CN113392529A - 一种高炉区域热状态在线分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高炉区域热状态在线分析方法，包括如下步骤：S1、实时采集高炉参数；S2、基于高炉参数计算全炉热平衡数据，进而生成全炉的热能利用系数；S3、基于全炉热平衡数据及高炉参数计算高温区及低温区的区域热平衡数据，进而生成高温区及低温区的热能利用系数；S4、检测全炉的热能利用系数、高温区及低温区的热能利用系数是否位于设定范围内，若检测结果为否，则发出预警。通过区域热平衡模型及全炉热平衡模型能够在线的定量反映该高炉内部热平衡的情况，反映了高炉热状态，及时为高炉操作提供参考，具有时效性，且整个计算方法准确，利于维持高炉操作的稳定。

Description

一种高炉区域热状态在线分析方法

技术领域

本发明属于高炉炼铁技术领域，更具体地，本发明涉及一种高炉区域热状态在线分析方法。

背景技术

高炉炼铁是一项较成熟的生铁生产工艺，且主要以经验为主进行高炉操作，但是随着环保要求的提高，迫使高炉炼铁工艺必须降低含碳化石燃料消耗，以便减少高炉炼铁过程的温室气体排放，这就需要高炉操作从较粗放的经验型向以数字智能技术为主的精细化操作型转变，实现炼铁工艺过程的消耗最小化与收益最大化。而高炉热平衡是决定高炉高效精细生产的基础，热平衡计算是高炉数字化操作的重要依据，也是检查能量利用状况的计算基础。其目的在于根据已知的原料条件和冶炼要求来决定矿石的用量并配置合适的炉渣成分和获得合格的生铁。

深入了解冶炼过程的物理化学反应，检查配料计算的正确性，校核高炉冷风流量，核定煤气成分和煤气体积，并能检查现场炉料称量的准确性，为热平衡及燃料消耗计算打基础。热平衡计算是依据配料计算所得的有关数据进行高炉热量收入与支出的计算。通过热平衡计算可以判断高炉过程热量损失的合理性，并可得出高炉减少热损失的途径或方法。为高炉深度降低燃料消耗提供依据。

高炉的热平衡计算结果对高炉能量收支的合理性及高炉进一步降低燃料消耗提供了有价值的建议。通过对高炉进行热平衡计算，发现提高焦炭的反应性可以优化间接还原区间，减少直接还原的热量消耗，有利于高炉降低燃料比，热平衡计算也为高炉优化热能利用，提高高炉技术经济指标提供攻关方向。高炉热平衡计算或验算是一项十分复杂的过程，以往只是在高炉的操作与原燃料条件发生很大变动时才通过人工进行高炉的热平衡计算，以检测高炉运行的合理性与优化操作的可行性。

发明内容

本发明提供一种在线分析高炉区域热状态的方法，旨在改善上述问题。

本发明是这样实现的，一种高炉区域热状态在线分析方法，所述方法具体包括如下步骤：

S1、实时采集高炉参数；

S2、基于高炉参数计算全炉热平衡数据，进而生成全炉的热能利用系数；

S3、基于全炉热平衡数据及高炉参数计算高温区及低温区的区域热平衡数据，进而生成高温区及低温区的热能利用系数；

S4、检测全炉的热能利用系数、高温区及低温区的热能利用系数是否位于设定范围内，若检测结果为否，则发出预警。

进一步的，所述步骤S2具体包括如下步骤：

构建计算全炉热平衡数据的全炉热平衡模型，将高炉参数输入全炉热平衡模型，全炉热平衡模型输出全炉热平衡数据；

其中，全炉热平衡模型由全炉的热收入项及全炉的热支出项组成。

进一步的，全炉的热收入项包括：风口前碳燃烧释放的热量q_c、直接还原中C氧化成CO释放的热量q_c-d、间接还原中CO氧化成CO₂释放出热量q_co-i、间接还原中H₂氧化成H₂O释放的热量q_H2-i、热风带入的热量q_风组成；

全炉的热支出项包括：氧化物分解耗热q_{氧化物分解耗热}、脱硫耗热q_S、炉渣的焓q_渣、铁水的焓、煤气的焓q_煤气、炉料水分蒸发耗热q_水及冷却水带走热量和散失热量q_冷却。

进一步的，全炉的热收入项包括：风口前碳燃烧释放的热量q_c及热风带入的热量q_风组成；

全炉的热支出项包括：还原热耗q_还原热耗、脱硫耗热q_S、炉渣的焓q_渣、铁水的焓、煤气的焓q_煤气、炉料水分蒸发耗热q_水及冷却水带走热量和散失热量q_冷却。

进一步的，高温区的区域热平衡数据是基于高温区区域热平衡模型计算的，高温区区域热平衡模包括：高温区区域热收入项及高温区区域热支出项组成；

高温区区域的热收入项：风口前碳燃烧释放热量、热风带入的热量及炉料带入的热量；

高温区区域的热支出项：还原耗热、脱硫耗热、炉渣的焓、铁水的焓、煤气的焓、冷却水带走热量和散热损失。

进一步的，低温区的区域热平衡数据是基于低温区区域热平衡模型计算的，低温区区域热平衡模包括：低温区区域的热收入项及低温区区域的热支出项组成；

低温区区域的热收入项包括：进入间接还原区煤气的焓、FeO与CO反应释放热量；

低温区区域的热支出项包括：矿石热量、炉顶煤气热量、Fe₂O₃与CO反应吸收热量、H₂与FeO反应吸收的热量、炉料水分蒸发耗热及热损失。

本发明通过建立区域热平衡模型及全炉热平衡模型，能够在线的定量反映该高炉内部热平衡的情况，反映了高炉热状态，及时为高炉操作提供参考，具有时效性，且整个计算方法准确，利于维持高炉操作的稳定。

附图说明

图1为本发明实施例提供的高炉区域热状态在线分析方法流程图；

图2为本发明实施例提供的高炉区域热状态计算示意图；

图3为本发明实施例提供的理想气体比热容关于温度的趋势曲线。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

实施例1：马钢A#高炉热平衡的计算，结合图2进行说明；

A、进入间接还原区煤气成分的确定：进入间接还原区的煤气来自于高温区的煤气。在高温的条件下，鼓风中的氧会迅速消失，而碳是过量的，所以焦炭及喷吹燃料中的碳只能生成CO。

CO的来源：

a.燃料中碳素在风口前燃烧生成，进入间接还原区的煤气来自于高温区的煤气；由于在高温的条件下，鼓风中的氧会迅速消失，而碳是过量的，所以焦炭及喷吹燃料中的碳只能生成CO。

b.还原产生的，包括FeO被C直接还原和生铁中Si、Mn、P、S元素的还原产生。

c.焦炭挥发分带入的CO。

进入到间接还原区的CO量：Vco＝22.4/12*(w(C_)dFe+w(C)_风+w(C)_Si,Mn,S,P)+22.4/28*K*w(C)_焦挥发％；

w(C)_dFe—铁直接还原耗碳量，kg/t；w(C)_Si,Mn,S,P—生铁中Si、Mn、P、S元素还原产生的CO量，即合金元素还原及脱硫耗碳量，kg/t；w(C)_风—风口前燃烧的碳量，kg/t；K—焦比，kg/t；w(C)_焦挥发％——焦炭挥发分含炭量；

N₂的来源：N₂主要是由鼓风带入的，入炉料和喷吹煤粉也带入一些进入到间接还原区的N₂量：

V_N2＝V_风*(1-w)+22.4/28*(w(N)_料+w(N)_喷)；

V_风—高炉鼓风机鼓入的风量；w—鼓风中氧含量；w(N)_料—入炉料带入的N₂；w(N)_喷—喷吹煤粉带入的N₂。

H₂的来源：

a.燃料带入的，其中包括焦炭挥发分和有机物中的氢(可按焦炭氢元素分析计算)、喷吹燃料的氢和所含水分中的氢；

b.高炉鼓风湿分带入的，它在风口前分解出氢；

c.如果天然矿含有结晶水，结晶水在高炉中部(大于500℃区域)也要分解出氢。天然矿中结晶水含量又不多，计算时这部分氢量可不考虑。

V_风—高炉鼓风机鼓入的风量；

—鼓风湿度，m³/m³；w(H)_喷—喷吹燃料带入的氢和所含水中的氢；w(H)_料—焦炭挥发分和有机物中的氢；进入间接还原区的煤气量及成分见表1：

表1进入间接还原区的煤气量及成分

Vco<sub>间接还原区</sub>(m<sup>3</sup>/t)	V<sub>H2间接还原区</sub>(m<sup>3</sup>/t)	V<sub>N2间接还原区</sub>(m<sup>3</sup>/t)	V<sub>煤气间接区</sub>(m<sup>3</sup>/t)
				703.19	88.36	793.95	1585.50

相关比热容的计算：在高炉热平衡的计算中，要用到鼓风、炉顶煤气、进入间接还原区煤气及矿石比热容进行计算，若选取经验数值计算，难免会产生偏差，所以若将比热容的大小转换成与温度、成分相关的函数，输入原始条件通过计算机实时计算则可以大大增加计算结果的准确性。

a、气体比热容的计算：现以炉顶煤气比热容为例进行计算。通过相关文献可以查找到理想气体在不同温度下的比热容如表2所示；

表2不同温度下理想气体比热容

	0℃	100℃	200℃	300℃	400℃	500℃	600℃	700℃	…
										H2	1.277	1.290	1.298	1.300	1.302	1.306	1.311	1.315	…
N2	1.294	1.298	1.302	1.306	1.315	1.327	1.340	1.352	…
										CO	1.298	1.302	1.306	1.315	1.327	1.344	1.357	1.373	…
CO2	1.599	1.708	1.788	1.863	1.903	1.989	2.043	2.085	…

利用以上数据在EXCEL作图，添加趋势线，求理想气体关于温度的多项式，如图3所示，H₂比热容c_H2、N₂比热容c_N2、CO比热容c_CO及CO₂比热容c_CO2关于温度的公式如下；

H₂比热容c_H2＝4*10^^-12*t³+2*10^^-9*t²+4*10^^-5*t+1.2835；

N₂比热容c_N2＝-3*10^^-11*t³+9*10^^-8*t²+4*10^^-5*t+1.2916；

CO比热容c_CO＝-3*10^^-11*t³+7*10^^-8*t²+8*10^^-5*t+1.2924；

CO₂比热容c_CO2＝8*10^^-11*t³-4*10^^-7*t²+9*10^^-4*t+1.61；

R²均大于0.99，则说明公式合理。

已知A炉炉顶煤气温度t_顶＝248.0℃，A炉炉顶煤气成分如下表：

表3A炉炉顶煤气成分

成分	H<sub>2</sub>	N<sub>2</sub>	CO	CO<sub>2</sub>
					比例/％	22.17	23.35	3.12	51.36

由上表可知炉顶煤气成分，由比热容公式及煤气温度可求出各成分比热容则

c_顶＝c_H2*w(H₂)_％+c_N2*w(N₂)_％+c_CO*w(CO)_％+c_CO2*w(CO₂)_％＝1.420kj/m³/℃

同理可求c_间接＝1.398kj/m³/℃，按温度950℃计算；c_风＝1.436kj/m³/℃，按入炉鼓风温度1150℃计算；

式中，c_煤气-顶、c_{煤气-间接}、c_风分别为炉顶煤气、进入间接还原区煤气及鼓风的比热容。

b、进入高温区矿石比热容的计算：矿石在低温区发生铁氧化物的间接还原，合金元素在高温区发生还原。通过物料平衡可以求出A炉直接还原度rd＝0.445，则高炉在低温区生成Fe为：

Fe＝1000*w[Fe]*(1-rd)＝524.77kg/t；

w[Fe]—生铁中Fe的百分含量，％；

矿石中Fe₂O₃全部还原成FeO，则间接还原后矿石中的FeO质量为：

m(FeO)＝(m_矿石*w(TFe)-m_Fe-i)/56*72＝555.82kg/t；

m_矿石—矿石重量；w(TFe)—矿石中Fe含量，％；m_Fe-i—冶炼每吨生铁过程中，间接还原产生铁量，kg/t。

表4间接还原后矿石成分

矿石由低温区进入高温区，按照区域热平衡温度界限的划分，低温区边界温度为950℃，热力学温度为1223K；通过查各物质基本热力学数据可以得出各物质比热容计算公式：

c_FeO＝50.8+8.614*10^^-3*t-3.309*10^{^5})*t^^-2＝0.061kj/mol/K

c_Fe2O3＝98.28+77.82*10^^-3*t-14.85*10^{^5}*t^^-2＝0.192kj/mol/K

c_FeS＝0.728kj/mol/K

c_Fe＝17.47+24.77*10^^-3*t＝0.048kj/mol/K

c_SiO2＝43.92+38.81*10^^-3*t-9.68*10^{^5}*t^^-2＝0.091kj/mol/K

c_CaO＝46.92+4.52*10^^-3*t+-6.95*10^⁵*t^^-2＝0.052kj/mol/K

c_MgO＝48.98+3.14*10^^-3*t-11.44*10^⁵*t^^-2＝0.052kj/mol/K

c_Al2O3＝114.77+12.8*10^^-3)*t-35.443*10^⁵*t^^-2＝0.128kj/mol/K

c_MnO＝46.48+8.12*10^^-3*t-368*10^⁵*t^^-2＝0.032kj/mol/K

c_TiO2＝50.8+8.614*10^^-3*t-3.309*10^⁵*t^^-2＝0.061kj/mol/K

换算单位kj/mol/K为kj/kg/K，ci(kj/kg/K)＝ci(kj/mol/K)*(1000/mi)

则矿石比热容＝Σmi*ci*＝0.796kj/kg/K

B、全炉热平衡收入项的计算：

a、参数的选取：

表5已知参数

注：a.铁水和炉渣带走的热量一般按经验数值选取，也可根据它们出炉时测定的温度，按渣铁组成及其比热容计算；b.离开高温区的煤气比热容c_煤气是按温度为1000℃计算的比热容。

表6铁水与炉渣的焓

项目	炼钢生铁	铸造生铁	锰铁	硅铁
					铁水比焓kJ/kg	1130-1172	1255-1298	1172-1214	1339-1465
炉渣比焓kJ/kg	1716-1800	1883-2009	1842-1967	2009-2093

注：b.喷吹无烟煤分解热4.18*(240～250)kJ/kg,烟煤分解热4.18*(280～300)kJ/kg。基于表6记载的参数计算铁水、炉渣在炉缸区域生成的耗热量。

根据盖斯定律，忽略高炉内部具体反应过程，只考虑物料进入炉内的状态，并将之作为反应的起点，将之后产出的状态作为反应终点，对高炉内部的热平衡状态进行计算分析。

方法一：在整个反应过程中，全炉热平衡模型中的热收入项主要包括：

风口前碳素燃烧释放的热量，直接还原放热(C氧化成CO)、间接还原放热(CO氧化成CO₂，H₂氧化成H₂O)、热风携带的热量；

全炉热平衡模型中的支出主要包括：脱硫耗热、氧化物及还原热耗、炉渣焓、铁水焓、炉顶煤气焓、炉料水分蒸发等耗热以及冷却水带走的其他热量损失。

方法二：较广泛的应用于数学分析，其热收入项只限于高炉风口燃烧带内碳氧化成CO放出的热量和热风带入的热量，这种方法的优点在于，热平衡中明显地显示出直接还原对热量消耗的影响，这部分热消耗应该由碳在风口前燃烧释放的热量补偿，因而也就显示出了直接还原对焦比的影响

表7 A炉的全炉热平衡表

注释：％—表示该项目吸收的热量占总热支出的百分比，或者该项目释放的热量占总热收入的百分比；

方法一记载的全炉热平衡中的全炉热收入项具体计算具体如下：

a.风口前碳燃烧释放的热量q_c(GJ/t)：计算此项时应将喷吹煤粉分解热扣除

q_c＝9800*w(C)_风-M*Q_M分；

w(C)_风—风口前燃烧的碳量，kg/t；M—煤比，kg/t；Q_M分—喷吹燃料分解热kJ/kg；

b.直接还原中C氧化成CO释放的热量q_c-d(GJ/t)：高温区内的直接还原即Fe与合金元素的直接还原，通过物料平衡计算可得直接还原耗碳量，则

q_c-d＝9800*(w(C)_dFe+w(C)_Si,Mn,S,P)

W(C)_dFe—铁直接还原耗碳量，kg/t；w(C)_Si,Mn,S,P——合金元素还原及脱硫耗碳量，kg/t；9800—单位质量焦炭燃烧释放的有效热量，kJ/kg。

c.间接还原中CO氧化成CO₂释放的热量q_co-i(GJ/t)：鼓风进入高炉内的气体不含CO₂，CO₂在高炉内通过间接还原产生且全部随炉顶煤气排出高炉，所以炉顶煤气中的CO₂即间接还原产生的CO₂

—间接还原生成的CO2的量，m³/t；12650—1m³CO变成CO₂释放的热量，kJ/kg；V_顶—炉顶煤气体积，m³/t；w(CO₂)_％顶—炉顶煤气中CO₂含量，％；

d.间接还原中H₂氧化成H₂O释放的热量q_H2-i(GJ/t)：在低温区，H₂与FeO反应生成H₂O，

q_H2-i＝10800*V_H2O还原；

V_H2O还原—煤气在还原过程产生还原水的量，m³/t。

e.热风带入的热量q_风(GJ/t)：由于鼓风湿度的存在，鼓风中水在高温区与碳反应生成H₂和CO消耗热量，需将水分解热扣除。

t_风—鼓风风温，℃；c_风—热风比热容，kJ/m³/℃，V_风—高炉鼓风机鼓入的风量，即鼓风量；

—鼓风湿度，m³/m³；10800—1m³H₂变成H₂O(l)释放的热量，kJ/kg。

总热收入即以上几项之和(GJ/t)：q_总热收入＝q_c+q_c-d+q_co-i+q_H2-i+q_风

方法二：全炉热平衡模型中的热收入项为风口前燃烧碳q_c及鼓风带入热量q_风之和，总热收入(GJ/t)：q_总热收入＝qc+q_风；风口前燃烧碳q_c及鼓风带入热量q_风计算方法与方法一中相同

C、方法一：全炉热平衡模型中的热支出项主要包括：氧化物分解耗热、脱硫耗热、炉渣的焓、铁水的焓、煤气的焓、炉料水分蒸发等耗热、冷却水带走的热量和散热损失计算方法与方法一相同；

a.氧化物分解耗热的计算具体如下：

氧化物分解耗热q_{氧化物分解耗热}包括：铁氧化物分解耗热q_{铁氧化物分解总耗热}、硅氧化物分解耗热q_硅氧化物、锰氧化物分解耗热q_锰氧化物及磷氧化物分解耗热q_磷氧化物，即氧化物分解总耗热(GJ/t)：q_{氧化物分解耗热}＝q_{铁氧化物分解总耗热}+q_硅氧化物+q_锰氧化物+q_磷氧化物；

铁氧化物分解耗热包括q_{Fe2SiO4-FexO4}、q_Fe2O3-FexO、q_FexO-Fe三项分解耗热；即铁氧化物分解耗热q_{铁氧化物分解总耗热}＝q_{Fe2SiO4-qFexO4}+q_Fe2O3-FexO+q_FexO-Fe；假设焦炭和煤粉中的FeO全以硅酸铁形态存在，烧结矿和球团矿中有20％FeO以硅酸铁的形式存在，则

q_{Fe2SiO4-FexO4}＝310*56/72*(K*w(FeO)_焦％+M*w(FeO)_煤％+0.2*w_混合矿*w(FeO)_混合矿％)；

其中，K是焦比，M是煤比；w(FeO)_焦％—焦炭中FeO含量，％；w(FeO)_煤％—煤中FeO含量，％；w(FeO)_混合矿％—混合矿中FeO含量，％；w_混合矿—冶炼吨铁消耗混合矿质量，kg/t；

q_Fe2O3-FexO＝(2370*112/160)*(w_混合矿*w(Fe₂O₃)_混合矿％-w_炉尘*w(Fe₂O₃)_炉尘％)；

其中，w_混合矿—冶炼吨铁消耗混合矿质量，kg/t；w_炉尘—冶炼吨铁产生炉尘质量，kg/t；w(Fe₂O₃)_混合矿％—混合矿中Fe₂O₃含量，％；w(Fe₂O₃)_炉尘％—炉尘中Fe₂O₃含量，％；

q_FexO-Fe＝4990*(w_生铁*w[Fe]_生铁％+w_回收铁*w[Fe]_回收铁％)；

其中，w_生铁—生铁质量，kg/t、w_回收铁—回收铁质量，kg/t；w[Fe]_生铁％—生铁中铁含量，％；w[Fe]_回收铁％—回收铁中铁含量，％；

硅氧化物分解耗热(GJ/t)q_硅氧化物＝31360*w[Si]_生铁％*1000，w[Si]_生铁％—生铁含硅量，％；

锰氧化物分解耗热(GJ/t)：q_锰氧化物＝7015*w[Mn]_生铁％*1000，w[Mn]_生铁％—生铁含锰量，％

磷氧化物分解耗热(GJ/t)：q_磷氧化物＝36000*w[P]_生铁％*1000，w[P]_生铁％—生铁含磷量，％

b.脱硫耗热(GJ/t)：q_S＝8300*U*2*w(S/2)_炉渣％，U表示渣量；w(S/2)_炉渣％—炉渣含硫量，％；

c.炉渣的焓(GJ/t)：q_渣＝U*Qu，Qe为1kg炉渣的焓，见表5；U表示渣量；

d.铁水的焓(GJ/t)：q_铁一＝w_生铁*Qe，Qe为1kg铁水的焓，见表5；w_生铁—生铁质量，kg/t；

e.煤气的焓(GJ/t)：q_煤＝V_煤气*c_煤气-顶*t_顶+V_H2O还原*c_水*t_顶，c_水为水的比热容，见表5，t_顶表示高炉顶温度；c_煤气-顶表示高炉顶煤气的比热容；V_煤气表示炉顶煤气含量，m³/t；V_H2O还原表示煤气在还原过程产生还原水量，m³/t；

f.炉料水分蒸发耗热(GJ/t)：此项包括炉料中物理水分蒸发和加热到炉顶温度耗热与结晶水的分解与加热耗热。

q_物理水＝2450*w(H₂O_物)_料+1.244*w(H₂O_物)_料*c_水*t_顶；

q_化学水＝2450*w(H₂O_化)_料+6150*Ψ_H2O*w(H₂O_化)_料+1.244*w(H₂O_化)_料*(1-Ψ_H2O)*c_水*t_顶；

其中，Ψ_H2O—结晶水在高温区发生反应H₂O_化+C＝H₂+CO的比，取值见表5；w(H₂O_物)_料—炉料中物理水含量，kg/t；w(H₂O_化)_料—炉料中化学水含量，kg/t；

g.确定冷却水带走热量及热量损失(GJ/t)：高炉热损失包括辐射于高炉周围空间的热量、炉壳附近空气对流传走的热量、通过炉底传到地层的热量等。通常情况下这一项还包括冷却水带走的热量；冷却水带走热量和散失热量q_冷却＝q_总热收入-q_{氧化物分解耗热}-q_S-q_渣-q_铁-q_煤气--q_水，此处的q_总热收入是通过方法一计算所得的总热收入；

方法一：总热支出(GJ/t)：q_总热支出＝q_{氧化物分解耗热}+q_S+q_渣+q_铁+q_煤气+q_水+q_冷D、方法二：全炉热平衡模型中的热支出项主要包括：还原耗热、脱硫耗热、炉渣的焓、铁水的焓、煤气的焓、炉料水分蒸发等耗热、冷却水带走的热量和散热损失，其中，脱硫耗热、炉渣的焓、铁水的焓、煤气的焓、炉料水分蒸发耗热的计算方法与方法一相同；

a.还原耗热q_还原耗热包括：铁氧化物还原耗热q_{铁还原耗热}、硅氧化物还原耗热q_{硅还原耗热}、锰氧化物还原耗热q_{锰还原耗热}及磷氧化物还原耗热q_{磷还原耗热}，即q_还原耗热＝q_{铁还原耗热}+q_{硅还原耗热}+q_{锰还原耗热}+q_{磷还原耗热}；

铁氧化物还原耗热(GJ/t)：q_{铁还原耗热}＝2890*w[Fe]_生铁％*1000*r_d，rd—直接还原度；w[Fe]_生铁％—生铁中Fe的百分含量，％；

硅氧化物还原耗热(GJ/t)：q_{硅还原耗热}＝22960*w[Si]_生铁％*1000；w[Si]_生铁％—生铁中Si的百分含量，％；

锰氧化物还原耗热(GJ/t)：q_{锰还原耗热}＝4880*w[Mn]_生铁％*1000；w[Mn]_生铁％—生铁中Mn的百分含量，％；

磷氧化物还原耗热(GJ/t)：q_{磷还原耗热}＝26520*w[P]_生铁％*1000；w[P]_生铁％—生铁中P的百分含量，％；

b.冷却水带走热量和散失热量q_冷却＝q_总热收入-q_还原耗热-qS-q_渣-q_铁-q_煤气--q_水，此处的q_总热收入是通过方法二计算所得的总热收入。

方法二，总热支出(GJ/t)：q_总热支出＝q_脱硫耗热+q_还原耗热+q_渣+q_铁+q_煤气+q_水+q_冷却；

能量利用率与碳素利用率：高炉能量利用率由Kt表示，它是指高炉热支出扣除炉顶煤气带走的热量及热损失之后，其余各项热支出占全部热支出的百分数。高炉碳素利用率由Kc表示，Kc是指炉内碳氧化成CO和CO₂放出的热量与这些碳全部氧化成CO₂放出的热量之比。Kc是用热量来评价高炉里碳化学能利用情况的指标，它把热能和化学能有机的联系在了一起，因此是个非常有用的指标。

冶炼过程中有效热量支出

q_{有效方法一}＝q_{氧化物分解耗热}+q_S+q_渣+q_铁，q_{有效方法一}是指方法一在冶炼过程的的有效热量支出，GJ/t；

q_{有效方法二}＝q_S+q_还原耗热+q_渣+q_铁，q_{有效方法一}是指方法二在冶炼过程的的有效热量支出，GJ/t；

热能利用系数：η_t＝q_有效/q_总热支出*100％

碳的利用系数：η_C＝(0.293+0.707*η_{CO按炉顶煤气}/100)*100％

表8全炉热平衡能量利用指标

Q<sub>有效方法一</sub>(GJ/t)	Q<sub>有效方法二</sub>(GJ/t)	ηt<sub>方法一</sub>(％)	ηt<sub>方法二</sub>(％)	η<sub>C</sub>(％)
					8.8410	3.1718	89.76	77.43	63.73

式子中，η_t方法一—方法一所求的高炉能量利用系数；η_t方法二—方法二所求的高炉能量利用系数；η_C—碳的利用系数；η_{CO按炉顶煤气}—按炉顶煤气成分计算的CO利用率。

E、区域热平衡计算：通过高炉主要指标参数校准，全炉热量预警等的模型搭建与运算，然后将各种模型的运行参数和基础数据进行在线收集与处理，在线运行各个模型并存储于专用服务器。最后将运行结果从专用服务器转到云服务器中，实现联网查询：

高炉区域热平衡计算是在全炉热平衡计算基础上研究发展起来的。高炉下部区是高炉里物质交换和热量交换最为活跃的区域,高炉炼铁的焦比主要决定于高温区的热量消耗情况。因此,高温区热平衡计算是现在常常用到的炼铁工艺计算。

根据高炉中煤气和炉料温度在高炉高度上的变化规律，高炉自下而上分为三个部分:下部高温热交换区、中部空区和上部热交换区。在高炉上部，新的炉料刚刚进入炉内，在高炉下部，循环高炉煤气在风口回旋区燃烧产生新煤气，煤气与炉料的温差较大，热交换强烈，属于热交换区；在高炉炉身的中下部区间，煤气与炉料的温差很小，大约只有50℃左右，热交换极其缓慢，是为高炉的热储备区，也称为空区。模拟计算当中根据碳素熔损反应和水煤气反应的特征，将高炉炉料温度950～1000℃作为中部空区上下温度边界，1000℃以上的区域为下部热交换区，即下文中的高温区，950℃以下的区域为上部热交换区，即下文中的低温区。高炉是一个大型的逆流反应容器，高炉底部产生的上升煤气流在鼓风压力的驱动下上升运动，与下降的炉料之间存在热传递现象，炉料吸热温度升高，而煤气自身温度降低。在炉料装入炉内的上部区域，炉料温度很低而煤气温度很高；在风口燃烧带，高炉煤气与炉料之间同样存在着较大的温度差。在这两个区域，煤气与炉料进行着很强烈的热交换，形成高炉上部热交换区和下部热交换区；而在高炉的中部，由于高炉煤气与炉料的温差较小，形成热交换进行得极其缓慢的地区(热储备区)。高温区热平衡通常以区域边界煤气温度950-1000℃以上的下部高温区为研究对象。

高温区热平衡类似于全炉热平衡，它的收入为碳素在风口前氧化为CO的放热和热风带入的有效热量及炉料带入热量三项；而热支出为直接还原耗热、脱硫耗热、铁水和炉渣的焓(扣除进入边界区时的焓)以及煤气离开高温区时的焓，冷却水带走的热量及热损失。其中，冷却水带走的热量及热损失是采用总收入扣除上述其他消耗后的差值来表示。

对于高炉低温区热平衡计算来说，进入低温区的物料包括矿石、焦炭、以及从高温区溢出进入低温区的煤气，离开低温区的物料包括进行间接还原后的矿石、焦炭(减去随炉尘损失焦炭)炉顶煤气。

表9 A炉高温区的区域热平衡表

注释：％—表示该项目吸收的热量占总热支出的百分比，或者该项目释放的热量占总热收入的百分比；

(1)在表9中，热收入项中的风口前碳燃烧释放热量qc、热风带入的热量q风与表7中的相应热收入项取值相同；

(2)从炉顶进入高炉的炉料都是冷料，在表7中，炉料带入的热量可以忽略不计，而对于高温区的区域热平衡中，从中温区下行的炉料温度有950℃，带入的热量很多，炉料带入的热量是下行各种氧化物的总量与其平均比热容的乘积；

(3)在表9中，热支出项中的还原耗热q_还原耗热、炉渣的焓q_渣、铁水的焓q_铁与表7中的相应热支出项取值相同；

(4)冷却水带走热量和散热损失即总热收入与表9中其他热支出项的差值，与上文中的冷却水带走热量和散热损失的计算方法相同；

(5)表9中的煤气焓是高温区域的煤气量与煤气比热容来进行计算，表9中的脱硫耗热与全炉热平衡耗热计算方法相同。

高温区煤气的焓即进入间接还原区煤气的焓，煤气温度为离开高温区的温度，取1000℃。进入间接还原区煤气的焓＝V_煤气*c_煤气*t_煤气

高温区的热能利用系数：η＝Q_{高温区有效}/q_{总热支出高温区}*100％＝56.40％

表10 A炉低温区的区域热平衡表

注释：％—表示该项目吸收的热量占总热支出的百分比，或者该项目释放的热量占总热收入的百分比；

(1)在低温区内，FeO与CO反应生成Fe，释放热量(GJ/t)

q＝(m(Fe)_i-(r_iH2*1000*w[Fe]_％)*242.73，m(Fe)i吨铁中通过间接还原出的铁量，kg/t，r_iH2——氢还原度，w[Fe]_％—生铁中Fe含量，％；

(2)Fe₂O₃与CO反应生成FeO吸收热量(GJ/t)

q＝m_矿*w(Fe₂O₃)_％矿*9.63，m_矿—冶炼吨铁消耗混合矿质量，kg/t；w(Fe₂O₃)_％矿—混合矿中Fe₂O₃的百分含量，％；

(3)H₂与FeO反应吸收的热量(GJ/t)

q＝ri_H2*1000*w[Fe]_％*494.7，w[Fe]_％—生铁中Fe含量。

(4)表10中的炉料水分等蒸发耗热与表7中的相应项相同；

(5)表10中的矿石热量与表9中的炉料带入的热量相等；

(6)表10中的炉顶煤气热量”与表7中的煤气的焓q_煤气取值相等；

(7)热损失＝热收入合计-矿石热量-炉顶煤气热量-Fe₂O₃与CO反应吸收热量-H₂与FeO反应吸收的热量-炉料水分等蒸发耗热。

实例2B炉全炉热平衡计算：

B高炉计算过程与A炉计算过程完全相同，故直接给出计算结果。

表12 B炉的全炉热平衡表

表13 B炉的全炉热平衡能量利用指标

Q<sub>有效方法一</sub>(GJ/t)	Q<sub>有效方法二</sub>(GJ/t)	ηt<sub>方法一</sub>(％)	ηt<sub>方法二</sub>(％)	η<sub>C</sub>(％)
					8.82	3.20	90.68	78.23	63.46

B炉区域热平衡计算：

表14 B炉高温区的区域热平衡表

热能利用系数：

η＝Q_{高温区有效}/q_{总热支出高温区}*100％＝57.13％

表15 B炉低温区的区域热平衡表

结论：

A、通过上述计算方法，将比热容与温度、成分的关系式推导出来，大大增加了热平衡计算结果的准确性。

B、由于热损失的数据难以测定，通常采用由总热收入减去其他各项热支出算出。对于炼铁设计来说，若热损失过大，说明焦比定的高了；若热损失太少，说明焦比定得低，热损失比例维持在合理范围内，才说明选定焦比是合适的。通过高炉全炉热平衡及区域热平衡的计算结果来看，A、B#两座高炉热量收支合理，有利于高炉的顺行。

C、对于高炉冶炼来说，其余各项热消耗都是必不可少的。显然K_T越大，代表高炉热能利用越好。高炉能量利用率是在第一种热平衡计算中提出的，一般在75％-85％的范围内，个别高炉冶炼可以达到90％。由于铁的还原受到化学限制，C转换成CO2的数量是有限的，因此Kc值一般不会太高，Kc一般在60％左右，个别可达65％。通过数据分析，A、B炉能量利用率很高，热能利用好；碳素利用率也在合理范围内。

D、通过使用本发明中的区域热平衡模型及全炉热平衡模型，能够实时的定量反映该高炉内部热平衡的情况，反映了高炉热状态，及时为高炉操作提供参考，具有时效性，且整个计算方法准确，利于维持高炉操作的稳定。

字符注释：

9800—单位质量焦炭燃烧释放的有效热量，kJ/kg；12650—1m³CO变成CO₂释放的热量，kJ/kg；10800—1m³H₂变成H₂O(l)释放的热量，kJ/kg；w(C)_风—风口前燃烧的碳量，kg/t；M—煤比，kg/t；K—焦比，kg/t；m_焦丁—焦丁重量，kg/t；Q_M分—喷吹燃料分解热kJ/kg；W(C)_dFe—铁直接还原耗碳量，kg/t；

—间接还原生成的CO2的量，m³/t；

—鼓风湿度，m³/m³；rd—直接还原度；t_风—风温，℃；c_风—热风比热容，kJ/m³/℃；U—渣量，kg/t；Qu—炉渣的焓kJ/kg；Qe—铁水的焓kJ/kg；c_煤气—煤气比热容，kJ/m³·℃；C_水—水比热容，kJ/m³·℃；t_顶—炉顶煤气温度，℃；Ψ_H2O—结晶水在高温区发生反应H₂O_化+C＝H₂+CO的比。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高炉区域热状态在线分析方法，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：

S1、实时采集高炉参数；

S2、基于高炉参数计算全炉热平衡数据，进而生成全炉的热能利用系数；

S3、基于全炉热平衡数据及高炉参数计算高温区及低温区的区域热平衡数据，进而生成高温区及低温区的热能利用系数；

S4、检测全炉的热能利用系数、高温区及低温区的热能利用系数是否位于设定范围内，若检测结果为否，则发出预警。

2.如权利要求1所述高炉区域热状态在线分析方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括如下步骤：

构建计算全炉热平衡数据的全炉热平衡模型，将高炉参数输入全炉热平衡模型，全炉热平衡模型输出全炉热平衡数据；

其中，全炉热平衡模型由全炉的热收入项及热支出项组成。

3.如权利要求2所述高炉区域热状态在线分析方法，其特征在于，全炉的热收入项包括：风口前碳燃烧释放的热量q_c、直接还原中C氧化成CO释放的热量q_c-d、间接还原中CO氧化成CO₂释放出热量q_co-i、间接还原中H₂氧化成H₂O释放的热量q_H2-i、热风带入的热量q_风组成；

全炉的热支出项包括：氧化物分解耗热q_{氧化物分解耗热}、脱硫耗热q_S、炉渣的焓q_渣、铁水的焓、煤气的焓q_煤气、炉料水分蒸发耗热q_水及冷却水带走热量和散失热量q_冷却。

4.如权利要求2所述高炉区域热状态在线分析方法，其特征在于，全炉的热收入项包括：风口前碳燃烧释放的热量q_c及热风带入的热量q_风组成；

全炉的热支出项包括：还原热耗q_还原热耗、脱硫耗热q_S、炉渣的焓q_渣、铁水的焓、煤气的焓q_煤气、炉料水分蒸发耗热q_水及冷却水带走热量和散失热量q_冷却。

5.如权利要求1所述高炉区域热状态在线分析方法，其特征在于，高温区的区域热平衡数据是基于高温区区域热平衡模型计算的，高温区区域热平衡模包括：高温区区域的热收入项及高温区区域的热支出项组成；

高温区区域的热收入项：风口前碳燃烧释放热量、热风带入的热量及炉料带入的热量；

高温区区域的热支出项：还原耗热、脱硫耗热、炉渣的焓、铁水的焓、煤气的焓、冷却水带走热量和散热损失。

6.如权利要求1所述高炉区域热状态在线分析方法，其特征在于，低温区的区域热平衡数据是基于低温区区域热平衡模型计算的，低温区区域热平衡模包括：低温区区域的热收入项及低温区区域的热支出项组成；

低温区区域的热收入项包括：进入间接还原区煤气的焓、FeO与CO反应释放热量；

低温区区域的热支出项包括：矿石热量、炉顶煤气热量、Fe₂O₃与CO反应吸收热量、H₂与FeO反应吸收的热量、炉料水分蒸发耗热及热损失。

Images