预报高温废气循环烧结工艺热状态参数的仿真方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及烧结工艺，具体是一种用于预报高温废气循环烧结工艺热状态参数的 数值仿真方法。
【背景技术】
[0002] 烧结，是人造富铁矿的主要生产方法之一。目前国际上90%以上的人造富铁矿都 是通过烧结得到的，其基本过程为：将准备好的混合料在烧结机上进行点火并通过抽风的 作用，使混合料中的固定碳燃烧，从而产生高温，混合物局部软化或熔化，发生一系列的化 学反应，生成一定数量的液相。随后由于温度降低，液相冷却而凝固成块，经破碎、冷却即得 到烧结矿。
[0003] 烧结矿质量的好坏直接影响高炉生产的质量。随着烧结设备大型化和高炉对烧结 矿质量要求的提高，烧结过程控制技术的应用就显得更加重要，而利用数值计算方法对烧 结过程进行数值模拟并配有实验验证，对准确掌握烧结过程的传热规律，提高烧结矿产量 和质量有重大的现实意义。
[0004] 带式烧结机的混合料层的在抽风烧结过程中，整个料层沿高度呈现性质不同的5 个带，从上到下分别是烧结矿带、燃烧带、加热带、干燥带和过湿带，各种复杂的物理化学反 应主要发生在燃烧带，温度最高。在燃烧带以上的烧结矿带内，炽热的烧结矿物料加热时从 料层表面吸入空气，燃烧带以下的3带统称未烧结矿层，在这3个带中，来自燃烧带的高温 烟气将热量传给物料，使物料得到干燥和预热升温。
[0005] 烧结矿料层的传热传质模型始于上世纪60年代。1963年，英国Leeds大学的 P. A. Young(烧结矿生产，冶金工业出版社，1981)把烧结矿料层当做固定床，简单计算了 加热气流与烧结矿之间的传热过程；1967年，M. Cross (粉末烧结理论，冶金工业出版社， 1998)建立了回转窑中气流与烧结矿颗粒之间的传热模型，但没有考虑各种反应对传热过 程的影响；H.Toda等人（Transactions ISIJ, 1984)建立了模拟焦粉粒度、混合料预热、气 流分布等操作因素对烧结料层热曲线影响的数学模型，得到了高温带冷却时间与落下强度 之间的关系；中南大学的邹志毅（中南工业大学博士论文，1992)建立了一个以湿料带传 热、传质机理为基础的烧结水分迁移全过程模型，得到料层中的温度场与水分迁移过程有 关的所有变量的动态响应；东北大学力杰（东北大学学报，2010)应用Fluent软件，采用多 孔介质模型，分析了进口流速、料层高度等操作参数以及风箱结构对冷却过程的影响；中南 大学龙红明（中南工业大学博士论文，2007)提出了将烧结过程热状态描述为料层各带厚 度和迁移速度的思想，在烧结层上建立了三维模型，采用三对角矩阵算法和欠松弛迭代算 法进行了数值模拟，并通过模拟解和实测解的对比分析，论证所建立的模型；重启大学的白 晨光（重庆大学学报，2008)建立了烧结料层的蓄热模型，研究了燃烧层厚度、蓄热量在料 层中的分配比对烧结蓄热的影响；2009年，北京科技大学的司俊龙（中南工业大学学位论 文，2009)将烧结料层视为非均质多孔介质，忽略烧结机长度及宽度方向上的传输过程，得 到一维非稳态传热过程，简要分析了料层厚度、台车速度、混料预热温度、分层布料等对烧 结过程的影响。
[0006] 上述烧结模拟模型主要用于离线操作分析，在工业应用上尚有限制，主要缺点如 下：（1)模型中一些主要技术参数难以确定，因此其模拟的计算精度不能满足工业过程控 制的要求；(2)综合数学模型的控制方程组相当复杂，而且又不能用线性方程式来表示，模 型求解时间过长；（3)对系统的输出变量，即质量、产量指标和过程状态变量之间的定量关 系尚未用数学模型描述出来；(4)适用范围比较窄，不能对烧结过程做出超过已知测定变 量或实验变量范围以外的预报。
[0007] 由上述分析可见，由于烧结过程复杂，影响因素繁多，不易建立合适的数学模型。 但纵观烧结模型的发展历史，它经历着由简单到复杂，由低级到高级的发展过程。在模型的 范围方面，由选球、制粒模型，烧结矿冷却模型向烧结模型发展，由窄范围向宽范围发展。在 模型研制水平方面，由经验模型向综合模型发展，由静态模型向动态模型发展，由单元操作 向系统模型发展。在模型运用方面，由用于过程分析、预测向用于模拟、控制的方向发展。对 烧结数学模型的发展，国外始于20世纪60年代，我国始于80年代。由于烧结技术和计算 机技术的发展，烧结数学模型的发展很快，应用范围不断扩大，它从过程模拟、参数优化不 断向过程控制和新技术开发等方向发展。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是提供一种预报高温废气循环烧结工艺热状态参数的仿真方法，本 发明将水分迁移、石灰石分解、焦粉燃烧等显著影响烧结过程的热效应通过微观机理模型 进行求解，并将结算结果加权为宏观模型的质量源项与热量源项，在机理上更加贴近实际 烧结过程，提高模拟精度。用以解决现有的模拟方式精度低以及用于模拟时间较长、效率低 的问题。
[0009] 为实现上述目的，本发明的方案是：一种预报高温废气循环烧结工艺热状态参数 的仿真方法，所述的仿真方法包括如下步骤：
[0010] (1)建立烧结机内烧结料层的烧结过程物理模型，所述的物理模型是一种一维非 稳态模型，用以模拟烧结燃料层的物料与气体在烧结机内交叉换热时进行的流动、传热、燃 烧和化学反应过程；
[0011] (2)建立单颗粒微元体微观数学模型；
[0012] (3)根据所述的单颗粒微元体微观数学模型，求解烧结过程中水分迁移、石灰石 分解和焦粉燃烧的热效应，并将求解结果加权为烧结层宏观数学模型的质量源项和热量源 项，建立烧结床层宏观数学模型；
[0013] (4)根据所述的微观数学模型和宏观数学模型，计算得到单颗粒微元体内部温度 与浓度梯度，混料内部温度与气体温度，尾部烟气温度，模拟烧结过程不同工艺参数和控制 参数下的混料温度变化过程；
[0014] (5)根据步骤（4)中的仿真结果，对实际烧结过程中的控制参数和工艺参数进行 调整，优化烧结机生产工艺。
[0015] 根据本发明所述的仿真方法，所述的步骤（3)中，求解水分蒸发的热效应时， 建立水分迁移子模型，所述的水分迁移子模型包括水分冷凝速度模型和水分蒸发速度 模型，所述的水分冷凝速度模型为：
所述的水分蒸发速度模型为：
[0016] 其中：Revapl为水分冷凝速率，kg/(m3 · s);
[0017] Revap2 为水分蒸发速率，kg/ (m3 · s);
[0018] Aao为气相中水蒸气密度，kg/m3 ;
[0019] A,//,〇为饱和水蒸气密度，kg/m3 ;
[0020] Λ τ为模拟计算的时间步长，S ;
[0021] TOTap为水分蒸发临界温度，Κ ;
[0022] Λ H_p为水分蒸发焓变，J/kg。
[0023] 根据本发明所述的仿真方法，所述的步骤（3)中，求解石灰石分解的热效应时，建 立石灰石分解子模型，即：
[0024]
[0025] 其中：Rd_为石灰石分解速率，kgAm3 · s);
[0026] R为通用气体常数，取值8. 314X/(mol · K);
[0027] 和mea。分别为固相中碳酸钙和氧化钙的质量，kg/m3 ;
[0028] #0??和Mea。分别为碳酸钙和氧化钙的摩尔质量，kg/mol ;
[0029] 戌货为气相中二氧化碳的分压，Pa ;
[0030] Kq为反应平衡常数，通亡
[0031] 根据本发明所述的仿真方法，所述的步骤（3)中，求解焦粉燃烧的热效应时，建立 焦粉燃烧子模型，即：
[0032]
[0033] 式中：R_b为焦粉燃烧速度；
[0034] 为气相中氧气分密度，kg/m3。
[0035] 根据本发明所述的仿真方法，当单颗粒微元体的温度小于水分蒸发温度时，若气 相中水蒸气密度超过饱和水蒸气密度，则根据所述的水分冷凝速度模型进行水分蒸发热的 处理；当检测到单颗粒微元体的实际温度大于水分蒸发温度时，根据所述的水分蒸发速度 模型进行水分蒸发热的处理.
[0036] 根据本发明所述的仿真方法，当检测到单颗粒微元体的实际温度达到分解温度 时，发生石灰石分解，根据所述的石灰石分解子模型进行石灰石分解热的处理；
[0037] 根据本发明所述的仿真方法，当检测到单颗粒微元体的实际温度达到燃烧温度 时，发生燃烧反应，根据所述的焦粉燃烧子模型进行焦粉燃烧热的处理。
[0038] 根据本发明所述的仿真方法，所述的工艺参数和控制参数包括布料厚度、台车速 度、混料预热温度、进口气体流量/温度/氧含量、混料水分/石灰石/焦粉含量。
[0039] 根据本发明所述的仿真方法，所述单颗粒微元体微观数学模型的控制方程如下：
[0040]
[0041]
[0042]
[0043]
[0044]
[0045]
[0046] κ r
[0047] P Cp = (1- Φ ) P slCsl+ Φ P gCg ；
[0048] λ = (1-