預(yù)報(bào)高溫廢氣循環(huán)燒結(jié)工藝熱狀態(tài)參數(shù)的仿真方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及燒結(jié)工藝，具體是一種用于預(yù)報(bào)高溫廢氣循環(huán)燒結(jié)工藝熱狀態(tài)參數(shù)的 數(shù)值仿真方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 燒結(jié)，是人造富鐵礦的主要生產(chǎn)方法之一。目前國際上90%以上的人造富鐵礦都 是通過燒結(jié)得到的，其基本過程為：將準(zhǔn)備好的混合料在燒結(jié)機(jī)上進(jìn)行點(diǎn)火并通過抽風(fēng)的 作用，使混合料中的固定碳燃燒，從而產(chǎn)生高溫，混合物局部軟化或熔化，發(fā)生一系列的化 學(xué)反應(yīng)，生成一定數(shù)量的液相。隨后由于溫度降低，液相冷卻而凝固成塊，經(jīng)破碎、冷卻即得 到燒結(jié)礦。
[0003] 燒結(jié)礦質(zhì)量的好壞直接影響高爐生產(chǎn)的質(zhì)量。隨著燒結(jié)設(shè)備大型化和高爐對燒結(jié) 礦質(zhì)量要求的提高，燒結(jié)過程控制技術(shù)的應(yīng)用就顯得更加重要，而利用數(shù)值計(jì)算方法對燒 結(jié)過程進(jìn)行數(shù)值模擬并配有實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對準(zhǔn)確掌握燒結(jié)過程的傳熱規(guī)律，提高燒結(jié)礦產(chǎn)量 和質(zhì)量有重大的現(xiàn)實(shí)意義。
[0004] 帶式燒結(jié)機(jī)的混合料層的在抽風(fēng)燒結(jié)過程中，整個(gè)料層沿高度呈現(xiàn)性質(zhì)不同的5 個(gè)帶，從上到下分別是燒結(jié)礦帶、燃燒帶、加熱帶、干燥帶和過濕帶，各種復(fù)雜的物理化學(xué)反 應(yīng)主要發(fā)生在燃燒帶，溫度最高。在燃燒帶以上的燒結(jié)礦帶內(nèi)，熾熱的燒結(jié)礦物料加熱時(shí)從 料層表面吸入空氣，燃燒帶以下的3帶統(tǒng)稱未燒結(jié)礦層，在這3個(gè)帶中，來自燃燒帶的高溫 煙氣將熱量傳給物料，使物料得到干燥和預(yù)熱升溫。
[0005] 燒結(jié)礦料層的傳熱傳質(zhì)模型始于上世紀(jì)60年代。1963年，英國Leeds大學(xué)的 P. A. Young(燒結(jié)礦生產(chǎn)，冶金工業(yè)出版社，1981)把燒結(jié)礦料層當(dāng)做固定床，簡單計(jì)算了 加熱氣流與燒結(jié)礦之間的傳熱過程；1967年，M. Cross (粉末燒結(jié)理論，冶金工業(yè)出版社， 1998)建立了回轉(zhuǎn)窯中氣流與燒結(jié)礦顆粒之間的傳熱模型，但沒有考慮各種反應(yīng)對傳熱過 程的影響；H.Toda等人（Transactions ISIJ, 1984)建立了模擬焦粉粒度、混合料預(yù)熱、氣 流分布等操作因素對燒結(jié)料層熱曲線影響的數(shù)學(xué)模型，得到了高溫帶冷卻時(shí)間與落下強(qiáng)度 之間的關(guān)系；中南大學(xué)的鄒志毅（中南工業(yè)大學(xué)博士論文，1992)建立了一個(gè)以濕料帶傳 熱、傳質(zhì)機(jī)理為基礎(chǔ)的燒結(jié)水分遷移全過程模型，得到料層中的溫度場與水分遷移過程有 關(guān)的所有變量的動態(tài)響應(yīng)；東北大學(xué)力杰（東北大學(xué)學(xué)報(bào)，2010)應(yīng)用Fluent軟件，采用多 孔介質(zhì)模型，分析了進(jìn)口流速、料層高度等操作參數(shù)以及風(fēng)箱結(jié)構(gòu)對冷卻過程的影響；中南 大學(xué)龍紅明（中南工業(yè)大學(xué)博士論文，2007)提出了將燒結(jié)過程熱狀態(tài)描述為料層各帶厚 度和遷移速度的思想，在燒結(jié)層上建立了三維模型，采用三對角矩陣算法和欠松弛迭代算 法進(jìn)行了數(shù)值模擬，并通過模擬解和實(shí)測解的對比分析，論證所建立的模型；重啟大學(xué)的白 晨光（重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2008)建立了燒結(jié)料層的蓄熱模型，研究了燃燒層厚度、蓄熱量在料 層中的分配比對燒結(jié)蓄熱的影響；2009年，北京科技大學(xué)的司俊龍（中南工業(yè)大學(xué)學(xué)位論 文，2009)將燒結(jié)料層視為非均質(zhì)多孔介質(zhì)，忽略燒結(jié)機(jī)長度及寬度方向上的傳輸過程，得 到一維非穩(wěn)態(tài)傳熱過程，簡要分析了料層厚度、臺車速度、混料預(yù)熱溫度、分層布料等對燒 結(jié)過程的影響。
[0006] 上述燒結(jié)模擬模型主要用于離線操作分析，在工業(yè)應(yīng)用上尚有限制，主要缺點(diǎn)如 下：（1)模型中一些主要技術(shù)參數(shù)難以確定，因此其模擬的計(jì)算精度不能滿足工業(yè)過程控 制的要求；(2)綜合數(shù)學(xué)模型的控制方程組相當(dāng)復(fù)雜，而且又不能用線性方程式來表示，模 型求解時(shí)間過長；（3)對系統(tǒng)的輸出變量，即質(zhì)量、產(chǎn)量指標(biāo)和過程狀態(tài)變量之間的定量關(guān) 系尚未用數(shù)學(xué)模型描述出來；(4)適用范圍比較窄，不能對燒結(jié)過程做出超過已知測定變 量或?qū)嶒?yàn)變量范圍以外的預(yù)報(bào)。
[0007] 由上述分析可見，由于燒結(jié)過程復(fù)雜，影響因素繁多，不易建立合適的數(shù)學(xué)模型。 但縱觀燒結(jié)模型的發(fā)展歷史，它經(jīng)歷著由簡單到復(fù)雜，由低級到高級的發(fā)展過程。在模型的 范圍方面，由選球、制粒模型，燒結(jié)礦冷卻模型向燒結(jié)模型發(fā)展，由窄范圍向?qū)挿秶l(fā)展。在 模型研制水平方面，由經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖蚓C合模型發(fā)展，由靜態(tài)模型向動態(tài)模型發(fā)展，由單元操作 向系統(tǒng)模型發(fā)展。在模型運(yùn)用方面，由用于過程分析、預(yù)測向用于模擬、控制的方向發(fā)展。對 燒結(jié)數(shù)學(xué)模型的發(fā)展，國外始于20世紀(jì)60年代，我國始于80年代。由于燒結(jié)技術(shù)和計(jì)算 機(jī)技術(shù)的發(fā)展，燒結(jié)數(shù)學(xué)模型的發(fā)展很快，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，它從過程模擬、參數(shù)優(yōu)化不 斷向過程控制和新技術(shù)開發(fā)等方向發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是提供一種預(yù)報(bào)高溫廢氣循環(huán)燒結(jié)工藝熱狀態(tài)參數(shù)的仿真方法，本 發(fā)明將水分遷移、石灰石分解、焦粉燃燒等顯著影響燒結(jié)過程的熱效應(yīng)通過微觀機(jī)理模型 進(jìn)行求解，并將結(jié)算結(jié)果加權(quán)為宏觀模型的質(zhì)量源項(xiàng)與熱量源項(xiàng)，在機(jī)理上更加貼近實(shí)際 燒結(jié)過程，提高模擬精度。用以解決現(xiàn)有的模擬方式精度低以及用于模擬時(shí)間較長、效率低 的問題。
[0009] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的方案是：一種預(yù)報(bào)高溫廢氣循環(huán)燒結(jié)工藝熱狀態(tài)參數(shù) 的仿真方法，所述的仿真方法包括如下步驟：
[0010] (1)建立燒結(jié)機(jī)內(nèi)燒結(jié)料層的燒結(jié)過程物理模型，所述的物理模型是一種一維非 穩(wěn)態(tài)模型，用以模擬燒結(jié)燃料層的物料與氣體在燒結(jié)機(jī)內(nèi)交叉換熱時(shí)進(jìn)行的流動、傳熱、燃 燒和化學(xué)反應(yīng)過程；
[0011] (2)建立單顆粒微元體微觀數(shù)學(xué)模型；
[0012] (3)根據(jù)所述的單顆粒微元體微觀數(shù)學(xué)模型，求解燒結(jié)過程中水分遷移、石灰石 分解和焦粉燃燒的熱效應(yīng)，并將求解結(jié)果加權(quán)為燒結(jié)層宏觀數(shù)學(xué)模型的質(zhì)量源項(xiàng)和熱量源 項(xiàng)，建立燒結(jié)床層宏觀數(shù)學(xué)模型；
[0013] (4)根據(jù)所述的微觀數(shù)學(xué)模型和宏觀數(shù)學(xué)模型，計(jì)算得到單顆粒微元體內(nèi)部溫度 與濃度梯度，混料內(nèi)部溫度與氣體溫度，尾部煙氣溫度，模擬燒結(jié)過程不同工藝參數(shù)和控制 參數(shù)下的混料溫度變化過程；
[0014] (5)根據(jù)步驟（4)中的仿真結(jié)果，對實(shí)際燒結(jié)過程中的控制參數(shù)和工藝參數(shù)進(jìn)行 調(diào)整，優(yōu)化燒結(jié)機(jī)生產(chǎn)工藝。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明所述的仿真方法，所述的步驟（3)中，求解水分蒸發(fā)的熱效應(yīng)時(shí)， 建立水分遷移子模型，所述的水分遷移子模型包括水分冷凝速度模型和水分蒸發(fā)速度 模型，所述的水分冷凝速度模型為：
所述的水分蒸發(fā)速度模型為：
[0016] 其中：Revapl為水分冷凝速率，kg/(m3 · s);
[0017] Revap2 為水分蒸發(fā)速率，kg/ (m3 · s);
[0018] Aao為氣相中水蒸氣密度，kg/m3 ;
[0019] A,//,〇為飽和水蒸氣密度，kg/m3 ;
[0020] Λ τ為模擬計(jì)算的時(shí)間步長，S ;
[0021] TOTap為水分蒸發(fā)臨界溫度，Κ ;
[0022] Λ H_p為水分蒸發(fā)焓變，J/kg。
[0023] 根據(jù)本發(fā)明所述的仿真方法，所述的步驟（3)中，求解石灰石分解的熱效應(yīng)時(shí)，建 立石灰石分解子模型，即：
[0024]
[0025] 其中：Rd_為石灰石分解速率，kgAm3 · s);
[0026] R為通用氣體常數(shù)，取值8. 314X/(mol · K);
[0027] 和mea。分別為固相中碳酸鈣和氧化鈣的質(zhì)量，kg/m3 ;
[0028] #0??和Mea。分別為碳酸鈣和氧化鈣的摩爾質(zhì)量，kg/mol ;
[0029] 戌貨為氣相中二氧化碳的分壓，Pa ;
[0030] Kq為反應(yīng)平衡常數(shù)，通亡
[0031] 根據(jù)本發(fā)明所述的仿真方法，所述的步驟（3)中，求解焦粉燃燒的熱效應(yīng)時(shí)，建立 焦粉燃燒子模型，即：
[0032]
[0033] 式中：R_b為焦粉燃燒速度；
[0034] 為氣相中氧氣分密度，kg/m3。
[0035] 根據(jù)本發(fā)明所述的仿真方法，當(dāng)單顆粒微元體的溫度小于水分蒸發(fā)溫度時(shí)，若氣 相中水蒸氣密度超過飽和水蒸氣密度，則根據(jù)所述的水分冷凝速度模型進(jìn)行水分蒸發(fā)熱的 處理；當(dāng)檢測到單顆粒微元體的實(shí)際溫度大于水分蒸發(fā)溫度時(shí)，根據(jù)所述的水分蒸發(fā)速度 模型進(jìn)行水分蒸發(fā)熱的處理.
[0036] 根據(jù)本發(fā)明所述的仿真方法，當(dāng)檢測到單顆粒微元體的實(shí)際溫度達(dá)到分解溫度 時(shí)，發(fā)生石灰石分解，根據(jù)所述的石灰石分解子模型進(jìn)行石灰石分解熱的處理；
[0037] 根據(jù)本發(fā)明所述的仿真方法，當(dāng)檢測到單顆粒微元體的實(shí)際溫度達(dá)到燃燒溫度 時(shí)，發(fā)生燃燒反應(yīng)，根據(jù)所述的焦粉燃燒子模型進(jìn)行焦粉燃燒熱的處理。
[0038] 根據(jù)本發(fā)明所述的仿真方法，所述的工藝參數(shù)和控制參數(shù)包括布料厚度、臺車速 度、混料預(yù)熱溫度、進(jìn)口氣體流量/溫度/氧含量、混料水分/石灰石/焦粉含量。
[0039] 根據(jù)本發(fā)明所述的仿真方法，所述單顆粒微元體微觀數(shù)學(xué)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-