CN110938453A - 一种高炉用铁焦生产竖炉的温度控制方法 - Google Patents

一种高炉用铁焦生产竖炉的温度控制方法 Download PDF

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Abstract

一种高炉用铁焦生产竖炉的温度控制方法，包括：建立竖炉炭化室非稳态二维传热模型，通过所述非稳态二维传热模型计算炭化室中心点A点温度及随时间变化的温度分布；计算第一设定时间t1内炭化室中心点A点达到的温度TA1，根据TA1与预热段所要求达到的温度Tr1调节该段外部加热所要达到的实际温度；计算第二设定时间t2内炭化室中心点A点达到的温度TA2，根据TA2与高温段所要求达到的温度Tr2调节该段外部加热所要达到的实际温度；计算第三设定时间t3内炭化室中心点A点达到的温度TA3，根据TA3与冷却段所要求达到的温度Tr3调节竖炉外部冷却水流量Q。本发明可根据实际情况调整铁焦炭化的温度制度，实现铁焦的温度控制，确保铁焦生产质量。

Description

一种高炉用铁焦生产竖炉的温度控制方法
技术领域
本发明涉及高炉炼铁领域，具体涉及一种高炉用铁焦生产竖炉的温度控制方法。
背景技术
铁焦是一种具有高反应性的新型高炉复合炉料，通过在配合煤中添加一定比例的铁矿粉炼制而成，铁焦的反应性比普通焦炭高，在高炉中使用能够降低高炉热保存区的温度，达到节能减排的效果。此外，铁焦生产可以适当增加配合煤中非焦煤的比例，实现煤资源的合理利用。
铁焦的生产方式目前主要有两种，一种为传统的室式焦炉法，该方法由日本的新日铁进行工业试验，试验顺利，铁焦质量良好，但如果要在高炉中使用，还需要进一步提高其冷、热强度。此外，该方法添加的铁矿粉量比例也相对较低。另一种方法为竖炉-压块法，该方法在炭化前，将配合煤进行压块，提高了铁焦的强度，也能够适当增加配合煤中铁矿粉的配比。
在铁焦的竖炉生产过程中，不仅发生煤粉的热解反应，还发生铁矿粉的还原反应，使其温度的变化与竖炉型煤生产有很大不同，在温度控制方面也应该相应变化，以实现生产能耗的降低。目前，公开专利CN102471693B、CN102822315B等介绍了使用竖炉-压块方法生产铁焦的工艺，公开专利CN102782095、CN103468289B、CN104119939等介绍了铁焦的制备方法，公开专利CN102597275B、CN104334748B等专利介绍了铁焦在高炉内的操作办法，但还没有针对铁焦竖炉生产中温度控制的方法。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种高炉用铁焦生产竖炉的温度控制方法，具体方案如下：
一种高炉用铁焦生产竖炉的温度控制方法，所述方法包括：
步骤1，建立竖炉炭化室非稳态二维传热模型，通过所述非稳态二维传热模型计算炭化室中心点A点温度及随时间变化的温度分布；
步骤2，基于步骤1得到的炭化室中心点A点温度及随时间变化的温度分布计算第一设定时间t1内炭化室中心点A点达到的温度TA1，根据TA1与预热段所要求达到的温度Tr1调节该段外部加热所要达到的实际温度；
步骤3，基于步骤1得到的炭化室中心点A点温度及随时间变化的温度分布计算第二设定时间t2内炭化室中心点A点达到的温度TA2，根据TA2与高温段所要求达到的温度Tr2调节该段外部加热所要达到的实际温度；
步骤4.基于步骤1得到的炭化室中心点A点温度及随时间变化的温度分布计算第三设定时间t3内炭化室中心点A点达到的温度TA3，根据TA3与冷却段所要求达到的温度Tr3调节竖炉外部冷却水流量Q。
进一步地，步骤1中，建立竖炉炭化室非稳态二维传热模型具体包括：
构建二维有限差分方程，作为竖炉炭化室非稳态二维传热模型，具体表示为如下公式：
Figure BDA0002319941300000021
其中，T表示温度，x、y分别表示炭化室1/4横截面的横、纵坐标轴，τ表示时间，ρ为配合煤密度，单位为kg/m3；c为配合煤的比热，单位为J/(kg.K)；λ为配合煤的导热系数，单位为W/(m.K)；S为内热源，单位为W/m3。
进一步地，内热源S包括配合煤热解化学反应中的析出物的化学反应热、配合煤热解化学反应中的水分蒸发吸收热量以及铁焦炼制过程中铁矿粉的还原反应产生的热量。
进一步地，计算配合煤热解化学反应中的析出物的化学反应热具体包括：
根据Arrhenius方程得到析出产物速率与温度的关系，表示为如下公式：
Figure BDA0002319941300000031
将上式中的活化能根据变形的Rosin-Rammler方程描述，得到如下公式
Fi(E)＝exp(-((E-E0)/ε)β)；
由上述两个公式计算得到析出物的化学反应热，表示为如下公式：
Qr,i＝hr,iRr,imi；
其中，δ为挥发出的分产物在时间t析出的百分比，单位为％；k为指前因子，单位为s-1；E为活化能，单位为kJ/mol；R为气体常数，单位为8.314kJ/(mol.K)；T为温度，单位为K；下标i表示热解析出的第i种产物；hr,i为热解析出的第i种产物的化学反应热，单位为J/kg；Rr,i为热解析出的第i种产物的反应速率，单位为s-1；mi为热解析出的第i种产物的质量，单位为kg，参数E0、ε、β由煤粉等级确定；
计算铁焦炼制过程中配合煤热解化学反应中的水分蒸发吸收热量具体包括：
水分蒸发吸收热量采用非线性迁移模型进行计算，计算的方式是将水分干燥过程分为两个阶段，两个阶段都相应蒸发一定量的水分，第i个阶段的温度范围[Ti1,Ti2]内水分蒸发量为ki，则在该温度范围内温度变化1K所需要的相变潜热，表示为如下公式：
Qm＝hmki/(Ti2-Ti1)；
其中，ki根据如下公式计算：
ki＝Rmτ；
其中，水分迁移速率Rm可根据如下公式计算：
Figure BDA0002319941300000041
其中，hm为水分蒸发潜热，单位为J/kg；Rm为水分迁移速率，单位为kg/s；τ为加热时间，单位为s；rt为煤(焦)升温速率，单位为K/s；
计算铁焦炼制过程中铁矿粉的还原反应产生的热量具体包括：
令铁矿粉在铁焦生产过程中被析出物X还原，铁矿粉的逐级还原反应公式为：
3Fe2O3+X＝2Fe3O4+XO；
Fe3O4+X＝3FeO+XO；
FeO+X＝Fe+XO；
根据逐级反应公式计算铁矿粉还原反应产生的热量。
进一步地，步骤2中，根据TA1与预热段所要求达到的温度Tr1调节该段外部加热所要达到的实际温度具体包括：
令竖炉炭化段预热段的外部温度为T1，温度控制误差为ε1；
如果Tr1-TA1<ε1，则增大预热段外部设定温度T1；
如果TA1-Tr1>ε1，则减小预热段外部设定温度T1；
如果|TA1-Tr1|<ε1，则不改变预热段外部设定温度T1。
进一步地，Tr2的范围为600～800℃，ε2的范围为5～10℃。
进一步地，步骤3中，根据TA2与高温段所要求达到的温度Tr2调节该段外部加热所要达到的实际温度具体包括：
令竖炉炭化段高温段的外部温度为T2，温度控制误差为ε2；
如果Tr2-TA2<ε2，则增大高温段外部设定温度T2；
如果TA2-Tr2>ε2，则减小高温段外部设定温度T2；
如果|TA2-Tr2|<ε2，则不改变高温段外部设定温度T2。
进一步地，Tr2的范围为900～1100℃，ε2的范围为5～10℃。
进一步地，步骤4中，根据TA3与冷却段所要求达到的温度Tr3调节竖炉外部冷却水流量Q具体包括：
令竖炉冷却段的外部温度为T3，温度控制误差为ε3；
如果Tr3-TA3<ε3，则增大竖炉外部冷却水流量Q；
如果TA3-Tr3>ε3，则减小竖炉外部冷却水流量Q；
如果|TA3-Tr3|<ε3，则不改变竖炉外部冷却水流量Q。
进一步地，Tr3的范围为25～200℃，ε3的范围为5～10℃。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明使用有限差分法分析计算炭化室温度及随时间变化的温度分布，计算速度快；
2.本发明考虑了铁焦炭化过程中的化学反应，准确地描述铁焦生产过程；
3.本发明能根据实际情况调整铁焦炭化的温度制度，实现铁焦的温度控制，确保铁焦生产质量。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种高炉用铁焦生产竖炉的温度控制方法；
图2为本发明实施例提供的竖炉结构图；
图3为发明实施例提供的非稳态二维传热模型示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供的一种高炉用铁焦生产竖炉的温度控制方法，所述方法包括：
步骤1，建立竖炉炭化室非稳态二维传热模型，通过所述非稳态二维传热模型计算炭化室中心点A点温度及随时间变化的温度分布；
步骤2，基于步骤1得到的炭化室中心点A点温度及随时间变化的温度分布计算第一设定时间t1内炭化室中心点A点达到的温度TA1，根据TA1与预热段所要求达到的温度Tr1调节该段外部加热所要达到的实际温度；
步骤3，基于步骤1得到的炭化室中心点A点温度及随时间变化的温度分布计算第二设定时间t2内炭化室中心点A点达到的温度TA2，根据TA2与高温段所要求达到的温度Tr2调节该段外部加热所要达到的实际温度；
步骤4.基于步骤1得到的炭化室中心点A点温度及随时间变化的温度分布计算第三设定时间t3内炭化室中心点A点达到的温度TA3，根据TA3与冷却段所要求达到的温度Tr3调节竖炉外部冷却水流量Q。
其中，竖炉由上至下依次分为预热段、高温段和冷却段，如图2所示。
其中，所述非稳态二维传热模型如图3所示，由于炭化室一般为轴对称形状，选取炭化室水平截面的1/4进行网格划分，以选取的炭化室1/4水平截面的相邻两边分别作为x轴和y轴，相邻两边的交点作为坐标轴圆点，其中A点为炭化室中心点，即炭化室水平截面的中心点，炭化室中心点A点位于y轴上，B为选取的炭化室的1/4水平截面的内部点，C点为选取的炭化室的1/4水平截面的边界点，即x轴与炭化室内壁的交点，网格大小根据实际情况来调整。
优选地，步骤1中，建立竖炉炭化室非稳态二维传热模型具体包括：
构建二维有限差分方程，作为竖炉炭化室非稳态二维传热模型，具体表示为如下公式：
Figure BDA0002319941300000061
其中，T表示温度，x、y分别表示炭化室1/4横截面的横、纵坐标轴，τ表示时间，ρ为配合煤密度，单位为kg/m3；c为配合煤的比热，单位为J/(kg.K)；λ为配合煤的导热系数，单位为W/(m.K)；S为内热源，单位为W/m3。
优选地，煤粉热解反应以及铁矿粉还原反应是相互耦合的反应，应根据分析确定两个反应速率的修正系数。
优选地，内热源S包括配合煤热解化学反应中的析出物的化学反应热、配合煤热解化学反应中的水分蒸发吸收热量以及铁焦炼制过程中铁矿粉的还原反应产生的热量。
进一步地，计算配合煤热解化学反应中的析出物的化学反应热具体包括：
根据Arrhenius方程得到析出产物速率与温度的关系，表示为如下公式：
Figure BDA0002319941300000071
将上式中的活化能根据变形的Rosin-Rammler方程描述，得到如下公式
Fi(E)＝exp(-((E-E0)/ε)β)；
由上述两个公式计算得到析出物的化学反应热，表示为如下公式：
Qr,i＝hr,iRr,imi；
其中，δ为挥发出的分产物在时间t析出的百分比，单位为％；k为指前因子，单位为s-1；E为活化能，单位为kJ/mol；R为气体常数，单位为8.314kJ/(mol.K)；T为温度，单位为K；下标i表示热解析出的第i种产物；hr,i为热解析出的第i种产物的化学反应热，单位为J/kg；Rr,i为热解析出的第i种产物的反应速率，单位为s-1；mi为热解析出的第i种产物的质量，单位为kg，参数E0、ε、β由煤粉等级确定；
其中，热解析出的第i种产物的质量mi计算方法具体包括：
通过煤粉的热解产物模型进行计算，煤粉的热解产物模型根据产物平衡进行计算，表示为如下公式：
Figure BDA0002319941300000082
式中，mcoal为配合煤质量，单位为kg，mi为热解析出的第i种产物的质量，单位为kg，wj元素j占所有产物总元素质量的百分比，单位为％。
计算铁焦炼制过程中配合煤热解化学反应中的水分蒸发吸收热量具体包括：
水分蒸发吸收热量采用非线性迁移模型进行计算，计算的方式是将水分干燥过程分为两个阶段，两个阶段都相应蒸发一定量的水分，第i个阶段的温度范围[Ti1,Ti2]内水分蒸发量为ki，则在该温度范围内温度变化1K所需要的相变潜热，表示为如下公式：
Qm＝hmki/(Ti2-Ti1)；
其中，ki根据如下公式计算：
ki＝Rmτ；
其中，水分迁移速率Rm可根据如下公式计算：
Figure BDA0002319941300000081
其中，hm为水分蒸发潜热，单位为J/kg；Rm为水分迁移速率，单位为kg/s；τ为加热时间，单位为s；rt为煤(焦)升温速率，单位为K/s；
计算铁焦炼制过程中铁矿粉的还原反应产生的热量具体包括：
令铁矿粉在铁焦生产过程中被析出物X还原，铁矿粉的逐级还原反应公式为：
3Fe2O3+X＝2Fe3O4+XO；
Fe3O4+X＝3FeO+XO；
FeO+X＝Fe+XO；
根据逐级反应公式计算铁矿粉还原反应产生的热量。
优选地，步骤2中，根据TA1与预热段所要求达到的温度Tr1调节该段外部加热所要达到的实际温度具体包括：
令竖炉炭化段预热段的外部温度为T1，温度控制误差为ε1；
如果Tr1-TA1<ε1，则增大预热段外部设定温度T1；
如果TA1-Tr1>ε1，则减小预热段外部设定温度T1；
如果|TA1-Tr1|<ε1，则不改变预热段外部设定温度T1。
其中，Tr2的范围为600～800℃，ε2的范围为5～10℃。
优选地，步骤3中，根据TA2与高温段所要求达到的温度Tr2调节该段外部加热所要达到的实际温度具体包括：
令竖炉炭化段高温段的外部温度为T2，温度控制误差为ε2；
如果Tr2-TA2<ε2，则增大高温段外部设定温度T2；
如果TA2-Tr2>ε2，则减小高温段外部设定温度T2；
如果|TA2-Tr2|<ε2，则不改变高温段外部设定温度T2。
其中，Tr2的范围为900～1100℃，ε2的范围为5～10℃。
优选地，步骤4中，根据TA3与冷却段所要求达到的温度Tr3调节竖炉外部冷却水流量Q具体包括：
令竖炉冷却段的外部温度为T3，温度控制误差为ε3；
如果Tr3-TA3<ε3，则增大竖炉外部冷却水流量Q；
如果TA3-Tr3>ε3，则减小竖炉外部冷却水流量Q；
如果|TA3-Tr3|<ε3，则不改变竖炉外部冷却水流量Q。
其中，Tr3的范围为25～200℃，ε3的范围为5～10℃。
优选地，所述方法还包括：根据竖炉结构以及配合煤的预先设定的下料速度计算炉料在预热段、高温段以及冷却段的停留时间，具体采用以下公式计算：
ti＝Li/vi
其中，ti表示配合煤在炭化段各部分的停留时间，单位为s；Li为炭化段各段的长度，单位为m；vi为配合煤在炭化段各段的下降速度，单位为m/s；i＝1，2，3，分别表示竖炉预热段、高温段和冷却段。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高炉用铁焦生产竖炉的温度控制方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1，建立竖炉炭化室非稳态二维传热模型，通过所述非稳态二维传热模型计算炭化室中心点A点温度及随时间变化的温度分布；
步骤2，基于步骤1得到的炭化室中心点A点温度及随时间变化的温度分布计算第一设定时间t1内炭化室中心点A点达到的温度TA1，根据TA1与预热段所要求达到的温度Tr1调节该段外部加热所要达到的实际温度；
步骤3，基于步骤1得到的炭化室中心点A点温度及随时间变化的温度分布计算第二设定时间t2内炭化室中心点A点达到的温度TA2，根据TA2与高温段所要求达到的温度Tr2调节该段外部加热所要达到的实际温度；
步骤4，基于步骤1得到的炭化室中心点A点温度及随时间变化的温度分布计算第三设定时间t3内炭化室中心点A点达到的温度TA3，根据TA3与冷却段所要求达到的温度Tr3调节竖炉外部冷却水流量Q。
2.根据权利要求1所述的高炉用铁焦生产竖炉的温度控制方法，其特征在于，步骤1中，建立竖炉炭化室非稳态二维传热模型具体包括：
构建二维有限差分方程，作为竖炉炭化室非稳态二维传热模型，具体表示为如下公式：
Figure FDA0002319941290000011
其中，T表示温度，x、y分别表示炭化室1/4横截面的横、纵坐标轴，τ表示时间，ρ为配合煤密度，单位为kg/m3；c为配合煤的比热，单位为J/(kg.K)；λ为配合煤的导热系数，单位为W/(m.K)；S为内热源，单位为W/m3。
3.根据权利要求2所述的高炉用铁焦生产竖炉的温度控制方法，其特征在于，内热源S包括配合煤热解化学反应中的析出物的化学反应热、配合煤热解化学反应中的水分蒸发吸收热量以及铁焦炼制过程中铁矿粉的还原反应产生的热量。
4.根据权利要求2所述的高炉用铁焦生产竖炉的温度控制方法，其特征在于：
计算配合煤热解化学反应中的析出物的化学反应热具体包括：
根据Arrhenius方程得到析出产物速率与温度的关系，表示为如下公式：
Figure FDA0002319941290000021
将上式中的活化能根据变形的Rosin-Rammler方程描述，得到如下公式
Fi(E)＝exp(-((E-E0)/ε)β)；
由上述两个公式计算得到析出物的化学反应热，表示为如下公式：
Qr,i＝hr,iRr,imi；
其中，δ为挥发出的分产物在时间t析出的百分比，单位为％；k为指前因子，单位为s-1；E为活化能，单位为kJ/mol；R为气体常数，单位为8.314kJ/(mol.K)；T为温度，单位为K；下标i表示热解析出的第i种产物；hr,i为热解析出的第i种产物的化学反应热，单位为J/kg；Rr,i为热解析出的第i种产物的反应速率，单位为s-1；mi为热解析出的第i种产物的质量，单位为kg，参数E0、ε、β由煤粉等级确定；
计算铁焦炼制过程中配合煤热解化学反应中的水分蒸发吸收热量具体包括：
水分蒸发吸收热量采用非线性迁移模型进行计算，计算的方式是将水分干燥过程分为两个阶段，两个阶段都相应蒸发一定量的水分，第i个阶段的温度范围[Ti1,Ti2]内水分蒸发量为ki，则在该温度范围内温度变化1K所需要的相变潜热，表示为如下公式：
Qm＝hmki/(Ti2-Ti1)；
其中，ki根据如下公式计算：
ki＝Rmτ；
其中，水分迁移速率Rm根据如下公式计算：
Figure FDA0002319941290000031
其中，hm为水分蒸发潜热，单位为J/kg；Rm为水分迁移速率，单位为kg/s；τ为加热时间，单位为s；rt为煤(焦)升温速率，单位为K/s；
计算铁焦炼制过程中铁矿粉的还原反应产生的热量具体包括：
令铁矿粉在铁焦生产过程中被析出物X还原，铁矿粉的逐级还原反应公式为：
3Fe2O3+X＝2Fe3O4+XO；
Fe3O4+X＝3FeO+XO；
FeO+X＝Fe+XO；
根据逐级反应公式计算铁矿粉还原反应产生的热量。
5.根据权利要求1所述的高炉用铁焦生产竖炉的温度控制方法，其特征在于，步骤2中，根据TA1与预热段所要求达到的温度Tr1调节该段外部加热所要达到的实际温度具体包括：
令竖炉炭化段预热段的外部温度为T1，温度控制误差为ε1；
如果Tr1-TA1<ε1，则增大预热段外部设定温度T1；
如果TA1-Tr1>ε1，则减小预热段外部设定温度T1；
如果|TA1-Tr1|<ε1，则不改变预热段外部设定温度T1。
6.根据权利要求5所述的高炉用铁焦生产竖炉的温度控制方法，其特征在于，Tr2的范围为600～800℃，ε2的范围为5～10℃。
7.根据权利要求1所述的高炉用铁焦生产竖炉的温度控制方法，其特征在于，步骤3中，根据TA2与高温段所要求达到的温度Tr2调节该段外部加热所要达到的实际温度具体包括：
令竖炉炭化段高温段的外部温度为T2，温度控制误差为ε2；
如果Tr2-TA2<ε2，则增大高温段外部设定温度T2；
如果TA2-Tr2>ε2，则减小高温段外部设定温度T2；
如果|TA2-Tr2|<ε2，则不改变高温段外部设定温度T2。
8.根据权利要求7所述的高炉用铁焦生产竖炉的温度控制方法，其特征在于，Tr2的范围为900～1100℃，ε2的范围为5～10℃。
9.根据权利要求7所述的高炉用铁焦生产竖炉的温度控制方法，其特征在于，步骤4中，根据TA3与冷却段所要求达到的温度Tr3调节竖炉外部冷却水流量Q具体包括：
令竖炉冷却段的外部温度为T3，温度控制误差为ε3；
如果Tr3-TA3<ε3，则增大竖炉外部冷却水流量Q；
如果TA3-Tr3>ε3，则减小竖炉外部冷却水流量Q；
如果|TA3-Tr3|<ε3，则不改变竖炉外部冷却水流量Q。
10.根据权利要求7所述的高炉用铁焦生产竖炉的温度控制方法，其特征在于，Tr3的范围为25～200℃，ε3的范围为5～10℃。
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