專利名稱：一種預測高爐煤氣利用率的方法
技術領域：
本發明涉及高爐煉鐵領域，特別涉及ー種用于預測高爐煤氣利用率的方法。
背景技術：
高爐煤氣的流動情況、成分變化、利用率以及高爐壓カ場均是高爐操作的重點，對高爐操作、穩定順行、成本經濟有著直接的影響。國內外眾多專家學者均對此有高度的認識，結合生產經驗從數學的角度開發了多種數學模型對其進行描述、計算和預測。最早獲得發展的高爐模型是ー維的，且先有穩態模型，隨后逐漸發展為非穩態。其中，鞭巖等人在20世紀60年代末開發的高爐穩態ー維模型最具代表性。隨后許多研究者仿效鞭巖的建模思想，建立了一系列用于解決不同問題的高爐數學模型。這些早期的高爐模型很好地把握了對局部和全高爐的能量平衡和物質平衡這ー基本規律，因而在模擬高爐現象、分析操作參數、對爐況和冶煉指標的影響、指導開停爐等方面獲得了相當的成功。但是ー維高爐模型在其建模過程中，爐內物質和能量的傳輸過程只能通過常微分方程來表述，再加上邊界值設定不合理等缺陷，這些早期ー維模型的預測精度和應用范圍都很有限。在ー維高爐模型的基礎上，經過長期的研究，陸續開發了大量的ニ維高爐模型。ニ維模型主要被用于描述爐內更為復雜的現象，即評估操作條件對高爐操作性能和爐況的影響，分析軟熔帶的變化和影響，模擬和開發高爐煉鐵新技術等。總體來說，這些模型對指導實際高爐操作和促進煉鐵技術的進步做出了一定的貢獻。現行的預測高爐煤氣利用率的方法均以ー維或ニ維高爐煤氣流動模型為基礎，這些模型均耦合了高爐內部的爐料運動和溫度場等參數。日本東北大學八木順一郎等人耦合了 NKK大野等人開發的溫度場模型，開發了ー個高爐準ニ維模型，但該模型無法在溫度場未知的情況下預測煤氣利用率。
發明內容
有鑒于此，本發明的目的在于提供一種預測高爐煤氣利用率的方法，用于在溫度場未知的情況下預測煤氣利用率。本發明提供了一種預測高爐煤氣利用率的方法，包括輸入礦石和焦炭的物性參數和煤氣參數，獲得層狀結構中的擴散系數，根據所述擴散系數計算鐵礦石的還原反應速率和焦炭溶損反應速率，根據所述還原反應速率和焦炭溶損反應速率獲取煤氣的成分分布；判斷得到的煤氣成分是否收斂，如果不收斂則返回重新計算鐵礦石的還原反應速率和焦炭溶損反應速率；否則根據煤氣成分預測煤氣利用率。本發明用于預測高爐煤氣利用率，該方法用于計算高爐內部煤氣流動、煤氣各組 分含量、煤氣利用率、壓カ分布等參數，不用耦合高爐內部爐料運動和溫度場等參數，可根據煤氣初始成分、溫度、爐料結構等參數預測煤氣利用率等情況。本發明將鐵礦石和焦炭的物性、煤氣溫度和成分作為預測的初始參數，然后預測熱量和傳質、擴散系數、鐵礦石還原反應速率、焦炭溶損反應速率、煤氣成分，整個預測過程以煤氣成分是否達到收斂為判斷標準，如不收斂則返回重新預測鐵礦石還原反應速率、焦炭溶損反應速率和煤氣成分，如達到收斂即可根據煤氣成分預測煤氣利用率，并對預測的數據結果進行可視化處理從而得到直觀的圖像結果。
圖I為本發明實施例提供的預測高爐煤氣利用率的方法流程圖。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面結合附圖對本發明作進ー步的詳細描述。本發明實施例將鐵礦石和焦炭的物性、煤氣參數作為預測的初始參數，預測擴散系數、鐵礦石還原反應速率、焦炭溶損反應速率、煤氣成分，整個預測過程以煤氣成分是否達到收斂為判斷標準，如不收斂則返回重新預測鐵礦石還原反應速率、焦炭溶損反應速率和煤氣成分，如達到收斂即可根據煤氣成分預測煤氣利用率。該方法用于計算高爐內部煤氣流動、煤氣各組分含量、煤氣利用率、壓カ分布等參數，不用耦合高爐內部爐料運動和溫度場等參數，可根據煤氣初始成分、溫度、爐料結構等參數預測煤氣利用率等情況。圖I為本發明實施例提供的預測高爐煤氣利用率的方法流程圖，包括以下步驟步驟101、輸入礦石和焦炭的物性參數和煤氣參數。礦石和焦炭的物性參數包括粒度、密度、形狀系數、孔隙度。煤氣參數包括煤氣質量流量，溫度，壓カ，速度，CO、CO2與N2的濃度和摩爾分數。除此之外還需要輸入計算區域的高度、半徑。步驟102、計算層狀結構中的擴散系數(這里的層狀結構是指高爐中ー層焦炭ー層礦石的結構，與之相反的是焦炭和礦石混合的結構)。擴散系數是表示氣體(或固體)擴散程度的物理量，是指當濃度為ー個單位時，単位時間內通過單位面積的量，由菲克定律計算得至IJ。步驟103、根據得到的擴散系數計算鐵礦石的還原反應速率和焦炭溶損反應速率。還原反應速率是指鐵礦石從氧化鐵到金屬鐵這ー還原過程的反應速率，采用未反應核模型進行計算，計算公式如下
權利要求
1.一種預測高爐煤氣利用率的方法，其特征在于，包括輸入礦石和焦炭的物性參數和煤氣參數，獲得層狀結構中的擴散系數，根據所述擴散系數計算鐵礦石的還原反應速率和焦炭溶損反應速率，根據所述還原反應速率和焦炭溶損反應速率獲取煤氣的成分分布；判斷得到的煤氣成分是否收斂，如果不收斂則返回重新計算鐵礦石的還原反應速率和焦炭溶損反應速率；否則根據煤氣成分預測煤氣利用率。
2.根據權利要求I所述的預測高爐煤氣利用率的方法，其特征在于，所述輸入礦石和焦炭的物性參數和煤氣參數的步驟具體包括礦石和焦炭的物性參數包括粒度、密度、形狀系數、孔隙度；煤氣參數包括煤氣質量流量、溫度、壓力和速度，以及C0、C02與N2的濃度和摩爾分數；并進一步輸入計算區域的高度、 半徑。
3.根據權利要求2所述的預測高爐煤氣利用率的方法，其特征在于，所述計算鐵礦石的還原反應速率的步驟具體包括
4.根據權利要求3所述的預測高爐煤氣利用率的方法，其特征在于，所述反應平衡常數K的獲取方法為3Fe203+C0 = 2Fe304+C02K = (l-PC0，e)/PC0，e = exp(6235/T+4. 91)，T < 887K(614° C):(l/4)Fe304+C0 = (3/4) Fe+C02 K = exp (543. 3/T-O. 7625)，T > 887K(614。C):Fe304+C0 = 3Fe0+C02 K = exp (-2050/T+2. 13)FeO+CO = Fe+C02 K = exp(2164/T-2. 642)其中，k。為化學速率常數，k。= exp (-2. 34-3460/T)，T為溫度。
5.根據權利要求4所述的預測高爐煤氣利用率的方法，其特征在于，所述計算焦炭溶損反應速率的步驟具體包括
6.根據權利要求5所述的預測高爐煤氣利用率的方法，其特征在于，所述獲取煤氣的成分分布的步驟具體包括根據所述還原反應速率和焦炭溶損反應速率迭代得到煤氣中co、co2的量，再加上惰性氣體進而得到煤氣各組分的含量；通過鐵礦石的還原反應、焦炭的溶損反應得到所有反應消耗或生成的CO和CO2的量；再通過輸入的N2摩爾分數以及煤氣的質量流量，獲得N2的量；然后與消耗或生成的CO和CO2量加和，得到反應后的煤氣總量，從而得到各氣體組分的含量。
7.根據權利要求6所述的預測高爐煤氣利用率的方法，其特征在于，所述判斷煤氣成分是否收斂的方法為預先設定殘差收斂標準的經驗值為10_5，將前后兩次迭代得到的煤氣成分結果相減，如果其差值小于10_5，則判定結果收斂。
8.根據權利要求6或7所述的預測高爐煤氣利用率的方法，其特征在于，所述預測煤氣利用率的步驟具體包括
全文摘要
本發明公開了一種預測高爐煤氣利用率的方法，包括輸入礦石和焦炭的物性參數和煤氣參數，獲得層狀結構中的擴散系數，根據所述擴散系數計算鐵礦石的還原反應速率和焦炭溶損反應速率，根據所述還原反應速率和焦炭溶損反應速率獲取煤氣的成分分布；判斷得到的煤氣成分是否收斂，如果不收斂則返回重新計算鐵礦石的還原反應速率和焦炭溶損反應速率；否則根據煤氣成分預測煤氣利用率。本發明用于預測高爐煤氣利用率，不用耦合高爐內部爐料運動和溫度場等參數，可根據煤氣初始成分、溫度、爐料結構等參數預測煤氣利用率等情況。
文檔編號C21B5/00GK102703627SQ20121020835
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月19日 優先權日2012年6月19日
發明者周繼良, 孫健, 張雪松, 桑原守, 潘文, 范正赟, 青格勒, 馬麗, 馬澤軍 申請人:首鋼總公司