高炉数学模型的进展_储满生.pdf

第 17 卷第 4 期 2007 年 4 月 中国冶金 China Metallurgy Vol 17 No 4 Apr 2007 作者简介 储满生 1973 男 博士后 E mail chumansheng 163 com 修订日期 2006 11 22 高炉数学模型的进展 储满生1 郭宪臻2 沈峰满1 八木顺一郎3 1 东北大学材料与冶金学院 辽宁 沈阳 110004 2 安阳钢铁集团公司炼铁厂 河南 安阳 455004 3 東北大学多元物質科學研究所 日本 仙台 980 8577 摘 要 高炉是一个复杂的气固向流反应器 为了理解 控制和改进高炉炼铁过程 更多的努力被用于开发数学 模型 全高炉动力学模型经历了从一维到多维 稳态到非稳态 简单到复杂的发展过程 多流体高炉模型是全高 炉动力学数学模型研究的最新成果之一 该模型基于多流体理论 可对炉内主要现象进行多维数学模拟 并能精 确地预测高炉在指定条件下的操作指标 未来的高炉数学模型应朝复杂化和实用化方向发展 并拓展解析范围 提高模拟精度 关键词 高炉 数学模型 多流体理论 中图分类号 TF531 文献标识码 A 文章编号 1006 9356 2007 04 0010 05 Development of Blast Furnace Mathematical Model CHU Man sheng1 GUO Xian zhen2 SHEN Feng man1 YAGI Jun ichiro3 1 School of Materials and M etallurgy Northeastern University Shenyang 110004 Liaoning China 2 Iron Making Plant Anyang Iron and Steel Co Ltd Anyang 455004 Henan China 3 Institute of Multidisciplinary Research for Advanced M aterials Tohoku University Sendai 980 8577 Japan Abstract Blast furnace is a complex metallurgical reactor with gas solid counter flow In order to understand con trol and improve the blast furnace process more efforts are made to develop mathematical models In the past dec ades the reaction kinetics models of total blast furnace have generally developed from one dimensional stead state and simple models to mult i dimensional transient and complex ones Mult i fluid blast furnace model is one of the latest reaction kinetics models which is based on mult i fluid theory and can make mult i dimensional treatment of in furnace phenomena and accurate prediction of operational parameters under the given conditions T he future models of blast furnace should be more complicated and applicable after enlarging simulation range and improving computation exactness Key words blast furnace mathematical model mult i fluid theory 高炉生产是由炉顶加入炉料 从炉缸渣铁口排 放渣铁 而从风口鼓入热风和喷吹煤粉 煤气从炉顶 逸出 所以 可将高炉看作是存在炉料下降和煤气 上升 2 个逆向运动的反应器 炉内所有传输现象和 反应均发生于炉料与煤气的向流运动中 高炉内多种多相物质共存且相互作用 且诸多 物理化学现象同时发生 故高炉在化工领域被认为 是最复杂的冶金反应器之一 随现代测控技术的发 展和对实际运行高炉的炉体解剖 人们获得了大量 有用数据 对高炉有了更深理解 但光凭这些仍很难 详细掌握炉内的现象 因此 为更好地理解 控制和 改进高炉炼铁过程 更多的努力用于开发高炉数学 模型 1 根据对高炉内传输现象描述方法的不同 数学模型分为平衡理论模型 热化学模型和反应动 力学模型 按所考虑的空间坐标维数 分为一维 二 维和三维模型 考虑时间变量与否 有稳态模型和非 稳态模型 1 2 高炉炼铁技术在过去几十年中得到长足的进 步 为提高产量 降低能耗和减少环境负荷 喷吹煤 粉和有效利用含碳含铁废弃物等大量新技术逐渐被 采用 高炉的功能不断扩大 炉内现象更趋复杂化 而建立在反应动力学和传输现象理论基础上的反应 动力学数学模型是一有用的工具 可用其详细分析 炉内状态和精确预测高炉操作性能 1 高炉数学模型的发展历程 高炉反应动力学模型的发展历程见图 1 最早 获得发展的是高炉一维模型 且先有稳态模型 随后 逐渐发展为非稳态 鞭严等人在 20 世纪 60 年代末 开发的高炉稳态一维模型最具代表性 2 在鞭严的 模型中 考虑了炉内主要化学反应和传热过程 模拟 结果给出了主要工艺变量沿高炉高度方向上的分 布 后来 许多研究者仿效鞭严的建模思想建立了 一系列用于解决不同问题的高炉数学模型 这些早 期的高炉模型很好地把握了对局部和全高炉的能量 平衡和物质平衡这一基本规律 因而在模拟高炉现 象 分析操作参数对炉况和冶炼指标的影响 指导开 停炉等方面获得了相当的成功 如一些模型应用于 分析鼓风压力波动对高炉操作的影响 预测最低燃 料比以及模拟顶压操作等实践 2 但是 对于一维 高炉模型来说 过程参数被假设为径向均布 而高炉 的解剖和取样分析证实了气体温度和炉内物质成分 等在径向上都是不均匀的 另外 在其建模过程中 炉内物质和能量的传输过程只能通过常微分方程来 描述 再加上边界值设定不合理等缺陷 这些早期 一维模型的预测精度和应用范围都很有限 到 80 年代 计算机技术的发展允许模型处理更 大的矩阵 新建立的模型可采用偏微分方程作为其 控制方程 在此期间 大量二维高炉模型被开发 其 中较为知名的有 Hatano 和 Kurita 的模型 Yagi Takeda 和 Omori 的模型 Sugiyama 和 Sugata 的 BRIGHT 模型 1 2 二维模型主要被用于描述炉内 更为复杂的现象 即评估操作条件对高炉操作性能 和炉况的影响 分析软熔带的变化和影响 模拟和开 发高炉炼铁新技术等 总体来说 这些模型对指导 实际高炉操作和促进炼铁技术的进步做出了一定的 贡献 到 90 年代初 一个基本概念 多流体理论0被提 出 即用多相流和相间双向相互作用来描述发生在 炉下部的现象 且炉内物质相应通过流动机制来加 以区分 因此 除了最基本的气 固 液态物质外 被 炉内气流挟带的未燃煤粉被处理为一独立的粉 相 3 在随后基于这个理论而发展的高炉数学模型 中 根据物性的不同 液相又进一步划分为渣相和铁 水相 而粉相分为静态滞留粉相和动态滞留粉相 这些模型都总称为 多流体高炉数学模型0 4 10 属 于较为复杂全面的全高炉反应动力学模型 目前 多流体模型能合理处理二维和三维的问题 2 多流体高炉数学模型 多流体高炉数学模型基于多流体理论 冶金传 输原理 反应动力学以及计算流体力学等理论模拟 高炉炼铁过程 4 5 7 模型主要考虑了从渣面到料面 的整个填充区域 且认为高炉是轴对称的 多流体 模型中将气相 固相 焦炭和含铁炉料 铁水 熔渣 和粉相分别视为具有各自流动机制的独立相 每相 由 1 个或多个组元组成 且每个组元具有独立的成 分和物性 模型中考虑的物质和相见表 1 图 1 全高炉反应动力学模型的发展历程 Fig 1 Development of blast furnace mathematical models 表 1 多流体模型中考虑的相和物质 Table 1 Phases and chemical species considered in mult i fluid model 相物质 气相 CO CO2 O2 H2 H2O N2 SiO CH4 固相块矿Fe2O3 Fe3O4 FeO Fe 脉石 CaO Al2O3 MgO SiO2 H2O 烧结矿Fe2O3 Fe3O4 FeO Fe 脉石 CaO Al2O3 MgO SiO2 H2O 球 团Fe2O3 Fe3O4 FeO Fe 脉石 CaO Al2O3 MgO SiO2 H2O 焦炭C SiC 脉石 CaO Al2O3 MgO SiO2 H2O 铁水Fe C Si 熔渣FeO 脉石 CaO Al2O3 M gO SiO2 粉相煤粉 废塑料 C 脉石 CaO Al2O3 MgO SiO2 挥发分 11第 4 期 储满生等 高炉数学模型的进展 多流体模型中各相间的相互作用见图 2 图中 实线代表动量 质量和能量的完全相互作用 点线代 表质量的传输 模型认为气 固相与其它相之间均 有完全的质量 动量和能量交换 而不连续相 液相 和粉相 间不进行动量交换 但通过化学反应和相变 进行质量和能量的交换 图 2 多流体模型中相间相互作用示意 Fig 2 Diagram of interphase interactions considered in mult i fluid model 多流体模型采用一系列偏微分方程来描述炉内 各相的行为 由于各相之间同时且双向相互作用 故这些偏微分方程是强烈耦合的 须同时求解 所 有方程可用一个统一化的形式来加以描述 即 9 9x EiQiuiW 1 r 9 9r rEiQiviW 9 9x EiSW 9W 9x 1 r 9 9r rEiSW 9W 9r SW 1 式中 i 要考虑的气相 固相 铁水 熔渣和粉相 W 求解的变量 通过改变 W 分别代表质量 动量 能量方程以及连续性方程 Ei 相 i 的体积分数 SW 有效扩散系数 根据所求解的独立变量 具有不同的意义 如对于动量方程 SW 表示动力粘度 而对于能量方程 SW为导 热系数 SW 源相 主要是由于化学反应 相间相互作 用 外力以及相变等因素而产生 由于化学反应和相变 质量方程则具有质量源 模型中主要考虑的反应是 铁氧化物间接还原 熔渣 中氧化铁 FeO 直接还原 回旋区燃烧反应 焦炭气 化溶损反应 水煤气反应和水煤气转变反应 硅迁移 反应 渗碳反应 熔化及相变反应 水分蒸发或凝结 反应等 并利用已有的研究成果对上述反应的速度 进行了动力学公式化描述 4 7 不同相间因速度差的存在而产生动量交换 相 间的动量交换量计算为相间速度差和相间动量传输 系数的乘积 模型中针对不同体系采用不同的动量 传输系数计算方法 3 7 包括 气 固 Ergun 方程 气 液 单液滴拽力方程 气 粉 经 Richardson 和 Zaki 修正的单颗粒拽力方程 固 液 Kozeny Carman 方程 固 粉 Fanning 方程 液 粉 未考 虑 能量方程的源相包括反应热和相间对流换热 相间对流换热量通过相间对流换热系数 相间接触 面积以及相间温度差的乘积来定量估算 针对不同 体系而采用的相间对流换热系数估算方法 3 7 有 气 固 经 Akiyama 修正的 Ranz 方程 气 液 Mackey Warner 关系式 气 粉 Ranz Marshall 方 程 固 液 Eckert Drake 方程 固 粉 Emulsion 模型 液 粉 未考虑 模型计算时同时求解所有方程 首先 在计算 区域内利用 BFC 法 11 进行网格化 随后 利用控制 单元体法 12 离散化所有方程 最后 采用 SIMPLE 法 12 和迭代矩阵法求解所有离散的方程 根据计算 结果可给出 炉内温度 压力 速度 反应速度 体积 分量以及相物质组成等变量的多维分布 产量 利用 系数 渣量 焦比 煤比 还原剂消耗总量 以及炉顶 煤气利用率等操作指标的变化 利用某实际运行高炉的生产数据 对多流体数 学模型的有效性和计算的精确度进行了充分验证 图 3 给出了模型预测的炉内二维温度分布与实测值 受炉内测温元件的限制 1200 e 以上温度区域未 能给出 模型基本预测了炉内温度分布走向 模拟 值与测量值显示了良好的一致性 表 2 给出了模型 预测值和实际高炉操作参数之间的对比情况 主要 项的预测误差低于 5 应该说多流体模型较准确 预测了高炉操作指标 3 展望 高炉数学模型未来的发展方向见图 4 高炉数 学模型的核心是提高数学模型的实用性和精确度 首先是扩展和丰富目前的建模体系 思想和方法 为此 一些尚未解决的现象应在新的模型中加以考 虑 包括 粉相和液相静态滞留和动态滞留的区 分 以及 2 种滞留物质之间传输机制和速率 炉内 固体物料粉化而导致的粉相产生机制及速率 脉 12 中国冶金 第 17 卷 a 实测值 b 计算值 图 3 实测和模型计算的炉内温度分布 e Fig 3 Calculated and measured temperature distribution in furnace 表 2 高炉模型预测值和实际操作参数的对比 Table 2 Comparison between predicted values and practical operation parameters 项目模型计算值实际测量值误差 生铁产量 kg s 1 103 5 104 3 0 7 焦比 kg t 1 313 6 313 0 0 2 渣量 kg t 1 252 8 261 0 3 1 煤气利用效率 53 3 50 6 5 3 炉顶煤气温度 e248 0 240 0 3 3 石混合物在炉内的熔融现象和速率 铁水中微量 元素的扩散机制和基于速度论的描述 液相和粉 相之间的相互双向作用机制 生铁渗碳的机理和 速率 死料柱0更新的机理和速率 第 2 个应获得发展的新方向是运用粒子追踪法 和随机过程理论来模拟炉内某些现象 这主要是由 于实际操作中出现的如管道 悬料 滑料及风压波动 等炉况失常现象 都认定是不连续性和随机现象所 致 最后 应针对特定对象和现场应用目标来简化 图 4 高炉数学模型的未来发展方向 Fig 4 Perspectives on development of blast furnace models 模型 除改进数学模型本身外 更为重要的是改善 人 机操作界面 促进和扩大数学模型在高炉实际生 产中的应用 4 结论 1 高炉动力学数学模型建立在反应动力学和 传输现象理论基础之上 是详细分析炉内状态和精 确预测高炉操作性能的有效工具 其发展经历了由 一维到多维 稳态到非稳态 考虑的现象由简单到复 杂的过程 2 基于多流体理论的多流体高炉模型是一复 杂全面的高炉过程模拟仿真系统 可详尽模拟高炉 内的主要现象 并能精确预测高炉操作指标 模型预 测值与实测值显示了良好的一致性 3 高炉数学模型的未来发展应扩展和丰富目 前的建模体系 思想和方法 采用新理论 针对特定 13第 4 期 储满生等 高炉数学模型的进展 对象和实际应用目标而简化模型 从而提高数学模 型的实用性和精确度 参考文献 1 毕学工 高炉过程数学模型及计算机控制 M 北京 冶金工 业出版社 1996 2 Omori K Blast Furnace Phenomena and Modelling M Lon don Elsevier Applied Science 1987 3 Yagi J Mathematical M odeling of the Flow of Four Fluids in a Packed Bed J ISIJ International 1993 33 6 619 639 4 Austin P R Nogami H Yagi J A Mathematical M odel for Blast Furnace Reaction Analysis Based on the Four Fluid Mod el J ISIJ International 1997 37 8 748 755 5 Castro J A Nogami H Yagi J T ransient M athematical Mod el of Blast Furnace Base on Multi fluid Concept with Appl i cation to High PCI Operation J ISIJ International 2000 40 7 637 646 6 Sungging P Nogami H Yagi J Numerical Analy sis of Static Holdup of Fine Particles in Blast Furnace J ISIJ Internation al 2004 42 2 304 309 7 Chu M Study on Super High Efficiency Operations of Blast Furnace Based on Mult i fluid M odel D Sendai T ohoku Un i versity Japan 2004 8 Chu M Nogami H Yagi J Numerical Analysis on Injection of Hydrogen Bearing Materials into Blast Furnace J ISIJ In ternational 2004 44 3 801 808 9 Chu M Nogami H Yagi J Numerical Analysis on Charging Carbon Composite Agglomerates into Blast Furnace J ISIJ International 2004 44 5 510 517 10 Chu M Nogami H Yagi J Numerical Analysis on Blast Furnace Performance Under Operation with T op Gas