基于空气和煤气双预热的煤气热值软测量方法与流程

本发明是涉及燃烧设备节能技术领域，具体的说是基于空气和煤气双预热的煤气热值软测量方法。

背景技术：

钢铁企业在生产过程中产生了大量的副产冶金煤气，包括高炉煤气、转炉煤气和焦炉煤气等，其中高炉煤气和转炉煤气热值产量大，但是热值低，因此，其高效利用一直是钢厂降本增效、提高市场竞争力的重要途径。

目前，钢厂主要通过煤气锅炉、轧钢加热炉、高炉热风炉、钢包烘烤器等设备来消化高炉煤气和转炉煤气。对于这些燃烧设备，燃料热值是其燃烧调整的重要依据，也是设备热效率的重要输入参数，燃料热值的变化与波动会对设备的安全和经济运行产生很大影响。然而，由于条件所限，目前大多数钢铁企业都未给燃烧设备配置煤气热值在线测量装置，钢厂基本上仍然是以人工输入定期化验分析值作为当前的煤气热值。而实际上，受上游冶炼工序等因素的影响，煤气的成分和热值很难保持稳定，经常处于波动状态，人工输入的定期化验值很可能会大大偏离当前真实值，这就会在很大程度上干扰运行人员的操作判断，影响燃烧设备的优化运行。

因此，需要针对空气和煤气双预热的燃烧设备，提出一种基于运行参数的煤气热值软测量方法，通过燃烧设备的运行参数辨识出煤气热值，结果可用于指导燃烧设备的燃烧优化调整，为燃烧设备的安全和经济运行提供依据，以解决目前大多数钢铁厂燃烧设备均未配置煤气热值在线分析仪给运行带来的不便和困难。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中的不足，提供基于空气和煤气双预热的煤气热值软测量方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

基于空气和煤气双预热的煤气热值软测量方法，其特征在于：燃烧系统设置有空气预热器和煤气预热器，通过获取燃烧系统运行参数，并对运行参数进行处理，求解得到煤气热值，其具体步骤如下：

步骤1，获取燃烧系统运行参数的实时数据；

步骤2，对步骤1获得的数据进行预处理，得到用于求解煤气热值的有效数据；

步骤3，根据步骤2获得的有效数据，求解煤气热值，具体包括以下步骤：

步骤3.1，假定一个初始的煤气干基热值

步骤3.2，通过假定的煤气干基热值计算每立方米干煤气燃烧所需的理论干空气量和每立方米干煤气燃烧产生的理论干烟气量

步骤3.3，通过理论干空气量和理论干烟气量计算燃料特性因子χ；

步骤3.4，通过燃料特性因子计算过量空气系数α；

步骤3.5，计算每立方米干煤气燃烧产生的实际干烟气量vgy；

步骤3.6，分别计算干烟气焓、水蒸气焓、空气焓和煤气焓；

步骤3.7，计算每立方米干煤气燃烧产生的烟气中所含的水蒸气量

步骤3.8，计算每立方米干煤气对应的流经空气预热器的干空气流量vgk；

步骤3.9，计算煤气干基热值qd；

步骤3.10，将qd与的差值的绝对值与设定的误差限值ε进行比较：

当大于误差限值ε时，重新假定煤气干基热值并再次执行步骤3.2至步骤3.10，当小于或等于误差限值ε时，输出煤气干基热值qd。

所述的步骤3.2的具体计算步骤如下：

步骤3.2.1，计算每立方米干煤气燃烧所需的理论干空气量计算公式为：

其中，为每立方米干煤气燃烧所需的理论干空气量；为假定的煤气干基热值；a1、b1为理论干空气量计算系数；

步骤3.2.2，计算每立方米干煤气燃烧产生的理论干烟气量计算公式为：

其中，为每立方米干煤气燃烧产生的理论干烟气量；为假定的煤气干基热值；a2、b2为理论干烟气量计算系数。

所述的步骤3.3中燃料特性因子χ的具体计算公式如下：

其中，χ为燃料特性因子；为每立方米干煤气燃烧产生的理论干烟气量；为每立方米干煤气燃烧所需的理论干空气量。

所述的步骤1中采集的运行参数包括烟气含氧量，所述的步骤3.4中过量空气系数α的计算步骤如下：

其中，α为过量空气系数；χ为燃料特性因子；φ′(o2)为烟气含氧量；

当所述的步骤1中采集的运行参数包括烟气含氧量和烟气中co含量时，所述的烟气含氧量和烟气中co含量为同一测点位置的干烟气成分，所述的步骤3.4中过量空气系数α的计算公式如下：

其中，α为过量空气系数；χ为燃料特性因子；φ′(o2)、φ′(co)分别为烟气含氧量和烟气中co含量。

所述的步骤3.5中每立方米干煤气燃烧产生的实际干烟气量vgy的计算公式如下：

其中，vgy为每立方米干煤气燃烧产生的实际干烟气量；为每立方米干煤气燃烧产生的理论干烟气量；为每立方米干煤气燃烧所需的理论干空气量；α为过量空气系数。

所述的步骤1中采集到的燃烧系统运行参数包括空气预热器烟气侧进口温度、空气预热器烟气侧出口温度、煤气预热器烟气侧进口温度、煤气预热器烟气侧出口温度、空气预热器空气侧进口温度、空气预热器空气侧出口温度、煤气预热器煤气侧进口温度和煤气预热器煤气侧出口温度，所述的步骤3.6中干烟气焓、水蒸气焓、空气焓和煤气焓的计算方法如下：

(1)分别计算干烟气在空气预热器烟气侧进口温度、空气预热器烟气侧出口温度、煤气预热器烟气侧进口温度、煤气预热器烟气侧出口温度下的焓值，计算公式如下：

以高炉煤气为燃料时，计算公式为：

以转炉煤气为燃料时，计算公式为：

其中，θ1为空气预热器烟气侧进口温度；θ2为空气预热器烟气侧出口温度；θ3为煤气预热器烟气侧进口温度；θ4为煤气预热器烟气侧出口温度；hgy，1为干烟气在θ1温度下的焓值；hgy，2为干烟气在θ2温度下的焓值；hgy，3为干烟气在θ3温度下的焓值；hgy，4为干烟气在θ4温度下的焓值；

(2)分别计算干烟气在空气预热器烟气侧进口温度、空气预热器烟气侧出口温度、煤气预热器烟气侧进口温度、煤气预热器烟气侧出口温度下的焓值，计算公式如下：

其中，θ1为空气预热器烟气侧进口温度；θ2为空气预热器烟气侧出口温度；θ3为煤气预热器烟气侧进口温度；θ4为煤气预热器烟气侧出口温度；为水蒸气在θ1温度下的焓值；为水蒸气在θ2温度下的焓值；为水蒸气在θ3温度下的焓值；为水蒸气在θ4温度下的焓值；

(3)分别计算每立方米干空气对应的湿空气在空气预热器空气侧进口温度、空气预热器空气侧出口温度下的焓值，计算公式如下：

其中，tk1为空气预热器空气侧进口温度；tk2为空气预热器空气侧出口温度；hk，1为每立方米干空气对应的湿空气在tk1温度下的焓值；hk，2为每立方米干空气对应的湿空气在tk2温度下的焓值；

(4)分别计算每立方米干煤气对应的湿煤气在煤气预热器煤气侧进口温度、煤气预热器煤气侧出口温度下的焓值，计算公式如下：

对于高炉煤气，计算公式为：

对于转炉煤气，计算公式为：

其中，tm1为煤气预热器煤气侧进口温度；tm2为煤气预热器煤气侧出口温度；hm，1为每立方米干煤气对应的湿煤气在tm1温度下的焓值；hm，2为每立方米干煤气对应的湿煤气在tm2温度下的焓值。

所述的步骤1中采集到的燃烧系统运行参数包括当地大气压力、大气相对湿度、环境温度、煤气压力、煤气温度，所述的步骤3.6计算步骤中空气的绝对湿度和煤气含湿量的计算方法如下：

所述的空气绝对湿度dk的计算公式为：

其中，dk为空气绝对湿度；pa为当地大气压力；φ为大气相对湿度；ps为环境温度t0下的水蒸气饱和压力；

所述的煤气含湿量dg的计算公式为：

其中，dg为煤气含湿量；pa为当地大气压力；pg为煤气压力(表压)；ps′为煤气温度tg下的饱和水蒸气分压力。

所述的步骤3.7中每立方米干煤气燃烧产生的烟气中所含的水蒸气量的计算公式如下：

其中，为每立方米干煤气燃烧产生的烟气中所含的水蒸气量；vgy为每立方米干煤气燃烧产生的实际干烟气量；hgy，3为干烟气在θ3温度下的焓值；hgy，4为干烟气在θ4温度下的焓值；为水蒸气在θ3温度下的焓值；为水蒸气在θ4温度下的焓值；hm，1为每立方米干煤气对应的湿煤气在tm1温度下的焓值；hm，2为每立方米干煤气对应的湿煤气在tm2温度下的焓值。

所述的步骤3.8中每立方米干煤气对应的流经空气预热器的干空气流量vgk的计算步骤如下：

其中，vgk为每立方米干煤气对应的流经空气预热器的干空气流量；vgy为每立方米干煤气燃烧产生的实际干烟气量；为每立方米干煤气燃烧产生的烟气中所含的水蒸气量；hgy，1为干烟气在θ1温度下的焓值；hgy，2为干烟气在θ2温度下的焓值；为水蒸气在θ1温度下的焓值；为水蒸气在θ2温度下的焓值；hk，1为每立方米干空气对应的湿空气在tk1温度下的焓值；hk，2为每立方米干空气对应的湿空气在tk2温度下的焓值。

所述的步骤3.9中煤气干基热值qd的计算公式如下：

其中，qd为煤气干基热值计算值；vgk为每立方米干煤气对应的流经空气预热器的干空气流量)；α为过量空气系数；δα为漏风系数，为综合炉膛漏风和烟气含氧量测点上游烟道漏风后的漏风系数；k为折算系数。

本发明基于空气和煤气双预热的煤气热值软测量方法的有益效果是：

第一，本发明适用于纯烧高炉煤气或者纯烧转炉煤气且采用空气、煤气双预热技术的燃烧设备，煤气热值的软测量结果可用于指导燃烧设备的燃烧优化调整，为燃烧设备的安全和经济运行提供依据，解决了目前大多数钢铁企业轧钢厂均未配置煤气热值在线分析仪给燃烧设备运行带来的不便和困难，具有很好的工程实用价值。

第二，本发明热值软测量结果具有较高的准确度和可靠性。

第三，本发明投资小，成本低，无需增加昂贵热工仪表即可实现，具有良好的可实施性。

附图说明

图1为本发明基于空气和煤气双预热的煤气热值软测量方法的工作流程图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本实施例中，煤气燃烧设备具备的特性包括：采用纯烧高炉煤气或者纯烧转炉煤气且采用空气、煤气双预热技术。

本实施例中，基于空气和煤气双预热的煤气热值软测量方法的具体实施步骤如下：

步骤1，获取燃烧系统运行参数的实时数据；获取到的燃烧系统运行参数包括但不限于：烟气含氧量、当地大气压力、大气相对湿度、环境温度、煤气压力、煤气温度、空气预热器烟气侧进口温度、空气预热器烟气侧出口温度、煤气预热器烟气侧进口温度、煤气预热器烟气侧出口温度、空气预热器空气侧进口温度、空气预热器空气侧出口温度、煤气预热器煤气侧进口温度和煤气预热器煤气侧出口温度。

优选地，所述烟气含氧量的测点位置位于空气预热器烟气侧出口和煤气预热器烟气侧入口之间的烟道中。进一步的，如果煤气预热器烟气侧进口与空气预热器烟气侧出口离得很近，则空气预热器烟气侧出口温度、煤气预热器烟气侧进口温度可只测一个。

步骤2，对步骤1获得的数据进行预处理，数据的预处理方式包括但不限于坏点处理和数据平滑处理，得到用于求解煤气热值的有效数据。

步骤3，根据步骤2获得的有效数据，求解煤气热值，具体包括以下步骤：

步骤3.1，假定一个初始的煤气干基低位热值

步骤3.2，计算每立方米干煤气燃烧所需的理论干空气量和每立方米干煤气燃烧产生的理论干烟气量具体步骤如下：

步骤3.2.1，计算每立方米干煤气燃烧所需的理论干空气量计算公式为：

其中，为每立方米干煤气燃烧所需的理论干空气量，nm³/nm³(干煤气)；为假定的煤气干基低位热值，kj/nm³；

对于高炉煤气，a1＝1.955×10^-4，b1＝0；对于转炉煤气，a1＝1.858×10^-4，b1＝0；

步骤3.2.2，计算每立方米干煤气燃烧产生的理论干烟气量，计算公式为：

其中，为每立方米干煤气燃烧产生的理论干烟气量，nm³/nm³(干煤气)；qd，net为干煤气低位热值，kj/nm³；

对于高炉煤气，a2＝1.470×10^-4，b2＝1；对于转炉煤气，a2＝1.449×10^-4，b2＝1。

步骤3.3，计算燃料特性因子χ，计算公式为：

其中，χ为燃料特性因子χ；为每立方米干煤气燃烧产生的理论干烟气量，nm³/nm³(干煤气)；为每立方米干煤气燃烧所需的理论干空气量，nm³/nm³(干煤气)。

步骤3.4，计算过量空气系数，计算公式为：

其中，α为过量空气系数；χ为燃料特性因子；φ′(o2)为烟气含氧量，％；

进一步优选的，当步骤1采集到的运行参数还包括烟气中co含量时，此时，上述第四计算公式变更为：

其中，α为过量空气系数；χ为燃料特性因子；φ′(o2)、φ′(co)分别为烟气含氧量和烟气中co含量；

所述烟气含氧量和烟气中co含量为同一测点位置的干烟气成分。

步骤3.5，计算每立方米干煤气燃烧产生的实际干烟气量，计算公式为：

其中，vgy为每立方米干煤气燃烧产生的实际干烟气量，nm³/nm³(干煤气)；为每立方米干煤气燃烧产生的理论干烟气量，nm³/nm³(干煤气)；为每立方米干煤气燃烧所需的理论干空气量，nm³/nm³(干煤气)；α为过量空气系数。

步骤3.6，分别计算干烟气焓、水蒸气焓、空气焓和煤气焓：

(1)分别计算干烟气在空气预热器烟气侧进口温度、空气预热器烟气侧出口温度、煤气预热器烟气侧进口温度、煤气预热器烟气侧出口温度下的焓值，计算步骤如下：

以高炉煤气为燃料时，计算公式如下：

以转炉煤气为燃料时，计算公式如下：

其中，θ1为空气预热器烟气侧进口温度，℃；θ2为空气预热器烟气侧出口温度，℃；θ3为煤气预热器烟气侧进口温度，℃；θ4为煤气预热器烟气侧出口温度，℃；hgy，1为干烟气在θ1温度下的焓值，kj/nm³；hgy，2为干烟气在θ2温度下的焓值，kj/nm³；hgy，3为干烟气在θ3温度下的焓值，kj/nm³；hgy，4为干烟气在θ4温度下的焓值，kj/nm³；

(2)分别计算干烟气在空气预热器烟气侧进口温度、空气预热器烟气侧出口温度、煤气预热器烟气侧进口温度、煤气预热器烟气侧出口温度下的焓值，计算步骤如下：

其中，θ1为空气预热器烟气侧进口温度，℃；θ2为空气预热器烟气侧出口温度，℃；θ3为煤气预热器烟气侧进口温度，℃；θ4为煤气预热器烟气侧出口温度，℃；为水蒸气在θ1温度下的焓值，kj/nm³；为水蒸气在θ2温度下的焓值，kj/nm³；为水蒸气在θ3温度下的焓值，kj/nm³；为水蒸气在θ4温度下的焓值，kj/nm³；

(3)分别计算每立方米干空气对应的湿空气在空气预热器空气侧进口温度、空气预热器空气侧出口温度下的焓值，计算步骤如下：

其中，tk1为空气预热器空气侧进口温度，℃；tk2为空气预热器空气侧出口温度，℃；hk，1为每立方米干空气对应的湿空气在tk1温度下的焓值，kj/nm³；hk，2为每立方米干空气对应的湿空气在tk2温度下的焓值，kj/nm³；

(4)分别计算每立方米干煤气对应的湿煤气在煤气预热器煤气侧进口温度、煤气预热器煤气侧出口温度下的焓值，计算步骤如下：

对于高炉煤气，计算公式如下：

对于转炉煤气，计算公式如下：

其中，tm1为煤气预热器煤气侧进口温度，℃；tm2为煤气预热器煤气侧出口温度，℃；hm，1为每立方米干煤气对应的湿煤气在tm1温度下的焓值，kj/nm³；hm，2为每立方米干煤气对应的湿煤气在tm2温度下的焓值，kj/nm³。

本实施例中，步骤3.6中的计算所需的空气绝对湿度以及煤气含湿量均可采用简化的设定值，也可采用计算得到的精确值，当空气绝对湿度以及煤气含湿量通过计算得到时，具体计算步骤如下：

计算空气绝对湿度dk，计算公式为：

其中，dk为空气绝对湿度，kg/kg(干空气)；pa为当地大气压力，pa；φ为大气相对湿度，％；ps为环境温度t0下的水蒸气饱和压力，pa，可通过环境温度t0求解得到；

计算煤气含湿量dg，计算公式为：

其中，dg为煤气含湿量，kg/nm³(干煤气)；pa为当地大气压力，pa；pg为煤气压力(表压)，pa；ps′为煤气温度tg下的饱和水蒸气分压力，pa，可通过煤气温度tg求解得到。

步骤3.7，计算每立方米干煤气燃烧产生的烟气中所含的水蒸气量计算公式为：

其中，为每立方米干煤气燃烧产生的烟气中所含的水蒸气量，nm³/nm³(干煤气)；vgy为每立方米干煤气燃烧产生的实际干烟气量，nm³/nm³(干煤气)；hgy，3为干烟气在θ3温度下的焓值，kj/nm³；hgy，4为干烟气在θ4温度下的焓值，kj/nm³；为水蒸气在θ3温度下的焓值，kj/nm³；为水蒸气在θ4温度下的焓值，kj/nm³；hm，1为每立方米干煤气对应的湿煤气在tm1温度下的焓值，kj/nm³；hm，2为每立方米干煤气对应的湿煤气在tm2温度下的焓值，kj/nm^3。

步骤3.8，算每立方米干煤气对应的流经空气预热器的干空气流量vgk，计算公式为：

其中，vgk为每立方米干煤气对应的流经空气预热器的干空气流量，nm³/nm³；vgy为每立方米干煤气燃烧产生的实际干烟气量，nm³/nm³(干煤气)；为每立方米干煤气燃烧产生的烟气中所含的水蒸气量，nm³/nm³(干煤气)；hgy，1为干烟气在θ1温度下的焓值，kj/nm³；hgy，2为干烟气在θ2温度下的焓值，kj/nm³；为水蒸气在θ1温度下的焓值，kj/nm³；为水蒸气在θ2温度下的焓值，kj/nm³；hk，1为每立方米干空气对应的湿空气在tk1温度下的焓值，kj/nm³；hk，2为每立方米干空气对应的湿空气在tk2温度下的焓值，kj/nm³。

步骤3.9，计算煤气干基低位热值qd，net，计算公式为：

其中，qd，net为煤气干基低位热值计算值，kj/nm³；vgk为每立方米干煤气对应的流经空气预热器的干空气流量，nm³/nm³(干煤气)；α为过量空气系数；δα为漏风系数，为综合炉膛漏风和烟气含氧量测点上游烟道漏风后的漏风系数，对于炉膛和烟道处于正压运行的燃烧设备取值为0，对于炉膛和烟道处于负压运行的燃烧设备则可采用设定值；k为折算系数，对于高炉煤气，k＝5122；对于转炉煤气，k＝5381。

步骤3.10，将qd，net与的差值的绝对值与设定的误差限值ε进行比较：

当大于设定的误差限值ε时，重新假定煤气干基低位热值并再次执行步骤3.2至步骤3.10，当小于或等于设定值ε时，输出煤气干基低位热值qd，net。

进一步的，当大于设定的误差限值ε时，将赋值给所述假定的煤气干基低位热值再次执行步骤3.2至步骤3.10，直至小于或等于设定的误差限值ε。

本实施例中，煤气热值采用煤气干基低位热值进行求解。在具体实施过程中，煤气热值也可采用煤气干基高位热值进行求解，只是各公式的相关系数要做相应调整。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。