CN112981018A - 一种大型高炉热风炉烧炉控制热平衡技术 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大型高炉热风炉烧炉控制热平衡技术，高炉热风炉用煤气由管网高炉煤气与转炉煤气混合而成，基于热平衡公式:QMG+QA+QDW‑QFm‑QL＝QHB‑QCB进行所述大型高炉热风炉烧炉控制热平衡的计算；公式中，QMG为混合煤气带入的物理显热；QA为助燃空气带入的物理显热；QDW为燃烧产生的化学热；QFm为烟气带走的物理显热；QL为综合热损失；QHB为热风带走的物理显热；QCB为冷风带入的热量；通过实现基于PLC层别的秒级的实时性热平衡计算，可以根据目标风温计算出烧炉所需要的煤气量，从而控制热风炉的燃烧，实现燃烧、送风的热量平衡。该技术可以很好地控制热风炉燃烧所需要的煤气量，既可以稳定送出所需要的高风温，又可以减少热风炉的过量蓄热，减少热量损失，降低能源消耗，实现节能降本。
Description
技术领域
本发明涉及一种高炉热风炉燃烧控制技术。
背景技术
热风炉系统是高炉系统的主体设备系统，也是高炉炼铁生产过程的主要能耗设备，消耗了40-45％的高炉煤气。占炼铁工序能耗的主要部分，随着炼铁技术的不断进步，现代高炉向大型、高效、长寿等方向发展，在提高风温的同时也要降低能耗。据调查，现在国内的大型高炉的热风炉为了保证高风温，热风炉的蓄热量往往都是过剩较多的，这样就增加了热风炉的热量损失和热量浪费，增加了能源消耗。目前国内均未实现热风炉送风和燃烧的实时性热平衡计算，以用于热风炉的燃烧控制。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种大型高炉热风炉烧炉控制热平衡技术。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：基于热平衡公式进行所述大型高炉热风炉烧炉控制热平衡的计算，具体为：
热风炉燃烧期间输入热量如下：
1)混合煤气带入的物理显热QMG；
2)助燃空气带入的物理显热QA；
3)燃烧产生的化学热QDW；
热风炉燃烧期间输出热量如下
1)烟气带走的物理显热QFm；
2)外部散热及冷却造成的热损失QLC。
热风炉送风期间热风炉内输出热量如下
1)热风带走的物理显热QHB；
2)冷风带入的热量QCB；
3)散热、冷却、水汽化的热损失QLH。
根据总体热能量平衡原则，得出以下公式：
QMG+QA+QDW-QFm-QLC＝QHB-QCB+QLH (式1)
在热风炉烧炉期间升温特性、送风温度变动不大时，可以假设热损失QLC、QLH综合恒定为QL，那么公式可以简化为：
QMG+QA+QDW-QFm-QL＝QHB-QCB (式2)
本技术根据热平衡方法计算热风炉各热量参数。
热风炉用煤气由管网高炉煤气与转炉煤气混合而成，混合后的煤气成分为：
CO含量
H2含量
CO2含量
N2含量
式3～式6中，AIBFCO为来自高炉煤气成分分析仪CO含量(％)；
为来自高炉煤气成分分析仪H2含量(％)；
为来自高炉煤气成分分析仪数据CO2含量(％)；
为来自高炉煤气成分分析仪数据N2含量(％)；AILDCO为来自检化验室的转炉煤气成分CO含量(％)；
为来自检化验室的转炉煤气成分H2含量(％)；
为来自检化验室的转炉煤气成分CO2含量(％)；
为来自检化验室的转炉煤气成分N2含量(％)；FIBF为进入热风炉前温度压力补偿后的高炉煤气流量；FILD为进入热风炉前温度压力补偿后的转炉煤气流量。流量单位：km3/h。
混合煤气的平均定压比热容(本文定压比热容均指101325Pa条件下)为：
式7中，CCO为据手册查得的入炉温度下CO的平均定压比热容；
为据手册查得的入炉温度下H2的平均定压比热容；
为据手册查得的入炉温度下CO2的平均定压比热容；
为据手册查得的入炉温度下N2的平均定压比热容。比热容单位：kJ/(m3·℃)。
进一步地，混合煤气带入的物理显热QMG(MJ)的计算方法为：
式8中，t0为燃烧开始的时刻，即煤气切断阀打开到位的时刻；t1为燃烧结束的时刻，即煤气切断阀关闭到位的时刻；dt以秒
为单位进行实时积分累计，下文积分累计雷同。CMGAtom为燃烧结束时环境温度下的平均定压比热容，计算方法与CMG雷同。TIAtom为燃烧结束时混合煤气的温度；TIMG为燃烧开始时混合煤气的温度。
进一步地，助燃空气带入的物理显热QA(MJ)的计算方法为:
式9中，CA为据手册查得的助燃空气入炉温度TIA下的平均定压比热容；CAAtom为据手册得到的助燃空气在环境温度TIAtom下的平均定压比热容。比热容单位kJ/(m3·℃)，FIA为空气流量。
进一步地，燃烧产生的化学热QDW(MJ)的计算方法为:
式10中，AIMG为进入热风炉前的混合煤气热值分析仪检测到的煤气热值(kJ/m3)。
进一步地，燃烧期间输出热量的计算方法为：
热风炉燃烧期间，按两种情况考虑，空气过剩和空气不足。
若满足式11条件，则此时空气过剩时。
若不满足式11条件，因为H2比CO的燃点低，则此时认为H2燃烧完全，CO过剩。燃烧化学反应为：
此时燃烧过后的烟气各成分流量根据式12、式13得到。若O2过剩，烟气中的O2流量：
若CO过剩，烟气中的CO流量：
若O2过剩，烟气中的CO2流量:
若CO过剩，烟气中的CO2流量:
烟气中的水蒸气流量:
烟气中的N2流量：
烟气中的CO2带走的热量：
式20中，
为据手册拟合出特性公式得到在烟气温度TIFm下的CO2平均定压比热容，单位kJ/(m3·℃)；
为据手册拟合出特性公式得到在环境温度TIAtom下的CO2平均定压比热容。以下水蒸气、O2、N2、CO带走的热量的计算公式中的符号同理。
烟气中的水蒸气带走的热量:
烟气中的O2带走的热量:
烟气中的N2带走的热量:
烟气中的CO带走的热量:
燃烧期间烟气带走的总物理显热为：
进一步地，送风期间输出热量计算方法为：
热风炉送风期间热风炉内输出热量不考虑热损失时的QB为热风带走的物理显热QHB–冷风带入的热量QCB。公式如下：
式26中，FICB代表冷风流量，当换炉时，仅有一座热风炉送风，该数据就为冷风流量仪表检测值；当换炉结束时，两座热风炉送风，该数据则近似为冷风流量仪表检测值的一半。t2为送风开始时刻，即热风阀开到位时刻；t3为送风结束时刻，即热风阀闭到位时刻；THB为鼓风热风温度检测值；CHB为根据热风温度1100～1300之间线性插入法得到的平均定压比热容；TCB为鼓风冷风温度检测值；CCB为根据冷风温度200～400之间线性插入法得到的平均定压比热容。
进一步地，该技术在高炉基础自动化系统(即L1级)中热风炉PLC的CPU中实现实时每秒累计计算蓄热量，并存储。
燃烧期间，每秒进行实时计算混合煤气带入的物理显热QG、助燃空气带入的物理显热QA、燃烧产生的化学热QDW、烟气带走的物理显热QFm；送风期间，每秒进行实时计算QB＝热风带走的物理显热QHB减去冷风带入的热量QCB。当燃烧结束时，存储燃烧期间的化学热QDW、燃烧期间输入输出热量差QMG+QA+QDW-QFm的值；并存储所述燃烧期间对应的送风期间的热风炉内输出热量QB的值；采用队列FIFO(先进先出)机制存储最近十次的燃烧期间燃烧产生的化学热QDW、燃烧期间输入输出热量差QMG+QA+QDW-QFm的值并在显示器上显示。当送风结束时，采用FIFO机制存储最近十次送风期间热风炉内输出热量QB的值并在显示器上显示。
以上所有数据在L1的HMI(人机界面)画面或其他显示器集成实时显示，可以让人员根据这些数据、高炉生产的工况变动实时调整自动燃烧用的参数数据。
另外这些烧炉统计数据在HMI软件中采用其集成的VBA脚本动态的记录到每月文本文件中，可以采用诸如WPS、Excel等表格处理文件打开进行事后查询分析。
本发明的有益效果是：通过实现基于PLC层别的秒级的实时性热平衡计算，可以根据目标风温计算出烧炉所需要的煤气量，从而控制热风炉的燃烧，实现燃烧、送风的热量平衡。该技术可以很好地控制热风炉燃烧所需要的煤气量，既可以稳定送出所需要的高风温，又可以减少热风炉的过量蓄热，减少热量损失，降低能源消耗，实现节能降本。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，所述高炉热风炉用煤气由管网高炉煤气与转炉煤气混合而成，基于热平衡公式:QMG+QA+QDW-QFm-QL＝QHB-QCB进行所述大型高炉热风炉烧炉控制热平衡计算的试燃烧；燃烧期间，每秒进行实时计算混合煤气带入的物理显热QG、助燃空气带入的物理显热QA、燃烧产生的化学热QDW、烟气带走的物理显热QFm。当燃烧结束时，存储每次燃烧期间燃烧产生的化学热QDW、燃烧期间输入输出热量差QMG+QA+QDW-QFm的值。送风期间，每秒进行实时计算QB＝热风带走的物理显热QHB减去冷风带入的热量QCB；当送风结束时，对应相应的燃烧期间存储本次送风期间的热风炉内输出热量QB的值。通过所述热平衡公式，计算出综合热损失QL的值。之后，每次烧炉时，根据所需的热风炉送风期间长度和热风温度，查找存储寻找相同的烧炉送风过程，从而采用相同的烧炉参数，尤其是煤气的流量和时间。如果存储没有对应数据，则根据所述热平衡公式，计算所需的煤气的流量和时间，并在燃烧过程中实现基于PLC层别的秒级的实时热平衡计算，控制热风炉的稳定燃烧，实现高效的能源利用，有效的避免浪费，节省成本。
每次燃烧结束时，采用队列FIFO(先进先出)机制存储最近十次的燃烧期间燃烧产生的化学热QDW、燃烧期间输入输出热量差QMG+QA+QDW-QFm，以及送风期间热风炉内输出热量QB，并将以上所有数据在L1的HMI(人机界面)画面或其他显示器集成实时显示，可以让操作人员根据这些近期数据、高炉生产的工况变动实时调用调整自动燃烧用的参数数据。
另外这些烧炉统计数据在HMI软件中采用其集成的VBA脚本动态的记录到每月文本文件中，可以采用诸如WPS、Excel等表格处理文件打开进行事后查询分析。
以上内容仅用以说明本发明的技术方案，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (7)
1.一种大型高炉热风炉烧炉控制热平衡技术，所述高炉热风炉用煤气由管网高炉煤气与转炉煤气混合而成，其特征在于：基于热平衡公式:QMG+QA+QDW-QFm-QL＝QHB-QCB进行所述大型高炉热风炉烧炉控制热平衡的计算；所述热平衡公式中，QMG为混合煤气带入的物理显热；QA为助燃空气带入的物理显热；QDW为燃烧产生的化学热；QFm为烟气带走的物理显热；QL为综合热损失；QHB为热风带走的物理显热；QCB为冷风带入的热量；
其中，所述混合煤气带入的物理显热QMG的计算方法为：
进行混合后的煤气成分计算，公式为：
CO含量
H2含量
CO2含量
N2含量
其中，AIBFCO为来自高炉煤气成分分析仪CO百分比含量；
为来自高炉煤气成分分析仪H2百分比含量；
为来自高炉煤气成分分析仪数据CO2百分比含量；
为来自高炉煤气成分分析仪数据N2百分比含量；AILDCO为来自检化验室的转炉煤气成分CO百分比含量；
为来自检化验室的转炉煤气成分H2百分比含量；
为来自检化验室的转炉煤气成分CO2百分比含量；
为来自检化验室的转炉煤气成分N2百分比含量；FIBF为进入热风炉前温度压力补偿后的高炉煤气流量；FILD为进入热风炉前温度压力补偿后的转炉煤气流量；
基于所述混合后的煤气成分计算公式，混合煤气的平均定压比热容计算方法为：
其中，CCO为据手册查得的入炉温度下CO的平均定压比热容；
为据手册查得的入炉温度下H2的平均定压比热容；
为据手册查得的入炉温度下CO2的平均定压比热容；
为据手册查得的入炉温度下N2的平均定压比热容；
基于所述混合煤气的平均定压比热容计算方法，QMG计算公式为：
其中，t0为燃烧开始的时刻，t1为燃烧结束的时刻；dt以秒为单位进行实时积分累计；CMGAtom为燃烧结束时环境温度下的平均定压比热容，计算方法与CMG雷同；TIAtom为燃烧结束时混合煤气的温度；TIMG为燃烧开始时混合煤气的温度。
2.根据权利要求1所述的大型高炉热风炉烧炉控制热平衡技术，其特征在于：助燃空气带入的物理显热QA的计算方法为：
其中，CA为据手册查得的助燃空气入炉温度TIA下的平均定压比热容；CAAtom为据手册得到的助燃空气在环境温度TIAtom下的平均定压比热容，FIA为空气流量。
3.根据权利要求2所述的大型高炉热风炉烧炉控制热平衡技术，其特征在于：燃烧产生的化学热QDW的计算方法为：
其中，AIMG为进入热风炉前的混合煤气热值分析仪检测到的煤气热值。
4.根据权利要求3所述的大型高炉热风炉烧炉控制热平衡技术，其特征在于：烟气带走的物理显热QFm的计算方法为：
若O2过剩，烟气中的O2流量为：
若CO过剩，烟气中的CO流量为：
若O2过剩，烟气中的CO2流量为:
若CO过剩，烟气中的CO2流量为:
烟气中的水蒸气流量为:
烟气中的N2流量为：
烟气中的CO2、水蒸气、O2、N2和CO带走的热量的计算公式分别为:
其中，
为据手册拟合出特性公式得到在烟气温度TIFm下的CO2平均定压比热容；
为据手册拟合出特性公式得到在环境温度TIAtom下的CO2平均定压比热容，所述烟气中的水蒸气、O2、N2和CO带走的热量的计算公式中的符号同理；
基于所述烟气中的CO2、水蒸气、O2、N2和CO带走的热量的计算公式；通过公式
计算获得QFm的值。
5.根据权利要求4所述的大型高炉热风炉烧炉控制热平衡技术，其特征在于：热风炉送风期间热风炉内输出热量不考虑热损失时的值以QB代表，QB等于热风带走的物理显热QHB减去冷风带入的热量QCB，计算公式为：
其中，FICB代表冷风流量；t2为送风开始时刻；t3为送风结束时刻；THB为鼓风热风温度检测值；CHB为根据热风温度1100～1300之间线性插入法得到的平均定压比热容；TCB为鼓风冷风温度检测值；CCB为根据冷风温度200～400之间线性插入法得到的平均定压比热容。
6.根据权利要求5所述的大型高炉热风炉烧炉控制热平衡技术，其特征在于：当燃烧结束时，存储燃烧期间的化学热QDW、燃烧期间输入输出热量差QMG+QA+QDW-QFm的值；并存储所述燃烧期间对应的送风期间的热风炉内输出热量QB的值；根据先进先出机制将最近存储的十次燃烧的数据显示在显示器上。
7.根据权利要求6所述的大型高炉热风炉烧炉控制热平衡技术，其特征在于：将所述燃烧期间和送风期间的数据用VBA脚本动态的记录到每月文本文件中，并采用WPS或Excel的表格处理软件打开进行事后查询分析，并用表格文件按月和年进行存储。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210618 |