CN107604115B - 高炉煤气部分燃烧工艺的温度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及冶金工程技术领域，特别是一种高炉煤气部分燃烧工艺的温度控制方法，以高炉煤气部分燃烧工艺反应过程中的化学平衡、热平衡和物质平衡为基础，建立反应数学模型；利用所述反应数学模型在多组预设温度下计算高炉煤气部分燃烧后的气体参数以及耗氧量；根据多组预设温度与耗氧量的对应关系拟合预设温度‑耗氧量趋势线；根据预设温度‑耗氧量趋势线通过调节输入的工业氧体积以使燃烧后的气体温度为所需温度。可以得出预设温度与耗氧量之间的线性关系，从而通过调整输入的氧气量来达到控制燃烧后气体温度的目的。

Description

高炉煤气部分燃烧工艺的温度控制方法

技术领域

本发明涉及冶金工程技术领域，特别是一种高炉煤气部分燃烧工艺的温度控制方法。

背景技术

炉顶煤气循环是最有可能使氧气鼓风高炉炼铁工艺实现规模化的辅助技术之一。氧气高炉工艺的主要特点是采用氧气代替传统的热风，大量喷吹煤粉，炉顶煤气经脱除灰尘、水分后，经过预热处理返回高炉循环利用。将炉顶煤气的循环利用技术运用于氧气高炉工艺，可以有效降低其CO₂排放量，对保持炼钢长流程的竞争力以及促进钢铁行业的发展有深远影响。

目前，炉顶煤气循环利用的加热环节存在两种方法：(1)管式换热装置预热：一部分煤气在燃烧器内燃烧产生的热量通过管式换热装置对循环煤气进行预热。(2)使煤气燃烧为自身加热：向循环煤气中混入一定量的助燃空气或工业氧气，加热使其燃烧放出热量，从而达到为自身加热的目的。当今学术论文多采用第一种预热方式，但此预热方式的不足之处在于热量损失较大，作为燃气部分的煤气燃烧不充分，少量CO没有燃烧完全就被排出，造成资源的浪费。第二种预热方式，有较明显的优点：首先，热能利用率得以显著提高；其次，部分燃烧后的气体通入高炉中循环利用，充分利用CO资源。但第二种预热方式的不足之处在于自身燃烧后温度不易控制。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种能够对燃烧后温度进行控制的高炉煤气部分燃烧工艺的温度控制方法。

本发明采用的技术手段为：一种高炉煤气部分燃烧工艺的温度控制方法，包括以下步骤：

步骤1：以高炉煤气部分燃烧工艺反应过程中的化学平衡、热平衡和物质平衡为基础，建立反应数学模型；

步骤2：利用所述反应数学模型在多组预设温度下计算高炉煤气部分燃烧后的气体参数以及耗氧量；

步骤3：根据多组预设温度与耗氧量的对应关系拟合预设温度-耗氧量趋势线；

步骤4：根据预设温度-耗氧量趋势线通过调节输入的工业氧体积以使燃烧后的气体温度为所需温度。

进一步的，所述高炉煤气部分燃烧后的耗氧量为：

其中n表示所使用的工业氧纯度为n％；

V_{CO2_0}为燃烧前反应物气体中CO₂体积；

V_CO2、V_H2O为燃烧后产物气体中CO₂，H₂O的体积。

进一步的，所述反应数学模型包括五个方程组：

其中：

ΔG^θ _water-gas为水煤气的标准单位体积反应吉布斯自由能变；

V_{H2_0}，V_{CO2_0}，V_{CO_0}为燃烧前反应物气体中H₂，CO₂，CO的体积；

V_H2，V_CO2，V_H2O，V_CO为燃烧后产物气体中H₂，CO₂，H₂O，CO的体积；

C_p为反应物气体的热容；

C_{p_0}为燃烧前反应物气体的热容；

V_{top_shaft}为燃烧前反应物气体的总体积；

t_top为燃烧前反应物气体的温度；

H_CO-CO2为CO燃烧生成CO₂的单位体积焓变；

H_H2-H2O为H₂燃烧生成H₂O的单位体积焓变；

C_{p_1}为燃烧后产物气体的单位体积热容；

t_{_shaft}为燃烧后产物气体的温度，该温度为外部输入的预设温度；

α₁，α₂为中间变量；

η为热量利用率；

x₁，x₂，x₃，x₄，x₅为H₂、CO、CO₂、N₂、H₂O的体积分数；

H^θ _H2，H^θ _CO，H^θ _CO2，H^θ _N2，H^θ _H2O为H₂、CO、CO₂、N₂、H₂O的相对焓；

n为工业氧气的纯度百分数。

进一步的，所述反应数学模型中的方程(4)中的C_{p_1}采用迭代法进行求解。

进一步的，所述迭代法求解过程为：

步骤a：赋予C_{p_1}一个初始值，利用方程(4)计算出V_H2，V_CO2，V_H2O，V_CO；

步骤b：将V_H2，V_CO2，V_H2O，V_CO带入方程(5)，求取出一个新的C_{p_1}值；

步骤c：将新的C_{p_1}值带入方程(4)，重复步骤a和步骤b的操作，直至最后求取出的C_{p_1}值与上一次求取出的C_{p_1}值差值绝对值小于0.0001，则整个迭代过程结束。

进一步的，所述t_{_shaft}为500-2600℃。

本发明的有益效果是：本发明采用含氧n％的工业氧作为助燃气体，并以反应过程中的化学平衡、热平衡和物质平衡为基础，建立了工艺过程的反应数学模型。可以准确计算出高炉煤气燃烧后的气体各组分的体积分数以及该过程的耗氧量，并根据拟合出的预设温度-耗氧量趋势线得出预设温度与耗氧量之间的线性关系，从而通过调整输入的氧气量来达到控制燃烧后气体温度的目的。

附图说明

图1为炉顶煤气循环的氧气高炉工艺示意图；

图2为本发明流程图；

图3为反应数学模型的运算流程图；

图4为第一种实施例中下的高炉炉顶煤气部分燃烧的预设温度和耗氧量的关系；

图5为第二种实施例中下的高炉炉顶煤气部分燃烧的预设温度和耗氧量的关系；

图6为第三种实施例中下的高炉炉顶煤气部分燃烧的预设温度和耗氧量的关系。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，在TGR-OBF工艺中，炉顶煤气经过除尘、除H₂O后，一部分与外部加入的适量工业氧气混合燃烧至某设定温度900-1000℃，燃烧产物气体从炉身中部喷吹入炉；另一部分循环煤气先经过VPSA脱除CO₂，再分为三处流向。其中一处循环煤气被预热到1000-1300℃后由炉缸风口处喷吹入炉，一处作为炉缸风口喷吹煤气的加热燃料气，剩余的一处作为外供煤气输出。本发明着力于由炉身喷入炉的那部分煤气燃烧反应，对炉顶煤气燃烧进行模拟计算。

如图1-2所示，一种高炉煤气部分燃烧工艺的温度控制方法包括以下步骤：

步骤1：建立反应数学模型。以反应过程中的化学平衡、热平衡和物质平衡为基础建立了工艺过程的数学模型，该数学模型包括5个方程所组成的含有5元未知数的非线性方程组。

根据燃烧后水煤气反应的化学平衡有：

已知工业氧气中的氧最终耗尽，因此由物质守恒有：

又由反应过程中的热平衡，得到：

将采集的高炉煤气气体参数，代入热容计算端：

其中：ΔG^θ _water-gas—水煤气的标准单位体积反应吉布斯自由能变，J/m³；

V_{H2_0}，V_{CO2_0}，V_{CO_0}—燃烧前反应物气体中H₂，CO₂，CO的体积，m³；

V_H2，V_CO2，V_H2O，V_CO—燃烧后产物气体中H₂，CO₂，H₂O，CO的体积，m³；

C_{p_0}—燃烧前反应物气体的热容，J/(m³·℃)；

V_{top_shaft}—燃烧前反应物气体的总体积，m³；

t_top—燃烧前反应物气体的温度，℃；

H_CO-CO2—CO燃烧生成CO₂的单位体积焓变，J/m³；

H_H2-H2O—H₂燃烧生成H₂O的单位体积焓变，J/m³；

C_{p_1}—燃烧后产物气体的单位体积热容，J/(m³·℃)；

t_{_shaft}—燃烧后产物气体的温度，℃，即预设温度，其为外部输入变量，温度范围为500-2600℃；

α₁，α₂—中间变量；

η—热量利用率，能量利用率η为外部输入变量，可以根据实际热量损失确定其范围；

n—工业氧气的纯度百分数；

x₁，x₂，x₃，x₄，x₅——H₂、CO、CO₂、N₂、H₂O的体积分数；

H^θ _H2，H^θ _CO，H^θ _CO2，H^θ _N2，H^θ _H2O——H₂、CO、CO₂、N₂、H₂O的相对焓，J/m³；

步骤2：计算出煤气燃烧后的气体参数以及耗氧量。按照如图2所示的方式对方程(1)-(4)进行求解，得到燃烧后个气体组份如下：

λ₀，ξ₀，S₀，β₁，β₂，γ₀，γ₁，γ₂分别为所设中间量，以下给出定义：

其中，在方程(4)和方程(5)之间采用了迭代法进行计算，具体如下：

首先，根据已知的x₁，x₂，x₃，x₄，x₅即(燃烧前的H₂、CO、CO₂、N₂、H₂O的体积分数)利用方程(5)计算出反应前的气体平均热容C_{p_0}，赋初始值给C_{p_1}为1.14J/(m³·℃)，并将该值和反应前的气体平均热容C_{p_0}一起带入方程(4)中进行计算，得到燃烧后产物气体中H₂，CO₂，H₂O，CO的体积。

再将得到的燃烧后产物气体中H₂，CO₂，H₂O，CO的体积求取出体积分数并带入方程(5)，求取出新的C_{p_1}，为便于将新求取出的C_{p_1}与上次求取出的C_{p_1}进行区分，后面将新求取出的Cp_1以参数C’_{p_1}进行表示。比较C’_{p_1}与C_{p_1}，如与1.14J/(m3·℃)相差较大，则将C’_{p_1}作为初始值返回，再次计算，如此循环，直到新求出的C’_{p_1}与C_{p_1}差值的绝对值满足下式：

其中，焓H_T ^θ的计算公式为：

最终满足式(18)的气体参数为反应后气体参数，即输出气体的工艺参数。

模型中所需要的热力学数据可由热力学数据手册查出。考虑到工业氧纯度n％，需要加入助燃的工业氧体积为：

由工业氧气带入的N₂体积为：

V_n2＝(1-n％)/n*V_o2 (21)

总体积V＝V_{top_shaft}+V_n2 (22)

气体百分数x₁＝V_H2/V (23)

x2＝V_CO/V (24)

x3＝V_CO2/V (25)

x4＝(V_n2+V_n2-0)/V (26)

x5＝V_H2O/V (27)

其中，V_n2-0为高炉循环煤气带入的N₂体积，由初始气体参数可求得(V_n2-0＝V_{top_shaft}*N₂初始气体百分数)。

根据以上模型，计算出以下实例。其中，由于每个厂家生产的工业氧气含氧量有差别，实例拟采用纯度为98％的工业氧来进行计算。

步骤3：获取多组预设温度对应的耗氧量。

步骤4：拟合预设温度-耗氧量趋势线。

以下结合3个实施例对该步骤3和4进行说明。

实施一：

经处理后用于炉身吹入的炉顶煤气的总体积为1000m³，且各成分的体积分数分别为x(CO)＝0.32，x(CO₂)＝0.61，x(H₂)＝0.06，x(N₂)＝0.01，热量利用率为90％的情况下，当预设温度t_{_shaft}为不同值，计算出部分燃烧后的气体参数，如表1：

表1不同预设温度下的气体参数

预设温度-耗氧量趋势线如图4所示，在该预设温度-耗氧量趋势线所位于的坐标系中，代表预设温度的纵坐标的单位为℃，代表耗氧量的横坐标的单位为m³。可见，预设温度-耗氧量之间的关系满足：t_{_shaft}＝9.50V_{O2_shaft}+268.26(图4、图5、图6中r为线性拟合度)。

实施例二：

经处理后用于炉身吹入的炉顶煤气的总体积为1000m3，且各成分的体积分数分别为x(CO)＝0.25，x(CO₂)＝0.35，x(H₂)＝0.08，x(N₂)＝0.32，热量利用率为90％的情况下，当预设温度t_{_shaft}为不同值，计算出部分燃烧后的气体参数，如表2：

表2不同预设温度下的气体参数

预设温度-耗氧量趋势线如图5所示，在该预设温度-耗氧量趋势线所位于的坐标系中，代表预设温度的纵坐标的单位为℃，代表耗氧量的横坐标的单位为m3。可见，预设温度-耗氧量之间的关系满足：t_{_shaft}＝10.65V_{O2_shaft}+259.42。

实施例三：

经处理后用于炉身吹入的炉顶煤气的总体积为1000m3，且各成分的体积分数分别为x(CO)＝0.21，x(CO₂)＝0.42，x(H₂)＝0.02，x(N₂)＝0.35，热量利用率为90％的情况下，当预设温度t_{_shaft}为不同值，计算出部分燃烧后的气体参数，如表3。

表3不同预设温度下的气体参数

预设温度-耗氧量趋势线如图6所示，在该预设温度-耗氧量趋势线所位于的坐标系中，代表预设温度的纵坐标的单位为℃,代表耗氧量的横坐标的单位为m³，可见，预设温度-耗氧量之间的关系满足：t_{_shaft}＝10.50V_{O2_shaft}+273.85。

步骤5：根据拟合出的预设温度-耗氧量趋势线，找出预设温度与耗氧量之间的线性关系，从而通过调节输入的工业氧体积以使燃烧后的气体温度为所需温度的目的。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种高炉煤气部分燃烧工艺的温度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：以高炉煤气部分燃烧工艺由炉身喷入炉的那部分煤气燃烧反应过程中的化学平衡、热平衡和物质平衡为基础，建立反应数学模型；

步骤2：利用所述反应数学模型在多组预设温度下计算高炉煤气部分燃烧后的气体参数以及耗氧量；

步骤3：根据多组预设温度与耗氧量的对应关系拟合预设温度-耗氧量趋势线；

步骤4：根据预设温度-耗氧量趋势线通过调节输入的工业氧体积以使燃烧后的气体温度为所需温度；

所述反应数学模型包括五个方程组：

其中：

ΔG^θ _water-gas为水煤气的标准单位体积反应吉布斯自由能变；

V_{H2_0}，V_{CO2_0}，V_{CO_0}为燃烧前反应物气体中H₂，CO₂，CO的体积；

V_H2，V_CO2，V_H2O，V_CO为燃烧后产物气体中H₂，CO₂，H₂O，CO的体积；

C_p为反应物气体的热容；

C_{p_0}为燃烧前反应物气体的热容；

V_{top_shaft}为燃烧前反应物气体的总体积；

t_top为燃烧前反应物气体的温度；

H_CO-CO2为CO燃烧生成CO₂的单位体积焓变；

H_H2-H2O为H₂燃烧生成H₂O的单位体积焓变；

C_{p_1}为燃烧后产物气体的单位体积热容；

t_{_shaft}为燃烧后产物气体的温度，该温度为外部输入的预设温度；

α₁，α₂为中间变量；

η为热量利用率；

x₁，x₂，x₃，x₄，x₅为H₂、CO、CO₂、N₂、H₂O的体积分数；

H^θ _H2，H^θ _CO，H^θ _CO2，H^θ _N2，H^θ _H2O为H₂、CO、CO₂、N₂、H₂O的相对焓；

n为工业氧气的纯度百分数。

2.如权利要求1所述的高炉煤气部分燃烧工艺的温度控制方法，其特征在于，所述高炉煤气部分燃烧后的耗氧量为：

其中n表示所使用的工业氧纯度为n％；

V_{CO2_0}为燃烧前反应物气体中CO₂体积；

V_CO2、V_H2O为燃烧后产物气体中CO₂，H₂O的体积。

3.如权利要求1所述的高炉煤气部分燃烧工艺的温度控制方法，其特征在于，所述反应数学模型方程(4)中的C_{p_1}采用迭代法进行求解。

4.如权利要求3所述的高炉煤气部分燃烧工艺的温度控制方法，其特征在于，所述迭代法求解过程为：

步骤a：赋予C_{p_1}一个初始值，利用方程(4)计算出V_H2，V_CO2，V_H2O，V_CO；

步骤b：将V_H2，V_CO2，V_H2O，V_CO带入方程(5)，求取出一个新的C_{p_1}值；

步骤c：将新的C_{p_1}值带入方程(4)，重复步骤a和步骤b的操作，直至最后求取出的C_{p_1}值与上一次求取出的C_{p_1}值差值绝对值小于0.0001，则整个迭代过程结束。

5.如权利要求1所述的高炉煤气部分燃烧工艺的温度控制方法，其特征在于：所述t_{_shaft}为500-2600℃。