[发明专利]一种高效实用型热风炉烧炉操控方法

权利要求书

1.一种高效实用型热风炉烧炉操控方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、对各座高炉所有的热风炉，在正常生产工况条件下，进行一次热平衡测试，形成热平衡测试分析报告，并将此测试与分析数据作为各热风炉热平衡计算的基准；该热平衡测试每年进行一次，并按新的测试与分析数据，逐年更新热风炉热平衡计算的基准值，并保存在数据库中；

步骤2、实时采集每座热风炉在送风期的风量、风温和送风时间，在燃烧期的煤气热值、煤气流量、助燃空气流量、燃烧期时间、热风炉拱顶温度、排烟温度、助燃空气与煤气预热温度参数，作为模型计算与动态修正的依据；以热平衡测试时热风带出的总热量为基准值，并以偏离基准值的大小作为判定高炉工况是否正常及换炉制度的依据，当实际值小于热平衡测试时的热风总热量8-12％时，按正常工况处理，并执行固定周期换炉制度；当实际值大于等于热平衡测试时的热风总热量8-12％时，按非正常工况处理，并执行非固定周期换炉制度；

步骤3、建立热风炉热平衡模型及煤气消耗量模型

3.1热风炉热平衡模型

为简化计算，以热风炉一个工作周期：包括含燃烧期、换炉期与送风期送出的每m³热风为单位，建立总热收入与总热支出热平衡模型：

Q_R＝Q₁+Q₂+Q₃+Q₄……(1)

Q_Z＝Q¹+Q²+Q³+Q⁴+Q⁵+Q⁶+Q⁷+Q⁸+Q⁹……(2)

式中：Q_R：总热收入kJ/m³；Q_Z：总热支出kJ/m³；

Q₁：煤气燃烧化学热kJ/m³，Q₁＝B×Q_D……(3)；

B:热风炉送出每m³热风所消耗的煤气量m³/m³，Q_D：煤气低发热量kJ/m³；

B＝V_m×τ_r/(V_f×τ_f)……(4)

式中：V_m为热风炉烧炉的平均煤气流量m³/h，τ_r及τ_f分别为热风炉的燃烧期及送风期时间h，V_f为热风炉送出的实际热风流量m³/h；

Q₂：煤气带入的物理热kJ/m³；Q₂＝B×(c_mt_m－c_met_e)……(5)

式中：t_m、t_e分别为煤气及环境的平均温度℃，c_m、c_me分别为煤气在t_m及t_e时的平均比热kJ/m³℃；

Q₃：助燃空气带入的物理热kJ/m³；Q₃＝α×B×(c_kt_k－c_ket_e)……(6)

式中：α：燃烧期平均空燃比，t_k、t_ke分别为助燃空气平均预热温度及环境的平均温度℃；c_k和c_e分别为空气在t_k℃与t_e℃时的平均比热kJ/m³℃；

Q₄：冷风带入的物理热kJ/m³；Q₄＝c_f1t_f1－c_fet_e……(7)

式中：t_f1、t_e分别为冷风及环境的平均温度℃；c_f1、c_e分别为空气在t_f1及t_e时的平均比热kJ/m³℃；

Q¹：热风带出的热量kJ/m³；Q¹＝c_f2t_f2－c_fet_e……(8)

式中：t_f2、t_e分别为热风及环境的平均温度℃；c_f2、c_fe分别为空气在t_f2和t_e温度时的平均比热kJ/m³℃；

Q²：烟气带出的热量kJ/m³；Q²＝BbV_y(c_y2t_y2－c_yet_e)……(9)

式中：t_y2、t_e分别为烟气与环境的平均温度；c_y2、c_ye分别为烟气在t_y2及t_e温度时的平均比热kJ/m³℃；

V_y：实际烟气量m³/m³煤气，若没有实测数据，可按烟气成分推算；b：煤气不完全燃烧时烟气修正系数，煤气完全燃烧时b＝1；

Q³：化学不完全燃烧损失的热量，即烟气中未燃烧的可燃气体热损失kJ/m³，按烟气成分计算，若煤气完全燃烧，则Q³＝0；

Q⁴：炉体表面散热量kJ/m³；

Q⁴＝∑[k×(t_i-t_e)×A_i]×τ/(V_f×τ_f)……(10)

式中：k：对流换热系数kJ/m²℃，根据该表面几何位置查表选取，t_i、t_e分别为第i处炉体表面温度与该处环境温度℃；A_i：第i处炉体表面积m²；τ：测试周期时间h；τ＝τ_r+τ_f；V_f：送风期平均风量m³/h；

Q⁵：冷风管道表面散热kJ/m³；

Q⁵＝∑[k×(t_i-t_e)×A_i]×τ/(V_f×τ_f)……(11)

Q⁶：热风管道表面散热kJ/m³；

Q⁶＝∑[k×(t_i-t_e)×A_i]×τ/(V_f×τ_f)……(12)

Q⁷：烟道表面散热kJ/m³；

Q⁷＝∑[k×(t_i-t_e)×A_i]×τ/(V_f×τ_f)_……₍13)

Q⁸：热风炉泄压带出热kJ/m³；

Q⁸＝V_L(c_f2t_f2－c_fet_e)/∑V_fτ_f……(14)

式中：V_L为热风炉容积m³；t_f2、t_e分别为热风及环境的平均温度；c_f2和c_fe分别为空气在t_f2及t_e时的平均比热kJ/m³℃；

Q⁹：冷却水吸热kJ/m³；

Q⁹＝G_S(C_Ct_c-C_jt_j)×τ/∑V_fτ_f……(15)

式中：G_S为冷却水流量kg/h；C_c、C_j分别为出水与进水比热kJ/m³℃；t_c、t_j分别为出水与进水温度℃；

热风炉热效率η＝(Q¹-Q₄)/(Q_R-Q₄)……(16)

3.2热风炉煤气消耗量模型

由上式(1)、(16)可得：Q₁＝(Q¹-Q₄)/η-(Q₂+Q₃)……(17)

代入(3)式：B＝[(Q¹-Q₄)/η-(Q₂+Q₃)]/Q_D……(18)

热风炉燃烧期的总煤气量：B_z＝B×V_f×τ_f……(19)

将(18)式B代入(19)式可得

B_z＝[(Q¹-Q₄)/η-(Q₂+Q₃)]/Q_D×(V_f×τ_f)……(20)

从(20)式可知，在热风炉燃烧期，影响总煤气消耗量的主要因素有：送风期热风带出的热量(Q¹-Q₄)，热风炉热效率η，空、煤气预热温度(Q₂+Q₃)，煤气低发热量Q_D及总风量(V_f×τ_f)；在实时操作过程中，对式(20)给出的总煤气量应根据实时采集的数据进行动态修正；

(1)当助燃空气、煤气预热温度偏离热平衡测试值时，按下式进行修正：

ΔQ₂＝B×(c_m1t_m1－c_mt_m)……(21)

ΔQ₃＝α×B×(c_k1t_k1－c_kt_k)……(22)

式中：ΔQ₂、ΔQ₃：分别为煤气与助燃空气带入物理热的修正量kJ/m³；

t_m、t_m1：分别为热平衡测试时与实际生产时的煤气预热温度℃；

c_m、c_m1：分别为t_m、t_m1温度时的煤气平均比热kJ/m³℃；

t_k、t_k1：分别为热平衡测试时与实际生产时的助燃空气预热温度℃；

c_k、c_k1：分别为t_k、t_k1温度时的助燃空气平均比热kJ/m³℃；

(2)当热风炉从送风期转为燃烧期时，在送风期热风带出的热量偏离热平衡测试值时，按下式进行修正：

ΔQ¹＝c_fst_fs－c_f2t_f2……(23)

式中：ΔQ¹：为前一送风期热风带出热量与热平衡时的差值kJ/m³；

t_f2、t_fs：分别为热平衡测试时与前一送风期热风平均温度℃；

c_f2、c_fs：分别为t_f2、t_fs温度时的平均比热kJ/m³℃；

(3)当煤气发热量偏离热平衡测试值时，按下式进行修正：

ΔQ_D＝Q_D1-Q_D……(24)

式中：ΔQ_D：为当前煤气发热量与热平衡时的差值kJ/m³；

Q_D、Q_D1：分别为热平衡测试时与当前时刻煤气低发热量kJ/m³；

综合上述影响因素，热风炉燃烧期的总煤气消耗量B_z m³，可按下式进行动态修正：

B_z＝[(Q¹+ΔQ¹-Q₄)/η-(Q₂+ΔQ₂+Q₃+ΔQ₃)]/(Q_D+ΔQ_D)×V_f×τ_f……(25)

步骤4、确定热风炉送风期及燃烧期时间

热风炉送风期时间及燃烧期时间取决于高炉所配置的热风炉座数和送风制度，单炉送风，包括一烧一送、两烧一送、三烧一送，双炉送风、半并联交叉送风，具体送风制度由现场工艺技术操作规程给定；

4.1送风期时间的确定

1)在高炉正常生产工况时，热风炉按固定周期时间进行送风和换炉，其送风时间依据送风制度进行计算：

单炉送风时：τ_f＝(τ_r+τ_h)/(N-1)……(26)

双炉送风时：τ_f＝2(τ_r+τ_h)/(N-2)……(27)

半并联交叉送风时：τ_f＝τ_r+τ_h……(28)

式中：τ_f、τ_r、τ_h：分别为送风、烧炉、换炉时间h，N：高炉所配置的热风炉座数，N＝3或4；

2)在高炉非正常生产工况时，按非固定周期时间进行送风和换炉，具体时间取决于送风期的热风平均流量与平均风温，其送风时间可按下式计算：

由热风炉送风期送出热风的总热量平衡可得：

V_f×τ_f×Q¹＝(V_f+ΔV_f)×(τ_f+Δτ_f)×Q¹，归并后可得：

Δτ_f＝(V_f×τ_f)/(V_f+ΔV_f)-τ_f……(29)

τ_ff＝τ_f+Δτ_f……(30)

式中：τ_ff：为热风炉非固定周期送风时间h；ΔV_f：为高炉正常工况与非正常工况时热风炉送风期平均风量差值m³/h；Δτ_f：为高炉正常工况与非正常工况时热风炉送风期送风时间差值h，当ΔV_f为负值时，Δτ_f为正，代表总送风时间τ_ff延长，反之缩短；

当高炉工况由非正常工况转为正常工况时，应及时调整为固定周期换炉制度；

4.2燃烧期时间的确定

燃烧期时间取决于热风炉座数和送风制度，按不同的热风炉座数和送风制度分别计算：

单炉送风时：τ_r＝(N-1)×τ_f-τ_h……(31)

双炉送风时：τ_r＝τ_f×(N-2)/2-τ_h……(32)

半并联交叉送风时：τ_r＝τ_f-τ_h……(33)

式中：τ_r：燃烧期时间h

步骤5、热风炉燃烧期分段时间及煤气流量的确定

5.1燃烧期各段时间的确定

依据热风炉烧炉特点，将热风炉燃烧期细分为快速加热期、保温蓄热期、排烟温度控制期三个阶段，各加热期的加热时间可按下式确定：

τ_k＝(0.18～0.30)×τ_r……(34)；τ_w＝(0.48～0.60)×τ_r……(35)；

τ_y＝(0.07～0.10)×τ_r……(36)；τ_h＝C……(37)；C为常数，为0.17小时；

τ_r＝τ_k+τ_w+τ_y……(38)；

式中：τ_k、τ_w、τ_y、τ_h：分别为快速加热期、保温蓄热期、排烟温度控制期与换炉期时间h，排烟温度控制期含闷炉；τ_r：为燃烧期时间h；

5.2各加热期煤气总量的确定

B_k＝k_k B_z/τ_k……(39)；B_w＝k_w B_z/τ_w……(40)；B_y＝k_y B_z/τ_y……(41)；

式中：B_k、B_w、B_y：分别为快速加热期、保温蓄热期、排烟温度控制期煤气流量m³/h；B_z：为燃烧期总煤气量m³；

k_k、k_w、k_y：分别为快速加热期、保温蓄热期、排烟温度控制期煤气流量系数；

其中：k_k＝0.20～0.35……(42)；k_w＝0.65～0.75……(43)；k_y＝0.05～0.10……(44)；

换炉期不消耗煤气；

步骤6、热风炉各加热期空燃比的优化

按在线采集的煤气热值计算最佳空燃比α，其经验算法为：α＝Q_D/4180……(45)；

在快速加热期：α_k＝(1.00～1.05)×α……(46)；

在拱顶温度保温期：α_w＞1.05×α……(47)；

在排烟温度控制期：α_y＝(1.00～1.05)×α……(48)；

式中：α_k、α_w、α_y：分别为快速加热期、保温蓄热期、排烟温度控制期空燃比。