（控制理论与控制工程专业论文）钢铁企业煤气供需动态预测问题的研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论 文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。 作者签名：丝蠢也 日期：笙盟u 。 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解冶金自动化研究设计院有关保留、使用学位论文的规 定，即：自动化院有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅， 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 作者签名：多啦导师签名：迩 e t 期：型咩! ：多e l期：尘2 ：乒 摘要 摘要 副产煤气是钢铁企业最重要的二次能源，占企业总能耗的3 0 左右，科学合理 的对煤气资源的生产和消耗趋势进行追踪预测，使调度人员从总体上把握煤气资源 的波动趋势，进行优化调配，最大限度的利用煤气资源，对节约成本和减少环境污 染具有重要意义。 目前对供需平衡预测的研究是在一个相对较长的时间段上所作的静态( 稳态) 预测，无法实现有效的实时动态预测，如何根据动态工况信息进行在线动态预测， 为动态优化调配提供支持是一个很重要的研究领域。 本文在对钢铁企业各主工序工艺知识及煤气产生消耗特性进行学习研究的基础 上，对影响煤气产需流量波动因素及波动状况进行了定性分析，针对钢铁企业影响 煤气流量波动的因素复杂多变，而又难于把握的特性，提出了一种基于历史统计数 据，并结合生产状态信息，综合运用实时数据、生产状态数据、生产过程工艺参数 数据的分段短期动态预测建模方法。最后基于所建模型，设计了预测仿真实验平台， 根据钢厂实测数据及预设生产状态信息对主要生产单元预测模型进行了不同预测时 长下的仿真测试及预测效果分析，证明了所建模型的有效性。预测结果可以为调度 人员进行短期煤气调度提供决策支持，同时为各种智能优化调度方案的实施提供基 础数据。 【关键字 ：钢铁企业；煤气预测；动态预测 a b s t r a c t a b s t r a c t t h eb y - p r o d u c tg a si st h em o s ti m p o r t a n ts e c o n d a r ye n e r g yi n i r o na n ds t e e l e n t e r p r i s e ，a n da c c o u n t sf o r3 0 o ft o t a le n t e r p r i s ee n e r g yc o n s u m p t i o n s c i e n t i f i ca n d r e a s o n a b l ef o r e c a s to fg a sp r o d u c t i o na n dc o n s u m p t i o nt r e n dc a nm a k es c h e d u l i n gs t a f f g r a s pt h et r e n do ff l u c t u a t i o n si ng a sr e s o u r c e sf r o mt h eo v e r a l ls i t u a t i o n ，a n do p t i m i z e t h ea l l o c a t i o nt om a x i m i z et h eu s eo fg a sr e s o u r c e s t h a ti si m p o r t a n tt oc o s ts a v i n g sa n d r e d u c t i o no fe n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n a tp r e s e n t ，b a l a n c eo fg a ss u p p l ya n dd e m a n df o r e c a s ts t u d yi so n l yl i m i t e dt os t a t i c f o r e c a s ti nt h er e l a t i v e l yl o n gp e r i o do ft i m e ，a n dc a nn o ta c h i e v ea ne f f e c t i v ed y n a m i c f o r e c a s t h o wt of o r e c a s td y n a m i c a l l yo n l i n eb a s e do nt h ep r o d u c t i o nc o n d i t i o n i n f o r m a t i o nt op r o v i d es u p p o r tf o rd y n a m i co p t i m i z a t i o na l l o c a t i o nw i l lb ea l li m p o r t a n t a r e ao fr e s e a r c h i ni r o na n ds t e e li n d u s t r y ，f a c t o r sa f f e c t i n gg a sf l u c t u a t i o n sa r ec o m p l e x ，c h a n g e a b l e a n dd i f f i c u l tt og r a s p a g a i n s tt h i sb a c k g r o u n d ，t h i sp a p e ra n a l y s e st h ef a c t o r st h a t i n f l u e n c et h ec h a r a c t e r i s t i c so fg a sp r o d u c t i o na n dc o n s u m p t i o nf l u c t u a t i o n sa n dh o wt h e g a sf l u c t u a t e dt h r o u g ht h es t u d yo ft h em a i np r o c e s st e c h n o l o g yk n o w l e d g ea n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so fg a sp r o d u c t i o na n dc o n s u m p t i o ni nt h es t e e li n d u s t r y ，a n do f f e ra s u b - s h o r t t e r md y n a m i cf o r e c a s t i n gm e t h o db a s e do nh i s t o r i c a ls t a t i s t i c sd a t aa sw e l la s p r o d u c t i o ns t a t u si n f o r m a t i o nw h i c hc o m p r e h e n s i v eu s eo fr e a l t i m ed a t a , t e m p o r a r y s t a t u so ft h ep r o d u c t i o na n dp r o d u c t i o np r o c e s sp a r a m e t e r s f i n a l l yb a s e do nt h ef o r e c a s t m o d e l ，t h es i m u l a t i o np l a t f o r mi sd e s i g n e d p a r to f t h ep r e d i c t i o nm o d e l si sp r o v e dt ob e e f f e c t i v et h r o u g ht h ee x p e r i m e n t a lt e s ta n da n a l y s i su n d e rd i f f e r e n tf o r e c a s td u r a t i o n w h i c hi sb a s e do nt h ea c t u a lm e a s u r e m e n td a t aa n dt h ei n f o r m a t i o no fp r o d u c t i o ns t a t u s t h ef o r e c a s tr e s u l tc a no f f e rd e c i s i o ns u p p o r tt os c h e d u l i n gs t a f ff o r t h es h o r t t e r m s c h e d u l i n ga sw e l la s b a s i cd a t af o ri m p l e m e n t a t i o no ft h eav a r i e t yo fi n t e l l i g e n t o p t i m i z a t i o np r o g r a m k e y w o r d s ：i r o na n ds t e e le n t e r p r i s e ；g a sf o r e c a s t ；d y n a m i cf o r e c a s t i i 目录 摘要 a b s t r a c t 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景及意义一1 1 2 钢铁企业煤气预测问题研究状况2 1 3 研究中的技术难点及研究思路4 1 3 1 技术难点4 1 3 2 研究思路5 1 4 论文内容及结构6 第二章各主工序单元煤气发生消耗影响因素分析8 2 1 钢铁企业煤气系统简介8 2 2 煤气发生单元影响因素分析9 2 2 1 高炉煤气产量影响因素分析1 0 2 2 2 焦炉煤气产量影响因素分析1 4 2 2 3 转炉煤气产量影响因素分析17 2 3 煤气消耗单元影响因素分析2 1 2 3 1 高炉炼铁车间煤气消耗量影响因素分析2 1 2 3 2 炼焦车间煤气消耗量影响因素分析2 3 2 3 3 轧钢车间煤气消耗量影响因素分析2 5 2 3 4 烧结车间煤气消耗量影响因素分析2 8 2 4 本章小结。3 0 第三章煤气供需短期动态预测模型的建立3 1 3 1 煤气发生单元短期动态预测模型建立。3 1 3 1 1 高炉煤气产生流量预测模型3 l 3 1 2 焦炉煤气产生流量预测模型3 4 3 1 3 转炉煤气产生流量预测模型3 7 3 2 煤气消耗单元短期动态预测模型建立。3 9 t 目录 3 2 1 高 3 2 2 炼 3 2 3 轧 3 2 4 烧结点火煤气消耗流量预测模型4 7 3 3 本章小结：4 9 第四章预测仿真实验平台的设计及模型验证5 0 4 1 实验平台的设计5 0 4 1 1 结构设计5 0 4 1 2 数据库设计5 0 4 1 3 人机界面设计5 1 4 2 模型验证5 4 4 2 1 转炉煤气发生量预测模型仿真实验5 4 4 2 2 炼焦炉煤气消耗量预测模型仿真实验6 0 4 2 3 轧钢车间煤气消耗量预测模型仿真实验6 4 4 2 4 烧结车间煤气消耗量预测模型仿真实验6 8 4 3 本章小结7 2 第五章总结与展望7 3 5 1 研究总结及创新点7 3 5 2 研究展望7 4 参考文献7 6 附录7 9 一攻读硕士期间发表文章情况7 9 二仿真实验预测结果表7 9 致谢8 3 i v 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 随着我国钢铁企业的发展，我国钢铁产量已居世界首位。但是我国的吨钢能耗 却落后于日本、德国等世界发达国家n 3 。做好节能降耗工作是降低企业成本，提高 国际竞争力的必要途径。钢铁企业生产过程中产生的高炉煤气，焦炉煤气，转炉煤 气是钢铁企业中最重要的二次能源，约占能源的3 0 4 0 位1 。一个钢铁企业煤气产 量的高低及供需平衡程度对这个企业的产品成本和能源消耗影响极大。目前，我国 多数钢铁企业不仅煤气回收率低，消耗量大，而且放散严重。煤气的供不应求和严 重浪费即增加了企业的能源消耗，又制约了钢铁工业的发展。 煤气的产生、存储、加压混合、分配和使用组成钢铁联合企业煤气系统，由于 煤气是副产品，受生产过程波动较大，成分、热值、流量均不稳定，整个煤气系统 处于动态变化之中。生产过程中由于发生及消耗单元工况变化如高炉休风，热风炉 换炉，焦炉换向，轧钢车间临时性的换辊、停轧以及轧钢产量、品种的变更等；混 合煤气配比的不稳定；缓冲用户缓冲能力的不足；用户工作制度的不连续；计划安 排及调度不合理等原因而使煤气系统总是处于供需动态不平衡状态口驯。 为了调整煤气系统的动态不平衡状态，达到节能降耗的目的，实践中钢铁企业 一般都从以下几个方面着手： 一、建立可同时燃烧煤，油，煤气的缓冲用户，一般是电厂的锅炉，通过多个 不同容量的发电机组的开停来调整煤气用量晦1 。 二、采用新技术考虑单用户可互换使用多种煤气源。例如蓄热燃烧技术的使用 使高炉煤气得以充分利用阳1 。 三、增建煤气柜，加大储气流量，使其发挥削峰填谷的作用，提高管网的缓冲 能力。 四、煤气的再资源化利用，例如：用焦炉煤气制氢、制甲醇；焦炉煤气直接还 原铁；高炉煤气余压发电( t r t ) n 1 。 五、某些大中型企业还建立了能源管理中心删9 m o ，对能源的使用进行监督和 第一章绪论 控制。 虽然通过努力我国的节能工作取得了很大成就，我国的钢铁能耗水平有了明显 的改善，但同世界发达国家相比还存在一定差距。能耗高，环境污染严重的状况没 有得到根本改善。在日本、德国等发达国家，钢铁工业所产生的副产煤气基本上被 全部回收利用，如日本新日铁副产煤气的再利用率约1 0 0 ，煤气放散均为零u 儿1 2 。 这也是造成我国钢铁工业吨钢能耗和各重点工序能耗均高于这些国家的原因之一， 煤气大量放散，造成不必要的能源浪费和环境污染的主要原因是对煤气的流动 情况没有一个宏观的把握。对煤气的生产和消费没有科学的预测，当用户的煤气需 求出现波动时，对企业的煤气平衡影响很大，导致煤气无法全部利用。我国大部分 钢铁企业的能源预测依靠的均是人工的短时经验预测，并没有建立科学的预测系统。 这些都导致对煤气供需状况预测的不全面和不科学性。 随着计算机信息技术的广泛应用。在未来几年内，一大批钢铁企业将完成信息 化( e r p m e s p c s ) 工作。能源预测作为能源管理系统( e m s ) 中的一个环节，对 煤气系统的发生，消耗趋势进行动态的跟踪、估计，使调度人员能从总体上把握煤 气的供需动向。这是一个有重要实际意义的领域。好的预测手段，对指导煤气的生 产、消耗、计划、调度和平衡认证有很实际的利用价值。按需生产可以避免煤气的 放散，最大限度的利用自产的煤气资源，不仅能达到节能降耗，降低成本的目的， 而且减少了资源浪费和环境污染。这些都为本文的研究提供了研究背景和现实意义。 1 2 钢铁企业煤气预测问题研究状况 据有关资料表明，目前国际上的各种预测方法有2 0 0 多种，其中有2 0 多种在不 同领域得到了广泛应用。通过阅读文献对各种预测方法进行了归纳总结。 由于预测的对象、时间、范围、性质等不同，预测方法可以形成不同的分类， 但可根据方法本身的性质特点将预测方法分为两类：定性预测和定量预测。 ( 1 ) 定性预测方法 根据人们对系统过去和现在的经验、判断和直觉进行预测，其中以人的逻辑判 断为主，仅要求提供系统发展的方向、状态、形势等定性结果。该方法适用于缺乏 历史统计数据的系统对象。 2 第一章绪论 ( 2 ) 定量预测方法 定量预测方法是指预测对象的变化趋势能通过建模的方式描述出来，这类预测 方法又分为两大类：基于历史数据的时间序列分析预测和基于因果关系的预测。 基于历史数据的时间序列分析预测是根据预测对象随时间变化的历史资料，只 考虑预测变量随时间的变化规律，对系统未来的表现进行定量预测。主要包括移动 平均法、指数平滑法、趋势外推法等。该方法适于利用简单统计数据预测研究对象 随时间变化的趋势。 基于因果关系的预测方法是指系统变量之间存在某种前因后果关系，找出影响 某种结果的几个因素，建立因与果之间的数学模型，根据因素变量的变化预测结果 变量的变化，既确定预测系统发展的方向又确定具体的数值变化规律。一般因果关 系模型中的因变量与自变量在时间上是同步的。其方法主要包括多变量时间序列分 析、线性回归分析、概率统计方法、灰色预测、神经网络技术等。 虽然各种预测理论已经广泛应用于经济、气候、农业、工业等领域，但是运用 各种预测理论对钢铁企业煤气系统的发生，消耗动向进行预测分析，并将结果用于 钢铁企业平衡认证和生产调度上的研究却不多。 目前很多学者对钢铁企业各工序单元煤气预测问题进行了理论研究，由于缺乏 大量的基础数据支持和分析方法上的创新，使得分析工作多数偏重于原理性的公式 提炼，供需平衡预测的研究大多是在一个相对较长的时间段上所作的静态( 稳态) 预测。例如文献n 司n 铂着重对钢铁企业煤气消耗用户进行了分析研究，把消耗用户分 成了烧结，炼钢，轧钢三类。根据不同类型用户的特点，分别选用平均值模型、神 经网络模型、多层递阶回归模型进行以天为单位的煤气消耗量预测。文献n 明通过对 钢铁企业主工序分厂煤气发生机理和消耗特性研究，找到了影响各分厂煤气发生量 和消耗量的主要因素，根据影响因素和预测目标之间的关系，选择回归分析法和神 经网络方法进行以月为单位的静态预测。文献n 6 3 基于a r 模型对高炉煤气的月发生 量进行了预测研究。文献n 7 1 则研究了时间序列分析法在焦炉煤气发生量预测问题上 的应用。 除了对钢厂各工序单元煤气预测问题的研究外，也有学者从起调节作用的煤气 柜的角度出发，试图对钢厂的煤气发生消耗状况进行预测。在文献n 羽中作者在应用 第一章绪论 大规模d c s 系统进行能源集中控制时，通过将煤气柜与一种能及时对气柜吐气量进 行控制的系统相连，从而使气柜操作的系统预测成为可能。文献n 们基于外延预报方 式来预测煤气柜柜位变化，根据经验采用最d - 乘辨识方法，在线辨识参数，做出 预测。文献【2 0 】提出了一种基于柜位预测的钢铁企业煤气动态平衡实时控制方法，主 要是根据当前一段时间煤气系统运行实际数据和对主要生产情况的估计，采用回归 模型预测煤气系统未来一段时间内的发展趋势。 随着能源中心的兴起和发展，煤气预测技术的研究已从理论研究转化为实际的 系统实现，煤气预测的研究越来越向实用化的方向推进。文献乜妇描述了奥钢联进行 的沙钢能源管理系统的设计及实现理念。根据各生产单元的生产特点，选择经验或 统计模型、神经网络模型、离散事件模型来完成预测模块的功能。文献乜2 3 作者以某 钢铁企业为背景，设计了一个煤气平衡认证分析系统，消耗预测模型作为其中的一 个功能模块对计量系统提供故障诊断及错误提示，为自动平衡认证的实现提供基础 数据。文献晗3 1 作者设计了具有煤气预测及优化调度功能的软件平台，煤气预测功能 主要是根据分配给各调度单元的生产任务，在指定的时间段内给出能源的供给与需 求情况。以上作者都对煤气预测技术的实用化做出了有益的尝试，我国的能源中心 起步较晚，能源预测功能在能源管理系统中还不完备。自1 9 8 1 年鞍钢提出建立能源 中心的设想以来，国内好多钢厂例如马钢、梅钢等都开始建立能源中心。目前国内 的能源管理系统基本实现了对多种能源的数据的采集，监视与报警，报表记录与数 据归档监控。但预测功能只限于根据最近的实测的消耗数据利用外推法进行短期预 测，并未考虑生产计划与设备的检修计划，即按照正常的发展进行预测，未考虑外 界事件的影响。综合考虑生产计划、检修计划、及生产工况信息，使预测结果更接 近实际应用的效果，还有待进一步研究。 1 3 研究中的技术难点及研究思路 1 3 1 技术难点 钢铁企业煤气产生、存储、分配和使用组成一个庞大的过程，影响煤气产需量 的因素时有发生，例如炼焦炉配煤比的变化、高炉焦比、冶炼强度的改变以及休风、 4 第一章绪论 减风状况，轧钢车间轧制钢种、钢坯尺寸的变化以及临时的检修、换辊与生产中的 临时待料、待轧等，还有高炉换炉、焦炉换向，这些都会造成煤气产耗量的波动。 煤气预测必须结合生产中的工艺信息和动态工况信息，根据煤气波动特性建立模型 才能做出合理的预测，否则将会造成较大的预测偏差。煤气供需预测的技术难点在 于研究影响煤气产耗量波动的主要因素，并充分利用这些因素进行建模预测。 目前对煤气供需动态预测的研究存在以下几个难点： 1 、要进行煤气预测，首先要对各单元影响煤气发生、消耗量波动的因素有一个 清醒的认识，钢铁企业煤气发生、消耗是一个复杂的动态过程，影响煤气流量波动 的因素很多，各工序单元煤气的发生、消耗量波动状况如何，其波动状况到底和哪 些因素有关，这些因素对其影响程度如何，从工艺书上很难找到答案，也没有相关 资料对此进行具体阐述。 2 、现存的智能预测方法很多，但是钢厂煤气发生、消耗是一个工况复杂的工艺 过程，影响煤气发生、消耗量的因素复杂多变，难于把握，目前很多智能预测方法 无法或很难根据工况信息实施有效的动态预测。 1 3 2 研究思路 目前的预测手段基本分为两类：定性预测和定量预测。而定量预测又分为时间 序列分析、因果关系预测。在钢铁行业影响短期煤气流量波动的因素众多且错综复 杂，很多情况下，很难或不可能用变量间的因果关系来说明某一变量的变化。即使 能估计出一个有关变量的令人满意的回归方程，其结果也可能不能用于预测。而基 于历史数据的时间序列分析预测只在工况正常的情况下，才能做出合理的预测，一 旦工况发生变化，规律性被打破，将产生很大的预测偏差。因此本文基于对钢铁行 业主工序工艺知识及各单元煤气产生、消耗特性进行学习研究，对影响煤气波动的 因素，及波动状况进行定性分析的基础上，提出一种基于实时历史数据、生产状态 数据、生产过程工艺参数数据的分段短期动态预测建模方法，使预测结果符合现场 状况，在工况或工艺变化时，能做出合理预测。 当某一工序的原料条件，操作制度比较确定的情况下，煤气的产需流量及波动 规律往往稳定在一定水平，这些对煤气流量产生影响而又不经常变动的量，例如轧 5 第一章绪论 钢车间轧制钢种、钢坯尺寸；炼焦车间配煤比、焦饼成熟温度、结焦时间；烧结车 间矿石品种、点火温度、点火负压；炼钢车间冶炼钢种；高炉车间冶炼强度，综合 焦比等工艺信息，称为静态因素或稳态因素。而生产过程中，由于很多短时动态工 况信息如高炉非计划性休风、减风；烧结机短时停机；轧钢车间临时待料、待轧等 而使煤气流量在静态因素一定的情况下，其正常的波动规律被打破。称这些影响煤 气流量偏离正常波动规律的因素为动态因素。在不同的静态因素水平下，煤气波动 规律受其制约，维持在不同水平。当静态因素一定的条件下，煤气波动规律又会受 到动态因素的影响，而偏离正常的波动状态。图1 1 为静、动态因素影响下的煤气 流量波动特性示意图，职。( t ) ，只，( f ) 分别表示静态因素维持在s ，s 2 水平时，煤气 流量由于本身波动规律或受动态因素的影响随时间变化特性。煤气预测应综合考虑 基静态因素、动态因素及煤气本身的波动特性建立模型才能达到合理预测的效果。 针对钢铁企业各生产单元煤气流量波动特性受静态因素和动态因素双重影响的 特点，建模思路如下：当静态因素维持在一定水平时，主要根据静态因素影响下的 煤气流量波动规律以及对未来动态工况的经验预估，基于历史数据建立动态模型， 对未来一段时间之内的煤气流量做出实时动态预测。当预测时段内静态因素发生变 化时，则需根据静态因素来建立静态模型对未来时段煤气流量进行趋势预估。 煤 气 流 量 图1 1 静、动态因素影响下的煤气流量波动特性示意图 1 4 论文内容及结构 时间：t 针对研究中的技术难点及本课题的研究思路，阐述本论文的研究状况，论文内 容及结构如下： 6 第一章绪论 第一章绪论。主要介绍了本文的研究背景和意义以及煤气预测问题的研究现状， 并指出了研究中的技术难点，概略阐述了本文的研究思路。 第二章各主工序单元煤气发生消耗影响因素分析。主要结合钢厂各主工序单元 工艺特点及煤气产生消耗特性，对影响煤气发生、消耗量的因素进行分析。 第三章煤气供需短期动态预测模型的建立。结合第二章对影响因素的分析，及 各单元煤气发生、消耗波动特性建立了基于工况及工艺信息的短期动态预测模型。 第四章预测仿真实验平台的设计及模型验证。基于第三章所建模型，设计实验 平台，对预测模型进行实验验证及预测效果分析。 第五章总结和展望。总结了本文的研究工作，针对研究中的不足及完成情况对 未来进一步的研究方向进行展望。 7 第二章各主工序单元煤气发生消耗影响因素分析 第二章各主工序单元煤气发生消耗影响因素分析 2 1 钢铁企业煤气系统简介 钢铁企业副产煤气包括高炉煤气( b o g ) 、焦炉煤气( c o g ) 、转炉煤气( b o f g ) 其中高炉煤气是高炉炼铁的副产品，煤气成分以n ，、c o ，、c o 为主，特点是含尘 量大，不易着火，燃烧不稳定，热值低。一般情况下，高炉每消耗1 吨焦炭约产生 3 0 0 0 - - , 4 0 0 0m 3 的高炉煤气，高炉煤气理论燃烧温度为13 5 0 - - - 1 4 5 0 oc 乜钔。焦炉煤气 是炼焦生产的副产品，可燃成分主要是h ：、c h 4 、c o ，特点是毒性小、热值高、 气源稳定。1 吨煤在炼焦过程中可生产3 0 0 3 5 0 m 3 的焦炉煤气，生产1 吨焦炭可以 产生4 6 0 - 4 7 0m 3 的焦炉煤气，密度一般为o 4 8 0 5 2k g m 3 2 4 o 转炉煤气是转炉炼 钢产生的副产煤气，主要成分是c o ，含量在4 5 6 5 ，毒性大，热值居于高炉煤 气和焦炉煤气之间，气源为周期性、间断性。通常1 吨钢可回收转炉煤气6 0 - 9 0 m 3 乜5 1 。钢铁联合企业副产煤气由于产生工艺不同，成分和热值差别较大，如表 2 1 所示 表2 - 1 钢铁企业副产煤气组成及发热值1 煤气组成焦炉煤气高炉煤气转炉煤气 h 2 5 5 6 01 5 3 05 6 c 05 82 5 3 0 8 0 8 6 c h 2 3 2 80 2 o 5o 7 1 6 c n h m 2 4lo 3 c 0 2 1 5 39 1 5l o n 2 3 55 5 6 03 5 0 2 o 4 0 8o 2 o 40 5 低发热值k j ，m 31 6 7 2 0 1 8 8 1 03 2 3 0 - 、一4 l8 05 6 0 0 , - - - , 9 2 18 煤气的产生、存储、加压混合、分配和使用组成钢铁联合企业煤气系统，如图 2 1 所示。煤气柜是钢铁企业普遍采用的储存设备，它一方面可以及时回收、储存 8 第二章各主工序单元煤气发 因高炉炉况波动、转炉间 现故障，可以起到将储存的煤气释放以补充煤气的不足，维持管网压力稳定的作用。 高炉煤气和焦炉煤气经过净化除尘后，直接送入煤气管网，供给各个用户使用，高 炉煤气柜和焦炉煤气柜作为管网中的中间存储设备，削减煤气供需不平衡引起的瞬 时波动，维持管网压力。而转炉煤气则是先回收到转炉煤气柜，再把煤气柜作为气 源并入管网外供使用，以解决转炉车间转炉煤气间断产生和用户连续使用之间的矛 盾，同时也起到稳定煤气成分和管网压力的作用。 副产煤气在送往各个煤气用户使用之前要经过煤气加压站或煤气混合站以使煤 气压力和发热值满足用户的不同要求。煤气主要作为燃料供高炉、焦炉、加热炉， 热风炉等加热使用，多余的供给电站锅炉等缓冲用户。目前高炉煤气主要用于高炉 热风炉，焦炉，蒸汽锅炉，以及和焦炉煤气混合后用于轧钢加热炉。焦炉煤气除了 自用外，还用于烧结点火，和高炉煤气混合用于炼钢车间辅助设施加热，轧钢车间 加热炉加热，多余的还可民用或自备电厂发电。转炉煤气由于成分和热值波动较大， 一般供石灰窑和电厂锅炉使用。 厂一一一一一一一一一一ir 一一一一一一一 i i i ：煤气发生系统：存储系统 i i i 图2 1 钢铁联合企业煤气系统示意图 2 2 煤气发生单元影响因素分析 9 l 一一一一一一一一一一i i i ：煤气使用系统： 一一一一一一一一一一一一 1叶111j， 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 ，l，lr卜，r一 第二章各主工序单元煤气发生消耗影响囚素分析 2 2 1 高炉煤气产量影响因素分析 1 、高炉煤气的产生机理 高炉煤气是高炉炉顶逸出的煤气，是高炉炼铁过程中的副产品。一个高炉炼铁 生产系统包括高炉本体、上料系统、除尘设备和热风炉4 个部分。系统组成如图2 2 所示。其中高炉本体是一种逆流化学反应器，主要作用是将焦炭、铁矿石和溶剂等 固体炉料高温熔化成铁水。生产时从高炉炉顶装入铁矿石( 包括烧结矿、球团矿、 块矿等) 、燃料( 主要是焦炭) 和溶剂( 石灰石、白云石、硅石、锰矿等) 、从高炉 下部的风口鼓进热风。高温下焦炭除一部分直接参加对矿石的还原外大部分和喷吹 物在风口前燃烧，生成了有一氧化碳、氮气和少量氢气组成的煤气，煤气在上升过 程中，部分一氧化碳和下降的炉料发生氧化还原反应将铁矿石中的氧夺取出来，从 而得到铁并生成二氧化碳，所以最终出炉的煤气由一氧化碳，二氧化碳，氮气，和 少量的氢气组成，成为高炉煤气。还原过程中产生的高炉煤气从炉项导出，经过除 尘处理后，供热风炉、转炉、焦炉、加热炉等作燃料用。 图2 - 2 高炉生产系统组成示意图 2 、高炉生产工艺特点 高炉生产过程有如下特点： ( 1 ) 高炉生产是长期连续性生产。高炉从开炉到大修停炉( 又称一代炉役) 的 1 0 年左右时间内是不断地进行连续生产的。只有在设备检修或发生事故时才停止生 产( 休风) 。原料不断的装入高炉，煤气不断的从高炉炉顶导出。聚积在炉渣内的生 铁和炉渣定时地排放。 ( 2 ) 高炉生产过程中由于原燃料物理和化学成分的变化，气候条件的波动，高 1 0 第二章各主工序单元煤气发生消耗影响冈素分析 炉设备等状况的影响，操作者的水平差异以及各班操作的统一程度等的影响而引起 煤气流分布失常或热制度失常，给炉况顺行带来经常性的波动，例如会产生炉料偏 行、炉凉、炉热等失常现象，严重时会导致悬料，塌料。 ( 3 ) 高炉生产有四大操作制度：炉缸热制度、送风制度、造渣制度、装料制度。 合理的操作制度是保证炉况顺行的关键晗引。这四种操作制度相互联系相互制约，按 调剂部位可分为上部调剂和下部调剂。上部调剂主要是装料制度调节，依靠变动料 线高低、装入顺序、料批重等手段控制原料在炉喉的分布状况及煤气的合理分部。 上部调剂手段，对大型高炉效果有限，而且自动化系统复杂。下部调剂是通过控制 进风状态，以控制炉内煤气流的分布，通过日常鼓风参数的调节如风量、风温、鼓 风湿度以及风口面积和长度、富氧率、喷吹燃料量等，迅速纠正炉缸的热状态。下 部调剂对炉钢起着决定性作用，是保证炉内煤气流合理分布的关键，而且下部调剂 效果明显，反映更迅速。合理的操作制度应以下部调剂为基础，上下调剂相结合， 才能维持炉况的顺行。 ( 4 ) 由于生产安排或炉况波动，高炉有休风和减分现象。高炉休风分计划性和 非计划性休风，计划性休风一般一个月一次，持续时间1 8 个小时左右，非计划性休 风次数较多，持续时间不等，通常非计划性休风只能提前数小时预知。据统计资 料，某厂一座中型常压高炉，一年休风4 5 次。其中计划检修7 次，休风延续时间一 般为3 小时以上，最长可达1 6 小时；换风口1 8 次，一般休风延续时间为2 0 m i n 左 右。一年内减风操作9 3 次，减风延续时间一般在1 0 - - - 2 0 m i n 之间汹1 。 3 、高炉煤气产量影响因素分析 由高炉煤气产生机理及生产工艺特点可知，影响高炉煤气产量波动特性的因素 主要有以下几个方面。 ( 1 ) 原料条件 高炉生产的原料有铁矿石( 包括烧结矿、球团矿、块矿等) 、燃料( 主要是焦炭) 和溶剂( 石灰石、白云石、硅石、锰矿等) 。影响煤气产量的因素一是矿料的品味、 粒度和空隙度的影响；二是焦炭灰分、含硫量、焦炭强度的影响。它们都会影响焦 比，进而影响煤气产量。矿料品味粒度和空隙度主要是对煤气的还原率起作用。一 般矿石品味提高1 ，焦比约降低2 ，产量提高3 2 9 1 。矿石的粒度和空隙度有利 第二章各主工序单元煤气发生消耗影响因素分析 于透气性的改善，煤气利用率的提高。一般情况下，焦炭带人炉内的硫量约为硫负 荷的7 0 , - - - 8 0 ，生产统计表明，焦炭含硫量增加1 ，焦比升高1 2 - - - 2 0 ；灰 分增加1 ，焦比上升2 左右昭9 | ，因此，焦炭含硫量及灰分的波动对高炉热制度都 有很大影响，热制度的改变会对炉内的还原反应产生影响，影响煤气的产生。 ( 2 ) 富氧大喷煤技术及加湿鼓风的影响 在喷煤量一定时，鼓风量和煤气量均随着富氧率的增加而减少，并且下降的趋 势逐渐减弱；在富氧率一定时，随着喷煤量的增加，鼓风量和煤气量逐渐增加，但 增加的幅度不大；在喷煤量一定时，富氧对鼓风量的影响大于富氧对煤气量的影响； 富氧率每增加1 ，鼓风量降低3 6 m 3 t ，煤气量降低3 2 5m 3 t 啪3 。 富氧鼓风使风中氧浓度提高，风口前燃烧单位碳素需要的风量减少，单位生铁 的煤气量也相应减少。富氧大喷煤对鼓风量的影响大于对煤气量的影响，因为一体 积的氧气在风口前燃烧碳素后生成两体积的一氧化碳，则鼓风量减少的幅度大于煤 气量减少的幅度。 在高风温时加湿鼓风也会提高煤气产率因为加湿鼓风的水，在高温时会遇到焦 炭裂解为h ，和c o 促进铁矿石的还原。 ( 3 ) 风温的影响 高炉炼铁提高风温1 0 0 。c ，可以降低焦比1 5 - 2 0 姆t ，提高风口前理论燃烧温 度6 0 。c ，允许多喷吹3 0 - - 4 0 堙t 煤粉。一般在高炉处理炉况时，不允许对风温 使用的大起大落，不过在调剂高炉的热制度时，动风温会立即见效，动喷煤量会在 3 - - - 4 个小时后见效，调整焦炭负荷时，要在炉料一个冶炼周期之后才会起作用。处 理高炉炉况的顺序一般是先调整喷煤量，再调整风温，最后调整风量。 ( 4 ) 高压操作 在文氏管后净煤气管道上调节高压阀组的开闭程度来提高炉顶压力的操作，称 为高压操作，它是调剂炉况的手段之一。高压操作可以降低煤气流速，延长煤气和 炉料的接触时间，改善还原条件，有利于降低焦比，使压差减少，有利于增加风量， 提高冶炼强度，使炉况顺行，增加产量2 1 。 ( 5 ) 风量的影响 1 2 第二章各主工序单元煤气发生消耗影响因素分析 风量对炉料下降、煤气流分布和热制度都将产生影响。一般情况下，增加风量， 综合冶炼强度提高。在燃料比降低或燃料比维持不变的情况下，风量增加，下料速 度快，生铁产量增加，煤气流量增大啪1 。 在炉况稳定的条件下，风量波动不宜太大，并保持坯料稳定，料速超过正常规 定应及时减少风量。当高炉出现悬料崩料、低料线时，要及时减风，并一次减到所 需水平。当炉况转顺，需要加风时，不能一次到位，防止高炉顺行被破坏。两次加 风应有一定时间间隔。 风 量 风 且 里 图2 3 减风状况示意图 图2 4 复风状况示意图 综上所述，影响高炉煤气产量波动特性的因素有原料条件、富氧率、喷吹燃料、 风温、风量、炉顶压力。除原料条件以外其他几种因素即是一种操作制度也是一种 炉况调剂手段。作为一种操作制度，就有相应的指标性约束，在正产生产状态下， 维持在一定的指标约束范围内。包括原料条件在内的一些指标性的约束条件称为影 响煤气产量的静态因素。在静态因素一定的条件下，高炉在正常生产状况下，保持 炉况顺行，此时炉内的炉料下降与煤气流上升均匀，炉温稳定充沛，生铁合格，高 产低耗。这时候风量，风压，料批，炉温及炉渣碱度都处于稳定状态，煤气流量比 较稳定，仅在高炉装料开启料钟时有瞬时波动。当检修、维护高炉设备( 如更换风 口、渣口、高炉中小修) 、高炉冶炼过程出现故障( 如悬料、铁口渣口堵不上) 、以 及出现一些不正常的现象( 如待焦、待料、停水、停电) 时，会造成炉况不同程度 的波动，为了维持高炉炉况顺行而需进行风温、风量、富氧率、喷吹燃料，炉顶压 力等的调整，从而引起煤气流量产生偏离正常状态的波动，称这些炉况调剂手段为 动态因素。 阶段煤气量极少。 ( 2 ) 开始分解。2 0 0 - - 3 0 0o c 煤开始分解，最容易分解的是形成二氧化碳和一 氧化碳的物质。因而煤在开始热分解阶段产生的煤气内含有大量的二氧化碳。不同 变质程度的煤开始热分解的温度是不同的：汽煤是在2 1 0o c 左右，肥煤约2 6 0o c ， 焦煤约需3 0 0 oc ，瘦煤大约需3 9 0oc 才开始分解。煤在转变成胶质状态前就开始分 解。3 5 0o c 前主要分解出化合水、二氧化碳、一氧化碳、甲烷等气体和少量焦油蒸 汽和液体。煤的基本物质分解阶段的上限温度和这期间逸出的煤气量一样，因煤的 不同而不同。焦煤基本物质分解终了温度为4 0 0o c ，此时逸出的煤气量约为正常炼 焦生产总煤气量的5 6 。 第二阶段生成胶质体，并固体黏结成半焦。 ( 1 ) 生成胶质体。当温度升高到3 5 0 , - - - , 4 5 0o c 时，由于其侧链的断裂生成大量 的液体，高点焦油蒸汽和固体微粒，构成一个多分散相的胶体系统，即胶质体。凡 是能生成胶质体的煤都有黏结性 ( 2 ) 固体黏结成半焦。当温度升高到4 5 0 - - 5 5 0o c 时胶质体热解变的激烈，并 伴随有缩聚和合成等析出大量挥发物。并随着气体析出，固态物质形成，即开始产 1 4 第二章各主工序单元煤气发生消耗影响因素分析 生半焦。在这个阶段，煤气大量逸出，逸出的煤气量约为高温炼焦生产总煤气量的 4 0 5 0 。此时煤气的组成特征是甲烷的含量高( 达到4 5 5 5 ) 而氢的含量低 ( 1 1 2 0 ) 。 第三阶段半角收缩变成焦炭。 ( 1 ) 半焦收缩。5 5 0 - - 6 5 0o c 时，由于进一步加热的结果，在半焦内热解出大量 的挥发物( 主要是氢气和甲烷) ，这样，半角收缩使焦质变紧，并产生裂纹。 ( 2 ) 半焦变成焦炭。6 5 0 - - 9 5 0o c ，半焦继续析出气体，主要是氢气。半焦进一 步收缩，使焦质变紧变硬，裂纹增大，最终转化为焦炭。在此阶段中析出的焦油蒸 汽与炽热焦炭相遇，部分进一步分解，析出游离碳沉积在焦炭上，逸出的蒸汽成分 与低温状态下的不同，这个再分解过程称为二次分解。 这个阶段产生的煤气体积约为炼焦煤气总量的4 0 ，在这个阶段内煤气组成特 征是氢的含量很高。 2 、炼焦工艺特点 ( 1 ) 焦炉是连续作业设备，焦炉在其寿命的2 5 - - 3 0 年内生产不能停止，其设 备的高可靠性，故障处理的及时性，检修维护的经常性，是保证炼焦生产正常进行 的关键。 ( 2 ) 焦炉是个多炭化室组成的工业炉，各个炭化室处于不同的结焦时期，需要 用同一组设备按时间顺序完成多个炭化室的生产操作，一定的炭化室数量和合理的 推焦顺序是保证焦炉煤气产量和成份稳定的关键。 3 、焦炉煤气产量影响因素分析 由炼焦炉煤气产生机理及生产工艺特点可知，影响焦炉煤气产量波动的因素主 要有以下几个方面。 ( 1 ) 原料条件的影响 1 ) 炼焦煤水分挥发份的影响口4 1 ：水分增高将使结焦时间延长，通常水分每增加 1 ，结焦时间约延长2 0 m i n ，不仅影响产量，也影响炼焦速度。煤内水分的增加， 焦炭的碳素生成水煤气，而增加了煤气内一氧化碳的含量，增加了煤气内一氧化碳 和氢的含量，因