CN117403015A - 基于拓展高炉Rist操作线的能耗估算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于拓展高炉Rist操作线的能耗估算方法，其基于高炉Rist操作线的计算，整理计算高炉工序数据，所述数据中包括铁水中熔解的碳含量及炉尘灰中的固体碳含量；将铁水中熔解的碳含量和炉尘灰中的固体碳含量代入高炉Rist操作线的计算，根据测量结果计算得出A点、E点的横纵坐标；连接A点、E点得到AE操作线，将AE操作线的斜率转换成高炉冶炼的碳比，进而表征高炉入炉燃料的碳消耗量；从而在考虑氢还原的条件下将铁水中熔解的碳含量及炉尘灰中的固体碳含量认定为固定碳，通过将铁水中熔解的碳和炉尘灰中的固体碳视为高炉炼铁中活动的碳单质，代入高炉Rist操作线的计算中，以减小碳消耗量的计算误差，拓展高炉Rist操作线的能力。
Description
技术领域
本发明涉及高炉冶炼技术领域，特别是涉及一种基于拓展高炉Rist操作线的能耗估算方法。
背景技术
传统的高炉Rist操作线是法国钢铁研究院A.Rist教授提出的，用于表征高炉炼铁过程中Fe-O-C三元素的变化与转移。高炉冶炼的过程，主要是燃料中的C夺取O的过程，这三种来源的O都与C结合而成为CO或CO2，成为气态碳氧化物。在平面直角坐标系上，纵坐标为O/Fe(表示冶炼一个Fe原子必须夺取的O原子数)，横坐标为O/C(即与一个C原子结合的O原子数)。很显然，冶炼每个Fe原子所需夺取的O原子数越多，那么则反应生成的煤气中，与C结合的O原子数也越多，这就是说二者成正比关系，即成一直线关系，这条直线就是操作线。
然而，传统操作线无法准确表征铁水渗碳和炉尘排碳过程。铁水渗碳是指单质碳向不饱和铁水中熔解，而炉尘排碳是指焦炭和煤粉在高炉内形成未燃煤粉和焦粉，随炉尘排出。这两个过程对高炉中的碳消耗有重要影响，但在传统操作线中无法准确反映，进而使得根据高炉Rist操作线计算得到的碳消耗量与实际碳消耗量误差较大，不利于更全面地、更直接的分析高炉冶炼过程中碳的转化和排放情况。
现有技术中，公开号为CN116189801A的专利中公开了一种基于Rist操作线的高炉能耗监测与富氢冶炼预测方法，导入高炉生产数据并确定有氢参与的高炉Rist操作线来进行高炉能耗监测，但是该计算方法未考虑到在高炉实际生产中铁水与炉尘中的含碳，导致其对高炉能耗指标的预测与实际结果存在一定偏差。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于拓展高炉Rist操作线的能耗估算方法，其通过将铁水中熔解的碳和炉尘灰中的固体碳视为活动的碳单质，代入高炉Rist操作线的计算，以减小碳消耗量的计算误差，拓展操作线的能力，使其能够更精确地揭示高炉生产过程中碳的消耗和转移过程，从而更全面地、更直接的分析高炉冶炼过程中碳的转化和排放情况。
为达到上述技术目的，本发明提供一种基于拓展高炉Rist操作线的能耗估算方法，其包括：
基于高炉Rist操作线的计算，整理计算高炉工序数据，所述数据中包括铁水中熔解的碳含量及炉尘灰中的固体碳含量；
将铁水中熔解的碳含量和炉尘灰中的固体碳含量代入高炉Rist操作线的计算，根据测量结果计算得出A点、E点的横纵坐标；
连接A点、E点得到AE操作线，将AE操作线的斜率转换成高炉冶炼的碳比，进而表征高炉入炉燃料的碳消耗量。
优选的，所述炉尘灰中的固体碳含量通过测量炉尘灰中未燃煤粉和焦粉的含量计算得到。
优选的，所述将铁水中熔解的碳含量和炉尘灰中的固体碳含量代入高炉Rist操作线的计算，即为将铁水中熔解的碳含量和炉尘灰中的固体碳含量代入A点横坐标的计算中，所述A点横坐标计算公式为：
上式中，nco为炉顶煤气中的CO的物质的量；为炉顶煤气的CO2的物质的量，为炉顶煤气的H2O的物质的量；n[c]为铁水中熔解的碳的物质的量，n′[c]为随炉尘排出的未燃煤粉和焦粉的物质的量，ωCO、/>表示炉顶煤气中CO、CO2的含量，ω[C]、ω'[C]表示铁水中熔解碳的含量及随炉尘灰排出的未燃煤粉和焦粉的含量，V表示高炉煤气的体积。
优选的，所述A点纵坐标计算公式为：
上式中，ω(Fe2O3)表示矿石中Fe2O3的含量；ω(FeO)表示矿石中FeO的含量；ω(Fe)表示矿石中全铁的含量。
优选的，所述E点的横坐标为0。
优选的，所述E点纵坐标计算公式为：
YE＝-(yf+yb)
上式中，yf表示生铁中合金元素还原及炉渣脱硫带入氧量；yb表示由鼓风带入高炉内的氧量。
优选的，所述生铁中合金元素还原及炉渣脱硫带入氧量yf包括Si、Mn、S、P四种元素带入的氧量，则：
yf＝y[Si]+y[Mn]+y(s)+y[P]
上式中，y[Si]表示Si元素带入的氧量；y[Mn]表示Mn元素带入的氧量；y(s)表示S元素带入的氧量；y[P]表示P元素带入的氧量。
优选的，所述Si、Mn、S、P四种元素带入的氧量的计算方法如下：
上式中，ω[P]表示P元素在生铁中的质量百分数；ω[Si]表示Si元素在生铁中的质量百分数；ω[Mn]表示Mn元素在生铁中的质量百分数；ω[Fe]表示生铁中还原的铁量；ω[S]表示炉渣中硫的质量百分数；U表示渣量。
优选的，所述由鼓风带入高炉内的氧量yb的计算公式为：
上式中，Vb表示高炉鼓入的风量；表示鼓入的热风中的氧含量，ω[Fe]表示生铁中还原的铁量。
优选的，将AE操作线的斜率转换成高炉冶炼的碳比，其公式如下：
C'固＝k固×12×Fer/56
上式中，k固为AE操作线的斜率；Fer表示每吨生铁的还原铁量；XA、YA分别为A点的横坐标、纵坐标；XE、YE分别为E点的横坐标、纵坐标。
本发明的有益效果是：
本发明基于对高炉炼铁过程中隐蔽在还原生成的H2O中氧消耗的考虑，将还原产生的H2O中的氧加入高炉Rist操作线的CO的氧含量计算中，保证CO中碳原子消耗的精确性；并在考虑氢还原的条件下将铁水中熔解的碳含量及炉尘灰中的固体碳含量认定为固定碳，通过将铁水中熔解的碳和炉尘灰中的固体碳视为高炉炼铁中活动的碳单质，代入高炉Rist操作线的计算中，以减小碳消耗量的计算误差，拓展高炉Rist操作线的能力，使其能够更精确地揭示高炉生产过程中碳的消耗和转移过程，从而更全面地、更直接的分析高炉冶炼过程中碳的转化和排放情况。
附图说明
图1为本发明实施例所述基于拓展高炉Rist操作线的能耗估算方法的步骤流程框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
高炉Rist操作线实际反应的是高炉内部氧的迁移过程，即从铁矿石与鼓风带入高炉的氧迁移到煤气中，纵坐标为氧铁比，为氧的来源，横坐标为碳氧比，为氧的去向(也可以理解为燃烧，直接，间接还原夺取的氧)，所以在该坐标系下的直线斜率为C/Fe，即代表高炉冶炼碳比，代表高炉冶炼的原燃料消耗水平。
在高炉Rist操作线中，碳消耗量是通过AE操作线的斜率计算得到的，因此，AE操作线的斜率是否准确直接影响碳消耗量的估算是否准确。AE操作线中A点的横坐标为O/C，即与一个C原子结合的O原子数，A点的纵坐标为O/Fe，即冶炼一个Fe原子必须夺取的O原子数，则AE操作线的斜率为C/Fe，即一个Fe原子消耗的C原子数。由此可知，A点的横纵坐标均与O原子的数量有关。
在高炉炼铁过程中，氢夺取氧化铁中的氧与之结合生成H2O，与CO还原生成CO2的性质相同，增加了煤气利用程度；当入炉氢量增多后，与氢结合的氧的数量不能忽略，如果不考虑隐蔽在还原生成的H2O中氧消耗，而将所有的氧消耗都计算为CO中的碳原子消耗的，那么计算得到的碳比就会比实际的碳比大。因此要保证高炉Rist操作线的精确性，必须将损失在H2O中的氧找补回来，即把还原产生的H2O中的氧加入高炉Rist操作线的CO的氧含量计算中。
另外，除了考虑氢还原，还需要考虑铁水中熔解的碳含量及炉尘灰中的固体碳含量，将铁水中的熔解碳和随炉尘排出的未燃煤粉和焦粉固定为高炉中活动的碳单质，这部分碳不参与碳氧反应，则高炉中活动的碳含量增加。在考虑氢还原的条件下将铁水中熔解的碳含量及炉尘灰中的固体碳含量认定为固定碳，氢还原的影响表现在A点横坐标O/C的分子，固定碳的影响表现在A点横坐标O/C的分母，整体A点横坐标将左移。
基于此，本发明提出一种基于拓展高炉Rist操作线的能耗估算方法，其包括如下步骤：
S1、基于高炉Rist操作线的计算，整理计算高炉工序数据，所述数据中包括铁水中熔解的碳含量及炉尘灰中的固体碳含量。
具体的，操作线所需的数据包括矿石成分、炉顶煤气、生铁成分、炉渣、炉尘、风口前燃烧碳量、一般物料平衡和区域热平衡中的有关数据，还包括测量铁水中熔解的碳的含量ω[C]，以及随炉尘灰排出的未燃煤粉和焦粉的含量ω'[C]，并将测量结果转化成物质的量进行计算，具体的，炉尘灰中的固体碳含量通过炉尘灰中未燃煤粉和焦粉的含量计算得到。
S2、将铁水中熔解的碳含量和炉尘灰中的固体碳含量代入高炉Rist操作线的计算，根据测量结果计算得出A点、E点的横纵坐标。
设A点的坐标为(XA，YA)，由于A点的横坐标为O/C，即与一个C原子结合的O原子数，在考虑氢还原的条件下将铁水中熔解的碳含量及炉尘灰中的固体碳含量认定为固定碳，将铁水中熔解的碳含量和炉尘灰中的固体碳含量代入高炉Rist操作线的计算，即为将铁水中熔解的碳含量和炉尘灰中的固体碳含量代入A点横坐标的计算中，则A点横坐标计算公式为：
上式(1)中，nco为炉顶煤气中的CO的物质的量；为炉顶煤气的CO2的物质的量，为炉顶煤气的H2O的物质的量；n[c]为铁水中熔解的碳的物质的量，n′[c]为随炉尘排出的未燃煤粉和焦粉的物质的量，ωCO、/>表示炉顶煤气中CO、CO2的含量，ω[C]、ω'[C]表示铁水中熔解碳的含量及随炉尘灰排出的未燃煤粉和焦粉的含量，V表示高炉煤气的体积。
根据上述公式计算得到的A点横坐标值小于根据原始高炉Rist操作线计算得到的A点横坐标值，因此，在考虑氢还原的条件下将铁水中熔解的碳含量及炉尘灰中的固体碳含量认定为固定碳，将铁水中熔解的碳含量和炉尘灰中的固体碳含量代入高炉Rist操作线的计算，使整体A点横坐标左移。
A点纵坐标表示矿石中氧化铁带入高炉内的氧量，矿石中氧化铁带入高炉内的氧量不变，即A点纵坐标如Rist操作线一致，A点纵坐标计算公式为：
上式(2)中，ω(Fe2O3)表示矿石中Fe2O3的含量；ω(FeO)表示矿石中FeO的含量；ω(Fe)表示矿石中全铁的含量。
设E点的坐标为(XE，YE)，E点的横坐标为0，E点的纵坐标表示迁移的氧的来源，可分为生铁中合金元素还原及炉渣脱硫带入氧量yf及由鼓风带入高炉内的氧量yb，E点纵坐标计算公式为：
YE＝-(yf+yb) (3)
上式(3)中，yf表示生铁中合金元素还原及炉渣脱硫带入氧量；yb表示由鼓风带入高炉内的氧量。具体的，yf中包括高炉冶炼过程中几种常见的元素，如Si、Mn、S、P等，则yf的计算公式如下：
yf＝y[Si]+y[Mn]+y(s)+y[P] (4)
其中，这四种典型元素带入的氧量的计算公式如下：
上式(4)(5)(6)(7)(8)中，ω[P]表示P元素在生铁中的质量百分数；ω[Si]表示Si元素在生铁中的质量百分数；ω[Mn]表示Mn元素在生铁中的质量百分数；ω[Fe]表示生铁中还原的铁量；ω[S]表示炉渣中硫的质量百分数；U表示渣量。
由鼓风带入高炉内的氧量yb的计算公式为：
上式(9)中，Vb表示高炉鼓入的风量；表示鼓入的热风中的氧含量，ω[Fe]表示生铁中还原的铁量。
S3、连接A点、E点得到AE操作线，将AE操作线的斜率转换成高炉冶炼的碳比，进而表征高炉入炉燃料的碳消耗量。
具体的，计算AE操作线的斜率，并将AE操作线的斜率转换成高炉冶炼的碳比，其公式如下：
C'固＝k固×12×Fer/56 (11)
上式(10)(11)中，k固为AE操作线的斜率；Fer表示每吨生铁的还原铁量；XA、YA分别为A点的横坐标、纵坐标；XE、YE分别为E点的横坐标、纵坐标。
相对于原始高炉Rist操作线，本发明所述基于拓展高炉Rist操作线的能耗估算方法中的AE操作线的E点坐标不变，A点纵坐标不变，A点横坐标减小，向左移动，AE操作线的斜率增大，进而计算得到的碳消耗量增大，并更接近高炉冶炼实际入炉焦比及煤比带入的碳量，因此，采用本发明提供的基于拓展高炉Rist操作线的能耗估算方法计算得到的碳消耗量更加接近实际值，计算误差更小。
下面结合实施例对本发明提供的基于拓展高炉Rist操作线的能耗估算方法进行说明。
实施例1
收集高炉工序的相关数据，确定操作线所需的数据，具体有矿石成分、炉顶煤气、生铁成分、炉渣、炉尘、风口前燃烧碳量、一般物料平衡和区域热平衡中的有关数据，包括测量铁水中熔解的碳的含量ω[C]，以及随炉尘灰排出的未燃煤粉和焦粉的含量ω'[C]，收集得到的数据如表1～3所示
表1高炉矿石成分含量(％)
表2高炉炉顶煤气成分含量(％)
表13高炉生铁成分含量(％)
以及，渣量317kg/t，渣中含硫0.9％；炉尘15kg/t，炉尘含碳34.73％；入炉焦比390kg，固定碳含量85.91％；煤比125.7kg，煤粉含碳77.836％；风口前燃烧碳量(Cb)270.832kg/t；风量1160.983m3/t，鼓风湿度1.5％；煤气量1661.943m3/t；炉尘中焦炭粉末碳量＝15×0.3473＝5.2095kg
在加氢操作线上将铁水中熔解的碳和炉尘灰中的固体碳的含量计入高炉Rist操作线的计算，根据测量结果计算得出A点、E点的横纵坐标，具体过程如下：
A点横坐标表示煤气中一个C原子所结合的O原子数，即表示煤气中C的氧化程度，也就是间接还原程度，在考虑氢还原的条件下将铁水中熔解的碳含量及炉尘灰中的固体碳含量认定为固定碳，A点横坐标将左移，A点横坐标计算公式为：
而利用传统方法不考虑铁水含碳与炉尘排出碳的原始高炉Rist操作线进行AE操作线计算，A点的横坐标计算公式为：
A点纵坐标表示矿石中氧化铁带入高炉内的氧量，矿石中氧化铁带入高炉内的氧量不变，即A点纵坐标如原始高炉Rist操作线一致，计算公式为：
则基于基于拓展高炉Rist操作线的能耗估算方法计算得到的A点坐标为(1.3029，1.4183)。
基于原始高炉Rist操作线A点坐标为(1.4580，1.4183)。
E点的横坐标计算公式为：XE＝0
E点的纵坐标表示迁移的氧的来源，可分为生铁中合金元素还原及炉渣脱硫带入氧量yf及由鼓风带入高炉内的氧量yb，其中
yf＝y[Si]+y[Mn]+y(s)+y[P]＝0.032
yb表示高炉风口鼓风时，热空气中所带入的氧含量，其计算公式为：
E点的纵坐标计算公式为：
YE＝-(yf+yb)＝-(0.032+1.3417)＝-1.3737
因此，基于基于拓展高炉Rist操作线的能耗估算方法计算得到AE操作线的斜率为：
将AE操作线的斜率转换成高炉冶炼的碳比应为：
C'固＝k固×12×Fer/56＝2.143×12×942.01/56＝432.578kg/t
而高炉冶炼实际入炉焦比及煤比带入的碳量为：
CZ＝390×0.8591+125.7×0.7784＝432.89kg/t
两者相差432.578-432.89＝-0.312kg，即偏差为0.312/432.89＝0.07％。
原始高炉Rist操作线中AE操作线的斜率为：
将原始高炉Rist操作线中AE操作线的斜率转换成高炉冶炼的碳比应为：
C'＝kRist×12×Fer/56＝1.9149×12×942.01/56＝386.5406kg/t
再考虑到生铁渗碳和炉尘带走的碳量，则入炉碳量应为：
C＝386.54+48.9+5.2095＝440.65kg/t
高炉冶炼实际入炉焦比及煤比带入的碳量为：
CZ＝390×0.8591+125.7×0.7784＝432.89kg/t
两者相差440.65-432.89＝7.76kg，即按原始高炉Rist操作线计算结果与实际情况相比要多，偏差为7.76/432.89＝1.79％。
综上所述，按照原始高炉Rist操作线计算碳消耗量为386.54kg/t，加上渗碳量和炉尘排出的碳量后，碳消耗量为440.65kg/t，相比于实际碳消耗量432.89kg/t，偏差为1.79％。按照本发明将在考虑氢还原的条件下将铁水中熔解的碳含量及炉尘灰中的固体碳含量认定为固定碳，A点坐标将左移，E点坐标不变，所计算的碳消耗量为432.89kg/t，相比于实际碳消耗量，偏差为0.07％。即采用本发明所述基于拓展高炉Rist操作线的能耗估算方法计算得到的碳消耗量相较使用原始高炉Rist操作线计算得到的碳消耗量更加接近实际值，碳消耗量的计算误差更小。
通过实验数据验证，使用本发明所述基于拓展高炉Rist操作线的能耗估算方法计算的操作线能够更准确地表征高炉中的碳消耗过程，通过操作线以结果为导向可以反向求得高炉碳比，与传统操作线相比，所述基于拓展高炉Rist操作线的能耗估算方法计算得到的碳消耗量的误差由1.79％降为0.07％。该方法的应用可以提供更全面地、更直接的分析高炉冶炼过程中碳的转化和排放情况。该专利的技术方案简明、实用，可以应用于钢铁行业的高炉操作和能效优化领域，对于提升高炉的能源利用效率和环境友好性具有积极意义。
以上仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于拓展高炉Rist操作线的能耗估算方法，其特征在于，包括：
基于高炉Rist操作线的计算，整理计算高炉工序数据，所述数据中包括铁水中熔解的碳含量及炉尘灰中的固体碳含量；
将铁水中熔解的碳含量和炉尘灰中的固体碳含量代入高炉Rist操作线的计算，根据测量结果计算得出A点、E点的横纵坐标；
连接A点、E点得到AE操作线，将AE操作线的斜率转换成高炉冶炼的碳比，进而表征高炉入炉燃料的碳消耗量。
2.根据权利要求1所述的基于拓展高炉Rist操作线的能耗估算方法，其特征在于，所述炉尘灰中的固体碳含量通过测量炉尘灰中未燃煤粉和焦粉的含量计算得到。
3.根据权利要求1所述的基于拓展高炉Rist操作线的能耗估算方法，其特征在于，所述将铁水中熔解的碳含量和炉尘灰中的固体碳含量代入高炉Rist操作线的计算，即为将铁水中熔解的碳含量和炉尘灰中的固体碳含量代入A点横坐标的计算中，所述A点横坐标计算公式为：
上式中，nco为炉顶煤气中的CO的物质的量；为炉顶煤气的CO2的物质的量，/>为炉顶煤气的H2O的物质的量；n[c]为铁水中熔解的碳的物质的量，n′[c]为随炉尘排出的未燃煤粉和焦粉的物质的量，ωCO、/>表示炉顶煤气中CO、CO2的含量，ω[C]、ω'[C]表示铁水中熔解碳的含量及随炉尘灰排出的未燃煤粉和焦粉的含量，V表示高炉煤气的体积。
4.根据权利要求1所述的基于拓展高炉Rist操作线的能耗估算方法，其特征在于，所述A点纵坐标计算公式为：
上式中，ω(Fe2O3)表示矿石中Fe2O3的含量；ω(FeO)表示矿石中FeO的含量；ω(Fe)表示矿石中全铁的含量。
5.根据权利要求1所述的基于拓展高炉Rist操作线的能耗估算方法，其特征在于，所述E点的横坐标为0。
6.根据权利要求1所述的基于拓展高炉Rist操作线的能耗估算方法，其特征在于，所述E点纵坐标计算公式为：
YE＝-(yf+yb)
上式中，yf表示生铁中合金元素还原及炉渣脱硫带入氧量；yb表示由鼓风带入高炉内的氧量。
7.根据权利要求6所述的基于拓展高炉Rist操作线的能耗估算方法，其特征在于，所述生铁中合金元素还原及炉渣脱硫带入氧量yf包括Si、Mn、S、P四种元素带入的氧量，则：
yf＝y[Si]+y[Mn]+y(s)+y[P]
上式中，y[Si]表示Si元素带入的氧量；y[Mn]表示Mn元素带入的氧量；y(s)表示S元素带入的氧量；y[P]表示P元素带入的氧量。
8.根据权利要求7所述的基于拓展高炉Rist操作线的能耗估算方法，其特征在于，所述Si、Mn、S、P四种元素带入的氧量的计算方法如下：
上式中，ω[P]表示P元素在生铁中的质量百分数；ω[Si]表示Si元素在生铁中的质量百分数；ω[Mn]表示Mn元素在生铁中的质量百分数；ω[Fe]表示生铁中还原的铁量；ω[S]表示炉渣中硫的质量百分数；U表示渣量。
9.根据权利要求6所述的基于拓展高炉Rist操作线的能耗估算方法，其特征在于，所述由鼓风带入高炉内的氧量yb的计算公式为：
上式中，Vb表示高炉鼓入的风量；表示鼓入的热风中的氧含量，ω[Fe]表示生铁中还原的铁量。
10.根据权利要求1所述的基于拓展高炉Rist操作线的能耗估算方法，其特征在于，将AE操作线的斜率转换成高炉冶炼的碳比，其公式如下：
C'固＝k固×12×Fer/56
上式中，k固为AE操作线的斜率；Fer表示每吨生铁的还原铁量；XA、YA分别为A点的横坐标、纵坐标；XE、YE分别为E点的横坐标、纵坐标。
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