基于主成分分析的高炉喷吹煤综合特性指标提取方法

基于主成分分析的高炉喷吹煤综合特性指标提取方法

提高高密度路面的驱煤量，降低焦比，对降低路桥的低成本铁粉具有重要意义。喷煤量的提高除了涉及高炉原料结构、高炉操作因素之外,煤粉的本身性能指标至关重要。目前,国内外高炉喷吹煤粉并无统一标准,主要方法有:(1)高炉生产现场主要依据煤化学成分进行简单混煤;(2)通过实验室对单种煤种发热量、着火点、燃烧性、反应性、流动性、可磨性和爆炸性等指标进行研究。对比分析单种煤的优缺点,按一定挥发分或其他指标来确定配煤方案,并对配煤再次进行燃烧性和反应性等实验,从而确定最佳配煤方案;(3)国外研究高炉喷吹煤主要也是考虑煤粉在风口的燃烧性能,例如巴西EduardoOsório等利用煤岩学考察煤粉在燃烧性能,日本KHAIRIL等利用专用动态喷煤设备模拟煤粉在高炉风口回旋区燃烧性能。在上述研究中:(1)单纯依靠煤粉化学成分进行配煤是不科学的,相似工业分析和元素分析指标的煤粉在高炉喷吹过程中存在较大差别,故应该考虑高炉喷吹煤更重要的喷吹性能指标;(2)国内外研究中考虑的煤粉性能指标过多,且指标之间存在一定重叠。针对高炉喷吹煤性能评价指标存在的不足,本文首先利用实验室设备测定高炉喷吹煤粉的主要性能指标;然后通过主成分分析方法,对原有的高炉喷吹煤性能指标进行提取,得到新的高炉喷吹煤综合特性指标P1,P2,P3和P4;并分析高炉喷吹煤综合特性指标代表的物理意义及其高炉约束要求;建立煤粉喷吹性能评价模型和基础性能评价模型;最后,引入基于煤粉喷吹性能和基础性能的综合评价法,进行煤粉性能优劣的总体评定。1喷雾效率1.1高煤粉的组分、特性煤粉取自中国南方某钢铁公司1050m3高炉现场,共7种煤粉。各种煤粉的工业分析和元素分析见表1。从表1可以看出,7种煤粉的挥发分不高,硫分较低;从灰分、全水角度分析,7种煤粉中除M-1,M-3和M-6三种喷吹煤粉的灰分较高外(大于12%),剩余4种煤粉用于高炉喷吹均没问题;从固定碳角度来说,7种煤粉固定碳含量均在70%~80%,热值较高,适合高炉喷吹。1.2煤的喷吹特性对煤的充填作用的对比研究煤粉除了以上工业分析和元素分析外,还要对其重要的喷吹特性进行研究。诸如煤的可磨性、着火点、灰熔点和燃烧性等,由于各厂资源条件、生产条件煤质特性不同,合理选择高炉喷吹用煤必须结合上述因素,对煤的喷吹特性进行研究。采用参考文献的方法对单煤进行喷吹特性进行实验研究,各煤粉的喷吹特性值见表2。从表2可以看出,7种煤粉的喷吹特性差别较大,且特性指标较多,给煤粉的综合评价带来困难。而且如果用这些指标直接进行配煤模型建立,将大大增加模型的复杂度,降低模型的实用性。为此,优化配煤建立前对煤粉的喷吹特性进行主成分分析。2煤粉喷吹主成分分析利用主成分分析的方法对煤粉14个主要喷吹性能指标进行降维处理。主成分分析是利用降维的思想,在损失很少信息的前提下把多个指标转化为几个综合指标的多元统计方法。通常把转化生成的综合指标称之为主成分,其中每个主成分都是原始变量的线形组合,且各个主成分之间互不相关,这就使得主成分比原始变量具有某些更优越的性能。这样在研究复杂问题时就可以只考虑少数几个主成分而不至于损失太多信息,从而更容易抓住主要矛盾,揭示事物内部变量之间的规律性,同时使问题得到简化,提高分析效率。主成分分析采用SPSS17.0软件,通过软件分析可以得到煤粉14个性能指标之间的相关系数矩阵(表3)。从表3可以看出,煤粉喷吹性能指标之间重叠较为严重。例如X1着火点和X2,X3,X4,X7,X8,X9指标之间相关性都大于60%。对于本文,将相关系数绝对值在(0~0.5)之间定义为相关性较差;[0.5~0.7]之间定义为显著性相关;(0.7~1.0)之间定义为高度线性相关。主成分个数提取原则为主成分对应的特征值大于1的前m个主成分。特征值可以被看成是表示主成分影响力度大小的指标,特征值小于1,说明该主成分的解释力度不如原变量的解释力度大,因此将特征值大于1作为保留标准。从表4可以看出,主成分1的特征值为6.136,代表整个数据信息的43.828%,按照特征值大于1的原则提取主成分。本文前4个主成分累积量已经达到98.062%,故提取4个主成分即可完全满足要求。按照以上原则提取的4个煤粉喷吹性能的主成分初始载荷矩阵见表5。从表5可以看出,X1,X2,X3,X4,X7,X8,X9和X14在第1主成分上有较高载荷,即系数绝对值大于0.6,说明第1主成分基本反映了这些指标的信息;第2主成分基本反映了X10,X11,X12,X13和X14指标的信息;第3主成分主要集中代表了X5和X3指标。得到的主成分初始载荷矩阵结合特征解即可求解得到主成分特征向量,与标准化后的煤粉喷吹特性指标数据相乘,从而就可以得出主成分表达式为3高炉喷吹煤的综合性针对上述主成分分析得到的高炉喷吹煤的综合特性指标P1,P2,P3和P4进行详细分析,并尝试解释高炉喷吹煤的综合特性指标代表的物理意义。由式(1)~(4)计算出煤粉的综合特性指标值见表6。3.1煤粉综合燃烧特性喷吹煤粉燃烧性是生产中的一个重要参数,实时掌握原煤燃烧性的波动变化对保证喷煤的安全和稳定十分必要。本文测量喷吹煤粉燃烧性的方法采用常用的静态热重法。为便于分析,选择燃烧温度达到500,600和700℃时的燃烧率。但这种燃烧性能比较方法不太科学,例如,在500℃时,燃烧率最大值是煤粉M-3,600℃时,燃烧率最大值是煤粉M-6,而到700℃时,燃烧率最大值又变为煤粉M-2。利用热重法测定煤粉在不同温度下的失重率数据规律性差异很大,无法准确比较出煤粉的燃烧性优劣。从表5可以看出,对于主成分指标P1主要体现煤粉着火点X1、发热值X2和500℃燃烧率X7、600℃燃烧率X8、700℃燃烧率X9五个指标的信息。从表3可以看出,煤粉着火点X1和发热值X2、500℃燃烧率X7、600℃燃烧率X8、700℃燃烧率X9的相关系数绝对值全部大于0.7,均属于高度线性相关。文献中通过对来自不同产地的15种煤粉进行研究,并对着火点X1和600℃燃烧率X8进行相关线性分析,得出的相关系数绝对值为0.89796,和上述得出的规律一致。煤粉发热值X2与500℃燃烧率X7和600℃燃烧率X8的相关系数绝对值为0.514和0.678,属于显著性相关,而与700℃燃烧率X9相关系数绝对值为0.715,属于高度线性相关,故将主要由相关性较强的X1,X2,X7,X8和X9指标组成的P1定义为煤粉综合燃烧特性指标。由表5可以看出,研究的7种煤粉综合燃烧特性指标P1离散度很大,差异性明显。按综合燃烧特性指标排序为:M-7>M-5>M-2>M-3>M-6>M-4>M-1,其中综合燃烧特性指标P1的最大值为3.09832,对应的煤粉为M-7,其最小值为-3.96303,对应的煤粉为M-1。故从单种煤粉燃烧性来说,M-7,M-5和M-2燃烧性较好,容易燃烧完全,相对适宜高炉喷吹。联系表1可以看出,煤粉燃烧特性综合特性指标P1和煤粉H,FCad,Cad含量有一定关系,M-7,M-5和M-2三种煤粉均具有较高的H含量(大于3%)、较高的FCad含量(大于78%)和较高的Cad含量(大于79%),H含量较高有助于提高高炉下部料柱的透气性和透液性,FCad含量和Cad含量较高则意味着可以放出更多热量,提高煤粉对焦炭的置换比。而相对不适宜高炉喷吹的单种煤粉M-1和M-4,其H含量不高,分别为2.54%和2.33%,M-1和M-4的FCad含量和Cad含量相对较低,对于高炉降低焦比不利。综合燃烧特性指标P1占喷煤喷吹性能总信息的解释量为43.828%,接近一半。3.2煤粉反应性评价煤粉反应性是指在一定温度下煤中碳与二氧化碳进行还原反应的反应能力。煤对CO2的反应性是反映煤气化、燃烧的一个重要指标。反应性的强弱直接影响高炉的耗煤量、耗氧量及煤气中的有效成分等。高炉喷吹反应性强的煤,不仅可提高煤粉燃烧率,扩大喷吹量,而且风口区未燃烧的煤粉在高炉的其他部位参加了与CO2的气化反应,可以减少焦炭的气化反应,对焦炭强度起到保护作用。本文选择反应温度在1000~1200℃时,每隔50℃取试样失重率作为评价煤粉反应性强弱。此方法与燃烧性评价一样不科学。由表2可知,在1000℃和1200℃时,反应性最大值为煤粉M-2,1050℃时,煤粉M-7反应性最好,温度在1100℃和1150℃时,煤粉M-4具有最强的反应性。故利用实验室热重法测定的煤粉反应性很难准确比较出煤粉的反应性强弱。反应性指标X10~X14之间存在着较强的联系,其中,X10和X11,X14之间的相关系数绝对值分别为0.839和0.817,属于高度线性相关,且X12和X13相关系数绝对值高达0.988。采用主成分处理后得到的第2主成分指标P2,则由相关性较强的X10,X11,X12,X13和X14五个指标组成,故将P2定义为煤粉综合反应特性综合特性指标。该综合特性指标占总信息的解释量为32.774%,说明其具有很强的解释力度。由表5可以看出,研究的7种煤粉综合反应特性指标P2差异性很明显。按综合反应特性综合特性指标排序为:M-4>M-2>M-5>M-7>M-1>M-3>M-6。3.3流动性特性指标由于煤粉制粉车间和高炉车间存在一定距离,需要利用气体将煤粉输送至高炉,因此要求煤粉具有良好的流动性。第3主成分指标P3主要由流动性指数X5和变形温度X3组成,故将其定义为综合流动特性综合特性指标P3。按实验测定流动性指数X5进行排序:M-4>M-1>M-5>M-7>M-3>M-2>M-6。从综合流动特性指标P3来看:M-2>M-6>M-3>M-5>M-4>M-7>M-1。从X5和P3的排序结果比较可以看出,两种的结合基本是相反的。由于综合流动特性指标P3除主要的流动性指数X5和变形温度X3,还包括其他的13个指标。故就煤粉流动性能来说,应要求综合流动特性指标P3值越小越好。3.4主成分指标p4高炉喷煤通常使用粉煤,以利于燃烧,因此,必须将原煤磨细。煤的可磨性是指磨煤的难易程度,它主要与煤的变质程度有关。高炉喷吹用煤的可磨性指数应在60~90,低于50的煤很硬,难磨。高于90的烟煤虽然易磨,但往往是黏结性强的煤,可能会给磨煤和输煤造成困难。由表5可以看出,第4主成分指标P4主要由可磨性性指数X6组成,故将其定义为综合可磨特性综合特性指标P4。按实验测定可磨性指数X6进行排序:M-4>M-3>M-6>M-5>M-2>M-7>M-1。从综合可磨特性综合特性指标P4来看:M-1>M-2>M-7>M-6>M-5>M-3>M-4。对比上述两种排序结果分析可知,从煤粉可磨性能考虑,要求综合可磨特性指标P4值越小越好。4综合评价煤粉4.1煤粉喷吹性能的确定主成分分析法得出了综合燃烧特性指标P1、煤粉综合反应特性指标P2、综合流动特性指标P3和综合可磨特性指标P4四个核心指标参数,但对可供选择的多个煤样,P1,P2,P3和P4参数的优劣不一,例如P1和P2要求越高越好,而P3和P4要求越小越好,故无法确定最佳喷吹性能的煤粉。因此,进一步引入煤粉喷吹性能综合评价法,进行总体评定。以每个综合特性指标所对应的特征值占所提取主成分总的特征值之和的比例作为权重计算煤粉喷吹性能模型。根据煤粉对各喷吹特性指标的要求,P1和P2取+,P3和P4取-。根据煤粉主成分综合模型即可计算煤粉综合特性值P,并对其按综合主成分值进行排序,即可对各煤粉进行综合评价比较,结果见表7。由表7可知,煤粉的综合喷吹特性指标P值差异较大,最高值为1.84534,最小值为-1.37642,从综合喷吹特性指标P值看,7种喷吹煤喷吹性能优劣排序为:M-7>M-5>M-2>M-4>M-3>M-6>M-1。4.2煤粉基础性能评价模型的建立由于煤粉的工业分析一般包括固定碳、挥发分、灰分和含硫量,其和元素分析碳元素、氢元素、氧元素等有相当强的对应关系。文献中报道利用煤的工业分析可以通过模型准确计算出元素分析。图1为研究的7种煤粉的工业分析中固定碳FCad和碳元素Cad之间的相应关系。此外,在钢铁现场评价煤粉时也以其工业分析为主。故本文将以煤粉的工业分析为依据对不同煤粉进行基础性能评价。对煤粉进行基础性能评价时,本文选择了工业分析中固定碳、灰分、含硫量和挥发分4个指标,这些指标是影响煤粉在高炉内置换比性能的重要因素,对高炉煤比、焦比、燃料比等指标的影响较大。一般情况下,希望高炉煤粉固定碳越高越好,灰分和含硫量越低越好;对于挥发分方面,在煤粉使用安全性的前提下,既不具有爆炸性,挥发含量越高,煤的燃烧率及置换比增加,故煤粉的挥发分含量高则较为有利。故煤粉基础性能评价模型为其中,α,β,γ和δ分别为煤粉的工业分析指标的各自权重,其主要由各指标对高炉燃料消耗的影响大小来决定。通过大量的生产数据回归分析1050m3高炉煤粉工业分析指标和的燃料消耗关系,从而确定α,β,γ和δ分别取0.3,0.2,0.4和0.1。根据煤粉基础特性模型即可计算煤粉基础性能值F,并按煤粉基础性能值进行排序,即可对各煤粉进行基础性能评价(表7)。从煤粉基础性能值F看,7种喷吹煤粉基础性能优劣排序为:M-2>M-5>M-7>M-4>M-3>M-6>M-1。对比煤粉的喷吹性能优劣排序来看,研究的7种煤粉大体上符合基础性能优良的,其喷吹性能也优良,如M-2,M-5和M-7;基础性能较差的,喷吹性能也相应较差,如M-1,M-3和M-6。从基础性能看,最佳的煤粉是M-2,而喷吹性能最佳的煤粉为M-7。4.3喷吹性能和基础性能的选取为了更合理的指导钢铁企业在采购时对不同煤粉的选择,需综合考虑煤粉的本身性能指标。通过对以上煤粉喷吹性能和基础性能评价,即可得到煤粉综合评价模型。其中,a和b为权重,主要根据钢铁企业现场人员对于煤粉喷吹性能和基础性能的要求进行取值,一般来说,高炉现场人员更加注重煤粉的基础性能,但从高炉煤粉风口燃烧和在高炉内消耗来看,煤粉喷吹性能则更加重要,因此本文中按照一般原则,即将喷吹性能和