鞍鋼燒結(jié)能效模型的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

張健棟，劉常鵬，詹守權(quán)

（1.鞍鋼集團(tuán)自動(dòng)化有限公司，遼寧 鞍山114031；2.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山114009；3.鞍鋼股份有限公司鲅魚(yú)圈鋼鐵分公司，遼寧 營(yíng)口115007）

目前，鋼鐵能耗約占工業(yè)總能耗的23%，其中作為原料加工的燒結(jié)礦生產(chǎn)工序能耗占鋼鐵生產(chǎn)總能耗的13%左右[1]。現(xiàn)階段，由于燒結(jié)工序原燃料性能、工藝參數(shù)、設(shè)備參數(shù)、操作制度和管理水平等一系列影響因素的差異，國(guó)內(nèi)各燒結(jié)廠之間工序能耗水平相差甚遠(yuǎn)，節(jié)能減排工作任務(wù)非常嚴(yán)峻[2-5]。

本文以鞍鋼股份有限公司鲅魚(yú)圈鋼鐵分公司所實(shí)施的能源管控大數(shù)據(jù)平臺(tái)為依托，利用物料平衡和熱平衡原理，將理論計(jì)算與生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合，采用模塊化結(jié)構(gòu)，建立燒結(jié)工序能耗計(jì)算分析模型，確保了能源消耗結(jié)果的獨(dú)立性以及系統(tǒng)的靈活性，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際可以做到可變可調(diào)。采用該模型并結(jié)合專(zhuān)有的燒結(jié)能耗專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)，將基準(zhǔn)數(shù)據(jù)與生產(chǎn)實(shí)際數(shù)據(jù)相對(duì)比，找出生產(chǎn)能效差距和節(jié)能潛力，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)燒結(jié)過(guò)程的固體燃耗以及電耗、水耗等的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及精細(xì)化管理。

1 燒結(jié)工序能耗計(jì)算模型的確立

基于實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的原料性能、工藝參數(shù)和設(shè)備參數(shù)，把燒結(jié)機(jī)系統(tǒng)看成一個(gè)整體作為研究對(duì)象，綜合考慮熱收入（點(diǎn)火煤氣燃燒熱、固體燃料化學(xué)熱、燒結(jié)過(guò)程化學(xué)反應(yīng)熱、熱風(fēng)燒結(jié)物理熱）和熱支出（混合料水蒸發(fā)熱、燒結(jié)餅物理熱、碳酸鹽分解熱、燒結(jié)煙氣物理熱、表面散熱、臺(tái)車(chē)帶出熱），以燒結(jié)系統(tǒng)物料平衡和熱量平衡為基礎(chǔ)，建立了燒結(jié)系統(tǒng)計(jì)算模型。

1.1 燒結(jié)熱量收入模型

燒結(jié)生產(chǎn)熱收入能量總和ΣQin：

式中，Q1～Q4分別為點(diǎn)火煤氣燃燒熱、固體燃料化學(xué)熱、燒結(jié)過(guò)程化學(xué)反應(yīng)熱、熱風(fēng)燒結(jié)物理熱，kJ/t；

式中，Q煤為煤氣量，m3/h；H煤熱為熱值，kJ/m3；V礦為燒結(jié)礦量，t/h；CCO（濕）、CH2（濕）、CCH4（濕）分別為濕一氧化碳量、濕氫氣量、濕甲烷量，%。

式中，G煤粉、G焦粉分別為煤粉量、焦粉量，t/h；Hum、Hck分別為煤燃料熱值、焦炭熱值，kJ/m3；Cgs、Ccs分別為無(wú)煙煤、焦炭中含碳量，%；Hgs、Hcs分別為無(wú)煙煤、焦炭中含氫量，%；Ogs、Ocs分別為無(wú)煙煤、焦炭中含氧量，%；Sgs、Scs分別為無(wú)煙煤、焦炭中含硫量，%；H2Ogs、H2Ocs分別為無(wú)煙煤、焦炭中應(yīng)用水分含量，%。

式中，GSO2為混合料中硫氧化熱，kJ/t，GFeO為 氧化亞鐵氧化放熱，kJ/t。

式中，QW為三段風(fēng)量，m3/t；Teave為平均溫度，℃；Hair為三段空氣的比熱，kJ/（m3·℃）；Te為環(huán)境溫度，℃；H為助燃煤氣比熱，kJ/（m3·℃）。

1.2 燒結(jié)熱量支出模型

燒結(jié)生產(chǎn)熱支出能量總和ΣQout：

式中，Q1'～Q6'分別為混合料水蒸發(fā)熱、燒結(jié)餅物理熱、碳酸鹽分解熱、燒結(jié)煙氣物理熱、表面散熱、臺(tái)車(chē)帶出熱，kJ/t。

式中，Gmix為混合料量，t/h；Gmw為混合料含水量，t/h；Tewaste為燒結(jié)廢氣溫度，℃；Hvp為蒸汽比熱，kJ/（m3·℃）。

式中，TeFL為終點(diǎn)溫度，℃。

式中，G石、G白分別為每噸成品礦中石灰石、白云石的用量，kg/t；CaO石、MgO石為石灰石 中CaO、MgO含量，%；CaO白、MgO白為白云石中CaO、MgO含量，%；G混、G高爐、G冷礦分別為混勻料量、高爐返礦量、冷返礦量，t；TFe混，TFe高爐，TFe冷礦分別為混勻料、高爐返礦、冷返礦中所含TFe，%。

式中，V煙為理論煙氣量，m3/t；Te煙為煙氣溫度，℃；H煙、H環(huán)分別為煙氣比熱、環(huán)境溫度下的比熱，kJ/（m3·℃）。

式中，GKb為燒結(jié)礦表面散熱，kJ/t；S側(cè)為燒結(jié)機(jī)側(cè)表面積，m2。

式中，H臺(tái)終、H臺(tái)起分別為終點(diǎn)位置、開(kāi)始位置比熱，kJ/（m3·℃）；Te臺(tái)終、Te臺(tái)起分別為臺(tái)車(chē)終點(diǎn)位置、開(kāi)始位置溫度，℃。

2 燒結(jié)能效評(píng)價(jià)模型與設(shè)計(jì)

2.1 燒結(jié)能效評(píng)價(jià)模型

2.1.1 機(jī)理模型

機(jī)理模型即根據(jù)生產(chǎn)對(duì)象以及生產(chǎn)過(guò)程所傳遞的機(jī)理建立數(shù)學(xué)模型，本次開(kāi)發(fā)的理論模型和測(cè)試模型正是運(yùn)用了機(jī)理模型并依據(jù)質(zhì)量守恒——能量守恒定律構(gòu)建了燒結(jié)平衡分析圖。

研究過(guò)程中根據(jù)燒結(jié)生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程以及現(xiàn)場(chǎng)采集得到的石灰石量、生石灰量、煤粉焦炭熱值等結(jié)合熱力學(xué)公式計(jì)算得出燒結(jié)單耗的理論值。根據(jù)不同鋼種規(guī)格以及不同工況條件計(jì)算最優(yōu)值。通過(guò)與最優(yōu)值之間的對(duì)比分析找出設(shè)備缺陷。燒結(jié)能效機(jī)理模型流程框圖見(jiàn)圖1。

圖1 燒結(jié)能效機(jī)理模型流程框圖Fig.1 Flow Block Diagram for Mechanism of Energy Efficiency Model for Sintering

2.1.2 大數(shù)據(jù)模型

大數(shù)據(jù)模型的建立即通過(guò)大數(shù)據(jù)本身的數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)特征、業(yè)務(wù)需求、還有自身分析重點(diǎn)和目標(biāo)做的數(shù)據(jù)模型。本次開(kāi)發(fā)的燒結(jié)實(shí)際以及燒結(jié)目標(biāo)模型正是運(yùn)用了大數(shù)據(jù)模型，通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合理論公式和數(shù)學(xué)算法，推測(cè)出目標(biāo)最優(yōu)值，同時(shí)根據(jù)大數(shù)據(jù)模型的自學(xué)習(xí)功能尋優(yōu)得到實(shí)際最優(yōu)值，將所得結(jié)果與專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)進(jìn)行結(jié)合，分析差異原因，提出優(yōu)化建議。燒結(jié)能效大數(shù)據(jù)模型流程框圖見(jiàn)圖2。

設(shè)計(jì)中通過(guò)大數(shù)據(jù)模型可尋找操作和工藝存在的缺陷，在學(xué)習(xí)了燒結(jié)專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)給出的影響因素的基礎(chǔ)上，通過(guò)進(jìn)一步挖掘數(shù)據(jù)確定主要的影響因素，最終結(jié)合機(jī)理模型制定整改方案。

圖2 燒結(jié)能效大數(shù)據(jù)模型流程框圖Fig.2 Flow Block Diagram for Big Data of Energy Efficiency Model for Sintering

3 能效模塊設(shè)計(jì)

燒結(jié)能效總共建立了6個(gè)功能頁(yè)面，包括燒結(jié)理論、燒結(jié)測(cè)試、理論與測(cè)試對(duì)比、燒結(jié)目標(biāo)、燒結(jié)實(shí)際、燒結(jié)目標(biāo)與實(shí)際的對(duì)比。燒結(jié)能效模塊組成如圖3所示。

3.1 燒結(jié)理論模塊

燒結(jié)理論即在一定邊界條件下利用設(shè)備初步設(shè)計(jì)的參數(shù)值，如規(guī)格、產(chǎn)量、品種結(jié)構(gòu)、溫度，根據(jù)熱平衡理論所得到的理論值，將燒結(jié)帶入熱和帶出熱做平衡，得到設(shè)備在理想狀態(tài)下的單耗。

圖3 燒結(jié)能效模塊組成圖Fig.3 Composition Diagram for Modules of Energy Efficiency for Sintering

3.2 燒結(jié)測(cè)試模塊

燒結(jié)測(cè)試則是利用手持設(shè)備采集得到現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，進(jìn)而將所得數(shù)據(jù)帶入模型中得到測(cè)試值。設(shè)計(jì)中通過(guò)錄入現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)，根據(jù)熱力學(xué)公式計(jì)算得出燒結(jié)的收入項(xiàng)，包括點(diǎn)火煤氣化學(xué)熱、固體燃料化學(xué)熱、燒結(jié)過(guò)程化學(xué)反應(yīng)熱、熱風(fēng)燒結(jié)物理熱，以及燒結(jié)的支出項(xiàng)，包括混合料水蒸發(fā)熱、燒結(jié)餅物理熱、碳酸鹽分解熱、燒結(jié)煙氣物理熱、化學(xué)不完全燃燒熱損失、表面散熱，將計(jì)算所得的理論值與測(cè)試值進(jìn)行比較，找出問(wèn)題，尋找解決方案，進(jìn)而構(gòu)建專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)。燒結(jié)測(cè)試統(tǒng)計(jì)頁(yè)面見(jiàn)圖4。

3.3 燒結(jié)理論與測(cè)試對(duì)比模塊

燒結(jié)理論與測(cè)試對(duì)比模塊通過(guò)使用理論與測(cè)試功能模塊得到的理論值與測(cè)試值，運(yùn)用數(shù)據(jù)對(duì)比得出熱平衡因子與單耗之間的影響程度，通過(guò)分析不同因子下的關(guān)聯(lián)參數(shù)，進(jìn)一步觀察是否存在異常，同時(shí)結(jié)合專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)給出的優(yōu)化建議，為現(xiàn)場(chǎng)操作人員提出整改方案。燒結(jié)理論與測(cè)試對(duì)比操作頁(yè)面見(jiàn)圖5。

3.4 燒結(jié)目標(biāo)模塊

燒結(jié)目標(biāo)值是指燒結(jié)在歷史生產(chǎn)過(guò)程中針對(duì)不同工況、品種條件所能達(dá)到的最優(yōu)水平，采集真實(shí)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)作為能耗的歷史輸入，按生產(chǎn)條件對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分，采用大數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)尋優(yōu)，動(dòng)態(tài)形成能夠達(dá)到的最優(yōu)值以形成目標(biāo)值。

圖5 燒結(jié)理論與測(cè)試對(duì)比操作頁(yè)面Fig.5 Comparison Operation Page for Sintering Theory and Test

3.5 燒結(jié)實(shí)際模塊

燒結(jié)實(shí)際值即通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量表進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，進(jìn)而得到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；通過(guò)目標(biāo)與實(shí)際對(duì)比得出實(shí)時(shí)建議，通過(guò)專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)判異形成智能化指導(dǎo)意見(jiàn)。

3.6 燒結(jié)目標(biāo)與實(shí)際對(duì)比模塊

燒結(jié)目標(biāo)與實(shí)際對(duì)比模塊可查詢(xún)?cè)谝欢螘r(shí)間內(nèi)不同頻度下煤氣單耗、固體單耗、電單耗的變化趨勢(shì)，并結(jié)合查詢(xún)表分析異常狀態(tài)時(shí)各參數(shù)的含量，及時(shí)查出影響單耗的主要因素，通過(guò)與穩(wěn)定狀態(tài)下的對(duì)比形成優(yōu)化建議。

4 模型應(yīng)用

此模型于2018年進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集與開(kāi)發(fā)，2019年初上線(xiàn)運(yùn)行，已成功應(yīng)用于鲅魚(yú)圈能源管控項(xiàng)目中，充分運(yùn)用了大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)，運(yùn)用Python作為模型開(kāi)發(fā)平臺(tái)，在運(yùn)行過(guò)程中持續(xù)完善、發(fā)展智能專(zhuān)家?guī)?，使其具備了自學(xué)習(xí)功能。

鲅魚(yú)圈燒結(jié)原工序能耗為47.2 kgce/t礦，通過(guò)應(yīng)用此模型工序能耗降低了2%以上，按鲅魚(yú)圈年產(chǎn)燒結(jié)礦800萬(wàn)t計(jì)算，可實(shí)現(xiàn)年經(jīng)濟(jì)效益1 000萬(wàn)元以上。

5 結(jié)語(yǔ)

燒結(jié)能效模型以開(kāi)發(fā)燒結(jié)工藝能源管理信息系統(tǒng)為目的，將燒結(jié)工藝與熱平衡原理相結(jié)合，建立燒結(jié)工序能耗計(jì)算分析模型。將理論計(jì)算結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)而了解到燒結(jié)熱收入和熱支出情況，并借助Python與Java兩類(lèi)編程工具實(shí)現(xiàn)了燒結(jié)工序能耗分析模型的軟件化，通過(guò)分析各功能頁(yè)面獲得燒結(jié)過(guò)程用能狀況并找出影響能耗的主要因素，為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減耗提供依據(jù)。應(yīng)用此模型后，鞍鋼股份有限公司鲅魚(yú)圈鋼鐵分公司工序能耗降低了2%以上，按鲅魚(yú)圈年產(chǎn)燒結(jié)礦800萬(wàn)t計(jì)算，可實(shí)現(xiàn)年經(jīng)濟(jì)效益1 000萬(wàn)元以上。