CN111551032B - 一种基于气体喷吹的烧结在线调控方法及系统 - Google Patents

一种基于气体喷吹的烧结在线调控方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于气体喷吹的烧结在线调控方法及系统，基于气体喷吹的烧结在线调控方法将烧结过程参数熔化量指数MQI，冷却速率CR，最高温度Tmax与实际烧结质量联系起来，能够根据烧结床不同位置的实时温度数据计算烧结质量表征参数并快速判断烧结质量，根据判断结果自动调整相应位置的气体喷吹量，实现烧结质量的在线调控。一种基于气体喷吹的烧结在线调控系统包括烧结台车、点火器、风箱、数据采集装置、数据智能在线分析装置以及喷吹装置。本发明可完成气体喷吹量在线调控，操作方便，将显著改善烧结矿沿高度方向的非均质性，提高能量效率，并降低烧结矿质量的波动。

Description

一种基于气体喷吹的烧结在线调控方法及系统
技术领域
本发明涉及一种基于气体喷吹的烧结在线调控方法和使用该方法的系统，属于冶金领域。
背景技术
钢铁生产是中国能耗最高的行业，大约占全国能耗总量的16.1％。中国钢铁工业协会统计的重点钢铁企业能耗情况显示：“铁前”工序能耗占所有工序能耗的25.8％，其中包括烧结/球团(11.3％)和焦化(14.5％)。因此，降低铁前烧结工序的能耗与排放对于整个钢铁工业实现节能减排战略具有重要意义。目前，烧结厂中低品位铁矿石原料的比例在逐渐升高，急需开发清洁高效的烧结及控制技术，从而降低烧结矿质量波动，提高成品率和能量效率。烧结过程中普遍存在烧结矿沿高度方向非均质性严重的问题，这是导致能量效率低的重要因素。在烧结初始阶段，燃烧区位于烧结床顶部，烧结床内透气性差，燃烧效率低，冷空气直接冲刷熔化区，烧结矿因欠熔导致强度差，成品率低；当燃烧区传播至烧结床底部时，烧结床内透气性得到改善，空气预热充分，燃烧效率提高，此时因烧结矿过熔造成能量浪费。另外，烧结过程中由于操作参数偏差和烧结原料成分变化导致的烧结质量波动是能量效率低的另一重要因素。因此，急需开发烧结在线调控系统，优化烧结床内燃料沿高度方向的分布，并实时控制相应的操作参数，从而降低生产过程中烧结矿质量的波动。
Satoshi Machida等人在文献《Optimization of coke breeze segregation insintering bed under high pisolite ore ratio》，ISIJ International,209,49:667-675中采用分层布料的方法来解决此问题，通过安装斜板并施加磁力来控制燃料和铁矿石的下落速度，使其在沿高度方向实现偏析，燃料的偏析度通过调整斜板角度和磁力大小来实现。但是这种通过控制固体燃料的分布来优化热量分布的方法天然的存在通用性差、控制精度差和控制范围窄的问题，而且很难实现在线调控。Zhilong Cheng等人在文献《Optimization of gaseous fuel injection for saving energy consumption andimproving imbalance of heat distribution in iron ore sintering》，AppliedEnergy,Applied Energy,2017,207,230-242中采用燃气偏析喷吹改善烧结矿质量沿高度方向上不均匀的问题，但是燃气浓度是预先设定好的，并没有提到在线调控。中国发明专利CN104073629A所公开的基于主抽风机调控的烧结料层波动处理方法，通过监控机车上料层的厚度，确定主抽风机转速，遇到厚料层时，调整料车的烧结时间，改善了烧结矿质量，降低烧结返矿率，减少循环物料量。但仅通过改变进入烧结床的空气流量很难精准调控烧结矿的质量。中国发明专利CN106022377A所公开的铁矿烧结料层透气性状态的在线预测方法，能够准确预测烧结床料层的透气性状态，但缺乏有效的调控手段。中国发明专利CN108120297A所公开的一种燃气喷吹装置及燃气喷吹方法，能够通过每一个风箱上方的测温元件测出的料层温度绘制料层蓄热量曲线与正常生产所需补热值曲线，计算气体喷吹量，但没有公开具体算法及控制逻辑。由此可见，现有的公开专利和文献中缺乏烧结过程的在线调控方法，从而有效改善烧结矿非均性，并实时控制烧结矿质量的波动。
发明内容
本发明针对上述现有技术不足，提供一种基于气体喷吹的烧结在线调控方法，操作方便可控，根据实时采集的温度数据判断烧结矿的质量，并进行在线调控。该方法将显著改善烧结矿沿高度方向的非均质性，提高能量效率，并降低烧结矿质量的波动。
本发明为了解决上述技术问题所采取的技术方案是：
通过设备在线监测烧结床不同位置实时温度数据，结合历史数据快速计算烧结质量表征参数：熔化量指数MQI、冷却速率CR和最高温度Tmax，并计算实时烧结质量的表征参数相对变化值和烧结质量波动函数(即F＝α·ΔMQI+β·ΔCR+γ·ΔTmax，其中α,β和γ分别代表ΔMQI,ΔCR和ΔTmax在烧结质量波动函数F中所占的比重)，判断烧结质量并向执行装置发送气体喷吹量调整信号，进而在线调控气体喷吹量，其具体包括：
S1：收集数据：在线监测烧结床不同位置处的实时温度数据，输入烧结质量波动许可值error与最佳烧结质量表征参数(熔化量指数MQIopt，冷却速率CRopt和最高温度Tmax,opt，下标opt代表最佳质量)；
S2：处理数据：记录最高温度Tmax，并根据公式(1)和公式(2)计算熔化量指数MQI、冷却速率CR，
Figure GDA0002871022300000031
Figure GDA0002871022300000032
公式(1)和(2)中，t1,t2和t3分别代表烧结矿熔化起始时刻，熔化终了时刻和最高温度对应的时刻，T和Tm分别代表实时温度和烧结矿熔化温度；
根据公式(3)-(5)计算表征烧结质量参数的相对变化值，包括ΔMQI、ΔCR和ΔTmax；
Figure GDA0002871022300000041
Figure GDA0002871022300000042
Figure GDA0002871022300000043
S3：在线判断烧结质量并发送调控指令：计算烧结质量波动函数F值，若|F|≤error，即该位置实时烧结质量与预设值相比波动较小，则维持原有操作参数不变；若|F|＞error，即该位置烧结质量波动较明显，烧结质量波动函数F＜-error时，则该位置烧结质量不佳，发出提高气体喷吹量的指令；烧结质量波动函数F＞error时，则该位置烧结矿过熔，发出降低气体喷吹量的指令；
S4：执行调控命令：由不同位置的执行机构接收气体喷吹量增加、不变或减少命令，并做出相应调整。
优选方案进一步包括如下任一技术特征：
气体喷吹调整量以q为基本单位，实时的气体喷吹调整量取Q＝－q·F/error，计算结果Q为正值时增加喷吹量，为负值时减少喷吹量。
温度监测点沿烧结床移动方向和烧结料层高度方向均设置若干个，沿高度方向相邻温度监测点间距大于烧结床内熔化区厚度。
烧结质量波动许可值error可根据需求精度确定。
最佳烧结质量表征参数值(MQIopt，CRopt和Tmax,opt)是基于稳定生产条件下的温度数据计算获得。
质量波动函数F中α，β和γ关系为α+β+γ＝1，且α＞β＞γ。
本发明提供如下一种基于气体喷吹的烧结在线调控系统，包括烧结台车、点火器和风箱，其特征在于本系统还包括：数据采集装置，由烧结台车上若干带有保护套具有无线传输功能的温度传感器组成，用于采集烧结料不同位置处的实时温度并进行无线传输；数据智能分析装置，由信号接收终端，可编程控制器和输入输出设备组成集成于设备柜内，用于存储预设参数，接收、计算并分析烧结矿实时温度数据，发出喷吹量在线调控指令；喷吹装置，由若干条气体供应管路组成，气体供应管路包括气源、流量控制器和喷嘴，位于烧结床上方，用于接收喷吹量在线调控指令并给指定位置烧结矿提供气体以改善烧结质量。
上述一种基于气体喷吹的烧结在线调控系统，优选方案进一步包括如下任一技术特征：
每条气体供应管路末端喷嘴间距不大于测温设备间距，优选的气体供应管路不少于2条。
气源为纯燃气或高炉煤气或焦炉煤气或氧气。
本发明与现有技术相比，具有以下效果：
(1)本发明基于基础实验数据，将熔化量指数MQI，冷却速率CR及最高温度Tmax与烧结质量建立起联系，在烧结生产过程中仅需连续监测烧结床内温度数据，结合燃气/氧气喷吹方法便可以实现烧结质量的在线调控，方法简单易行。
(2)本发明能够及时调整局部烧结不充分或者过熔的情况，显著改善烧结矿沿高度方向的非均质性，并可以有效控制烧结矿质量的波动，提高烧结矿平均质量和能量利用效率。
附图说明
图1为一种基于气体喷吹的烧结在线调控系统示意图；
附图标记说明：
1-烧结台车；2-烧结料层；3-点火器；4-报警器；5-温度传感器；6-喷嘴；7-单向阀；8-流量控制器；9-电磁阀；10-气源；11-喷嘴支架；12-设备柜；13-控制器；14-信号接收终端；15-输入输出设备；16-烟气管道；17-抽风机；18-风箱。
图2为温度传感器采集的温度-时间热曲线示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
通过在烧结台车各温度监测点布置温度传感器在线监测实时温度数据，当温度开始高于熔化温度时，温度传感器开始记录数据，当温度低于熔化温度时，温度传感器终止记录数据，温度传感器将数据传输给距其最近的信号接收终端。由于温度监测点沿烧结料层高度方向间距大于烧结床内熔化区的厚度，因此不会出现烧结床移动方向同一位置上沿烧结料层不同高度处的温度传感器同时检测到熔化区特性的情况。结合数据快速计算烧结质量表征参数：熔化量指数MQI、冷却速率CR和最高温度Tmax，并计算实时烧结质量的表征参数相对变化值和烧结质量波动函数(即F＝α·ΔMQI+β·ΔCR+γ·ΔTmax，其中α,β和γ分别代表ΔMQI,ΔCR和ΔTmax在烧结质量波动函数F中所占的比重)，判断烧结质量并向执行装置发送气体喷吹量调整信号，进而在线调控气体喷吹量，具体实施步骤如下：
S1：烧结床内布置的温度传感器连续采集不同位置处的实时温度数据并存储，本实施例中输入参数见表1。通过温度传感器在线监测烧结床3个不同位置处的实时温度数据，如图2中所示，曲线1，曲线2和曲线3分别为位置1，位置2和位置3的烧结矿温度-时间热曲线。表2为曲线1，曲线2与曲线3温度-时间数据，t1,t2和t3分别为烧结矿熔化起始时刻，熔化终了时刻和最高温度对应的时刻，T和Tm分别代表实时温度和烧结矿熔化温度(取值1100℃)；
表1本实施例中输入参数及取值
参数 取值 参数 取值
n(组) 3 CR<sub>opt</sub>(℃/s) 2.5
m(个) 1 T<sub>max,opt</sub>(℃) 1262
气体供应管路(条) 3 α 0.7
error 10％ β 0.2
MQI<sub>opt</sub>(℃·s) 8095 γ 0.1
表2温度-时间数据
温度-时间数据 t<sub>1</sub>(s) t<sub>2</sub>(s) t<sub>3</sub>(s) T(℃) T<sub>m</sub>(℃)
曲线1 170 186 213 1205 1100
曲线2 533 561 626 1262 1100
曲线3 696 732 811 1302 1100
S2：处理数据：记录最高温度Tmax，并根据公式(1)和公式(2)计算熔化量指数MQI、冷却速率CR，计算结果见表3，根据公式(3)-(5)计算表征烧结质量参数的相对变化值，包括ΔMQI、ΔCR和ΔTmax，计算结果见表4；
Figure GDA0002871022300000071
Figure GDA0002871022300000072
Figure GDA0002871022300000073
Figure GDA0002871022300000074
Figure GDA0002871022300000081
表3烧结质量表征参数计算结果
烧结质量表征参数 MQI(℃·s) CR(℃/s) T<sub>max</sub>(℃)
曲线1 2698 3.9 1205
曲线2 8095 2.5 1262
曲线3 13968 2.6 1302
表4烧结质量表征参数的相对变化值计算结果
烧结质量相对变化值 ΔMQI ΔCR ΔT<sub>max</sub>
曲线1 -0.67 0.56 -0.045
曲线2 0 0 0
曲线3 0.73 0.04 0.032
S3：在线判断烧结质量并发送调控指令：计算烧结质量波动函数F值，若|F|≤error，即该位置实时烧结质量与预设值相比波动较小，则维持原有操作参数不变；若|F|＞error，即该位置烧结质量波动较明显，烧结质量波动函数F＜-error，则该位置烧结质量不佳，发出提高气体喷吹量的指令；烧结质量波动函数F＞error，则该位置烧结矿过熔，发出降低气体喷吹量的指令；气体喷吹调整量以q为基本单位，气体喷吹调整量取Q＝－q·F/error，计算结果Q为正值时增加喷吹量，为负值时减少喷吹量。表5为烧结质量波动函数计算结果与喷吹量调控指令；
表5烧结质量波动函数计算结果与喷吹量调控指令
F计算结果与喷吹量调控指令 F 调控指令
位置1 -0.30 增加气体喷吹量Q<sub>1</sub>＝－q·F/error
位置2 0 不变
位置3 0.52 减少气体喷吹量Q<sub>2</sub>＝q·F/error
S4：执行调控命令：由气体供应管路中流量控制器接收气体喷吹量调整命令，并做出相应调整。位置1对应的气体供应管路中增加纯燃气喷吹量Q1，位置2对应的气体供应管路中纯燃气喷吹量不变，位置3对应的气体供应管路中纯燃气喷吹量减少Q2。
应用本实施例的一种基于气体喷吹的烧结在线调控系统，包括烧结台车、点火器和风箱，其特征在于本系统还包括：数据采集装置，由烧结台车上横向纵向各3个带有保护套具有无线传输功能的温度传感器组成，用于采集烧结料不同位置处的实时温度并进行无线传输；数据智能分析装置，由信号接收终端，可编程控制器和输入输出设备组成集成于设备柜内，用于存储预设参数，接收、计算并分析烧结矿实时温度数据，发出喷吹量在线调控指令；喷吹装置，由3条气体供应管路组成，气体供应管路包括气源、流量控制器和喷嘴，位于烧结床上方，用于接收喷吹量在线调控指令并给指定位置烧结矿提供气体以改善烧结质量，气源为高炉煤气。
本发明的实施方式只是对本专利的示意性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于气体喷吹的烧结在线调控方法，其特征在于：通过设备在线监测烧结床不同位置实时温度数据，结合历史数据快速计算烧结质量表征参数：熔化量指数MQI、冷却速率CR和最高温度Tmax，并计算实时烧结质量的表征参数相对变化值和烧结质量波动函数，即F＝α·ΔMQI+β·ΔCR+γ·ΔTmax，其中α,β和γ分别代表ΔMQI,ΔCR和ΔTmax在烧结质量波动函数F中所占的比重，判断烧结质量并向执行装置发送气体喷吹量调整信号，进而在线调控气体喷吹量，其具体包括：
S1：收集数据：在线监测烧结床不同位置处的实时温度数据，输入烧结质量波动许可值error与最佳烧结质量表征参数：熔化量指数MQIopt，冷却速率CRopt和最高温度Tmax,opt，下标opt代表最佳质量；
S2：处理数据：记录最高温度Tmax，并根据公式(1)和公式(2)计算熔化量指数MQI、冷却速率CR，
Figure FDA0002871022290000011
Figure FDA0002871022290000012
公式(1)和(2)中，t1,t2和t3分别代表烧结矿熔化起始时刻，熔化终了时刻和最高温度对应的时刻，T和Tm分别代表实时温度和烧结矿熔化温度；
根据公式(3)-(5)计算表征烧结质量参数的相对变化值，包括ΔMQI、ΔCR和ΔTmax；
Figure FDA0002871022290000013
Figure FDA0002871022290000014
Figure FDA0002871022290000021
S3：在线判断烧结质量并发送调控指令：计算烧结质量波动函数F值，若|F|≤error，即该位置实时烧结质量与预设值相比波动较小，则维持原有操作参数不变；若|F|＞error，即该位置烧结质量波动较明显，烧结质量波动函数F＜-error时，则该位置烧结质量不佳，发出提高气体喷吹量的指令；烧结质量波动函数F＞error时，则该位置烧结矿过熔，发出降低气体喷吹量的指令；
S4：执行调控命令：由不同位置的执行机构接收气体喷吹量增加、不变或减少命令，并做出相应调整。
2.如权利要求1所述的一种基于气体喷吹的烧结在线调控方法，其特征在于：气体喷吹调整量以q为基本单位，实时的气体喷吹调整量取Q＝－q·F/error，计算结果Q为正值时增加喷吹量，为负值时减少喷吹量。
3.如权利要求1所述的一种基于气体喷吹的烧结在线调控方法，其特征在于：温度监测点沿烧结床移动方向和烧结料层高度方向均设置若干个，沿高度方向相邻温度监测点间距大于烧结床内熔化区厚度。
4.如权利要求1所述的一种基于气体喷吹的烧结在线调控方法，其特征在于：所述烧结质量波动许可值error根据需求精度确定。
5.如权利要求1所述的一种基于气体喷吹的烧结在线调控方法，其特征在于：所述最佳烧结质量表征参数值MQIopt,CRopt和Tmax,opt是基于稳定生产条件下的温度数据计算获得。
6.如权利要求1所述的一种基于气体喷吹的烧结在线调控方法，其特征在于：所述α,β和γ关系为α+β+γ＝1,且α＞β＞γ。
7.一种可使用权利要求1～6中方法的基于气体喷吹的烧结在线调控系统，包括烧结台车、点火器和风箱，其特征在于本系统还包括：数据采集装置，由烧结台车上若干带有保护套具有无线传输功能的温度传感器组成，用于采集烧结料不同位置处的实时温度并进行无线传输；数据智能分析装置，由信号接收终端，可编程控制器和输入输出设备组成集成于设备柜内，用于存储预设参数，接收、计算并分析烧结矿实时温度数据，发出喷吹量在线调控指令；喷吹装置，由若干条气体供应管路组成，气体供应管路包括气源、流量控制器和喷嘴，位于烧结床上方，用于接收喷吹量在线调控指令并给指定位置烧结矿提供气体以改善烧结质量。
8.如权利要求7所述的一种基于气体喷吹的烧结在线调控系统，其特征在于：每条气体供应管路末端喷嘴间距不大于测温设备间距，气体供应管路和喷嘴均不少于2条。
9.如权利要求7所述的一种基于气体喷吹的烧结在线调控系统，其特征在于：气源为纯燃气或高炉煤气或焦炉煤气或氧气。
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