专利名称：一种预测高炉煤气利用率的方法
技术领域：
本发明涉及高炉炼铁领域，特别涉及ー种用于预测高炉煤气利用率的方法。
背景技术：
高炉煤气的流动情况、成分变化、利用率以及高炉压カ场均是高炉操作的重点，对高炉操作、稳定顺行、成本经济有着直接的影响。国内外众多专家学者均对此有高度的认识，结合生产经验从数学的角度开发了多种数学模型对其进行描述、计算和预测。最早获得发展的高炉模型是ー维的，且先有稳态模型，随后逐渐发展为非稳态。其中，鞭岩等人在20世纪60年代末开发的高炉稳态ー维模型最具代表性。随后许多研究者仿效鞭岩的建模思想，建立了一系列用于解决不同问题的高炉数学模型。这些早期的高炉模型很好地把握了对局部和全高炉的能量平衡和物质平衡这ー基本规律，因而在模拟高炉现象、分析操作參数、对炉况和冶炼指标的影响、指导开停炉等方面获得了相当的成功。但是ー维高炉模型在其建模过程中，炉内物质和能量的传输过程只能通过常微分方程来表述，再加上边界值设定不合理等缺陷，这些早期ー维模型的预测精度和应用范围都很有限。在ー维高炉模型的基础上，经过长期的研究，陆续开发了大量的ニ维高炉模型。ニ维模型主要被用于描述炉内更为复杂的现象，即评估操作条件对高炉操作性能和炉况的影响，分析软熔带的变化和影响，模拟和开发高炉炼铁新技术等。总体来说，这些模型对指导实际高炉操作和促进炼铁技术的进步做出了一定的贡献。现行的预测高炉煤气利用率的方法均以ー维或ニ维高炉煤气流动模型为基础，这些模型均耦合了高炉内部的炉料运动和温度场等參数。日本东北大学八木顺一郎等人耦合了 NKK大野等人开发的温度场模型，开发了ー个高炉准ニ维模型，但该模型无法在温度场未知的情况下预测煤气利用率。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种预测高炉煤气利用率的方法，用于在温度场未知的情况下预测煤气利用率。本发明提供了一种预测高炉煤气利用率的方法，包括输入矿石和焦炭的物性參数和煤气參数，获得层状结构中的扩散系数，根据所述扩散系数计算铁矿石的还原反应速率和焦炭溶损反应速率，根据所述还原反应速率和焦炭溶损反应速率获取煤气的成分分布；判断得到的煤气成分是否收敛，如果不收敛则返回重新计算铁矿石的还原反应速率和焦炭溶损反应速率；否则根据煤气成分预测煤气利用率。本发明用于预测高炉煤气利用率，该方法用于计算高炉内部煤气流动、煤气各组 分含量、煤气利用率、压カ分布等參数，不用耦合高炉内部炉料运动和温度场等參数，可根据煤气初始成分、温度、炉料结构等參数预测煤气利用率等情況。本发明将铁矿石和焦炭的物性、煤气温度和成分作为预测的初始參数，然后预测热量和传质、扩散系数、铁矿石还原反应速率、焦炭溶损反应速率、煤气成分，整个预测过程以煤气成分是否达到收敛为判断标准，如不收敛则返回重新预测铁矿石还原反应速率、焦炭溶损反应速率和煤气成分，如达到收敛即可根据煤气成分预测煤气利用率，并对预测的数据结果进行可视化处理从而得到直观的图像結果。
图I为本发明实施例提供的预测高炉煤气利用率的方法流程图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进ー步的详细描述。本发明实施例将铁矿石和焦炭的物性、煤气參数作为预测的初始參数，预测扩散系数、铁矿石还原反应速率、焦炭溶损反应速率、煤气成分，整个预测过程以煤气成分是否达到收敛为判断标准，如不收敛则返回重新预测铁矿石还原反应速率、焦炭溶损反应速率和煤气成分，如达到收敛即可根据煤气成分预测煤气利用率。该方法用于计算高炉内部煤气流动、煤气各组分含量、煤气利用率、压カ分布等參数，不用耦合高炉内部炉料运动和温度场等參数，可根据煤气初始成分、温度、炉料结构等參数预测煤气利用率等情況。图I为本发明实施例提供的预测高炉煤气利用率的方法流程图，包括以下步骤步骤101、输入矿石和焦炭的物性參数和煤气參数。矿石和焦炭的物性參数包括粒度、密度、形状系数、孔隙度。煤气參数包括煤气质量流量，温度，压カ，速度，CO、CO2与N2的浓度和摩尔分数。除此之外还需要输入计算区域的高度、半径。步骤102、计算层状结构中的扩散系数(这里的层状结构是指高炉中ー层焦炭ー层矿石的结构，与之相反的是焦炭和矿石混合的结构)。扩散系数是表示气体(或固体)扩散程度的物理量，是指当浓度为ー个单位时，単位时间内通过单位面积的量，由菲克定律计算得至IJ。步骤103、根据得到的扩散系数计算铁矿石的还原反应速率和焦炭溶损反应速率。还原反应速率是指铁矿石从氧化铁到金属铁这ー还原过程的反应速率，采用未反应核模型进行计算，计算公式如下
权利要求
1.一种预测高炉煤气利用率的方法，其特征在于，包括输入矿石和焦炭的物性参数和煤气参数，获得层状结构中的扩散系数，根据所述扩散系数计算铁矿石的还原反应速率和焦炭溶损反应速率，根据所述还原反应速率和焦炭溶损反应速率获取煤气的成分分布；判断得到的煤气成分是否收敛，如果不收敛则返回重新计算铁矿石的还原反应速率和焦炭溶损反应速率；否则根据煤气成分预测煤气利用率。
2.根据权利要求I所述的预测高炉煤气利用率的方法，其特征在于，所述输入矿石和焦炭的物性参数和煤气参数的步骤具体包括矿石和焦炭的物性参数包括粒度、密度、形状系数、孔隙度；煤气参数包括煤气质量流量、温度、压力和速度，以及C0、C02与N2的浓度和摩尔分数；并进一步输入计算区域的高度、 半径。
3.根据权利要求2所述的预测高炉煤气利用率的方法，其特征在于，所述计算铁矿石的还原反应速率的步骤具体包括
4.根据权利要求3所述的预测高炉煤气利用率的方法，其特征在于，所述反应平衡常数K的获取方法为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。为化学速率常数，k。= exp (-2. 34-3460/T)，T为温度。
5.根据权利要求4所述的预测高炉煤气利用率的方法，其特征在于，所述计算焦炭溶损反应速率的步骤具体包括
6.根据权利要求5所述的预测高炉煤气利用率的方法，其特征在于，所述获取煤气的成分分布的步骤具体包括根据所述还原反应速率和焦炭溶损反应速率迭代得到煤气中co、co2的量，再加上惰性气体进而得到煤气各组分的含量；通过铁矿石的还原反应、焦炭的溶损反应得到所有反应消耗或生成的CO和CO2的量；再通过输入的N2摩尔分数以及煤气的质量流量，获得N2的量；然后与消耗或生成的CO和CO2量加和，得到反应后的煤气总量，从而得到各气体组分的含量。
7.根据权利要求6所述的预测高炉煤气利用率的方法，其特征在于，所述判断煤气成分是否收敛的方法为预先设定残差收敛标准的经验值为10_5，将前后两次迭代得到的煤气成分结果相减，如果其差值小于10_5，则判定结果收敛。
8.根据权利要求6或7所述的预测高炉煤气利用率的方法，其特征在于，所述预测煤气利用率的步骤具体包括
全文摘要
本发明公开了一种预测高炉煤气利用率的方法，包括输入矿石和焦炭的物性参数和煤气参数，获得层状结构中的扩散系数，根据所述扩散系数计算铁矿石的还原反应速率和焦炭溶损反应速率，根据所述还原反应速率和焦炭溶损反应速率获取煤气的成分分布；判断得到的煤气成分是否收敛，如果不收敛则返回重新计算铁矿石的还原反应速率和焦炭溶损反应速率；否则根据煤气成分预测煤气利用率。本发明用于预测高炉煤气利用率，不用耦合高炉内部炉料运动和温度场等参数，可根据煤气初始成分、温度、炉料结构等参数预测煤气利用率等情况。
文档编号C21B5/00GK102703627SQ20121020835
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月19日 优先权日2012年6月19日
发明者周继良, 孙健, 张雪松, 桑原守, 潘文, 范正赟, 青格勒, 马丽, 马泽军 申请人:首钢总公司