·1132 北京科技大学学报 第35卷 本文在炉热指数计算模型的基础上，利用BP神经 系统热收人： 系统内热交换 系统热支出 网络建立了电石液温度预报模型.结合炉热指数计 算和电石液温度预测可以对电石炉热状态进行准确 炉料区 炉料区反应耗热 电极产生 煤气显热 的电阻热 判断. 下降炉 粉尘显热 料显热 1800℃ 炉料区热损失 1炉热指数计算 反应区反应耗热 1.1炉热指数的概念 !上升煤 电极产生 气显热 电石液显热 电石冶炼的热能主要来自电能.电石生产的热 的电弧热 反应区 反应区热损失 量供给要满足加热炉料和进行化学反应的能量要求 以及不可避免的能量损失的要求，这是保证电炉能 图1炉热指数计算模型 够良好运行的重要条件.进入电石炉内电能一部分 Fig.1 Calculation model of furnace heat index 用于反应区，决定该区的温度，促进该区化学反应 图1的左边为系统收入的热量，包括电极在炉 的进行：另一部分，则用于未熔化的炉料区，提高 料区产生的电阻热和电极在反应区产生的电弧热； 炉料的温度，并进而熔化炉料，为反应区的反应创 右边为系统支出的热量，包括反应消耗的热量、煤 造良好条件.因此，合理的电能供给和电能的合理 气显热、粉尘显热、电石液显热以及损失的热量.中 分配是影响电石炉炉温的重要参数 间为炉内的热交换过程.基于图1所示的炉热指数 本文所述的炉热指数包含两个部分：一部分是 计算模型，提出如下所示的炉热指数计算公式. 炉料配热系数，指炉料区分配的电能占入炉总电能 配热系数(C)表明炉料区分配的电能占入炉总 的比例，炉料配热系数代表炉内能量分配情况：一 电能的比例， 部分是高温区热盈余，指进入反应区内的总热量除 C= QR (1) 了用于在理论反应温度下电石液生成消耗的热量以 QR+QA 及由于煤气带走的热量和炉体热量损失之外多余的 式中：QR为电能在炉料区释放的电阻热，kJ:QA 热量，高温区热盈余代表进入反应区能量的高低. 为电能在反应区释放的电弧热，kJ, 1.2计算模型的构造 设以满足CaC2生成的理论温度1800℃为电 电石生产是生石灰和碳素原料凭借电弧热和 石液的初始温度，在此理论温度下电石液的显热为 电阻热在18002200℃的高温下反应制得碳化钙， QT,c,电石液的实际显热为Qs,c,那么反应区的热 碳化钙的生成主反应为 盈余q为 Ca0(s)+3C(s)=CaC2()+C0(g) q=Qs.c-QT.C. (2) 1.3两段式热平衡解析炉热指数计算相关参数 △H=-466kJ.mol-1. 炉热指数模型把电石炉分成炉料区和反应区 同时电石炉内还进行着一系列的副反应.电石炉内 两个有联系且互相影响的区域，以热平衡理论为依 电路可归纳为电极下端与炉底（熔池）间构成的星 据5-1，充分考虑电石炉内发生的各种物化反应的 形回路和每两电极间炉料形成三角形回路2-4.这 真实热量变化，分别对炉料区和反应区建立热平衡 样将电石炉分为两个区：炉料区和反应区 方程，如式(3)和式(4)所示.由这两个区域的热平 根据以上描述，给出了炉热指数计算模型示意 衡分析，解析炉热指数计算的相关参数. 图，如图1所示.对模型提出几点假设： (1)炉料区与反应区的理论分界线为1800℃， QR+QU.G=QR.T+Qo.G+Qo.D+RD.c+Qw.T,(3) 炉料由炉料区进入反应区的温度为1800℃，由反 应区上升到炉料区的煤气温度为1900℃： QA+QD.C =QR.B +Qs.c+QU.G +Qw.B.(4) (②)炉料在炉料区保持固体状态： 式中：Qu,G为反应区上升煤气的显热，kJ:QR,T (3)CaC2的生成反应是在进入反应区后大量进 为炉料区反应热，kJ:Qo,G为煤气带走的显 行的： 热，k:Qo.D为粉尘带走的显热，kJ:Qw,T为炉 (4)氧化物的还原反应全部在反应区进行： 料区热损失，kJ:QD.c为下降到反应区炉料的显 (⑤)炉料区和反应区之间没有对流换热和辐射 热，kJ:QR,B为反应区的反应热，kJ:Qw,B为反应 换热 区的热损失，kJ· 1132 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 本文在炉热指数计算模型的基础上，利用 BP 神经 网络建立了电石液温度预报模型. 结合炉热指数计 算和电石液温度预测可以对电石炉热状态进行准确 判断. 1 炉热指数计算 1.1 炉热指数的概念 电石冶炼的热能主要来自电能. 电石生产的热 量供给要满足加热炉料和进行化学反应的能量要求 以及不可避免的能量损失的要求，这是保证电炉能 够良好运行的重要条件. 进入电石炉内电能一部分 用于反应区，决定该区的温度，促进该区化学反应 的进行；另一部分，则用于未熔化的炉料区，提高 炉料的温度，并进而熔化炉料，为反应区的反应创 造良好条件. 因此，合理的电能供给和电能的合理 分配是影响电石炉炉温的重要参数. 本文所述的炉热指数包含两个部分：一部分是 炉料配热系数，指炉料区分配的电能占入炉总电能 的比例，炉料配热系数代表炉内能量分配情况；一 部分是高温区热盈余，指进入反应区内的总热量除 了用于在理论反应温度下电石液生成消耗的热量以 及由于煤气带走的热量和炉体热量损失之外多余的 热量，高温区热盈余代表进入反应区能量的高低. 1.2 计算模型的构造 电石生产是生石灰和碳素原料凭借电弧热和 电阻热在 1800∼2200 ℃的高温下反应制得碳化钙， 碳化钙的生成主反应为 CaO(s) + 3C(s) = CaC2(l) + CO(g), ∆H = −466kJ · mol−1 . 同时电石炉内还进行着一系列的副反应. 电石炉内 电路可归纳为电极下端与炉底 (熔池) 间构成的星 形回路和每两电极间炉料形成三角形回路[2−4] . 这 样将电石炉分为两个区：炉料区和反应区. 根据以上描述，给出了炉热指数计算模型示意 图，如图 1 所示. 对模型提出几点假设： (1) 炉料区与反应区的理论分界线为 1800 ℃， 炉料由炉料区进入反应区的温度为 1800 ℃，由反 应区上升到炉料区的煤气温度为 1900 ℃； (2) 炉料在炉料区保持固体状态； (3)CaC2 的生成反应是在进入反应区后大量进 行的； (4) 氧化物的还原反应全部在反应区进行； (5) 炉料区和反应区之间没有对流换热和辐射 换热. 图 1 炉热指数计算模型 Fig.1 Calculation model of furnace heat index 图 1 的左边为系统收入的热量，包括电极在炉 料区产生的电阻热和电极在反应区产生的电弧热； 右边为系统支出的热量，包括反应消耗的热量、煤 气显热、粉尘显热、电石液显热以及损失的热量. 中 间为炉内的热交换过程. 基于图 1 所示的炉热指数 计算模型，提出如下所示的炉热指数计算公式. 配热系数 (C) 表明炉料区分配的电能占入炉总 电能的比例， C = QR QR + QA . (1) 式中：QR 为电能在炉料区释放的电阻热，kJ；QA 为电能在反应区释放的电弧热，kJ. 设以满足 CaC2 生成的理论温度 1800 ℃为电 石液的初始温度，在此理论温度下电石液的显热为 QT,C，电石液的实际显热为 QS,C，那么反应区的热 盈余 q 为 q = QS,C − QT,C. (2) 1.3 两段式热平衡解析炉热指数计算相关参数 炉热指数模型把电石炉分成炉料区和反应区 两个有联系且互相影响的区域，以热平衡理论为依 据[5−6]，充分考虑电石炉内发生的各种物化反应的 真实热量变化，分别对炉料区和反应区建立热平衡 方程，如式 (3) 和式 (4) 所示. 由这两个区域的热平 衡分析，解析炉热指数计算的相关参数. QR+QU,G = QR,T+QO,G+QO,D+RD,C+QW,T, (3) QA + QD,C = QR,B + QS,C + QU,G + QW,B. (4) 式中：QU,G 为反应区上升煤气的显热，kJ；QR,T 为炉料区反应热， kJ； QO,G 为煤气带走的显 热，kJ；QO,D 为粉尘带走的显热，kJ；QW,T 为炉 料区热损失，kJ；QD,C 为下降到反应区炉料的显 热，kJ；QR,B 为反应区的反应热，kJ；QW,B 为反应 区的热损失，kJ