WO2016033843A1

WO2016033843A1 - 一种高炉气流分布的检测方法

Info

Publication number: WO2016033843A1
Application number: PCT/CN2014/086931
Authority: WO
Inventors: 赵华涛; 杜屏
Original assignee: 江苏省沙钢钢铁研究院有限公司
Priority date: 2014-09-03
Filing date: 2014-09-19
Publication date: 2016-03-10
Also published as: EP3190194A1; EP3190194B1; JP6503055B2; US20170283891A1; KR20170047377A; CN104212924B; JP2017525854A; CN104212924A; KR101987139B1; EP3190194A4

Abstract

一种高炉气流分布的检测方法，考虑气流与固体料床之间的热量交换，料层结构在高炉径向的分布对高炉径向的透气性的影响，进而影响气流分布的形式，再结合十字测温枪以及其他主要高炉操作参数，计算高炉径向料层结构及气流的分布。依据该检测方法，高炉操作者可以从当前径向气流温度分布的变化，及时准确的推测到炉喉部位径向料层结构和气流的分布变化方向，为布料制度的调整提供方向，确保高炉稳定顺行、延长使用寿命并降低燃料比，而且无需其他昂贵的检测仪器。

Description

一种高炉气流分布的检测方法

本申请要求于2014年09月03日提交中国专利局、申请号为201410446536.6、发明名称为“一种高炉气流分布的检测方法”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。

技术领域

本发明属于高炉气流分布数值模拟技术领域，尤其涉及一种高炉气流分布的检测方法。

背景技术

高炉是指横断面为圆形的炼铁竖炉，通常选用钢板作炉壳，壳内砌耐火砖内衬。高炉本体自上而下分为炉喉、炉身、炉腰、炉腹、炉缸5部分。由于高炉炼铁技术经济指标良好，工艺简单，生产量大，劳动生产效率高，能耗低等优点，故这种方法生产的铁占世界铁总产量的绝大部分。

高炉生产时从炉顶装入铁矿石、焦炭、造渣用熔剂(石灰石)，从位于炉子下部沿炉周的风口吹入经预热的空气。在高温下焦炭(有的高炉也喷吹煤粉、重油、天然气等辅助燃料)中的碳同鼓入空气中的氧燃烧生成的一氧化碳和氢气，在炉内上升过程中除去铁矿石中的氧，从而还原得到铁。炼出的铁水从铁口放出。铁矿石中未还原的杂质和石灰石等熔剂结合生成炉渣，铁水一起从铁口排出，经撇渣器分离出来。产生的煤气从炉顶排出，经除尘后，作为热风炉、加热炉、焦炉、锅炉等的燃料。高炉冶炼的主要产品是生铁，还有副产高炉渣和高炉煤气。

在影响高炉的各种因素中，气流分布对于高炉操作至关重要，人们常说“炼铁即炼气”。众所周知，气流分布是人们进行高炉布料制度调整的最主要标准，它反应了当前高炉操作的稳定与否，决定了高炉煤气利用率的高低。对于高炉这个高温高压密闭容器来讲，如何获取气流的信息至关重要。

在本领域中，通常是通过炉顶红外成像来观察炉喉处燃烧的火焰大小来判断气流的变化，炉喉部位热电偶温度来判断边缘气流的变化，但获得的信息量较少。某些钢铁厂还开发炉喉径向煤气取样设备来分析径向气流成分分布，但不能实现在线检测，且存在煤气泄漏的安全问题。目前大多高炉在炉顶安装十字测温枪来在线监测气流温度在径向的分布，但所获得信息有限，仅有温度分布还不能全面反应气流的分布。现有技术中，如俄国专利SU1330163也公开了一种高炉检测径向气流分布的方法，通过插在炉料里面的煤气取样装置测量煤气成分，并在每批料布下的前、后通过红外成像测量气流径向的温度分布，然后基于炉顶平均气体流量，温度，时间差和炉料比热用经验公式计算出气流的径向分布。然而测量依赖于昂贵的红外测量装置，并且炉内煤气取样装置会影响下料并且加速对高炉内衬的磨损。并且其假设料层厚度和热传导在径向是相同的，而在实际高炉生产中径向料层厚度和热传导是相差很大的。

因此，如何找到一种更准确而且简便的高炉气流分布检测方法，一直是高炉炼铁企业亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种高炉径向气流分布的检测方法，本发明提供的检测方法，使得高炉操作人员在主要操作参数发生变化时，能够迅速得到气流分布以及料层结构分布的变化情况，并可以及时准确的对布料制度作出调整，得到理想的气流分布，以降低燃料比，同时维持高炉操作的稳定顺行。

本发明公开了一种高炉气流分布的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)根据高炉炉顶测温装置的个数和位置，将高炉炉喉截面进行区域划分，得到N个测温装置区域；所述N为大于等于1的自然数；

b)根据各测温装置的温度值以及相应的测温装置区域以下的高炉块状带的气体热流量与固体热流量平衡方程，获得各测温装置区域的固-气热流比；

c)根据上述各测温装置区域的固-气热流比，建立各测温装置区域内物料层厚比和气流速度的函数关系；

d)根据各高炉块状带的料层单位长度压差、物料粒度分布以及气体阻力方程获得各测温装置区域内的物料层厚比，根据上述各测温装置区域内的物料层厚比以及上述步骤c)得到的各测温装置区域内物料层厚比与气流速度的函数关系，得到各测温装置区域气流速度；

e)将上述各测温装置区域分布及其气流速度绘制成图，得到气体分布检测结果。

优选的，步骤d)之后还包括：

d#)根据各测温装置区域内物料层厚比，计算得到平均物料层厚比；根据各测温装置区域气流速度，得到通过测温装置区域的气流总体积，进而得到通过测温装置区域的气流总热量；

将上述步骤得到的平均物料层厚比与理论平均物料层厚比进行比较，得到误差σ1；将上述步骤得到的通过测温装置区域的气流总体积与理论炉顶气流总体积进行比较，得到误差σ2；将上述步骤得到的通过测温装置区域的气流总热量与理论炉顶气流总热量进行比较，得到误差σ3；

当上述σ1、σ2和σ3中的一个或多个，其数值大于等于5％时，修正料层单位长度压差和物料的粒度分布，重新进行上述步骤d)，直到σ1、σ2和σ3的数值均小于5％；

当σ1、σ2和σ3的数值均小于5％时，进行上述步骤e)。

优选的，所述物料为矿石和焦炭，所述理论平均物料层厚比的计算公式为：X₀＝[L_O/(L_O+L_C)]₀，其中，L_O为矿石层厚度，L_C为焦炭层厚度。

优选的，所述各测温装置区域内的物料层厚比为x_i，所述平均物料层厚比为X_t，所述平均物料层厚比的计算公式为：

其中，S_i为各测温装置区域的面积，A为高炉炉喉截面的总面积。

优选的，所述物料为矿石和焦炭；所述测温装置区域内的物料层厚比为x_i，所述测温装置区域内的气流速度为u_i；所述测温装置区域内物料层厚比和气流速度的函数关系为：

其中，C_g为气体比热，C_s为固体比热，G_g为气体流量，G_S为固体流量，ρ为炉顶煤气密度，v为固体料床下降速度，ρ_O为矿石密度，ρ_C为焦炭密度。

优选的，所述各高炉块状带的气体阻力方程为：

其中，k₁ ^*为粘性阻力系数，k₂ ^*为惯性阻力系数，ΔP/L为单位长度压差，ε为料床孔隙度，D_p为颗粒平均粒径，μ为气体粘度，u为气流速度，ρ为气体密度；

所述焦炭的粘性阻力系数和焦炭的惯性阻力系数分别为：

所述矿石的粘性阻力系数和矿石的惯性阻力系数分别为

优选的，所述各高炉块状带的料层单位长度压差均相等；

所述各高炉块状带的料层单位长度压差，等于该高炉块状带内焦炭的单位长度压差与矿石的单位长度压差的和。

优选的，所述测温装置为十字测温枪。

本发明还公开了一种高炉气流分布的检测系统，其特征在于，包括：

划分单元，用于根据高炉炉顶测温装置的个数和位置，将高炉炉喉截面进行区域划分，得到N个测温装置区域；所述N为大于等于1的自然数；

第一获得单元，用于根据各测温装置的温度值以及相应的测温装置区域以下的高炉块状带的气体热流量与固体热流量平衡方程，获得各测温装置区域的固-气热流比；

建立单元，用于根据上述各测温装置区域的固-气热流比，建立各测温装置区域内物料层厚比和气流速度的函数关系；

第二获得单元，用于根据各高炉块状带的料层单位长度压差、物料粒度分布以及气体阻力方程获得各测温装置区域内的物料层厚比，根据上述各测温装置区域内的物料层厚比以及上述步骤c)得到的各测温装置区域内物料层厚比与气流速度的函数关系，得到各测温装置区域气流速度；

结果单元，用于将上述各测温装置区域分布及其气流速度绘制成图，得到气体分布检测结果。

优选的，还包括：

校验单元，用于根据各测温装置区域内物料层厚比，计算得到平均物料层厚比；根据各测温装置区域气流速度，得到通过测温装置区域的气流总体积，进而得到通过测温装置区域的气流总热量；

当σ1、σ2和σ3的数值均小于5％时，进行上述步骤e)。

本发明公开了一种高炉气流分布检测方法，其特征在于，包括以下步骤：a)根据高炉炉顶测温装置的个数和位置，将高炉炉喉截面进行区域划分，得到N个测温装置区域；所述N为大于等于1的自然数；b)根据各测温装置的温度值以及相应的测温装置区域以下的高炉块状带的气体热流量与固体热流量平衡方程，获得各测温装置区域的固-气热流比；c)根据上述各测温装置区域的固-气热流比，建立各测温装置区域内物料层厚比和气流速度的函数关系；d)根据各高炉块状带的料层单位长度压差、物料粒度分布以及气体阻力方程获得各测温装置区域内的物料层厚比，根据上述各测温装置区域内的物料层厚比以及上述步骤c)得到的各测温装置区域内物料层厚比与气流速度的函数关系，得到各测温装置区域气流速度；e)将上述各测温装置区域分布及其气流速度绘制成图，得到气体分布检测结果。与现有技术相比，本发明提供的测量方法，考虑气流与固体料床之间的热量交换，料层结构在高炉径向的分布对高炉径向的透气性的影响，进而影响气流分布的形式，再结合十字测温枪以及其他主要高炉操作参数，计算高炉径向料层结构及气流的分布。依据本发明提供的检测方法，高炉操作者可以从当前径向气流温度分布的变化，及时准确的推测到炉喉部位径向料层结构和气流的分布变化方向，为布料制度的调整提供方向，确保高炉稳定顺行、延长使用寿命并降低燃料比，而且无需其他昂贵的检测仪器。采用本发明提供的检测方法，对不同的操作时间段高炉炉喉径向各个点的热流比分布，矿石层厚比分布以及气流速度分布进行计算，并比较每次布料矩阵改变前后各参数的变化，实验结果表明，每次布料矩阵改变的方向和本发明计算得到的矿石层厚比分布变化的方向一致，随之的气流分布和温度分布的改变也与预期相同。

附图说明

图1为本发明十字测温枪的设置及径向测温区域的布置图；

图2为本发明高炉内部区域的划分以及高炉块状带内气-固热量平衡示意图；

图3为本发明物料位置，固体气体走向以及炉内在线监测的位置；

图4为本发明实施例1中测温装置区域划分的各区域面积；

图5为本发明实施例1中高炉炉料径向下降速度分布图；

图6为本发明宏发2500高炉2013年底到2014年初操作情况；

图7为本发明从Case1到Case2的各参数变化；

图8为本发明从Case2到Case3的各参数变化；

图9为本发明从Case3到Case4的各参数变化；

图10为本发明从Case4到Case5的各参数变化。

具体实施方式

为了进一步了解本发明，下面结合实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点而不是对本发明专利要求的限制。

本发明对所使用的符号与概念的定义没有特别要求，以本领域技术人员熟知的本领域的常用符号以及概念即可。

本发明对所引用的热力学计算公式并无特别要求，以本领域技术人员熟知的热力学计算公式即可。

本发明首先根据高炉炉顶测温装置的个数和位置，将高炉炉喉截面进行区域划分，得到N个测温装置区域；所述N为大于等于1的自然数。

本发明对所述测温装置高炉没有特别限制，以本领域技术人员熟知的炼铁高炉即可，本发明优选为宏发2500m³高炉；本发明对所述测温装置没有特别限制，以本领域技术人员熟知的用于高炉测温的装置即可，本发明优选为十字测温枪；本发明对十字测温枪的个数没有特别限制，以本领域技术人员熟知的常规十字测温枪的个数即可，本发明优选为2～4个；本发明对十字测温枪的测温点的个数没有特别限制，以本领域技术人员熟知的常规十字测温枪的测温点的个数即可，本发明优选为5～8个，更优选为6～7个；本发明对十字测温枪的位置没有特别限制，以本领域技术人员熟知的安装在高炉的十字测温枪的位置即可，本发明优选为在高炉炉喉四壁进行对应安装，更优选为东面和西面，更优选为南面和北面，最优选为东、南、西和北面；本发明对所述测温装置的整体安装位置没有特别限制，以本领域技术人员熟知的整体安装位置即可，本发明具体优选为，在高炉炉喉的东南西北四个方向上各装一支十字测温枪，一支十字测温枪6个测温点，另外3支测温枪各5个测温点。本发明对所述测温点的设置方法没有特别限制，以本领域技术人员熟知的十字测温枪的测温点设置方法即可，本发明具体的测温点设置方法，优选按照以下步骤进行，测温枪向下15度倾斜安装，测温点沿高炉炉喉径向方向，从中心到边缘等距离布置，每两个十字测温枪的间距优选为500～1000mm，更优选为600～900mm，最优选为800mm；本发明对所述径向方向没有特别限制，以本领域技术人员熟知的径向方向即可，本发明所述径向方向为高炉炉喉中心向炉壁的射线方向，所述径向方向可以与水平面平行，也可以不平行。

本发明对所述测温区域的具体个数，即N的具体取值没有其他特别限制，本领域技术人员可以根据高炉的大小以及实际生产情况自行设定，本发明优选为4～8个，更优选为5～7个，最优选为6个；本发明对所述区域划分的方法没有特别限制，以本领域技术人员熟知的十字测温枪的测温区域划分方法即可，本发明具体的划分方法，优选按照以下步骤进行，首先取每两个测温点的中心，以高炉炉喉截面中心为圆心，高炉中心到测温点中心为半径画圆，将炉喉截面沿径向分成6个区域，区域面积分别为S₁，S₂，S₃，S₄，S₅，S₆；在每一个测温区域内，将四个测温枪对应的温度点在四个方向上取平均值，即每个测温装置区域的温度值，最终得到炉顶煤气在炉喉径向上的温度分布。

以上所述十字测温枪和径向测温区域划分的优选方案，可以参见图1，图1为本发明十字测温枪的设置及径向测温区域的布置图。

本发明通过上述方法划分测温区域后，根据各测温装置的温度值以及相应的测温装置区域以下的高炉块状带的气体热流量与固体热流量平衡方程，获得各测温装置区域的固-气热流比。

本发明在高炉块状带部位会达到热平衡，即固体和气体的温度非常接近，即固气之间没有热量传递，这一区域为热平衡区，忽略化学反应及与炉墙的换热带来的热损失，建立气体热流量与固体热流量平衡方程；所述气体热流量与固体热流量平衡方程优选为：C_gG_g(dT/dZ)＝C_sG_s(dt/dZ)；其中，C_g为气体比热，kJ/m³·℃，C_S为固体比热，kJ/kg·℃，G_g为气体流量，Nm³/h，Gs为固体流量，kg/h，dT/dZ为气体单位高度的温度变化，℃/m，dt/dZ为固体单位高度的温度变化，℃/m。

本发明中，十字测温枪上每个测温点均满足上述气体热流量与固体热流量平衡方程，即气-固热平衡方程，将上述各十字测温枪的各温度值导入平衡方程，可以计算出十字测温枪径向各点的固-气热流比C_sG_s/C_gG_g，即得到所述高炉块状带以上的相应的测温装置区域的固-气热流比；所述固-气热流比的等式为：C_sG_s/C_gG_g，i＝1…N；所述相应的测温装置区域是指，测温装置区域在沿高炉高度方向与高炉块状带一一对应，且在相应的高炉块状带的上面。所述测温装置区域中的任意一个测温装置区域为第i个区域，所述1≤i≤N；所述i为大于等于1的自然数。

本发明对所述高炉块状带没有特别限制，以本领域技术人员熟知的高炉块状带即可，本发明后续对高炉内部区域的划分均没有特别限制，以本领域技术人员熟知的划分方法即可，本发明中高炉优选分为块状带，软熔带，滴落带，回旋区和渣铁五个部分，在高炉内部固体和气体的温度分布具体可以参见图2，图2为本发明高炉内部区域的划分以及高炉块状带内气-固热量平衡示意图。

本发明根据上述步骤得到的各测温装置区域的固-气热流比，建立各测温装置区域内物料层厚比和气流速度的函数关系；所述物料优选为矿石和焦炭；所述测温装置区域内的物料层厚比优选为x_i，所述测温装置区域内的气流速度优选为u_i；所述测温装置区域内物料层厚比和气流速度的函数关系优选为：

其中，C_g为气体比热，C_s为固体比热，G_g为气体流量，G_S为固体流量，ρ为炉顶煤气密度，kg/m³，v为固体料床下降速度，m/s，ρ_O为矿石密度，kg/m³，ρ_C为焦炭密度，kg/m³。

在本发明中，所述各测温装置区域内固体热流量方程为，

所述气体热流量的方程为：(C_gG_g)_i＝(C_gρuS)_i；

其中，S为测温装置区域内固体料床和气流通过的截面积，S_i即是各测温装置区域的面积，

L_O为矿石层厚度，m，L_C为焦炭层厚度，m。

本发明对所述高炉内物料的位置、固液气三相的流动方向以及工艺路线并无特别限制，以本领域技术人员熟知的高炉的运行情况即可，具体可以参见图3，图3为本发明物料位置，固体气体走向以及炉内在线监测的位置。

本发明再根据各高炉块状带的料层单位长度压差(ΔP/L)、物料粒度分布以及气体阻力方程获得各测温装置区域内的物料层厚比，然后与上述步骤得到的各测温装置区域内物料层厚比与气流速度的函数关系联立，得到各测温装置区域气流速度。

本发明为便于后续计算，所述高炉块状带的料层单位长度压差(ΔP/L)优选为预先给定其数值，本发明对所述ΔP/L的给定方法没有特别限制，以本领域技术人员熟知的方法即可，本发明优选根据高炉实际操作的全压差和风口到料线距离来给定；所述高炉块状带的物料粒度分布(dp)，即高炉径向焦炭和矿石的粒度分布优选为预先给定其数值，本发明对所述物料粒度分布的给定方法没有特别限制，以本领域技术人员熟知的方法即可，本发明优选所述物料粒度分布由炉喉半径关联得到，具体为：dp＝f(r)(0≤r≤1)(r为无量纲的炉喉半径)，其初始值设为径向均匀分布，即dp＝D_p；本发明对所述高炉物料粒度分布的具体关联方法没有特别限制，以本领域技术人员熟知的粒度分布或分布曲线的测量方法即可；本发明对所述颗粒平均粒径(D_p)的计算方法没有特别限制，以本领域技术人员熟知的平均粒径的计算方法即可，本发明优选为算术平均法。

所述各高炉块状带的料层单位长度压差优选均为相等的数值，即

并优选将所述各高炉块状带的料层单位长度压差，等于该高炉块状带内焦炭的单位长度压差与矿石的单位长度压差的和，即

本发明所述各高炉块状带的气体阻力方程优选为：

其中，k₁ ^*为粘性阻力系数，k₂ ^*为惯性阻力系数，ΔP/L为单位长度压差，kPa/m，ε为料床孔隙度，D_p为颗粒平均粒径，m，μ为气体粘度，Pa·s，u为气流速度，m/s，ρ为气体密度，kg/m³；

本发明对所述粘性阻力系数和惯性阻力系数没有特别限制，以本领域技术人员熟知的计算方法即可，本发明优选根据Yamada在(川崎制铁技报，1974，16-36)发表的“Distribution of Burden Materials and Gas permeability in a Large Volume Blast Furnace”中的计算方法得出，

所述焦炭的粘性阻力系数和惯性阻力系数分别为：

所述矿石的粘性阻力系数和惯性阻力系数分别为：

本发明综合上述方程，在给定的ΔP/L，焦炭和矿石粒度分布dp＝f(r)(0≤r≤1)的条件下，经过上述步骤的计算，最终得到了各测温装置区域的物料层厚比x₁，x₂，…x_N，气流速度分布u₁，u₂，…u_N。

本发明为保障计算数据的可靠性，提高计算数据的准确性，优选对上述计算的数据进行校验，本发明对所述校验的方法没有特别限制，以本领域技术人员熟知的校验上述高炉数据的方法即可，本发明优选具体按照以下步骤进行，

首先，根据各测温装置区域内物料层厚比，计算得到平均物料层厚比；根据各测温装置区域气流速度，得到通过测温装置区域的气流总体积，进而得到通过测温装置区域的气流总热量；

然后，将上述步骤得到的平均物料层厚比与理论平均物料层厚比进行比较，得到误差σ1；将上述步骤得到的通过测温装置区域的气流总体积与理论炉顶气流总体积进行比较，得到误差σ2；将上述步骤得到的通过测温装置区域的气流总热量与理论炉顶气流总热量进行比较，得到误差σ3；

再进行误差分析，当上述σ1、σ2和σ3中的一个或多个，其数值大于等于5％时，修正料层单位长度压差和物料的粒度分布，再重新进行上述步骤d)，直到σ1、σ2和σ3的数值均小于5％；当σ1、σ2和σ3的数值均小于5％时，进行上述步骤e)。

本发明对检测数据的种类没有特别限制，以本领域技术人员熟知的高炉常规状态下的检测数据种类即可，本发明优选为焦炭的批次数据、矿石的批次数据、气体消耗量、炉顶检测到各气体的成分、温度以及压力等；本发明对检测数据的来源没有特别限制，以本领域技术人员熟知的高炉常规状态下的检测数据来源即可。

本发明首先将经过上述步骤计算，得到的各测温装置区域内物料层厚比，计算得到平均物料层厚比；根据上述各测温装置区域气流速度，得到通过测温装置区域的气流总体积，进而得到通过测温装置区域的气流总热量；以上所述平均物料层厚比、气流总体积以及气流总热量均为根据实际检测数据，再经过本发明上述计算方法，计算得到的数据。

所述各测温装置区域内的物料层厚比优选为x_i，所述平均物料层厚比优选为X_t，所述平均物料层厚比的计算公式优选为：

其中，S_i为各测温装置区域的面积，A为高炉炉喉截面的总面积；

所述气流总体积以及气流总热量，优选根据计算的气流速度分布u_i计算出炉顶煤气体积V_i和煤气热量Q_i分布，将各个点的体积进行累加得到气流总体积和总热量，

V_t＝V₁+V₂+…V_N，Q_t＝Q₁+Q₂+…Q_N。

本发明再根据给定的焦炭的批次数据和矿石的批次数据，计算得到炉顶的理论平均矿焦层厚比，即理论平均物料层厚比；再根据高炉气体中的N₂守恒计算出炉顶干煤气的体积V_D；根据炉顶CO₂+H₂＝H₂O+CO的反应动力学平衡计算出炉顶水蒸气的体积V_H2O，从而计算出炉顶的气体总体积V₀和总热量Q₀，即理论炉顶气流总体积和理论炉顶气流总热量。所述物料优选为矿石和焦炭，所述理论平均物料层厚比的计算公式优选为：X₀＝[L_O/(L_O+L_C)]₀，其中，L_O为矿石层厚度，L_C为焦炭层厚度。本发明对所述理论炉顶气流总体积和理论炉顶气流总热量的计算方法没有特别限制，以本领域技术人员熟知的依据上述反应的动力学平衡公式的计算方法即可。

本发明将通过上述方法计算出的X_t、V_t和Q_t，与按照上述公式得到的理论值X₀、V₀和Q₀，进行比较，得到误差σ1、σ2和σ3。本发明对上述误差的计算方法没有特别限制，以本领域技术人员熟知的误差计算方法即可。本发明对所述误差的校验方案没有特别限制，以本领域技术人员熟知的校正方案或校正标准即可，本发明优选按照以下步骤进行，当上述误差值σ1、σ2和σ3中的任意一个，其数值大于等于误差极限时，重新修正料层单位长度压差 (ΔP/L)和物料的粒度分布(dp＝f(r)(0≤r≤1))，重新进行上述计算各测温装置区域气流速度的步骤，直到σ1、σ2和σ3的数值均小于误差极限；当上述误差值σ1、σ2和σ3的数值均小于误差极限时，停止校验步骤。所述误差极限优选为3％～7％，更优选为4％～6％，最优选为5％。

本发明经过上述校验步骤后，当所述误差值均小于极限误差后，最后将将上述各测温装置区域分布及其气流速度绘制成图，得到气体分布检测结果。

本发明公开了一种高炉径向料层结构及气流分布的检测方法，本发明公开的检测方法基于高炉主要操作参数如送风条件，焦炭和矿石批重，压差，炉顶煤气成分，温度，根据十字测温枪温度测量点，将炉喉分成若干个圆环状测温装置区域，并对这几个测温装置区域进行气-固热量平衡和气流在物料料层的压力损失计算，得到物料的料层结构以及气流(包括速度，体积以及热量)沿炉喉径向的分布，并用固体的质量平衡，气体的质量平衡和热量平衡来验证和修正。使的操作人员在炉况发生变化，如送风条件，十字测温枪径向分布形式发生变化时能够通过间接手段得到料层结构和气流径向分布的变化趋势，并及时对高炉布料制度作出调整，得到合理的气流分布，确保高炉稳定运行及延长使用寿命，实现降低燃料比的目的。

本发明还提供了一种高炉气流分布的检测系统，包括划分单元，第一获得单元，建立单元，第二获得单元和结果单元，并优选还包括校验单元。上述单元均一一对应本发明提供的高炉气流分布检测方法的相应步骤；由于本发明所述的检测方法具有上述技术效果，本发明提供的高炉气流分布检测系统也具有相同的技术效果。

采用本发明提供的检测方法，对不同的操作时间段高炉炉喉径向各个点的热流比分布，矿石层厚比分布以及气流速度分布进行计算，并比较每次布料矩阵改变前后各参数的变化，实验结果表明，每次布料矩阵改变的方向和本发明计算得到的矿石层厚比分布变化的方向一致，随之的气流分布和温度分布的改变也与预期相同。

为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种高炉气流分布检测方法进行详细描述，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

实施例1

首先在沙钢宏发2500m³高炉中，设置高炉炉顶十字测温枪的温度测量点个数和方位，测量点之间的距离。并在高炉炉喉的东南西北四个方向上各装一支测温枪，一支测温枪6个测温点，另外3支测温枪各5个测温点。取每两个测温点的中心，以高炉中心为圆心，高炉中心到测温点中心为半径画圆，将炉喉截面分成6个部分，面积分别为S₁，S₂，S₃，S₄，S₅，S₆，S₁～S₆各测温装置区域的面积分布，参见图4，图4为本发明实施例1中十字测温枪测温区域划分的各区域面积。十字测温枪向下15度倾斜安装，测温点从中心到边缘等距离布置，每两个十字测温枪的间距为800mm，将四个测温枪对应的温度点在四个方向上取平均值则有炉顶煤气在炉喉径向的温度分布图。上述设置方式，也可以参见图1～3所示。

然后在高炉中进行在线检测，得到检测数值，参见表1，表1为高炉在线检测的操作参数。

表1高炉在线检测的操作参数

将热平衡区域的温度设定为1000℃。本发明的模型覆盖高炉炉顶到热平衡区的热量平衡，忽略块状带的化学反应，气体和炉墙的热量交换，以及固体和炉墙的热量交换带来的热量损失。根据气固之间的热量平衡，即气体的热量刚好传递给固体，则有：C_gG_g(dT/dZ)＝C_sG_s(dt/dZ)，各径向测温装置区域都满足热量平衡有：

其中T_s(top)＝25℃，T_g，i(top)为各个测温装置区域在线检测的温度值，根据以上关系计算出径向各测温装置区域内的固-气热流比C_sG_s/C_gG_g。如表2所示，表2为本发明实施例1计算得到各参数的数值分布。

基于固-气热流比建立各测温装置区域内的物料层厚比x_i与气流速度u_i之间的函数关系，

ρ_O为矿石密度，取2210kg/m³，ρ_C为焦炭密度，取500kg/m³，L_O为矿石层厚度m，L_C为焦炭层厚度m，C_s＝1245J/kg·℃。

根据ICHIDA在(ISIJ international，Vol.36(1996)，No.5，pp.493-502)中发表的“Radial distribution of Burden Descent Velocity near Burden Surface in Blast Furnace”，高炉炉喉径向炉料下降速度并不均匀，其径向下降速度分布为v＝0.2259r+0.8529(0≤r≤1)(r为无量纲的炉喉半径，参见图5，图5为本发明实施例1中高炉炉料径向下降速度分布图。由于径向气流温度不同，气流密度也随之不同，气流密度可根据

进行计算，其中ρ₀，P₀，T₀分别为标准状态下的气体密度，压力和温度，P和T分别为工作状态下的压力和温度，由在线仪表测量得到。由于径向气流温度不同，径向各点气体比热随之不同，根据《高炉炼铁生产技术手册》中所指出的，各个温度下气体比热为Cp＝a+bT+cT^-2(J/mol·K)，系数a，b，c如表3所示。因此各测温装置区域的平均比热

假设径向各点气体成分相同，比热仅随温度变化，则炉顶径向各点的气体比热为，

其中，α为各气体成分的质量百分比。如表3所示，表3为本发明实施例1中各气体成分的质量百分比。

本发明实施例1中各气体成分的质量百分比

气体	a	b	c	适用温度(K)
气体	a	b	c	适用温度(K)	CO	28.4	0.0041	-46000	298-2500
CO²	44.14	0.00904	-854000	298-2500	CO	28.4	0.0041	-46000	298-2500
CO²	44.14	0.00904	-854000	298-2500	H²	27.3	0.0033	50000	298-3000
H₂O	30	0.0107	33000	298-2500	H²	27.3	0.0033	50000	298-3000
H₂O	30	0.0107	33000	298-2500	N²	27.9	0.00427	0	298-2500

最后，计算十字测温枪径向各点的矿石层厚比x_i和气流速度u_i分布。

根据上述物料层厚比x_i与气流速度u_i之间的函数关系，

①，

在高炉块状带，应用气体阻力方程：

②，

各个点的单位长度压损等于单位焦炭和矿石的压损和：

③，

并且各个点上的单位长度压损相等在块状带：

④，

焦炭孔隙度为0.5，矿石孔隙度为0.43，D_p为颗粒平均粒径，m，焦炭平均粒径为0.045m，矿石平均粒径为0.0173m。

由于径向气流温度不同，径向各点的气体粘度也随之不同μ为气体粘度Pa·s，根据Sutherland公式

进行计算，T为当前气体温度。

k₁ ^*为粘性阻力系数，k₂ ^*为惯性阻力系数，对于焦炭：

对于矿石：

联立方程①，②，③，④可以得到：

a_iu³+b_iu²+c_iu+d_i＝0 ⑤，

其中：a_i，b_i，c_i，d_i都是x_i，ε，D_p，i，

的表达式，根据上面描述可以推导出：

根据实际高炉的全压差和高炉风口到料线高度，选取ΔP/L的初始值为 0.77Kpa/m，假设焦炭和矿石在炉喉径向粒度均匀分布，求解方程⑤可以给定条件下的一组解：矿石层厚比分布x₁，x₂，…x₆，气流速度分布u₁，u₂，…u₆。如表2所示，表2为本发明实施例1计算得到各参数的数值分布。

验证步骤

(1)计算炉顶理论平均物料层厚比，理论炉顶气流总体积V₀和理论炉顶气流总热量Q₀。

根据表1中给定的固体消耗，气体消耗，炉顶检测到的气体成分，以及炉顶温度，给定焦炭批重为12.2t，矿石批重为71t，计算得到平均料层结构X₀＝[L_O/(L_O+L_C)]₀＝0.569；风口区鼓风情况为：风量4547Nm³/min，富氧为17964Nm³/h，喷煤为42.05t/h；炉顶在线气体分析仪检测到的气体成分为，CO：20.34％，CO₂：18.93％，H₂：2.82％，N₂：56.4％，气体压力P_top＝207kPa，气体温度T_top＝121.27℃。则风口带入的N₂体积

V_N2＝BV·0.79+N₂coal/60+PCI/60·1000·N_PCI·22.4/28，

其中，BV为冷风风量，Nm³/min，N₂coal为煤粉载气N₂流量，Nm³/h，PCI为喷煤量，t/h，N_PCI为煤粉中N含量。

根据N₂的平衡可以计算出炉顶干煤气总体积，

炉顶水蒸汽在450℃下的反应CO+H₂O＝CO₂+H₂，反应平衡常数

可以计算得到炉顶水蒸气V_H2O＝63.5Nm³/min，则炉顶煤气总体积V₀＝V_D+V_H2O＝6110.9Nm³/min；

炉顶气体总热量：Q₀＝C_p·V₀·(T_top-25)＝828714KJ/min。

(2)根据表2中上述方法计算的测温装置区域内物料层厚比，计算得到平均物料层厚比X_t；根据表2中上述各测温装置区域气流速度，得到通过测温装置区域的气流总体积V_i，进而得到通过测温装置区域的气流总热量Q_i。上述V_i和Q_i值，如表2所示，表2为本发明实施例1计算得到各参数的数值分布。

平均物料层厚比

A为炉喉截面的总面积54.1m²；根据计算的气体速度u_i可以得到各个点通过的气体体积，V_i＝u_i·S_i(i＝1…6)。将各个点的体积累加可以得到总的气流体积，则有：V_t＝V₁+V₂+…V₆；同理将各个点的Q_i＝C_p·V_i·[T_i(top)-25](i＝1…6)进行累计，得到总的气体热量Q_t＝Q₁+Q₂+…Q₆。

表2本发明实施例1计算得到各参数的数值分布

计算参数	1	2	3	4	5	6
计算参数	1	2	3	4	5	6	(CsGs/CgGg)_i	0.4855	0.7296	0.9128	0.9422	0.9378	0.8807
x_i	0.1269	0.3664	0.6307	0.6628	0.6142	0.4995	(CsGs/CgGg)_i	0.4855	0.7296	0.9128	0.9422	0.9378	0.8807
x_i	0.1269	0.3664	0.6307	0.6628	0.6142	0.4995	u_i	1.328	1.042	0.8457	0.8228	0.8466	0.9241
V_i	41.73	372.6	887	1399	1897	1492	u_i	1.328	1.042	0.8457	0.8228	0.8466	0.9241
V_i	41.73	372.6	887	1399	1897	1492	Q_i	31560	142600	106400	110800	161800	246100

(3)数据校验

理论的物料层结构X₀是由矿石和焦炭的计算批重得到的，理论炉顶气流总体积V₀和理论炉顶气流总热量Q₀已由上面N₂平衡计算得到。分别比较X_t，V_t，Q_t和X₀，V₀和Q₀，并设定误差σ₁＝[X_t-X₀]/X₀，σ₂＝(V_t-V₀)/V₀，σ₃＝(Q_t-Q₀)/Q₀(0＜σ_1，σ_2，σ₃＜5％)，如果误差σ₁，σ₂和σ₃超过此范围，修正ΔP/L，并重新计算物料层厚比x₁，x₂，…x₆和气流速度u₁，u₂，…u₆，直到误差在选取的范围内，最终ΔP/L＝1.545kpa/m，停止计算，得到各参数在高炉炉喉径向最终分布。如表3所示，表3为本发明实施例1计算得到参数与理论计算的参数的比较分析。

表3 本发明实施例1计算得到的参数与理论计算的参数的比较分析

实施例2

料层结构和气流速度分布检测在实际高炉操作中的验证

沙钢宏发1#高炉2013年12月01日到2014年1月20日这段时间，高炉原燃料质量恶化，渣比上升到320kg/t-HM，M40从84降低到81，虽然原料条件恶化，但操作人员通过布料矩阵的调整使高炉的压差降低，并提高煤气利用率，参见图6，图6为本发明宏发2500m³高炉2013年底到2014年初操作情况，如图6所示。主要操作参数发生变化从Case1到Case5，具体参数如表4所示。

表4宏发2500高炉2013年12月到2014年1月主要操作参数变化

基于这5个操作区间，分别计算这5段时间内高炉炉喉径向各个测温区域的热流比分布，物料层厚比分布以及气流速度分布。并比较每次布料矩阵改变前后各参数的变化，发现，每次布料矩阵改变的方向和计算得到的矿石层厚比分布变化的方向一致，随之的气流分布和温度分布的改变也与预期相同。

具体分析：参见图7，图7为本发明从Case1到Case2的各参数变化。如图7所示，从Case1到Case2操作人员将布料矩阵从

改成

其中C_b ^a，C为布料矩阵中焦炭的操作项，a为档位，b为圈数；O_b ^a，O为布料矩阵中矿石的操作项，a为档位，b为圈数。10档靠近炉墙，1档为高炉中心，矿石边缘9档由1圈变化为2圈，可以推断，边缘部位矿石层厚比增加，边缘部位气流速度减小，与计算得到的矿石层厚比x_i分布变化及气流速度u_i分布变化方向一致。

参见图8，图8为本发明从Case2到Case3的各参数变化。如图8所示，从Case2到Case3，M40显著下降，渣比迅速升高，操作人员将布料矩阵从

改成

2圈焦炭从3档去掉，推测对应的中间部位的焦炭增加，矿石层厚比降低，与计算的矿石层厚比分布x_i的改变一致。

参见图9，图9为本发明从Case3到Case4的各参数变化。如图9所示，从Case3到Case4，操作人员将布料矩阵从

改成

矿石的10档和4档各设置了两圈，可以推测中心部位和中心部位矿石层厚比增加，中间部位矿石层厚比降低，和计算结果基本一致。

参见图10，图10为本发明从Case3到Case4的各参数变化。如图10所示，从Case4到Case5，操作人员将布料矩阵从

改成

焦炭中间档位“6”、“7”和“8”从2圈变成了3圈，对应的中间部位的矿石层厚比降低，和计算结果也一致，另外矿石10档从2圈变为3圈，对应的边缘部位的矿石层厚比升高和计算结果也一致。

经过上述分析，可以看出，本发明提供的高炉径向矿石层厚比和气流分布的检测方法的准确性，证明了该方法对于指导实际高炉操作存在的价值。

以上对本发明提供的一种高炉气流分布检测方法进行了详细的介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims

一种高炉气流分布的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)根据高炉炉顶测温装置的个数和位置，将高炉炉喉截面进行区域划分，得到N个测温装置区域；所述N为大于等于1的自然数；

b)根据各测温装置的温度值以及相应的测温装置区域以下的高炉块状带的气体热流量与固体热流量平衡方程，获得各测温装置区域的固-气热流比；

c)根据上述各测温装置区域的固-气热流比，建立各测温装置区域内物料层厚比和气流速度的函数关系；

d)根据各高炉块状带的料层单位长度压差、物料粒度分布以及气体阻力方程获得各测温装置区域内的物料层厚比，根据上述各测温装置区域内的物料层厚比以及上述步骤c)得到的各测温装置区域内物料层厚比与气流速度的函数关系，得到各测温装置区域气流速度；

e)将上述各测温装置区域分布及其气流速度绘制成图，得到气体分布检测结果。
根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，步骤d)之后还包括：

d#)根据各测温装置区域内物料层厚比，计算得到平均物料层厚比；根据各测温装置区域气流速度，得到通过测温装置区域的气流总体积，进而得到通过测温装置区域的气流总热量；

将上述步骤得到的平均物料层厚比与理论平均物料层厚比进行比较，得到误差σ1；将上述步骤得到的通过测温装置区域的气流总体积与理论炉顶气流总体积进行比较，得到误差σ2；将上述步骤得到的通过测温装置区域的气流总热量与理论炉顶气流总热量进行比较，得到误差σ3；

当上述σ1、σ2和σ3中的一个或多个，其数值大于等于5％时，修正料层单位长度压差和物料的粒度分布，重新进行上述步骤d)，直到σ1、σ2和σ3的数值均小于5％；

当σ1、σ2和σ3的数值均小于5％时，进行上述步骤e)。
根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于，所述物料为矿石和焦炭，所述理论平均物料层厚比的计算公式为：X₀＝[L_O/(L_O+L_C)]₀，其中，L_O为矿石层厚度，L_C为焦炭层厚度。
根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于，所述各测温装置区域内的物料层厚比为x_i，所述平均物料层厚比为X_t，所述平均物料层厚比的计算公式为：

其中，S_i为各测温装置区域的面积，A为高炉炉喉截面的总面积。
根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述物料为矿石和焦炭；所述测温装置区域内的物料层厚比为x_i，所述测温装置区域内的气流速度为u_i；所述测温装置区域内物料层厚比和气流速度的函数关系为：

其中，C_g为气体比热，C_s为固体比热，G_g为气体流量，G_S为固体流量，ρ为炉顶煤气密度，v为固体料床下降速度，ρ_O为矿石密度，ρ_C为焦炭密度。
根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述各高炉块状带的气体阻力方程为：

其中，k₁ ^*为粘性阻力系数，k₂ ^*为惯性阻力系数，ΔP/L为单位长度压差，ε为料床孔隙度，D_p为颗粒平均粒径，μ为气体粘度，u为气流速度，ρ为气体密度；

所述焦炭的粘性阻力系数和焦炭的惯性阻力系数分别为：

所述矿石的粘性阻力系数和矿石的惯性阻力系数分别为
根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述各高炉块状带的料层单位长度压差均相等；

所述各高炉块状带的料层单位长度压差，等于该高炉块状带内焦炭的单位长度压差与矿石的单位长度压差的和。
根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述测温装置为十字测温枪。
一种高炉气流分布的检测系统，其特征在于，包括：

划分单元，用于根据高炉炉顶测温装置的个数和位置，将高炉炉喉截面进行区域划分，得到N个测温装置区域；所述N为大于等于1的自然数；

第一获得单元，用于根据各测温装置的温度值以及相应的测温装置区域以下的高炉块状带的气体热流量与固体热流量平衡方程，获得各测温装置区域的固-气热流比；

建立单元，用于根据上述各测温装置区域的固-气热流比，建立各测温装置区域内物料层厚比和气流速度的函数关系；

第二获得单元，用于根据各高炉块状带的料层单位长度压差、物料粒度分布以及气体阻力方程获得各测温装置区域内的物料层厚比，根据上述各测温装置区域内的物料层厚比以及上述步骤c)得到的各测温装置区域内物料层厚比与气流速度的函数关系，得到各测温装置区域气流速度；

结果单元，用于将上述各测温装置区域分布及其气流速度绘制成图，得到气体分布检测结果。
根据权利要求9所述的检测系统，其特征在于，还包括：

校验单元，用于根据各测温装置区域内物料层厚比，计算得到平均物料层厚比；根据各测温装置区域气流速度，得到通过测温装置区域的气流总体积，进而得到通过测温装置区域的气流总热量；

将上述步骤得到的平均物料层厚比与理论平均物料层厚比进行比较，得到误差σ1；将上述步骤得到的通过测温装置区域的气流总体积与理论炉顶气流总体积进行比较，得到误差σ2；将上述步骤得到的通过测温装置区域的气流总热量与理论炉顶气流总热量进行比较，得到误差σ3；

当上述σ1、σ2和σ3中的一个或多个，其数值大于等于5％时，修正料层单位长度压差和物料的粒度分布，重新进行上述步骤d)，直到σ1、σ2和σ3的数值均小于5％；

当σ1、σ2和σ3的数值均小于5％时，进行上述步骤e)。