CN117867201A - 一种可变喷吹位置的高炉富氢冶炼系统及生产控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变喷吹位置的高炉富氢冶炼系统及生产控制方法，根据高炉富氢冶炼实际工况实时调整喷氢位置，有助于推动高炉富氢低碳炼铁技术发展，实现高炉炼铁显著低碳化，为钢铁工业进一步大幅减排CO₂、实现绿色制造奠定理论和技术基础，助力“碳达峰、碳中和”战略目标的实现，促进建立可持续发展的低碳经济社会进程。

Description

一种可变喷吹位置的高炉富氢冶炼系统及生产控制方法

技术领域

本发明涉及钢铁冶金过程高炉富氢低碳冶炼领域，尤其涉及一种可变喷吹位置的高炉富氢冶炼系统及生产控制方法。

背景技术

中国钢铁行业是仅次于煤电的碳排放大户，是落实碳减排的重要责任主体。目前，以碳冶金和矿石为基础的高炉-转炉流程产钢量约占90％，其中高炉炼铁CO₂排放量是长流程中最大的工序，约占整个钢铁生产CO₂排放总量的70％-90％。高炉炼铁工艺技术成熟、生产能力大、效率高，目前中国现有高炉1000余座，未来几十年高炉仍将是支撑中国对钢铁材料庞大需求的主流炼铁装备，因此钢铁行业实现2030年碳排放强度降低60％的目标必须现有的高炉，高炉富氢低碳冶炼是规模化实现中国钢铁工业低碳的首要路径，国内外高炉富氢冶炼技术应用实践均已表明：通过向高炉喷吹氢气或含有氢气的富氢气体，是减少高炉炼铁过程碳消耗和碳排放的重要途径，该工艺已能稳定成熟的产业化应用，高炉富氢后，降碳、节能、高炉利用系数提高效果显著。

目前高炉富氢气体的喷吹位置常见在热风直吹管区域(以下称热风直吹喷氢位置)，采用嵌入喷氢管道的风口小套或在热风直吹管斜插喷氢枪的方式，将氢气送入高炉风口回旋区，但该方式存在的问题是，氢气极易燃烧，在高炉直吹管高氧化性气氛环境下，氢气在喷枪出口位置快速燃烧并大量释热，导致氢气喷枪喷头及小套极易烧损。目前通常采用的解决方案是，在高炉炉身下部(高炉炉内软化熔融滴落带上方，即炉内炉料块状带下部)周向均匀设置一组喷氢装置(以下简称：软熔滴落喷氢位置)，部分氢气由该位置喷吹进入至高炉中，然而高炉采用富氢冶炼工艺后，炉内软化熔融滴落带的位置下移，同时随着喷氢量的不同，下移程度也随之改变，通过常规冶炼高炉工况选定的软熔滴落喷氢位置已不能满足高炉富氢冶炼的工艺需要，同时也不能根据冶炼工艺确定的喷氢量灵活改变软熔滴落喷氢位置，导致氢气利用率低，以及引起炉身下部喷氢装置阻塞回火等安全问题。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种可变喷吹位置的高炉富氢冶炼系统及操作方法，通过计量监测手段实时确定高炉软化熔融滴落带的位置，并此选定最为合适的软熔滴落喷氢位置，实现喷氢效益最大化以及安全规模化喷氢的目标。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明首先提供了一种可变喷吹位置的高炉富氢冶炼系统，包括富氢气体气源子系统、炉身静压力监测子系统、富氢气体喷吹子系统、控制子系统；其中：

炉身静压力监测子系统包括均匀分布在炉身轴向上的m个监测层，各层为i＝1,2…m；每层包括均匀分布在炉身周向上的n个监测点，各点为j＝1,2…n；

富氢气体喷吹子系统同样包括位置与各监测层相对应的m层喷吹层，而喷吹层包括与位置各监测点对应的n个喷嘴；

控制子系统则通过炉身静压力监测子系统上传的炉身各位置的静压力，通过软化熔融滴落带位置计算模型，确定当前炉内软化熔融滴落带的实际位置，控制富氢气体喷吹子系统进行富氢喷吹。

进一步地，控制子系统中软化熔融滴落带位置的计算模型为：

(1)将炉身静压力监测层的最高层记作第一层，即i＝1，沿炉身轴向方向每向下一层，i值增加1，层数总计为m；炉身静压力监测系统监测点周向位置的标号则通过方式如下确定，以铁口垂直线与所在层圆周交点为起始位置j＝1，顺时针方向开始计数，数量总计为n；则第i层第j个炉身静压力监测点的静压力数值记作p(i,j)；

(2)确定周向位置j的软化熔融滴落带位置，取p(1,j)，p(2,j)，p(3,j)数值，进行线性拟合，得到y＝k₁x+b₁，均值μ₁和标准差σ₁的计算如下，其中a＝3：

(3)计算炉身静压力监测点(3,j)位置的Z分数，表示为：

(4)当Z(3,j)的绝对值超过设定阈值，则判定该位置进入软化熔融滴落带；

(5)若Z(3,j)的绝对值未超过设定阈值，则重复步骤(2)、(3)计算炉身静压力监测点(4,j)位置的Z分数，计算过程中a值增加1，重复步骤(4)、(5)，判定该位置是否进入软化熔融滴落带；

(6)若Z(4,j)的绝对值未超过设定阈值，则重复步骤5，计算过程中a值增加1，直至寻到软化熔融滴落带位置；

(7)对于其他周向位置j的软化熔融滴落带位置的确定，则重复步骤(2)-(6)。

进一步地，m＝30；n＝24；计算模型的设定阈值选定为3。

进一步地，炉身静压力监测系统，以高炉风口大套上沿为起点，每隔200-500mm设置一排炉身静压力监测点，终点位于炉身中上部区域，每一排炉身静压力监测点数量为高炉风口数量的0.5-3倍，每一排监测点的位置沿高炉周向均匀分布。

进一步地，富氢气体喷吹子系统，以高炉风口大套上沿为起点，每隔200-500mm设置一排富氢气体喷吹装置，终点位于炉身中上部区域，富氢气体喷吹装置数量为高炉风口数量的0.5-3倍，每一排的富氢气体喷吹装置的位置沿高炉周向均匀分布。

进一步地，富氢气体喷吹子系统，包括气源总管气体控制阀组，周向分配器，支路气体控制阀组，轴向分配器，以及富氢气体喷吹装置；富氢气体气源通过管道与气源总管气体控制阀组连接，总管中富氢气体的压力和流量调节至工艺要求后，通过管道将总管中富氢气体输送至周向分配器，周向分配器支路个数与高炉每一排的富氢气体喷吹装置数量相同，每一支路的气体通过管道接入该支路的支路气体控制阀组，将支路中富氢气体的压力及流量调节至工艺要求，通过管道接入轴向分配器，轴向分配器的支路数量与富氢气体喷吹装置层数相同，轴向分配器的支路管道上安装有截止阀，并通过管道接入至对应层数相应位置的喷嘴。

进一步地，富氢气体气源子系统为电解水系统。

本发明还提供了可变喷吹位置的高炉富氢冶炼生产控制方法，包括步骤：

(1)提供一种可变喷吹位置的高炉富氢冶炼系统，包括富氢气体气源子系统、炉身静压力监测子系统、富氢气体喷吹子系统、控制子系统；其中：

炉身静压力监测子系统包括均匀分布在炉身轴向上的m个监测层，各层为i＝1,2…m；每层包括均匀分布在炉身周向上的n个监测点，各点为j＝1,2…n；

富氢气体喷吹子系统同样包括位置与各监测层相对应的m层喷吹层，而喷吹层包括与位置各监测点对应的n个喷嘴；

控制子系统则通过炉身静压力监测子系统上传的炉身各位置的静压力，通过软化熔融滴落带位置计算模型，确定当前炉内软化熔融滴落带的实际位置，控制富氢气体喷吹子系统进行富氢喷吹；

(2)起始状态下，来自富氢气体气源的富氢气体由热风直吹管区域喷入高炉，48h后启动炉身静压力监测子系统，获取炉身轴向上各位置的静压力，控制子系统通过软化熔融滴落带位置计算模型，确定不同周向位置的软化熔融滴落带位置；

(3)启动富氢气体喷吹子系统，通过气源总管气体控制阀组调整总管气体的压力及流量，之后通过周向分配器将总管中的富氢气体分配至需要喷吹的周向位置喷吹支管，通过支路气体控制阀组调整支路气体的压力及流量，根据步骤(2)中确定的软化熔融滴落带位置L(i,j)，通过相应的轴向分配器并开启截止阀将氢气输送至位置为L(i-1,j)的富氢气体喷吹装置；

(4)每隔48h后再次启动轴向炉身静压力监测系统，获取炉身各位置的静压力，通过控制系统中软化熔融滴落带位置计算模型，确定不同周向位置的软化熔融滴落带位置，重复步骤(3)。

进一步地，步骤(2)中，控制子系统中软化熔融滴落带位置的计算模型为：

(2-1)将炉身静压力监测层的最高层记作第一层，即i＝1，沿炉身轴向方向每向下一层，i值增加1，层数总计为m；炉身静压力监测系统监测点周向位置的标号则通过方式如下确定，以铁口垂直线与所在层圆周交点为起始位置j＝1，顺时针方向开始计数，数量总计为n；则第i层第j个炉身静压力监测点的静压力数值记作p(i,j)；

(2-2)确定周向位置j的软化熔融滴落带位置，取p(1,j)，p(2,j)，p(3,j)数值，进行线性拟合，得到y＝k₁x+b₁，均值μ₁和标准差σ₁的计算如下，其中a＝3：

(2-3)计算炉身静压力监测点(3,j)位置的Z分数，表示为：

(2-4)当Z(3,j)的绝对值超过设定阈值，则判定该位置进入软化熔融滴落带；

(2-5)若Z(3,j)的绝对值未超过设定阈值，则重复步骤(2-2)、(2-3)计算炉身静压力监测点(4,j)位置的Z分数，计算过程中a值增加1，重复步骤(2-4)、(2-5)，判定该位置是否进入软化熔融滴落带；

(2-6)若Z(4,j)的绝对值未超过设定阈值，则重复步骤(2-5)，计算过程中a值增加1，直至寻到软化熔融滴落带位置；

(2-7)对于其他周向位置j的软化熔融滴落带位置的确定，则重复步骤(2-2)-(2-6)。

进一步地，m＝30；n＝24；计算模型的设定阈值选定为3。

本发明提出一种基于可变喷吹位置的高炉富氢冶炼系统及生产控制方法，根据高炉富氢冶炼实际工况实时调整喷氢位置，有助于推动高炉富氢低碳炼铁技术发展，实现高炉炼铁显著低碳化，为钢铁工业进一步大幅减排CO₂、实现绿色制造奠定理论和技术基础，助力“碳达峰、碳中和”战略目标的实现，促进建立可持续发展的低碳经济社会进程。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例中的高炉富氢冶炼系统示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例中的本发明的一个较佳实施例中的高炉富氢冶炼系统中某一层(j)的横截面的示意图。

附图标记：1-富氢气体气源，2-气源总管气体控制阀组，3-周向分配器，4-支路气体控制阀组，5-轴向分配器，6-管道截止阀，7-控制系统。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

如图1所示，在本实施例中，根据本发明的富氢高炉喷氢系统及其生产控制方法应用于有效容积为1780m³的高炉，包括1780m³高炉本体，其风口数量为24个。

以35000m³/h制氢能力的电解水系统作为富氢气体气源子系统。

炉身静压力监测子系统包括均匀分布在炉身轴向上的30个监测层，各层为i＝1,2…30；每层间隔为500mm。每层包括均匀分布炉身周向上的24个监测点，各点为j＝1,2…24。

位于软熔滴落喷氢位置的富氢气体喷吹子系统，同样设置30层富氢气体喷吹装置，每层间隔为500mm，每层包括均匀分布炉身周向上的24个富氢气体喷嘴，如图2所示。

控制子系统则通过炉身静压力监测子系统上传的炉身各位置的静压力，通过软化熔融滴落带位置计算模型，确定当前炉内软化熔融滴落带的实际位置，控制富氢气体喷吹子系统进行富氢喷吹。

其中，控制子系统中软化熔融滴落带位置的计算模型为：

(1)将炉身静压力监测点最高点(位于炉身中上部区域)记作第一层，即i＝1，沿炉身轴向方向每向下一层，i值增加1，层数总计为m(在本实施例中m＝30)。炉身静压力监测系统监测点周向位置的标号如下确定，以铁口垂直线与所在层圆周交点为起始位置j＝1，顺时针方向开始计数，数量总计为n(在本实施例中n＝24)，则第i层第j个炉身静压力监测点的静压力数值记作p(i,j)；

(2)确定周向位置j的软化熔融滴落带位置，取p(1,j)，p(2,j)，p(3,j)数值，进行线性拟合，得到y＝k₁x+b₁，均值μ₁和标准差σ₁的计算如下，其中a＝3：

(3)计算炉身静压力监测点(3,j)位置的Z分数，表示为：

(4)当Z(3,j)的绝对值超过设定阈值，则判定该位置进入软化熔融滴落带，阈值一般选定为3；

(5)若Z(3,j)的绝对值未超过设定阈值，则重复步骤(2)、(3)计算炉身静压力监测点(4,j)位置的Z分数，计算过程中a值增加1，重复步骤(4)、(5)，判定该位置是否进入软化熔融滴落带；

(6)若Z(4,j)的绝对值未超过设定阈值，则重复步骤5，计算过程中a值增加1，直至寻到软化熔融滴落带位置；

(7)对于其他周向位置j的软化熔融滴落带位置的确定，则重复步骤2-6。

根据本发明的富氢高炉喷氢的生产控制方法包括如下步骤：

(1)起始状态下，来自富氢气体气源1的富氢气体由热风直吹管区域喷入1780m³高炉，48h后启动炉身静压力监测子系统，获取炉身轴向上各位置的静压力，控制子系统7通过软化熔融滴落带位置计算模型，确定不同周向位置的软化熔融滴落带位置；

(2)启动富氢气体喷吹子系统，通过气源总管气体控制阀组2调整总管气体的压力及流量，之后通过周向分配器3将总管中的富氢气体分配至需要喷吹的周向位置喷吹支管，通过支路气体控制阀组4调整支路气体的压力及流量，根据步骤(1)中确定的软化熔融滴落带位置L(i,j)，通过相应的轴向分配器5并开启截止阀6将氢气输送至位置为L(i-1,j)的富氢气体喷吹装置。

(3)每隔48h后再次启动轴向炉身静压力监测系统，获取炉身各位置的静压力，通过控制系统中软化熔融滴落带位置计算模型，确定不同周向位置的软化熔融滴落带位置，重复步骤(2)。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种可变喷吹位置的高炉富氢冶炼系统，其特征在于，包括富氢气体气源子系统、炉身静压力监测子系统、富氢气体喷吹子系统、控制子系统；其中：

炉身静压力监测子系统包括均匀分布在炉身轴向上的m个监测层，各层为i＝1,2…m；每层包括均匀分布在炉身周向上的n个监测点，各点为j＝1,2…n；

富氢气体喷吹子系统同样包括位置与各监测层相对应的m层喷吹层，而喷吹层包括与位置各监测点对应的n个喷嘴；

控制子系统则通过炉身静压力监测子系统上传的炉身各位置的静压力，通过软化熔融滴落带位置计算模型，确定当前炉内软化熔融滴落带的实际位置，控制富氢气体喷吹子系统进行富氢喷吹。

2.如权利要求1所述的可变喷吹位置的高炉富氢冶炼系统，其中，控制子系统中软化熔融滴落带位置的计算模型为：

(1)将炉身静压力监测层的最高层记作第一层，即i＝1，沿炉身轴向方向每向下一层，i值增加1，层数总计为m；炉身静压力监测系统监测点周向位置的标号则通过方式如下确定，以铁口垂直线与所在层圆周交点为起始位置j＝1，顺时针方向开始计数，数量总计为n；则第i层第j个炉身静压力监测点的静压力数值记作p(i,j)；

(2)确定周向位置j的软化熔融滴落带位置，取p(1,j)，p(2,j)，p(3,j)数值，进行线性拟合，得到y＝k₁x+b₁，均值μ₁和标准差σ₁的计算如下，其中a＝3：

(3)计算炉身静压力监测点(3,j)位置的Z分数，表示为：

(4)当Z(3,j)的绝对值超过设定阈值，则判定该位置进入软化熔融滴落带；

(5)若Z(3,j)的绝对值未超过设定阈值，则重复步骤(2)、(3)计算炉身静压力监测点(4,j)位置的Z分数，计算过程中a值增加1，重复步骤(4)、(5)，判定该位置是否进入软化熔融滴落带；

(6)若Z(4,j)的绝对值未超过设定阈值，则重复步骤5，计算过程中a值增加1，直至寻到软化熔融滴落带位置；

(7)对于其他周向位置j的软化熔融滴落带位置的确定，则重复步骤(2)-(6)。

3.如权利要求2所述的可变喷吹位置的高炉富氢冶炼系统，适用于450-6000m³有效容积的高炉，其中，m＝18-80；n＝12-135；计算模型的设定阈值选定为2.5-3.5。

4.如权利要求1所述的可变喷吹位置的高炉富氢冶炼系统，其中，炉身静压力监测系统，以高炉风口大套上沿为起点，每隔200-500mm设置一排炉身静压力监测点，终点位于炉身中上部区域，每一排炉身静压力监测点数量为高炉风口数量的0.5-3倍，每一排监测点的位置沿高炉周向均匀分布。

5.如权利要求1所述的可变喷吹位置的高炉富氢冶炼系统，其中，富氢气体喷吹子系统，以高炉风口大套上沿为起点，每隔200-500mm设置一排富氢气体喷吹装置，终点位于炉身中上部区域，富氢气体喷吹装置数量为高炉风口数量的0.5-3倍，每一排的富氢气体喷吹装置的位置沿高炉周向均匀分布。

6.如权利要求1所述的可变喷吹位置的高炉富氢冶炼系统，其中，富氢气体喷吹子系统，包括气源总管气体控制阀组，周向分配器，支路气体控制阀组，轴向分配器，以及富氢气体喷吹装置；富氢气体气源通过管道与气源总管气体控制阀组连接，总管中富氢气体的压力和流量调节至工艺要求后，通过管道将总管中富氢气体输送至周向分配器，周向分配器支路个数与高炉每一排的富氢气体喷吹装置数量相同，每一支路的气体通过管道接入该支路的支路气体控制阀组，将支路中富氢气体的压力及流量调节至工艺要求，通过管道接入轴向分配器，轴向分配器的支路数量与富氢气体喷吹装置层数相同，轴向分配器的支路管道上安装有截止阀，并通过管道接入至对应层数相应位置的喷嘴。

7.如权利要求1所述的可变喷吹位置的高炉富氢冶炼系统，其中，富氢气体气源子系统为电解水系统，或含有氢元素的富氢气体。

8.一种可变喷吹位置的高炉富氢冶炼生产控制方法，其特征在于，包括步骤：

(1)提供一种可变喷吹位置的高炉富氢冶炼系统，包括富氢气体气源子系统、炉身静压力监测子系统、富氢气体喷吹子系统、控制子系统；其中：

炉身静压力监测子系统包括均匀分布在炉身轴向上的m个监测层，各层为i＝1,2…m；每层包括均匀分布在炉身周向上的n个监测点，各点为j＝1,2…24，n；

富氢气体喷吹子系统同样包括位置与各监测层相对应的m层喷吹层，而喷吹层包括与位置各监测点对应的n个喷嘴；

控制子系统则通过炉身静压力监测子系统上传的炉身各位置的静压力，通过软化熔融滴落带位置计算模型，确定当前炉内软化熔融滴落带的实际位置，控制富氢气体喷吹子系统进行富氢喷吹；

(2)起始状态下，来自富氢气体气源的富氢气体由热风直吹管区域喷入高炉，48-72h后启动炉身静压力监测子系统，获取炉身轴向上各位置的静压力，控制子系统通过软化熔融滴落带位置计算模型，确定不同周向位置的软化熔融滴落带位置；

(3)启动富氢气体喷吹子系统，通过气源总管气体控制阀组调整总管气体的压力及流量，之后通过周向分配器将总管中的富氢气体分配至需要喷吹的周向位置喷吹支管，通过支路气体控制阀组调整支路气体的压力及流量，根据步骤(2)中确定的软化熔融滴落带位置L(i,j)，通过相应的轴向分配器并开启截止阀将氢气输送至位置为L(i-1,j)的富氢气体喷吹装置；

(4)每隔48h后再次启动轴向炉身静压力监测系统，获取炉身各位置的静压力，通过控制系统中软化熔融滴落带位置计算模型，确定不同周向位置的软化熔融滴落带位置，重复步骤(3)。

9.如权利要求8所述的可变喷吹位置的高炉富氢冶炼生产控制方法，其中，步骤(2)中，控制子系统中软化熔融滴落带位置的计算模型为：

(2-1)将炉身静压力监测层的最高层记作第一层，即i＝1，沿炉身轴向方向每向下一层，i值增加1，层数总计为m；炉身静压力监测系统监测点周向位置的标号则通过方式如下确定，以铁口垂直线与所在层圆周交点为起始位置j＝1，顺时针方向开始计数，数量总计为n；则第i层第j个炉身静压力监测点的静压力数值记作p(i,j)；

(2-2)确定周向位置j的软化熔融滴落带位置，取p(1,j)，p(2,j)，p(3,j)数值，进行线性拟合，得到y＝k₁x+b₁，均值μ₁和标准差σ₁的计算如下，其中a＝3：

(2-3)计算炉身静压力监测点(3,j)位置的Z分数，表示为：

(2-4)当Z(3,j)的绝对值超过设定阈值，则判定该位置进入软化熔融滴落带；

(2-5)若Z(3,j)的绝对值未超过设定阈值，则重复步骤(2-2)、(2-3)计算炉身静压力监测点(4,j)位置的Z分数，计算过程中a值增加1，重复步骤(2-4)、(2-5)，判定该位置是否进入软化熔融滴落带；

(2-6)若Z(4,j)的绝对值未超过设定阈值，则重复步骤(2-5)，计算过程中a值增加1，直至寻到软化熔融滴落带位置；

(2-7)对于其他周向位置j的软化熔融滴落带位置的确定，则重复步骤(2-2)-(2-6)。

10.如权利要求9所述的可变喷吹位置的高炉富氢冶炼生产控制方法，其中，m＝30；

n＝24；计算模型的设定阈值选定为3。