一种氢冶金反应器的物质能量耦合优化分析方法

1.本发明属于冶金领域，具体涉及一种氢冶金反应器的物质能量耦合优化分析方法。


背景技术：

2.钢铁行业是基础行业和支柱性产业，在国民经济中具有重要地位。随着钢铁行业的迅速发展，传统的长流程高炉炼铁显露出了资源匮乏和环境破坏两大问题。钢铁行业这类高污染的行业必须进行结构性改革，我国钢铁行业碳排放量占总排放量的16％，同时我国焦煤资源贫乏，需要改变原有依赖于焦煤资源的高炉炼铁工艺方法。
3.氢冶金技术，对焦煤资源依赖小，适合短流程炼铁，能够有效解决长流程工艺的资源匮乏和环境破坏的两大问题。氢冶金反应过程依赖于气基直接还原法，其具有化学反应速率高、产品转化率高、能量损失率低等优点，但是氢冶金反应过程也需要大量的还原性气体以及能量，所以对氢冶金反应器进行物质能量耦合优化分析可以进一步降低氢冶金短流程的能源消耗，提升能源效率。
4.中国专利“cn107169599一种基于钢铁企业能源系统的多目标优化调度方法”提供了一种基于钢铁企业能源系统的多目标优化调度方法。此专利通过采集钢铁企业能源消耗的历史数据训练模型，然后预测未来周期内的相关能源数据，根据预测数据进行经济成本、环境成本等多目标优化，来获得最优调度方案，降低能源消耗。主要针对能源系统进行优化调度，缺乏对于物质流能量流的耦合优化，并且该优化调度方法针对的是传统长流程钢铁企业，缺少对氢冶金反应器的优化分析。
5.中国专利“cn111575427一种近零排放的氢冶金工艺”涉及氢冶金工艺，属于冶金技术领域，解决了现有技术中钢铁冶炼排放大量废气废固、污染环境等问题，通过合理布局工艺路线，使氢冶金新工艺过程so2几乎无排放，粉尘排放量比传统工艺降低90％以上，是一种环保的绿色冶炼工艺。主要通过新的冶炼技术以及合理的流程配置实现氢冶金过程的近零排放，但是该工艺主要是对氢冶金流程进行分析，主要是针对的是物质流，缺少与能量流的耦合，并且没有对氢冶金反应器物质能量进行耦合优化，缺乏进一步发掘节能减排的潜力。


技术实现要素：

6.本发明提供一种氢冶金反应器的物质能量耦合优化分析方法，根据反应热力学、反应动力学、热力学第一定律、质量守恒定律，对氢冶金反应器投入、产出以及内部的反应进行优化，能够提高物质能量利用率、降低能源消耗。
7.本发明的技术方案如下：
8.一种氢冶金反应器的物质能量耦合优化分析方法，包括如下步骤：
9.(1)基于混合整数非线性的数学规划方法进行分析，建立混合整数非线性规划模型；混合整数非线性规划模型包含三个要素，即目标函数、变量与约束条件；
10.(2)确定变量；以氢冶金反应器的工艺参数和氢气需求量做为变量；
11.(3)建立约束条件；根据氢冶金反应器的热力学特性，建立物质平衡约束条件和能量平衡约束条件；
12.(4)确立目标函数；以气体利用率最大或者以能源消耗最小为目标函数：
13.(5)上述目标函数、变量与约束条件构成氢冶金反应器的混合整数非线性规划模型；
14.(6)将实际生产数据代入上述混合整数非线性规划模型，进行模型验证和参数矫正，输出结果。
15.进一步地，所述的氢冶金反应器的物质能量耦合优化分析方法，所述步骤(2)中氢冶金反应器的工艺参数包括物料出入口温度、气体出入口温度、金属化率。
16.进一步地，所述的氢冶金反应器的物质能量耦合优化分析方法，所述步骤(2)中氢气需求量的确定包括如下步骤：
17.i)根据矿石成分含量，通过反应方程式：fe2o3+3h2＝2fe+3h2o，利用反应热力学进行计算，得出第一氢气需求量v1；
18.ii)按照氢冶金反应过程的动力学特性进行区域划分，分析各反应区域内反应速率限制环节，推导出动力学方程，确定反应过程中的温度约束条件；根据反应过程所需的热量，计算出第二氢气需求量v2；
19.iii)选取第一氢气需求量v1、第二氢气需求量v2的最大值做为氢气最终使用量。
20.进一步地，所述的氢冶金反应器的物质能量耦合优化分析方法，所述步骤(3)中，物质平衡约束条件包括总体物质平衡约束条件和各个元素平衡约束条件；
21.总体物质平衡约束条件为：
[0022][0023]
其中，m
ore
，m
other
为反应器物料投入项，分别表示通入氢气的质量、矿石投入质量、其他添加剂投入量；m
fe
，m
gangue
，m
gas
，m
loss
为反应器物料产出项，分别表示海绵铁产出质量、脉石产出质量、炉气生成量、由于操作和设备原因造成的物质损失量；
[0024]
元素平衡约束条件为：
[0025][0026]
其中，n
i,j
为对应物质i的j元素质量含量；
[0027]
i＝h2,ore,other,fe,gangue,gas,loss；
[0028]
j＝h,o,fe,ca,si,mg。
[0029]
进一步地，所述的氢冶金反应器的物质能量耦合优化分析方法，所述步骤(3)中，能量平衡约束条件为：
[0030][0031]
其中，q
ore
，q
other
为反应器能量输入项，分别表示氢气带入的热量、矿石带入的热量、其他添加剂带入的热量；qr，q
evap
，q
fe
，q
gangue
，q
gas
，q
loss
为反应器能量输出项，分别表示化学反应所需热量、水分相变物理热、海绵铁带出的热量、脉石带出的热量、炉气带出的热量、由于操作和设备原因造成的热量损失量。
[0032]
进一步地，所述的氢冶金反应器的物质能量耦合优化分析方法，所述步骤(4)中，目标函数公式如下：
[0033][0034][0035]
其中，θ，e分别为气体利用率和氢冶金反应器能源消耗量；分别为炉气中氢含量和氢气中氢含量；q
chem,gas
分别为氢气带入的化学热和炉气带出的化学热。
[0036]
本发明的有益效果为：本发明根据反应热力学、反应动力学、热力学第一定律和物质守恒定律提出了一种氢冶金反应器的物质能量耦合优化分析方法，分析氢气和矿石预热温度对整体能源消耗以及气体利用率的影响。除此之外该方法对现阶段氢气产能不足的现象具有适应性，可以对非纯氢的反应器进行优化分析，分析不同气体组成成分对整体能源消耗以及气体利用率的影响。最终通过分析挖掘节能潜力，提高能源利用率。
附图说明
[0037]
图1为实施例1中还原气需求量与还原气预热温度的关系图；
[0038]
图2为实施例1中还原气利用率与还原气预热温度的关系图；
[0039]
图3为实施例2中还原气需求量与铁矿石预热温度的关系图；
[0040]
图4为实施例2中还原气利用率与铁矿石预热温度的关系图。
具体实施方式
[0041]
一种氢冶金反应器的物质能量耦合优化分析方法，包括如下步骤：
[0042]
(1)基于混合整数非线性的数学规划方法进行分析，建立混合整数非线性规划模型；混合整数非线性规划模型包含三个要素，即目标函数、变量与约束条件；
[0043]
(2)确定变量；以氢冶金反应器的工艺参数和氢气需求量做为变量；
[0044]
氢冶金反应器的工艺参数包括物料出入口温度、气体出入口温度、金属化率；
[0045]
氢气需求量的确定包括如下步骤：
[0046]
i)根据矿石成分含量，通过反应方程式：fe2o3+3h2＝2fe+3h2o，利用反应热力学进行计算，得出第一氢气需求量v1；
[0047]
ii)按照氢冶金反应过程的动力学特性进行区域划分，分析各反应区域内反应速率限制环节，推导出动力学方程，确定反应过程中的温度约束条件；根据反应过程所需的热量，计算出第二氢气需求量v2；
[0048]
iii)选取第一氢气需求量v1、第二氢气需求量v2的最大值做为氢气最终使用量；
[0049]
(3)建立约束条件；根据氢冶金反应器的热力学特性，建立物质平衡约束条件和能量平衡约束条件；
[0050]
物质平衡约束条件包括总体物质平衡约束条件和各个元素平衡约束条件；
[0051]
总体物质平衡约束条件为：
[0052]
[0053]
其中，m
ore
，m
other
为反应器物料投入项，分别表示通入氢气的质量、矿石投入质量、其他添加剂投入量；m
fe
，m
gangue
，m
gas
，m
loss
为反应器物料产出项，分别表示海绵铁产出质量、脉石产出质量、炉气生成量、由于操作和设备原因造成的物质损失量；
[0054]
元素平衡约束条件为：
[0055][0056]
其中，n
i,j
为对应物质i的j元素质量含量；
[0057]
i＝h2,ore,other,fe,gangue,gas,loss；
[0058]
j＝h,o,fe,ca,si,mg；
[0059]
能量平衡约束条件为：
[0060]qh2
+q
ore
+q
other
＝qr+q
evap
+q
fe
+q
gangue
+q
gas
+q
loss
[0061]
其中，q
h2
，q
ore
，q
other
为反应器能量输入项，分别表示氢气带入的热量、矿石带入的热量、其他添加剂带入的热量；qr，q
evap
，q
fe
，q
gangue
，q
gas
，q
loss
为反应器能量输出项，分别表示化学反应所需热量、水分相变物理热、海绵铁带出的热量、脉石带出的热量、炉气带出的热量、由于操作和设备原因造成的热量损失量；
[0062]
(4)确立目标函数；以气体利用率最大或者以能源消耗最小为目标函数：
[0063]
目标函数公式如下：
[0064][0065][0066]
其中，θ，e分别为气体利用率和氢冶金反应器能源消耗量；分别为炉气中氢含量和氢气中氢含量；q
chem,gas
分别为氢气带入的化学热和炉气带出的化学热；
[0067]
(5)上述目标函数、变量与约束条件构成氢冶金反应器的混合整数非线性规划模型；
[0068]
(6)将实际生产数据代入上述混合整数非线性规划模型，进行模型验证和参数矫正，输出结果。
[0069]
实施例1
[0070]
将相关工艺参数带入混合整数非线性规划模型中：炉顶气体温度为623k、铁矿石入口温度为900k、海绵铁出口温度为673k、还原气气体组分为纯氢气、目标产物为1000千克的金属化率为91％海绵铁的条件下；通过改变还原气预热温度分别为750℃，800℃，850℃，900℃，950℃，1000℃，1050℃，得到不同还原气预热温度条件下模型还原气需求量和还原气利用率的值。
[0071]
还原气需求量和还原气利用率随着还原气预热温度改变的变化趋势如附图1和2所示，表明随着还原气预热温度的增加，还原气需求量逐渐减少，还原气利用率逐渐升高；在还原气组分为纯氢气时，还原气需求量根据热平衡确定，随着还原气温度的不断升高，还原气需求量逐渐降低；随着温度升高，还原气气耗降低，则导致还原气利用率显著增大；但是还原气预热温度过高时，还原气需求量受到通过热力学约束。所以当温度过高时，还原气
需求量将不会再降低，还原气利用率也不会再提高。
[0072]
实施例2
[0073]
将相关工艺参数带入混合整数非线性规划模型中：在还原气入口温度为1173k、炉顶气体温度为352k、海绵铁出口温度为673k、还原气气体组分为纯氢气、目标产物为1000千克的金属化率为92％海绵铁的条件下；通过改变铁矿石预热温度分别为100℃，150℃，200℃，250℃，300℃，350℃，400℃，450℃，500℃，得到不同铁矿石预热温度条件下模型还原气需求量和还原气利用率的值。
[0074]
还原气需求量和还原气利用率随着铁矿石预热温度改变的变化趋势如附图3和4所示，表明随着铁矿石预热温度的增加，还原气需求量逐渐减少，还原气利用率逐渐升高；当铁矿石的投入温度为常温时，模型热收入中固体带入热为0，随着铁矿石温度的逐渐升高，固体带入热逐渐增加；当铁矿石温度继续升高时，即大于575℃时候，还原气需求量主要受到通过热力学角度计算出的还原气需求量约束，还原气需求量不会再进一步降低。