CN115786692A - 基于在线过程模拟的球团焙烧温度控制方法 - Google Patents

Abstract

基于在线过程模拟的球团焙烧温度控制方法，该方法包括以下步骤：1)基于球团焙烧过程中固相和气相的热质平衡，建立球团焙烧过程模拟模型；2)输入模型全局常量，对干燥一段、干燥二段、预热段、焙烧段依次进行过程模拟；3)获取焙烧段结束点位置的球团温度模拟值，将其与焙烧终点温度设定阈值进行比较，利用焙烧终点温度的模拟值与设定阈值的偏差，来调整焙烧段烧嘴燃气流量，从而实现对球团实际焙烧温度的控制。本发明基于在线过程模拟实现对球团实际焙烧温度的控制，避免了现有技术中无法直接测量球团焙烧温度而通过间接判断造成的误差，能够避免焙烧能源的浪费，提高球团矿产品的质量。

Description

基于在线过程模拟的球团焙烧温度控制方法

技术领域

本发明涉及球团焙烧温度的控制方法，具体涉及一种基于在线过程模拟的球团焙烧温度控制方法，属于钢铁冶金原料制备领域。

背景技术

球团焙烧过程不仅涉及到热载体与球团料层、篦床之间复杂的传热传质，还伴随着自由水蒸发与冷凝、结晶水以及碳酸盐分解、Fe₃O₄和S氧化、固定碳燃烧等物理化学反应。

生球焙烧成球团矿需要消耗大量的热量用于将球团加热到需要的温度，实现固态固结、得到抗压强度不低于2500N的球团矿产品，以满足后续冶炼的需要。球团焙烧是在一个密闭的容器中进行，由于焙烧温度高达1250℃以上，并且移动床保持连续运行，现有技术手段根本无法直接测量料层的温度，只能根据焙烧段排气温度间接判断料层是否达到了规定的焙烧温度，往往造成焙烧温度过高或过低的情况。球团过烧不仅浪费能源，还导致其冶金性能下降；球团欠烧则导致其质量不能满足要求。

球团矿产品的质量在很大程度上取决于球团在高温焙烧结束时是否达到规定的焙烧温度。因此，如何实现对球团焙烧温度的控制就显得尤为重要。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明提出一种基于在线过程模拟的球团焙烧温度控制方法。该方法通过建立焙烧过程模拟模型，对焙烧系统中的各工艺段依次进行过程模拟，以获得焙烧段结束点位置的球团温度模拟值，将该球团温度模拟值与理想焙烧终点温度设定阈值进行比较，利用两者的偏差来调整焙烧段烧嘴的燃气流量，实现对球团实际焙烧温度的控制。该方法避免了现有技术中无法直接测量球团焙烧温度而通过间接判断造成的误差，因而能够避免焙烧能源的浪费，提高球团矿产品的质量。

根据本发明的实施方案，提供一种基于在线过程模拟的球团焙烧温度控制方法。

基于在线过程模拟的球团焙烧温度控制方法，该方法包括以下步骤：

1)基于球团焙烧过程中固相和气相的热质平衡，建立球团焙烧过程模拟模型。

2)输入模型全局常量，对干燥一段、干燥二段、预热段、焙烧段依次进行过程模拟。

3)获取焙烧段结束点位置的球团温度模拟值，将其与焙烧终点温度设定阈值进行比较，利用焙烧终点温度的模拟值与设定阈值的偏差，来调整焙烧段烧嘴燃气流量，从而实现对球团实际焙烧温度的控制。

在本发明中，在步骤1)中，所述建立球团焙烧过程模拟模型具体包括以下子步骤：

101)在焙烧系统上，自下而上依次设有篦床层、铺底料层、生球层，所述篦床层、铺底料层、生球层形成移动床。沿移动床的运行方向建立以时间t为横坐标轴、高度y为纵坐标轴的坐标体系。

102)对移动床划分网格：在高度方向上，铺底料层和生球层采用相同的网格密度，其网格高度小于等于球团直径。在时间方向上，步长设置为1s。

103)基于热量平衡和质量平衡，对每个网格分别构建固相能量方程、固相质量方程、气相能量方程、气相质量方程，同时对每个网格分别适用厄根方程。

在本发明中，在步骤2)中，所述对干燥一段、干燥二段、预热段、焙烧段中的某工艺段进行过程模拟，具体为：

在线检测该工艺段的进气温度TnA、排气温度TnB、进气压力PnA与排气压力PnB，得到该工艺段的实测压差ΔPn＝PnA-PnB。该工艺段的给料为上一工艺段输出的球团，以该球团温度和该工艺段的进气温度为初始条件，设定初始孔隙率ε和该工艺段的初始气体流量Gn，通过热质平衡方程(即方程1-4)计算该工艺段的模拟排气温度TnB’，并通过厄根方程(即方程5)计算该工艺段的模拟压差ΔPn’。计算该工艺段模拟排气温度TnB’与实测排气温度TnB的偏差dTn＝TnB’-TnB，及模拟压差ΔPn’与实测压差ΔPn的偏差dPn＝ΔPn’-ΔPn。将该工艺段的温度偏差与压差偏差作为反馈量来修正孔隙率和气体流量，然后通过热质平衡方程计算得出固相在该工艺段与下一工艺段交界处y轴上的温度分布T_s(t,y)，即得到球团在该工艺段的终点温度TnS。

其中：n表示对应第n个工艺段。

在本发明中，所述将温度偏差与压差偏差作为反馈量来修正孔隙率和气体流量，具体为：

若dTn∈[-10，10]、dPn∈[-100，100]，此时无需调整，保持初始孔隙率ε和该工艺段的初始气体流量Gn不变。

若

和/或

则通过公式Gn’＝Gn*(1-dPn/ΔPn)来调整气体流量，和/或，通过公式ε’＝ε*(1-dTn/TnB)来调整孔隙率，使得调整后的压差偏差dPn∈[-100，100]，及调整后的温度偏差dTn∈[-10，10]。

其中：Gn’表示第n个工艺段在调整后的气体流量。ε’表示调整后的孔隙率。

在本发明中，步骤3)具体为：

根据步骤2)中对焙烧段的过程模拟，获得焙烧段结束点位置的球团温度模拟值T4S。焙烧终点温度设定阈值为T_con，计算焙烧终点温度的模拟值与设定阈值的偏差ΔT＝T4S-T_con。设定焙烧段烧嘴的初始燃气流量Q，并将该焙烧终点温度偏差ΔT作为反馈量来调整焙烧段烧嘴燃气流量，从而获得适宜燃气供应量，实现对球团焙烧温度的控制。

在本发明中，所述将该焙烧终点温度偏差ΔT作为反馈量来调整焙烧段烧嘴燃气流量，具体为：

若ΔT∈[-10，10]，此时无需调整，保持焙烧段烧嘴的初始燃气流量Q不变。

若

则通过公式Q’＝Q*(1-ΔT/T_con)来调整焙烧段烧嘴燃气流量，使得调整后的ΔT∈[-10，10]。同时，保证焙烧段在调整后的dT4∈[-10，10]、dP4∈[-100，100]。

其中：Q’表示调整后的焙烧段烧嘴燃气流量。

在本发明中，在子步骤103)中，所述固相和气相的能量与质量方程，具体为：

固相能量守恒方程：

固相质量守恒方程：

气相能量守恒方程：

气相质量守恒方程：

在上述方程式中：ρ_s为固相密度，kg/m³。C_s、C_g分别为固相和气相的比热容，kJ/(kg·K)。T_s、T_g分别为固相和气相的温度，K。h为有效传热系数，kJ/(m²·s)。A为传热面积，m²/m³。R_i为i反应的速率，kg/(m³·s)。ΔH_i为i反应的热焓，kJ/kg。α_i为i反应的反应热在气相的分配系数。w_j为球团中j组分的密度，kg/m³。G为气体流量，kg/(m²·s)。B_i为i反应的气体反应产物。

在本发明中，在子步骤103)中，所述厄根方程具体为：

在上述方程式中：ΔPn’为第n个工艺段的模拟压差，Pa。H为料层高度，m。ε为孔隙率，％。ρ_g为气体密度，kg/m³。μ为气体动力黏度，kg/(m·s)。ω为气体流速，m/s。d为颗粒的平均直径，m。

为颗粒的形状系数。

作为优选，在子步骤102)中，在高度方向上，篦床层采用与铺底料层和生球层不同的网格密度，将篦床层划分为不少于4层的网格。

在本发明中，步骤2)中所述的模型全局常量，具体包括：焙烧系统有效长度、焙烧系统内各工艺段的长度、布料总厚度、铺底料层厚度、球团层厚度、焙烧系统运行速度、生球给料量、生球中各物质的组分、生球初始温度。

一般来说，球团矿产品的质量取决于球团在高温焙烧结束时是否达到规定的焙烧温度，因而对球团焙烧温度的控制显得尤为重要。由于现有技术手段无法直接测量焙烧系统中各工艺段球团的温度，只能通过风箱内气体温度来间接做出判断，往往会存在一定的误差，而造成焙烧能源的浪费，并引起球团矿产品质量的波动，导致产品质量不能满足要求。基于此，本发明提出一种基于在线过程模拟的球团焙烧温度控制方法。该方法基于焙烧过程中固相和气相的热质平衡(即热量或能量平衡、质量平衡)，建立球团焙烧过程模拟模型，对焙烧系统中的各工艺段依次进行过程模拟，以获得焙烧段结束点位置的球团温度模拟值，将该球团温度模拟值与理想焙烧终点温度设定阈值进行比较，利用两者的偏差来调整焙烧段烧嘴的燃气流量，实现对球团实际焙烧温度的控制。该方法通过在线检测数据进行过程模拟，从而达到自动控制球团焙烧温度的目的，避免了现有技术中无法直接测量球团焙烧温度而通过间接判断造成的误差，因而能够避免焙烧能源的浪费，提高球团矿产品的质量。

需要说明的是，所述焙烧终点温度的模拟值(即焙烧段结束点位置的球团温度模拟值)是指由过程模拟得到的在焙烧段结束时表层球团的温度。所述焙烧终点温度的设定阈值是指由焙烧原料性质和产品质量要求所决定的表层球团温度范围。当焙烧终点温度的模拟值在设定阈值的范围内，此时焙烧温度适宜，焙烧段烧嘴的燃气流量无需调整。当焙烧终点温度的模拟值超出设定阈值的范围，此时焙烧温度按需进行调整(增大或减小)，并反馈给焙烧段烧嘴控制系统，按需调整(增加或减少)烧嘴的燃气流量。

在本发明的步骤1)中，所述建立球团焙烧过程模拟模型的方法为：

101)在焙烧系统上，自下而上依次设有具有透气孔的篦床层、铺底料层、生球层，所述篦床层、铺底料层、生球层形成移动床。沿移动床的运行方向建立以时间t为横坐标轴、高度y为纵坐标轴的坐标体系。

102)对移动床划分网格：在高度方向上，铺底料层和生球层采用相同的网格密度，其网格高度小于等于球团直径；而篦床层则采用与铺底料层和生球层不同的网格密度，可将篦床层划分为不少于4层的网格。在时间方向上，步长设置为1s。

本申请在划分网格时要求铺底料层和生球层的网格高度不超过球团直径，以便于精准获取球团在高度方向上的温度分布，进而确定每一层球团的温度。而对于篦床层，一般来说，篦床层的厚度为10mm左右，其与一个球团的直径较为接近，但篦条的传热对热平衡的影响较大，因而为了提高计算精度需将篦床层多划分几层，但划分过细层数过多又会影响程序的计算速度，综合考虑可将篦床层划分为不少于4层的网格，例如划分为4～8层，优选为4～6层。例如，在高度方向上，将篦床层划分为4层的网格。

对于移动床中坐标为(t,y)的网格，以温度参数为例，气相入口温度为Tg(t,y)、出口温度为Tg(t,y+1)，固相入口温度为Ts(t,y)、出口温度为Ts(t+1,y)。

103)基于热量平衡和质量平衡，对每个网格分别构建固相能量方程、固相质量方程、气相能量方程、气相质量方程。具体包括：

固相能量守恒方程：

固相质量守恒方程：

气相能量守恒方程：

气相质量守恒方程：

在上述方程式中：ρ_s为固相密度，kg/m³。C_s、C_g分别为固相和气相的比热容，kJ/(kg·K)。T_s、T_g分别为固相和气相的温度，K。h为有效传热系数，kJ/(m²·s)。A为传热面积，m²/m³。R_i为i反应的速率，kg/(m³·s)。ΔH_i为i反应的热焓，kJ/kg。α_i为i反应的反应热在气相的分配系数。w_j为球团中j组分的密度，kg/m³。G为气体流量，kg/(m²·s)。B_i为i反应的气体反应产物。在整个球团焙烧过程中，球团层内会伴随发生一系列物理化学反应，上述方程式1-4中的i即代表众多反应中的某一反应。而球团中往往包括多种物质组分，上述方程式1-4中的j即代表众多组分中的某一组分。

并对每个网格分别适用厄根方程，所述厄根方程具体为：

在上述方程式中：ΔPn’为第n个工艺段的模拟压差，Pa。H为料层高度，m。ε为孔隙率，％。ρ_g为气体密度，kg/m³。μ为气体动力黏度，kg/(m·s)。ω为气体流速，m/s。d为颗粒的平均直径，m。

为颗粒的形状系数。

对于移动床中任意的网格，只要给定了温度、密度、比热容等入口参数，用方程式1-4就可以计算出该网格的出口参数，同时该网格的出口参数又成为下一个网格的入口参数。还可基于厄根方程计算出气流经过网格的压降。

在本发明的步骤2)中，所述对干燥一段、干燥二段、预热段、焙烧段依次进行过程模拟，是指在建立过程模拟模型后，输入模型全局常量，同时在线检测干燥一段的进气参数和排气参数(主要包括进气压力、排气压力、进气温度和排气温度)，由于干燥一段的给料全部为生球，此时以生球自然温度和该工艺段的进气温度为边界条件，模拟出干燥一段结束点位置球团在料层高度方向的温度分布，并将其作为相邻工艺段(即干燥二段)的初始条件，由此，依次模拟出后续各工艺段球团的温度。以对某一个工艺段进行过程模拟为例，具体为：

在线检测该工艺段的进气温度TnA、排气温度TnB、进气压力PnA与排气压力PnB，得到该工艺段的实测压差ΔPn＝PnA-PnB。其中，当该工艺段采用鼓风操作(例如干燥一段，即鼓风干燥段)时，该工艺段的进气温度为风箱内气体温度，排气温度为炉罩内气体温度，进气压力为风箱内压力，排气压力为炉罩内压力。当该工艺段采用抽风操作(例如干燥二段、预热段、焙烧段)时，该工艺段的进气温度为炉罩内气体温度，排气温度为风箱内气体温度，进气压力为炉罩内压力，排气压力为风箱内压力。

该工艺段的给料为上一工艺段输出的球团，以该球团温度和该工艺段的进气温度为初始条件(当该工艺段为干燥一段，此时以生球自然温度为初始条件)，设定初始孔隙率ε和该工艺段的初始气体流量Gn，通过计算机程序将能量与质量守恒模型的多个偏微分方程(即方程1-4)采用有限元法或差分法迭代计算得到该工艺段的模拟排气温度TnB’，同时通过厄根方程(即方程5)计算得到该工艺段的模拟压差ΔPn’(此处的模拟压差ΔPn’即为气流经过料层高度方向上的多个网格的压降)。计算该工艺段模拟排气温度TnB’与实测排气温度TnB的偏差dTn＝TnB’-TnB，及模拟压差ΔPn’与实测压差ΔPn的偏差dPn＝ΔPn’-ΔPn。将该工艺段的温度偏差与压差偏差作为反馈量来修正孔隙率和气体流量，然后同样通过计算机程序将能量与质量守恒模型的多个偏微分方程(即方程1-4)采用有限元法或差分法迭代计算得出固相在该工艺段与下一工艺段交界处y轴上的温度分布T_s(t,y)，即得到球团在该工艺段的终点温度TnS。当过程模拟进行到焙烧段时，即能够得到球团在焙烧段结束点位置的温度模拟值。

其中：n表示对应第n个工艺段。n＝1，表示第一个工艺段，即干燥一段。n＝2，表示第二个工艺段，即干燥二段。n＝3，表示第三个工艺段，即预热段。N＝4，表示第四个工艺段，即焙烧段。

需要说明的是，每一个工艺段的结束点位置所模拟得到的球团温度实际是该位置球团在料层高度方向上的温度分布，而球团在料层高度方向上的温度是有梯度的，也就是说，各工艺段的终点球团温度并不是固定值。因而本申请将焙烧终点温度的模拟值界定为在焙烧段结束时表层球团的温度。

本申请中所述孔隙率，是指料层中孔隙体积与总体积之比，孔隙率是难以准确测量的参数。所述该工艺段的气体流量，是指进入该工艺段的热载体流量。当该工艺段采用鼓风操作时，热载体从下往上穿过移动床，与篦床层、铺底料层、球团层进行对流传热；当该工艺段采用抽风操作时，热载体则从上往下穿过移动床，与球团层、铺底料层、篦床层进行对流传热；其中，焙烧过程中的物理化学反应主要发生在球团层。本发明首先设定初始孔隙率和相应工艺段的初始气体流量，然后通过该工艺段的模拟排气温度与实测排气温度的偏差对孔隙率进行修正，并通过该工艺段的模拟压差与实测压差的偏差对气体流量进行修正，从而得到符合实测排气温度和实测压差条件下的孔隙率和气体流量，也使得本申请的在线过程模拟更为准确。进而能够计算得到球团在该工艺段与下一工艺段交界处y轴上的温度分布，即得到球团在该工艺段的终点温度，该球团温度又作为紧邻其后工艺段的初始条件。

在本发明中，将温度偏差与压差偏差(即模拟值与实测值之间的偏差)作为反馈量来修正孔隙率和气体流量，具体为：

若温度偏差dTn∈[-10，10]、压差偏差dPn∈[-100，100]，即温度偏差与压差偏差都较小，尚在可接受范围内，此时无需调整，保持初始孔隙率ε和该工艺段的初始气体流量Gn不变，继续进行焙烧过程模拟。

若

即dPn＞100或dPn＜-100，此时通过公式Gn’＝Gn*(1-dPn/ΔPn)来调整气体流量；若

即dTn＞10或dTn＜-10，此时通过公式ε’＝ε*(1-dTn/TnB)来调整孔隙率；最终调整后的压差偏差需满足dPn∈[-100，100]、调整后的温度偏差需满足dTn∈[-10，10]。其中：Gn’表示第n个工艺段在调整后的气体流量。ε’表示调整后的孔隙率。

在本发明的步骤3)中，根据前述步骤2)中对焙烧段的过程模拟，获得焙烧段结束点位置的球团温度模拟值T4S。焙烧终点温度设定阈值为T_con，计算焙烧终点温度的模拟值与设定阈值的偏差ΔT＝T4S-T_con。设定焙烧段烧嘴的初始燃气流量Q，并将该焙烧终点温度偏差ΔT作为反馈量来调整焙烧段烧嘴燃气流量，从而获得适宜燃气供应量，实现对球团焙烧温度的控制。

其中，所述将该焙烧终点温度偏差ΔT作为反馈量来调整焙烧段烧嘴燃气流量，具体为：

若ΔT∈[-10，10]，即焙烧终点温度的模拟值与设定阈值的偏差较小，此时无需调整，保持焙烧段烧嘴的初始燃气流量Q不变即可。

若

即ΔT＞10或ΔT＜-10，此时通过公式Q’＝Q*(1-ΔT/T_con)来调整焙烧段烧嘴燃气流量。当焙烧终点温度的模拟值低于设定阈值时，需要提高焙烧温度，即反馈给焙烧段烧嘴控制系统增加燃气流量；当焙烧终点温度的模拟值高于设定阈值时，需要降低焙烧温度，即反馈给焙烧段烧嘴控制系统减少燃气流量；直至调整后的焙烧终点温度的模拟值在设定阈值的范围内，即满足ΔT∈[-10，10]。需要说明的是，在焙烧段烧嘴燃气流量调整的过程中，实时在线检测的焙烧段的进气温度T4A、排气温度T4B、进气压力P4A与排气压力P4B也会随之发生变化，因而在调整烧嘴燃气流量的同时，还需要保证焙烧段在调整后的温度偏差和压差偏差满足要求，即dT4∈[-10，10]、dP4∈[-100，100]。

在本申请中，焙烧终点温度的设定阈值是由焙烧原料性质和产品质量要求所决定的表层球团温度范围，即焙烧终点温度的设定阈值与焙烧原料有关。本申请发明人通过多次实验及相关经验得出不同矿种适宜的球团焙烧终点温度，如下表1所示。

表1不同矿种适宜的球团焙烧终点温度T_con

磁铁矿占比，％	赤铁矿配比，％	T<sub>con</sub>，℃
			0	100	1300
10	90	1290
			20	80	1280
30	70	1270
			40	60	1260
50	50	1250
			60	40	1240
70	30	1230
			80	20	1220
90	10	1210
			100	0	1200

说明：一般来说，设定阈值为温度范围，表1中对于不同矿种仅列出范围内一个适宜的温度值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：

1、本发明通过建立球团焙烧过程模拟模型，对焙烧系统中的各工艺段依次进行过程模拟，以获得焙烧段结束点位置的球团温度模拟值，将该球团温度模拟值与理想焙烧终点温度设定阈值进行比较，利用两者的偏差来调整焙烧段烧嘴的燃气流量，实现对球团实际焙烧温度的控制，解决了现有技术手段无法直接测量球团焙烧温度的问题。

2、本发明基于在线过程模拟实现对球团实际焙烧温度的控制，避免了现有技术中无法直接测量球团焙烧温度而通过间接判断造成的误差，因而能够避免焙烧能源的浪费，提高球团矿产品的质量。

3、本发明注重料层孔隙率对料层压力降的影响，设定料层孔隙率及各工艺段的气体流量，然后通过相应工艺段的模拟排气温度与实测排气温度的偏差对孔隙率进行修正，并通过模拟压差与实测压差的偏差对气体流量进行修正，从而得到符合实测排气温度和实测压差条件下的孔隙率和气体流量，进而能够更加准确地模拟得到各工艺段的球团温度，也使得本申请的在线过程模拟更为精准，以便于指导生产实践。

附图说明

图1为本发明基于在线过程模拟的球团焙烧温度控制方法的流程图；

图2为本发明中针对焙烧系统的某工艺段进行过程模拟的流程图；

图3为本发明中焙烧系统各工艺段的结构示意图；

图4为本发明中移动床的剖面图；

图5为本发明中某工艺段内固相与气相走向的示意图；

图6为本发明中对移动床进行网格划分并建立坐标体系的示意图；

图7为本发明中某一网格的坐标示意图。

具体实施方式

下面对本发明的技术方案进行举例说明，本发明请求保护的范围包括但不限于以下实施例。

根据本发明的实施方案，提供一种基于在线过程模拟的球团焙烧温度控制方法。

基于在线过程模拟的球团焙烧温度控制方法，该方法包括以下步骤：

1)基于球团焙烧过程中固相和气相的热质平衡，建立球团焙烧过程模拟模型。

2)输入模型全局常量，对干燥一段、干燥二段、预热段、焙烧段依次进行过程模拟。

3)获取焙烧段结束点位置的球团温度模拟值，将其与焙烧终点温度设定阈值进行比较，利用焙烧终点温度的模拟值与设定阈值的偏差，来调整焙烧段烧嘴燃气流量，从而实现对球团实际焙烧温度的控制。

在本发明中，在步骤1)中，所述建立球团焙烧过程模拟模型具体包括以下子步骤：

101)在焙烧系统上，自下而上依次设有篦床层、铺底料层、生球层，所述篦床层、铺底料层、生球层形成移动床。沿移动床的运行方向建立以时间t为横坐标轴、高度y为纵坐标轴的坐标体系。

102)对移动床划分网格：在高度方向上，铺底料层和生球层采用相同的网格密度，其网格高度小于等于球团直径。在时间方向上，步长设置为1s。

103)基于热量平衡和质量平衡，对每个网格分别构建固相能量方程、固相质量方程、气相能量方程、气相质量方程，同时对每个网格分别适用厄根方程。

在本发明中，在步骤2)中，所述对干燥一段、干燥二段、预热段、焙烧段中的某工艺段进行过程模拟，具体为：

在线检测该工艺段的进气温度TnA、排气温度TnB、进气压力PnA与排气压力PnB，得到该工艺段的实测压差ΔPn＝PnA-PnB。该工艺段的给料为上一工艺段输出的球团，以该球团温度和该工艺段的进气温度为初始条件，设定初始孔隙率ε和该工艺段的初始气体流量Gn，通过热质平衡方程计算该工艺段的模拟排气温度TnB’，并通过厄根方程计算该工艺段的模拟压差ΔPn’。计算该工艺段模拟排气温度TnB’与实测排气温度TnB的偏差dTn＝TnB’-TnB，及模拟压差ΔPn’与实测压差ΔPn的偏差dPn＝ΔPn’-ΔPn。将该工艺段的温度偏差与压差偏差作为反馈量来修正孔隙率和气体流量，然后通过热质平衡方程计算得出固相在该工艺段与下一工艺段交界处y轴上的温度分布T_s(t,y)，即得到球团在该工艺段的终点温度TnS。

其中：n表示对应第n个工艺段。

在本发明中，所述将温度偏差与压差偏差作为反馈量来修正孔隙率和气体流量，具体为：

若dTn∈[-10，10]、dPn∈[-100，100]，此时无需调整，保持初始孔隙率ε和该工艺段的初始气体流量Gn不变。

若

和/或

则通过公式Gn’＝Gn*(1-dPn/ΔPn)来调整气体流量，和/或，通过公式ε’＝ε*(1-dTn/TnB)来调整孔隙率，使得调整后的压差偏差dPn∈[-100，100]，及调整后的温度偏差dTn∈[-10，10]。

其中：Gn’表示第n个工艺段在调整后的气体流量。ε’表示调整后的孔隙率。

在本发明中，步骤3)具体为：

根据步骤2)中对焙烧段的过程模拟，获得焙烧段结束点位置的球团温度模拟值T4S。焙烧终点温度设定阈值为T_con，计算焙烧终点温度的模拟值与设定阈值的偏差ΔT＝T4S-T_con。设定焙烧段烧嘴的初始燃气流量Q，并将该焙烧终点温度偏差ΔT作为反馈量来调整焙烧段烧嘴燃气流量，从而获得适宜燃气供应量，实现对球团焙烧温度的控制。

在本发明中，所述将该焙烧终点温度偏差ΔT作为反馈量来调整焙烧段烧嘴燃气流量，具体为：

若ΔT∈[-10，10]，此时无需调整，保持焙烧段烧嘴的初始燃气流量Q不变。

若

则通过公式Q’＝Q*(1-ΔT/T_con)来调整焙烧段烧嘴燃气流量，使得调整后的ΔT∈[-10，10]。同时，保证焙烧段在调整后的dT4∈[-10，10]、dP4∈[-100，100]。

其中：Q’表示调整后的焙烧段烧嘴燃气流量。

在本发明中，在子步骤103)中，所述固相和气相的能量与质量方程，具体为：

固相能量守恒方程：

固相质量守恒方程：

气相能量守恒方程：

气相质量守恒方程：

在上述方程式中：ρ_s为固相密度，kg/m³。C_s、C_g分别为固相和气相的比热容，kJ/(kg·K)。T_s、T_g分别为固相和气相的温度，K。h为有效传热系数，kJ/(m²·s)。A为传热面积，m²/m³。R_i为i反应的速率，kg/(m³·s)。ΔH_i为i反应的热焓，kJ/kg。α_i为i反应的反应热在气相的分配系数。w_j为球团中j组分的密度，kg/m³。G为气体流量，kg/(m²·s)。B_i为i反应的气体反应产物。

在本发明中，在子步骤103)中，所述厄根方程具体为：

在上述方程式中：ΔPn’为第n个工艺段的模拟压差，Pa。H为料层高度，m。ε为孔隙率，％。ρ_g为气体密度，kg/m³。μ为气体动力黏度，kg/(m·s)。ω为气体流速，m/s。d为颗粒的平均直径，m。

为颗粒的形状系数。

作为优选，在子步骤102)中，在高度方向上，篦床层采用与铺底料层和生球层不同的网格密度，将篦床层划分为不少于4层的网格。

在本发明中，步骤2)中所述的模型全局常量，具体包括：焙烧系统有效长度、焙烧系统内各工艺段的长度、布料总厚度、铺底料层厚度、球团层厚度、焙烧系统运行速度、生球给料量、生球中各物质的组分、生球初始温度。

实施例1

以400Mt/a带式焙烧机球团产量为例，焙烧机有效长度126m(Ⅰ段：9m；Ⅱ段：15m；Ⅲ段：18m；Ⅳ段：30m；Ⅴ段：9m；Ⅵ段：33m；Ⅶ段：12m)，布料总厚度400mm，铺底料层高100mm，生球层高300mm，焙烧机运行速度4.0m/min，以上参数作为模型的全局常量。在焙烧段烧嘴燃气量Q＝35m³/t时测得的各段炉罩和风箱温度、压力如下表2所示。

表2实测的各工艺段炉罩和风箱的温度与压力

	Ⅰ段	Ⅱ段	Ⅲ段	Ⅳ段
					炉罩温度，℃	100	360	900	1250
风箱温度，℃	260	115	200	450
					炉罩压力，Pa	-50	-50	-50	-50
风箱压力，Pa	3950	-4250	-4250	-4550

说明：对于鼓风操作的工艺段，进气温度为风箱内气体温度，排气温度为炉罩内气体温度，进气压力为风箱内压力，排气压力为炉罩内压力；对于抽风操作的工艺段，进气温度为炉罩内气体温度，排气温度为风箱内气体温度，进气压力为炉罩内压力，排气压力为风箱内压力。

输入模型全局常量，铁矿原料中磁铁矿和赤铁矿各占50％。先模拟Ⅰ段(即干燥一段)，边界条件T1A＝260℃，T1B＝100℃，P1A＝3950Pa，P1B＝-50Pa，ΔP1＝P1A-P1B＝4000Pa，此时给料全部为生球，T0S＝25℃。设定初始孔隙率ε＝0.5，初始气体流量G1＝6*10⁴m³/h，通过计算机程序将能量与质量守恒模型的多个偏微分方程(即热质平衡方程1-4)采用差分法迭代计算出该工艺段的模拟排气温度T1B’＝102℃，并通过厄根方程(即方程5)计算该工艺段的模拟压差ΔP1’＝4285Pa。此时，dP1＝ΔP1’-ΔP1＝285Pa，将气体流量调整为G1’＝6*10⁴*(1-285/4000)＝5.57*10⁴m³/h，继续计算出T1B’＝84℃，ΔP1’＝3885Pa。此时，dP1＝ΔP1’-ΔP1＝-115Pa，将气体流量调整为G1’＝5.57*10⁴*(1+115/4000)＝5.73*10⁴m³/h，继续计算出T1B’＝88℃，ΔP1’＝3980Pa。此时，dP1＝ΔP1’-ΔP1＝-20Pa，满足dP1∈[-100，100]，但dT1＝T1B’–T1B＝-12℃，将孔隙率调整为ε’＝0.5*(1+12/100)＝0.56，继续计算出T1B’＝112℃，ΔP1’＝4035Pa。此时，dP1＝ΔP1’-ΔP1＝35Pa，满足dP1∈[-100，100]，但dT1＝T1B’–T1B＝12℃，将孔隙率调整为ε’＝0.56*(1-12/100)＝0.49，继续计算出T1B’＝96℃，ΔP1’＝3970Pa。此时，dP1＝ΔP1’-ΔP1＝-30Pa，满足dP1∈[-100，100]，dT1＝T1B’–T1B＝-4℃，满足dT1∈[-10，10]，跳出循环，然后同样通过计算机程序将能量与质量守恒模型的多个偏微分方程(即热质平衡方程1-4)采用差分法迭代计算得到固相在Ⅰ段和Ⅱ段交界处y轴上的温度分布，即得到球团在Ⅰ段的终点位置料层高度方向上的温度分布。

继续模拟Ⅱ段(即干燥二段)，边界条件T2A＝360℃，T2B＝115℃，P2A＝-50Pa，P2B＝-4250Pa，ΔP2＝P2A-P2B＝4200Pa，此时给料为I段输出的球。设定初始孔隙率ε＝0.5，初始气体流量G2＝8*10⁴m³/h，通过热质平衡方程计算出该工艺段的模拟排气温度T2B’＝110℃，并通过厄根方程计算该工艺段的模拟压差ΔP2’＝4085Pa。此时，dP2＝ΔP2’-ΔP2＝-115Pa，将气体流量调整为G2’＝8*10⁴*(1+115/4200)＝8.22*10⁴m³/h，继续计算出T2B’＝127℃，ΔP2’＝4225Pa。此时，dP2＝ΔP2’-ΔP2＝25Pa，满足dP2∈[-100，100]，但dT2＝T2B’–T2B＝12℃，将孔隙率调整为ε’＝0.5*(1-12/115)＝0.45，继续计算出T2B’＝120℃，ΔP2’＝4180Pa。此时，dP2＝ΔP2’-ΔP2＝-20Pa，满足dP2∈[-100，100]，dT2＝T2B’–T2B＝5℃，满足dT2∈[-10，10]，跳出循环，然后通过热质平衡方程计算得出固相在Ⅱ段和Ⅲ段交界处y轴上的温度分布，即得到球团在Ⅱ段的终点位置料层高度方向上的温度分布。

继续模拟Ⅲ段(即预热段)，边界条件T3A＝900℃，T3B＝200℃，P3A＝-50Pa，P3B＝-4250Pa，ΔP3＝P3A-P3B＝4200Pa，此时给料为Ⅱ段输出的球。设定初始孔隙率ε＝0.5，气体流量G3＝10*10⁴m³/h，通过热质平衡方程计算出该工艺段的模拟排气温度T3B’＝170℃，并通过厄根方程计算该工艺段的模拟压差ΔP3’＝4125Pa。此时，dP3＝ΔP3’-ΔP3＝-75Pa，满足dP3∈[-100，100]，但dT3＝T3B’–T3B＝-30℃，将孔隙率调整为ε’＝0.5*(1+30/200)＝0.58，继续计算出T3B’＝215℃，ΔP3’＝4050Pa。此时，dP3＝ΔP3’-ΔP3＝-150Pa，将气体流量调整为G3’＝10*10⁴*(1+150/4200)＝10.36*10⁴m³/h，继续计算出T3B’＝220℃，ΔP3’＝4250Pa。此时，dP3＝ΔP3’-ΔP3＝50Pa，满足dP3∈[-100，100]，但dT3＝T3B’–T3B＝20℃，将孔隙率调整为ε’＝0.58*(1-20/200)＝0.52，继续计算出T3B’＝202℃，ΔP3’＝4180Pa。此时，dP3＝ΔP3’-ΔP3＝-20Pa，满足dP3∈[-100，100]，dT3＝T3B’–T3B＝2℃，满足dT3∈[-10，10]，跳出循环，然后通过热质平衡方程计算得出固相在Ⅲ段和Ⅳ段交界处y轴上的温度分布，即得到球团在Ⅲ段的终点位置料层高度方向上的温度分布。

继续模拟Ⅳ段(即焙烧段)，边界条件T4A＝1250℃，T4B＝450℃，P4A＝-50Pa，P4B＝-4550Pa，ΔP4＝P4A-P4B＝4500Pa，此时给料为Ⅲ段输出的球。设定初始孔隙率ε＝0.5，初始气体流量G4＝180*10⁴m³/h，通过热质平衡方程计算出该工艺段的模拟排气温度T4B’＝455℃，并通过厄根方程计算该工艺段的模拟压差ΔP4’＝4450Pa。此时，dP4＝ΔP4’-ΔP4＝-50Pa，满足dP4∈[-100，100]，dT4＝T4B’–T4B＝5℃，满足dT4∈[-10，10]，然后通过热质平衡方程计算得出在焙烧段结束点位置表层球团的温度模拟值T4S＝1220℃。由表1可知，在磁铁矿50％+赤铁矿50％的原料条件下，适宜的焙烧终点温度T_con为1250℃，即ΔT＝T4S-T_con＝-30℃，调整焙烧段烧嘴煤气量为Q’＝35*(1+30/1250)＝35.84m³/t。此时实测出T4A＝1270℃，T4B＝460℃，P4A＝-50Pa，P4B＝-4550Pa，ΔP4＝P4A-P4B＝4500Pa，保持孔隙率ε和气体流量G4初始值不变，继续计算出T4B’＝465℃，ΔP4’＝4450Pa；此时，dP4＝ΔP4’-ΔP4＝-50Pa，满足dP4∈[-100，100]，dT4＝T4B’–T4B＝5℃，满足dT4∈[-10，10]，然后通过热质平衡方程计算得出球团焙烧终点温度的模拟值T4S＝1245℃，满足ΔT＝T4S-T_con∈[-10，10]，跳出循环计算，即得出焙烧段最佳的燃气供应量为35.84m³/t。

Claims (10)

1.基于在线过程模拟的球团焙烧温度控制方法，该方法包括以下步骤：

1)基于球团焙烧过程中固相和气相的热质平衡，建立球团焙烧过程模拟模型；

2)输入模型全局常量，对干燥一段、干燥二段、预热段、焙烧段依次进行过程模拟；

3)获取焙烧段结束点位置的球团温度模拟值，将其与焙烧终点温度设定阈值进行比较，利用焙烧终点温度的模拟值与设定阈值的偏差，来调整焙烧段烧嘴燃气流量，从而实现对球团实际焙烧温度的控制。

2.根据权利要求1所述的球团焙烧温度控制方法，其特征在于：在步骤1)中，所述建立球团焙烧过程模拟模型具体包括以下子步骤：

101)在焙烧系统上，自下而上依次设有篦床层、铺底料层、生球层，所述篦床层、铺底料层、生球层形成移动床；沿移动床的运行方向建立以时间t为横坐标轴、高度y为纵坐标轴的坐标体系；

102)对移动床划分网格：在高度方向上，铺底料层和生球层采用相同的网格密度，其网格高度小于等于球团直径；在时间方向上，步长设置为1s；

103)基于热量平衡和质量平衡，对每个网格分别构建固相能量方程、固相质量方程、气相能量方程、气相质量方程，同时对每个网格分别适用厄根方程。

3.根据权利要求2所述的球团焙烧温度控制方法，其特征在于：在步骤2)中，所述对干燥一段、干燥二段、预热段、焙烧段中的某工艺段进行过程模拟，具体为：

在线检测该工艺段的进气温度TnA、排气温度TnB、进气压力PnA与排气压力PnB，得到该工艺段的实测压差ΔPn＝PnA-PnB；该工艺段的给料为上一工艺段输出的球团，以该球团温度与该工艺段的进气温度为初始条件，设定初始孔隙率ε和该工艺段的初始气体流量Gn，通过热质平衡方程计算该工艺段的模拟排气温度TnB’，并通过厄根方程计算该工艺段的模拟压差ΔPn’；计算该工艺段模拟排气温度TnB’与实测排气温度TnB的偏差dTn＝TnB’-TnB，及模拟压差ΔPn’与实测压差ΔPn的偏差dPn＝ΔPn’-ΔPn；将该工艺段的温度偏差与压差偏差作为反馈量来修正孔隙率和气体流量，然后通过热质平衡方程计算得出固相在该工艺段与下一工艺段交界处y轴上的温度分布T_s(t,y)，即得到球团在该工艺段的终点温度TnS；

其中：n表示对应第n个工艺段。

4.根据权利要求3所述的球团焙烧温度控制方法，其特征在于：所述将温度偏差与压差偏差作为反馈量来修正孔隙率和气体流量，具体为：

若dTn∈[-10，10]、dPn∈[-100，100]，此时无需调整，保持初始孔隙率ε和该工艺段的初始气体流量Gn不变；

若

和/或

则通过公式Gn’＝Gn*(1-dPn/ΔPn)来调整气体流量，和/或，通过公式ε’＝ε*(1-dTn/TnB)来调整孔隙率，使得调整后的压差偏差dPn∈[-100，100]，及调整后的温度偏差dTn∈[-10，10]；

其中：Gn’表示第n个工艺段在调整后的气体流量；ε’表示调整后的孔隙率。

5.根据权利要求3或4所述的球团焙烧温度控制方法，其特征在于：步骤3)具体为：

根据步骤2)中对焙烧段的过程模拟，获得焙烧段结束点位置的球团温度模拟值T4S；焙烧终点温度设定阈值为T_con，计算焙烧终点温度的模拟值与设定阈值的偏差ΔT＝T4S-T_con；设定焙烧段烧嘴的初始燃气流量Q，并将该焙烧终点温度偏差ΔT作为反馈量来调整焙烧段烧嘴燃气流量，从而获得适宜燃气供应量，实现对球团焙烧温度的控制。

6.根据权利要求5所述的球团焙烧温度控制方法，其特征在于：所述将该焙烧终点温度偏差ΔT作为反馈量来调整焙烧段烧嘴燃气流量，具体为：

若ΔT∈[-10，10]，此时无需调整，保持焙烧段烧嘴的初始燃气流量Q不变；

若

则通过公式Q’＝Q*(1-ΔT/T_con)来调整焙烧段烧嘴燃气流量，使得调整后的ΔT∈[-10，10]；同时，保证焙烧段在调整后的dT4∈[-10，10]、dP4∈[-100，100]；

其中：Q’表示调整后的焙烧段烧嘴燃气流量。

7.根据权利要求2-6中任一项所述的球团焙烧温度控制方法，其特征在于：在子步骤103)中，所述固相和气相的能量与质量方程，具体为：

固相能量守恒方程：

固相质量守恒方程：

气相能量守恒方程：

气相质量守恒方程：

在上述方程式中：ρ_s为固相密度，kg/m³；C_s、C_g分别为固相和气相的比热容，kJ/(kg·K)；T_s、T_g分别为固相和气相的温度，K；h为有效传热系数，kJ/(m²·s)；A为传热面积，m²/m³；R_i为i反应的速率，kg/(m³·s)；ΔH_i为i反应的热焓，kJ/kg；α_i为i反应的反应热在气相的分配系数；w_j为球团中j组分的密度，kg/m³；G为气体流量，kg/(m²·s)；B_i为i反应的气体反应产物。

8.根据权利要求2-7中任一项所述的球团焙烧温度控制方法，其特征在于：在子步骤103)中，所述厄根方程具体为：

在上述方程式中：ΔPn’为第n个工艺段的模拟压差，Pa；H为料层高度，m；ε为孔隙率，％；ρ_g为气体密度，kg/m³；μ为气体动力黏度，kg/(m·s)；ω为气体流速，m/s；d为颗粒的平均直径，m；

为颗粒的形状系数。

9.根据权利要求2-8中任一项所述的球团焙烧温度控制方法，其特征在于：在子步骤102)中，在高度方向上，篦床层采用与铺底料层和生球层不同的网格密度，将篦床层划分为不少于4层的网格。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的球团焙烧温度控制方法，其特征在于：步骤2)中所述的模型全局常量，具体包括：焙烧系统有效长度、焙烧系统内各工艺段的长度、布料总厚度、铺底料层厚度、球团层厚度、焙烧系统运行速度、生球给料量、生球中各物质的组分、生球初始温度。

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