第3期 郭培民等：氧气高炉多区域约束性数学模型 ·337 0<0 2400 6000H 口热收人 0=0 ☑Z☑热支出 2000 5000 1600 400 3000 0>0 色12m 800 2000 一·一炉原煤气量 400 一一商温区产生煤气量 1000 ·满足间接还原反应需要煤气量 60 70 80 90 100 全炉热平衡 高温区 固体炉料区 金属化率停 区域 图5不同金属化率条件下煤气的平衡关系 图3金属化率为6%时计算结果 Fg 5 Gas balance at differentm eta llization mates Fg3 Ca lout知results at ame恤liat知购eof66 小煤气量，更不能满足炉身热平衡，需要喷吹的循环 4500 0x>0 4000 0=0 ☐热收人 煤气量逐渐增大.由于随着金属化率升高，高温区 ☑2☑热支出 3500 产生煤气量减少，循环煤气量增大，当金属化率很高 3000 三2500 0<0 时，高温区产生煤气量不一定能够维持各个区域的 200 热平衡. 1500 2.3煤气加热区的约束条件对数学模型的影响 1(000 500H 氧气高炉数学模型不仅要满足各区域热平衡， 0 全炉热平衡 高温区 固体炉料区 而且建立区域热平衡时要受到物理约束和化学约束 区域 条件的限制.物理约束主要是对各区域物质的输入 图4金属化率为9%时计算结果 与输出温度、热损失以及煤气量等参数的约束.假 Fg4 Ca lou t知resu lts at am eta lliza ti知meof9% 定高温区热损失为05GJ固体炉料区热损失为 0.2GJ循环煤气温度为900℃炉顶煤气温度 平衡不满足，全炉热平衡就没有意义.所以建立氧 250℃煤气加热区换热效率为75%，计算不同金属 气高炉数学模型时，需要对氧气高炉分区域建立能 化率条件下，高温区产生煤气量、吸附带出煤气量、 量平衡，模拟各区域热量的收支情况 加热耗用煤气量以及输出煤气量如表4所示. 2.2固体炉料区的约束条件对数学模型的影响 在高温区和固体炉料区都满足热平衡时，输出 根据CO和还原FO的热力学条件，1000℃ 煤气量需要满足如下关系式：输出煤气量=高温区 间接还原反应达到平衡时CO和H的利用率分别 产生煤气量吸附煤气量一加热耗用煤气量≥0. 为29.2%和37.5%.由于铁的高价氧化物还原比 由表4可以看出，随着金属化率的升高，高温 较容易，所以间接还原反应的限制性环节是FO的 区产生煤气量逐渐减少，炉身循环煤气量增大，加 还原.受CO和H还原FO的热力学平衡条件限 热循环煤气耗用煤气量也逐渐增大.金属化率升 制，不同金属化率对应不同的最小煤气量.图5给 高，炉身间接还原度增大，生成CQ增多，所以吸附 出了不同金属化率条件下，高温区产生煤气量、满足 煤气量增加.向外输出煤气量随着金属化率的升 炉身间接还原反应需要最小煤气量以及循环煤气量 高，逐渐减小，但当金属化率升高到一定值时，输 之间的关系. 出煤气量成为负值，这很明显不符合实际生产.所 根据图5可知，随着矿石金属化率升高，高温区 以在氧气高炉数学模拟过程中，当假定的金属化 产生煤气量逐渐减少，满足炉身间接还原反应需要 率很高时，如果不考虑煤气加热区的约束条件，虽 的最小煤气量逐渐增大.在金属化率低于A点前， 然很低的燃料比就可以满足高温区和固体炉料区 高温区产生煤气可以满足炉身间接还原反应，但不 的热平衡，但没有实际意义，因为煤气加热区不能 能满足炉身热平衡，炉身热量不足，需要向炉身喷吹 实现热平衡.由此可知，在建立氧气高炉数学模型 热循环煤气，为炉身提供热量，图中阴影部分就是需 时，要综合考虑各区域的物理约束条件，煤气量之 要喷吹的循环煤气量.当金属化率高于A点后，高 间要匹配，如果任一区域不满足热平衡，计算结果 温区产生的煤气量低于炉身间接还原反应需要的最 就没有意义.第 3期 郭培民等:氧气高炉多区域约束性数学模型 图 3 金属化率为 65%时计算结果 Fig.3 Calculationresultsatametallizationrateof65% 图 4 金属化率为 90%时计算结果 Fig.4 Calculationresultsatametallizationrateof90% 平衡不满足 ,全炉热平衡就没有意义.所以建立氧 气高炉数学模型时, 需要对氧气高炉分区域建立能 量平衡 ,模拟各区域热量的收支情况 . 2.2 固体炉料区的约束条件对数学模型的影响 根据 CO和 H2还原 FeO的热力学条件, 1000℃ 间接还原反应达到平衡时 CO和 H2的利用率分别 为 29.2%和 37.5%.由于铁的高价氧化物还原比 较容易 ,所以间接还原反应的限制性环节是 FeO的 还原.受 CO和 H2还原 FeO的热力学平衡条件限 制 ,不同金属化率对应不同的最小煤气量.图 5给 出了不同金属化率条件下 ,高温区产生煤气量 、满足 炉身间接还原反应需要最小煤气量以及循环煤气量 之间的关系 . 根据图 5可知 ,随着矿石金属化率升高,高温区 产生煤气量逐渐减少, 满足炉身间接还原反应需要 的最小煤气量逐渐增大.在金属化率低于 A点前 , 高温区产生煤气可以满足炉身间接还原反应 , 但不 能满足炉身热平衡,炉身热量不足,需要向炉身喷吹 热循环煤气 ,为炉身提供热量, 图中阴影部分就是需 要喷吹的循环煤气量.当金属化率高于 A点后 ,高 温区产生的煤气量低于炉身间接还原反应需要的最 图 5 不同金属化率条件下煤气的平衡关系 Fig.5 Gasbalanceatdifferentmetallizationrates 小煤气量 ,更不能满足炉身热平衡 ,需要喷吹的循环 煤气量逐渐增大 .由于随着金属化率升高, 高温区 产生煤气量减少,循环煤气量增大 ,当金属化率很高 时, 高温区产生煤气量不一定能够维持各个区域的 热平衡. 2.3 煤气加热区的约束条件对数学模型的影响 氧气高炉数学模型不仅要满足各区域热平衡, 而且建立区域热平衡时要受到物理约束和化学约束 条件的限制.物理约束主要是对各区域物质的输入 与输出温度、热损失以及煤气量等参数的约束 .假 定高温区热损失为 0.5 GJ, 固体炉料区热损失为 0.2 GJ,循 环煤气温度为 900 ℃, 炉顶煤气 温度 250 ℃, 煤气加热区换热效率为 75%, 计算不同金属 化率条件下,高温区产生煤气量 、吸附带出煤气量、 加热耗用煤气量以及输出煤气量如表 4所示 . 在高温区和固体炉料区都满足热平衡时, 输出 煤气量需要满足如下关系式:输出煤气量 =高温区 产生煤气量 -吸附煤气量 -加热耗用煤气量 ≥0. 由表 4可以看出 ,随着金属化率的升高 ,高温 区产生煤气量逐渐减少, 炉身循环煤气量增大 , 加 热循环煤气耗用煤气量也逐渐增大 .金属化率升 高 ,炉身间接还原度增大 , 生成 CO2增多 ,所以吸附 煤气量增加 .向外输出煤气量随着金属化率的升 高 ,逐渐减小 , 但当金属化率升高到一定值时, 输 出煤气量成为负值 , 这很明显不符合实际生产.所 以在氧气高炉数学模拟过程中 , 当假定的金属化 率很高时 ,如果不考虑煤气加热区的约束条件 , 虽 然很低的燃料比就可以满足高温区和固体炉料区 的热平衡 ,但没有实际意义 , 因为煤气加热区不能 实现热平衡 .由此可知 ,在建立氧气高炉数学模型 时 ,要综合考虑各区域的物理约束条件 , 煤气量之 间要匹配 ,如果任一区域不满足热平衡 , 计算结果 就没有意义 . · 337·