气带走的热量计算热风炉实际燃烧产生的烟气热容是：首先由煤气燃烧所产生的热量除以热风炉理论燃烧产生的烟气流量得到理论烟气热容，根据所述理论烟气热容计算出理论燃烧温度，然后根据理论燃烧温度和实际废烟气成分计算出实际燃烧产生的烟气热容。
实施例中，所述确定理论燃烧温度是修正热风炉的理论燃烧温度，修正后的热风炉理论燃烧温度为：
；其中，t0为预估的热风炉理论燃烧温度，℃；
为热风炉理论燃烧产生的烟气的平均热容，kJ/m3；
为热风炉实际燃烧产生的烟气的平均热容，kJ/m3。
实施例中，所述是否收敛是根据迭代法计算得到，首先计算热风炉实际燃烧产生的烟气的平均热容，在t0温度下，根据热风炉实际排出的废烟气成分，计算热风炉实际燃烧产生的烟气的平均热容
，将热风炉实际燃烧产生的烟气的平均热容
和热风炉理论燃烧产生的烟气的平均热容
前后两次迭代得到的平均数进行相减，其差值小于10-5则视为差值收敛，否则为不收敛即发散。
实施例中，所述热风炉一个周期包括三部分，烧炉时间（有的时候烧完需要保温，因此包括煤气燃烧时间和并炉前的保温时间）、并炉时间和送风时间，烧炉~115min，并炉~10min，送风45~60min；因此笼统的估算一个周期约为120min。
本实施例将前一燃烧、送风周期热风炉的煤气和助燃空气参数、排出的废烟气参数、拱顶温度参数、能源鼓风参数作为预测的初始参数，计算出热风炉煤气燃烧所产生的热量、排出废烟气带走的热量、热风炉损失的热量、加热鼓风所消耗的热量，以及热风炉理论燃烧产生的烟气流量。通过热风炉煤气燃烧所产生的热量和热风炉理论燃烧产生的烟气流量预估出热风炉理论燃烧温度，通过预估的热风炉理论燃烧温度和排出的废烟气参数计算热风炉实际燃烧产生的烟气热容，整个预测过程以判断热风炉理论燃烧和实际燃烧产生的烟气的热容偏差是否收敛为判断标准，如发散则重新计算热风炉的理论燃烧温度，如收敛则修正热风炉的理论燃烧温度，并根据修正后的热风炉理论燃烧温度结果以及热风炉排出的废烟气带走的热量、热风炉损失的热量确定热风炉的热效率，然后根据热效率和加热鼓风所消耗的热量，预测下一燃烧周期的热风炉煤气的消耗量。该方法不需要耦合热风炉炉型结构、格子砖局部温度等设计参数，根据上周期热风炉的相关工艺参数，完成热风炉煤气消耗情况的预测。
下面是对上述步骤的进一步详细说明，如图1所示：
步骤A、输入煤气参数、助燃空气参数、排出的废烟气参数、热风炉拱顶温度参数、能源鼓风参数。煤气参数包括煤气的成分（主要是CO、CH4、H2、H2O的浓度和摩尔分数）、质量流量、温度。助燃空气参数包括助燃空气的温度、质量流量。热风炉拱顶温度参数即检测的拱顶温度。排出的废烟气参数包括废烟气的成分（主要是CO2、O2、N2、H2O的浓度和摩尔分数）、质量流量、温度。能源鼓风参数包括能源冷风的温度、质量流量，热风炉出口热风的流量、温度。
步骤B、热量计算。根据图2热风炉的热平衡原理图可以看出，燃烧周期的蓄热量和送风周期的耗热量达到基本平衡才能实现热风炉的高效节能。蓄热量即为煤气燃烧过程所产生的热量，耗热量为加热鼓风所消耗的热量、排出的废烟气的热量、以及热风炉的热损失热量。在热风炉的燃烧过程主要的化学反应过程方程式如下式：
根据热平衡原理和化学反应过程，对热风炉的热量传递过程进行计算；
1、计算煤气燃烧所产生的热量。热风炉煤气燃烧所产生的热量即为蓄热量，蓄热量为煤气燃烧所产生的物理热量和化学热量之和，如下式计算：
式（4）中：、
分别为煤气的化学热量和水汽化分解消耗的热量,kJ；
为煤气在
温度下的平均热容，kJ/m3；
为助燃空气在
温度下的平均热容，kJ/m3；
、
分别为煤气和助燃空气的温度， ℃；
为煤气流量，m3/h；
为燃烧每立方米煤气所需的空气量，%；
其中，燃烧每立方米煤气所需的空气量
的计算公式为：
式（5）中，、
、
为煤气中的、
、
气体体积，%；
为空气过剩系数，通过检测排出的废烟气中的氧含量计算得到（
，
为排出的废烟气中的O2含量）；
2、计算加热鼓风所消耗的热量。单位时间内将
温度的能源冷风提高到
温度的热风所消耗的热量，即为鼓风加热所含的热量，如下式计算：
式（6）中：
为鼓风空气由t0加热到t1所增加的平均热容，kJ/m3；、
分别为冷风温度和加热后的热风温度，℃；
为鼓风空气流量，m3/h；
3、计算热风炉排出的废烟气热量；
热风炉排出的废烟气热量，如下式：
式（7）中：为热风炉排出的废烟气的平均热容，kJ/m3；
为排出的废烟气温度，℃；
为排出的废烟气流量，m3/h；
4、计算热风炉损失的热量；
热风炉拱顶的温度通过温度传感器检测为，此时热风炉损失的热量，如下式：
kJ （8）
式（8）中：
为煤气燃烧所产生的热量，kJ；为热风炉燃烧产生的烟气在
温度下的平均热容，kJ/m3；
为热风炉拱顶的温度，℃；
为热风炉排出的废烟气流量，m3/h；
步骤C、估算热风炉理论燃烧温度。热风炉的理论燃烧温度即为煤气燃烧产生的用于加热格子砖的高温烟气温度。
(1) 计算热风炉理论燃烧产生的烟气流量。理论烟气流量等于煤气中可燃气体燃烧产生的与煤气中未参与燃烧剩余的气体体积之和，如下式：
其中：
m3 （9.1）
其中： m3 （9.2）
其中：
m3 （9.3）
其中：
m3 （9.4）
式（9-9.4）中，、
、
、
、
分别为煤气中的
、
、
、
、
气体体积，%；
、分别为煤气和空气的流量；
(2)计算热风炉理论燃烧产生的烟气的平均热容。烟气的平均热容即为一定温度下每立方米烟气所含有的热量，它由煤气燃烧所产生的热量除以热风炉理论燃烧产生的烟气流量得到，如下式计算：
式中：
为煤气燃烧所产生的热量，kJ； 
为热风炉理论燃烧产生的烟气流量，m3；
(3)估算热风炉理论燃烧温度。根据炼铁热平衡原理，建立炼铁气体组分的热容与温度关系式，如下式：
式（11）中： 
为单位体积下炼铁气体组分的平均热容，kJ/m3； a、b、c为炼铁气体计算常数，m3；
式（11）中，炼铁气体常数a、b、c的选择，根据炼铁常用气体热容数据表确定，如下表所示：
| 气体 | a | b×103 | c×10-5 | 温度范围℃ | 数值调整偏差% |
| O2 | 7.16 | 1.00 | -0.40 | 25~2700 | 1.19 |
| N2 | 6.66 | 1.02 | — | 25~2200 | 0.59 |
| H2 | 6.52 | 0.78 | 0.12 | 25~2700 | 1.01 |
| CO | 6.79 | 0.98 | -0.11 | 25~2200 | 0.89 |
| CO2 | 10.55 | 2.16 | -2.04 | 25~2200 | 0.647 |
| CH4 | 5.65 | 11.44 | -0.46 | 25~1200 | 1.33 |
| H2O(g) | 7.17 | 2.56 | 0.08 | 25~2500 | 0.53 |
将式(10)中计算得到的
值带入式(11)的
当中，按照求解一元二次方程组的方式，计算出该平均热容
下对应的物质温度t0，即预估的热风炉理论燃烧温度。
步骤D、判断热风炉理论燃烧和实际燃烧产生的烟气的热容偏差是否收敛。判断方式根据迭代法计算得到。
(1)首先计算热风炉实际燃烧产生的烟气的平均热容。在t0温度下，根据热风炉实际排出的废烟气成分，计算热风炉实际燃烧产生的烟气的平均热容
。
(2)其次判断热风炉理论燃烧和实际燃烧产生的烟气的热容偏差是否收敛。将热风炉实际燃烧产生的烟气的平均热容
和热风炉理论燃烧产生的烟气的平均热容
前后两次迭代得到的平均数进行相减，其差值小于收敛标准的10-5则视为差值收敛，则可得到修正的热风炉理论燃烧温度
，是根据《炼铁计算辨析》中的公式确定的，如下式：
修正后的热风炉理论燃烧温度
。 （12）
公式（12）中：t0为预估的热风炉理论燃烧温度，℃；
为热风炉理论燃烧产生的烟气的平均热容，kJ/m3；为热风炉实际燃烧产生的烟气的平均热容，kJ/m3；如差值大于收敛标准的10-5，则结果发散，需要根据炼铁常用气体热容数据表重新确定炼铁气体常数a、b、c，返回计算热风炉理论燃烧温度t0以及t0温度下的烟气的实际热容，并进行重复迭代计算，再进行判断，如此循环；
步骤E、计算热风炉热效率。根据热风炉的热平衡，进行如下式计算：
式（13）中：
为（修正后的热风炉理论燃烧温度下）煤气燃烧所产生的热量，kJ；热风炉排出的废烟气热量，kJ；为热风炉损失的热量，kJ；
其中，式（13）中的
（14）
式（14）中：
为修正后的热风炉理论燃烧温度，℃；为热风炉燃烧产生的烟气在
温度下的平均热容，kJ/m3；
为热风炉排出的废烟气流量，m3/h；
步骤F、计算下一周期热风炉煤气消耗量。根据加热
立方米鼓风所需要的煤气量计算，如下式：
式（15）中：
为煤气燃烧所产生的热量，kJ；
为单位时间加热鼓风所消耗的热量，kJ；
为热风炉热效率；
为单位时间内鼓风流量，m3/h；
步骤G、输出并存储计算结果。
在某钢厂一个具体的应用实例中，煤气参数和废烟气参数如下表：
助燃空气、鼓风参数如下表：
热风炉拱顶温度为1289℃；
根据以上参数最终可以计算得到煤气的理论燃烧温度为1375℃、热效率76.7%，可以计算出下一燃烧周期热风炉煤气消耗量为8.19×104m3/h；
所述的计算公式参照了那树人著，冶金工业出版社，2010年5月出版的“炼铁计算辨析”，通过以上实例，可以在给定的前一燃烧、送风周期的煤气参数、助燃空气参数、废烟气参数、热风炉拱顶温度参数、能源鼓风参数作为初始预测参数的条件下，计算热风炉的理论燃烧温度和热效率，来预测出下一燃烧周期热风炉煤气燃烧情况。同时，可以根据预测的热风炉煤气消耗量计算得到合适的助燃空气和煤气温度、流量，以及热风炉排出的废烟气温度、流量，进而指导热风炉操作。
总之，以上所述仅为本发明的较佳实例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种预测热风炉煤气消耗量的方法，其特征在于，所述方法包括：
a.输入热风炉前一周期使用的煤气参数、助燃空气参数、排除的废烟气参数、热风炉拱顶温度参数、能源鼓风参数；
b.计算热风炉煤气燃烧所产生的热量、热风炉排出废烟气带走的热量、热风炉损失的热量、热风炉加热鼓风所消耗的热量，以及热风炉理论燃烧产生的烟气流量；
c.根据煤气燃烧所产生的热量和热风炉理论燃烧产生的烟气流量计算出热风炉理论燃烧温度，根据热风炉理论燃烧温度和排出废烟气带走的热量计算热风炉实际燃烧产生的烟气热容；
d.判断所述热风炉理论燃烧温度和所述热风炉排出废烟气带走的热量与所述热风炉实际燃烧产生的烟气的热容偏差是否收敛，如发散则返回步骤c，调整炼铁气体计算常数重新计算热风炉的理论燃烧温度，如收敛则确定热风炉理论燃烧温度；
e.根据确定的热风炉理论燃烧温度以及所述热风炉排出的废烟气带走的热量、热风炉损失的热量确定热风炉的热效率；
f.根据热风炉的热效率和热风炉加热鼓风所消耗的热量，根据公式
其中，所述热风炉理论燃烧温度是通过公式：
kJ/m3 得到，公式中：
为单位体积下炼铁气体组分的平均热容，kJ/m3； a、b、c为炼铁气体计算常数，m3。
2.根据权利要求1所述的一种预测热风炉煤气消耗量的方法，其特征在于，所述煤气参数包括CO、CH4、H2、H2O的浓度和摩尔份数、质量流量、温度；所述助燃空气参数包括助燃空气的温度、质量流量；所述热风炉拱顶温度参数即检测的拱顶温度；所述排出的废烟气参数包括废烟气CO2、O2、N2、H2O的浓度和摩尔份数、质量流量、温度；所述的能源鼓风参数包括能源冷风的温度、质量流量以及热风炉出口热风的流量、温度。
3.根据权利要求1所述的一种预测热风炉煤气消耗量的方法，其特征在于，所述根据热风炉理论燃烧温度和所述热风炉排出废烟气带走的热量计算热风炉实际燃烧产生的烟气热容是：首先由煤气燃烧所产生的热量除以热风炉理论燃烧产生的烟气流量得到理论烟气热容，根据所述理论烟气热容计算出理论燃烧温度，然后根据理论燃烧温度和实际废烟气成分计算出实际燃烧产生的烟气热容。
4.根据权利要求1所述的一种预测热风炉煤气消耗量的方法，其特征在于，所述确定理论燃烧温度是修正热风炉的理论燃烧温度，修正后的热风炉理论燃烧温度为：；其中，t0为预估的热风炉理论燃烧温度，℃；为热风炉理论燃烧产生的烟气的平均热容，kJ/m3；
为热风炉实际燃烧产生的烟气的平均热容，kJ/m3。
5.根据权利要求1所述的一种预测热风炉煤气消耗量的方法，其特征在于，所述是否收敛是根据迭代法计算得到，首先计算热风炉实际燃烧产生的烟气的平均热容，在t0温度下，根据热风炉实际排出的废烟气成分，计算热风炉实际燃烧产生的烟气的平均热容
，将热风炉实际燃烧产生的烟气的平均热容
和热风炉理论燃烧产生的烟气的平均热容前后两次迭代得到的平均数进行相减，其差值小于10-5则视为差值收敛，否则为不收敛即发散。
6.根据权利要求1所述的一种预测热风炉煤气消耗量的方法，其特征在于，所述热风炉一个周期包括烧炉时间、并炉时间和送风时间，其中所述烧炉时间包括煤气燃烧时间和并炉前的保温时间。
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