冶金企業(yè)中高爐系數(shù)目標(biāo)優(yōu)化模型構(gòu)建分析

李建武，安文斌

（河鋼邯鋼煉鐵部七高爐，河北 邯鄲 056000）

隨著經(jīng)濟(jì)大環(huán)境的不斷變化，冶金行業(yè)也發(fā)生了改變。作為國(guó)家支柱產(chǎn)業(yè)之一，冶金企業(yè)的能源消耗問(wèn)題一直都是懸而未決的難題[1]。目前，節(jié)能降耗開(kāi)始成為冶金企業(yè)未來(lái)發(fā)展的工作重點(diǎn)，如何系統(tǒng)節(jié)能和科學(xué)用能變成了無(wú)數(shù)專(zhuān)業(yè)人員研究的問(wèn)題。在冶金企業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程中，燒結(jié)、焦化、高爐等冶煉系統(tǒng)占據(jù)了能源消耗總體的70%，而其中高爐工序的能耗就占了大約60%。因此，從高爐入手進(jìn)行冶金企業(yè)節(jié)能減耗的研究，是非常有效的途徑[2]。通過(guò)高爐節(jié)能的研究，可以有效降低冶金企業(yè)生產(chǎn)成本，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力[3]。本文以冶金企業(yè)中高爐系數(shù)目標(biāo)優(yōu)化模型構(gòu)建為研究主題，建立和高爐利用系數(shù)優(yōu)化目標(biāo)，以物質(zhì)與能量平衡的模型為基礎(chǔ)，將非線性規(guī)劃理論進(jìn)行融合[4]。建立高爐性能優(yōu)化模型。希望通過(guò)本文研究，可以為科學(xué)調(diào)節(jié)高爐參數(shù)提供依據(jù)，在保證生產(chǎn)質(zhì)量的前提下，降低生產(chǎn)過(guò)程中能源損耗，減少冶金企業(yè)生產(chǎn)成本[5]。

1 冶金企業(yè)中高爐系數(shù)目標(biāo)優(yōu)化模型構(gòu)建

表1 冶金企業(yè)耗能情況

根據(jù)表1，可知高爐在冶金企業(yè)能耗中占比相當(dāng)巨大，因此需要建立高爐系數(shù)目標(biāo)優(yōu)化模型。在對(duì)高爐冶煉過(guò)程進(jìn)行研究后，發(fā)現(xiàn)對(duì)該過(guò)程進(jìn)行模擬的數(shù)學(xué)模型可以分為三種，分別是統(tǒng)計(jì)模型、過(guò)程動(dòng)力學(xué)模型、物質(zhì)與能量平衡模型[6]。其中物質(zhì)與能量平衡模型由于是基于熱力學(xué)的原理而呈現(xiàn)的，所以在對(duì)高爐過(guò)程特性分析時(shí)，是最有效的一種模型。以該模型的建立為基礎(chǔ)，對(duì)高爐利用系數(shù)優(yōu)化變量進(jìn)行選擇，并且進(jìn)行高爐系數(shù)求值[7]。將各方面因素進(jìn)行綜合后，制定高爐約束條件，將冶金企業(yè)中高爐系數(shù)目標(biāo)優(yōu)化模型構(gòu)建完成。最后展示模型結(jié)果。

1.1 構(gòu)建高爐物理模型

以鐵的冶煉為例，高爐冶煉的整體過(guò)程，如圖1所示，高爐中主要分為三個(gè)工作部分，分別是上部預(yù)熱區(qū)、中部熱儲(chǔ)備區(qū)、下部高溫區(qū)。頂部輸入鐵礦石、焦炭、石灰石等原料，中部形成生鐵或爐渣。高爐的能量流除了物質(zhì)本身所攜帶的，還包括預(yù)熱區(qū)、高溫區(qū)的熱損失。當(dāng)上部預(yù)熱區(qū)包含了所有的高價(jià)鐵氧化物，并且將其變化為浮氏體。而高爐中部區(qū)域內(nèi)，所有的物質(zhì)溫度都一致，保持在900℃左右，然后將爐內(nèi)所有的還原氫都作用于下部高溫區(qū)，在只將高溫區(qū)碳的氣化反應(yīng)作為思考重點(diǎn)后，按照基本理論，對(duì)高爐內(nèi)產(chǎn)生行為進(jìn)行描述。我們可以觀察到，噴吹燃料的燃燒率高達(dá)100%，對(duì)于投放于高爐的原料中存在的水分子，在高爐頂部就會(huì)全部蒸。通過(guò)通風(fēng)口作用，使得煤氣進(jìn)入高爐腹部位置。因此，爐腹煤氣量與風(fēng)口循環(huán)區(qū)形成的煤氣量是相等的。

圖1 高爐煉鐵過(guò)程物理模型

1.2 選擇優(yōu)化變量

在冶金企業(yè)高爐生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)高爐利用系數(shù)產(chǎn)生影響的因素很多。在本次構(gòu)建的模型中，我們選取煤比、焦比、球團(tuán)礦用量等一共六個(gè)原料參數(shù)進(jìn)行分析。此外，選擇了四個(gè)工藝參數(shù)，包括鼓風(fēng)溫度、濕度、富氧率，以及鐵的直接還原度。對(duì)于高爐冶煉中的主要材料，生鐵同樣包含六個(gè)質(zhì)量參數(shù)，分別是鐵、硫、錳、硅、碳、磷。綜上所述，一共選擇了16個(gè)參數(shù)作為優(yōu)化變量，參與到高爐系數(shù)目標(biāo)優(yōu)化模型構(gòu)建中。

1.3 高爐系數(shù)求值

高爐利用系數(shù)是本次模型構(gòu)建工作中最大的目標(biāo)函數(shù)，所謂的高爐利用系數(shù)，根據(jù)其內(nèi)涵來(lái)分析，就是高爐的日產(chǎn)鐵總量同高爐有效容積之間的比，其公式如下：

公式中Iv代表高爐利用系數(shù)，P代表高爐的日產(chǎn)鐵量，而Vyx表示的是高爐容積。當(dāng)我們明確高爐內(nèi)爐腹煤氣量Vbg（m3/t）后，再用 Vbg（m3/min）代表高爐單位時(shí)間內(nèi)的爐腹煤氣量?？梢缘玫揭韵鹿剑?/p>

通過(guò)上述公式，可以得到一個(gè)關(guān)系公式，代表的是高爐利用系數(shù)與高爐爐腹煤氣量指數(shù)的聯(lián)系，公式如下：

而通過(guò)高爐物理模型進(jìn)行分析，高爐內(nèi)爐腹煤氣量Vbg可以寫(xiě)作如下公式：

在公式4里面，CΦ代表的是碳燃燒量，指的是1噸生鐵的產(chǎn)量中。Vbl是鼓風(fēng)量的指代，而H2.fi與N2.fi分別代表1噸生鐵冶煉過(guò)程中，燃料H2與N2的使用情況。通過(guò)物質(zhì)和能量平衡關(guān)系的分析，以工藝計(jì)算為手段，經(jīng)公式4得到高爐煉鐵中爐腹煤氣量。

1.4 制定高爐約束條件

對(duì)高爐冶煉過(guò)程計(jì)算時(shí)，可以根據(jù)各種因素考慮，制定相關(guān)約束條件。具體約束內(nèi)容與數(shù)量如表2所示。

表2 約束條件數(shù)量

一方面是基于物質(zhì)和能量的平衡來(lái)考慮，制定8項(xiàng)約束內(nèi)容：Fe, P, S, Mn元素質(zhì)量在輸入、輸出中保持一致；鐵水中各種成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相加，和要保持100；對(duì)于生鐵中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)要符合常規(guī)要求；輸出加損失的熱量和要與輸入的熱量相同；最后是根據(jù)化學(xué)反應(yīng)平衡獲得一個(gè)理論的碳量，而高溫區(qū)還原碳量要大于這個(gè)值。另一方面是11條工藝約束，包括確保工藝允許值總是大于最小煤比；爐渣中一些化學(xué)物質(zhì)含量要在工藝允許值范圍之中；硫與焦炭的負(fù)荷同工藝允許值相比要更??；此外，新增的約束條件時(shí)爐腹煤氣量指數(shù)最大值約束、鐵的直接還原度最小值約束。進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程中，平衡也代表著極限，將其應(yīng)用于高爐煉鐵中，高爐反應(yīng)完全平衡時(shí)鐵的直接還原度是最小的。除此之外還有18項(xiàng)操作條件約束，與13條其他優(yōu)化變量的約束條件，共同構(gòu)成高爐利用系數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)。從而實(shí)現(xiàn)高爐系數(shù)目標(biāo)優(yōu)化模型的整體構(gòu)建。

1.5 展示模型結(jié)果

模型構(gòu)建結(jié)束后，由于其約束條件內(nèi)容很復(fù)雜，形成非線性多變量約束優(yōu)化問(wèn)題。所以本文采用序列二次規(guī)劃法將優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行求解。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)的分析可以發(fā)現(xiàn)，鐵的直接還原度最小值約束被作為考慮重點(diǎn)后，優(yōu)化模型計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)相差不多；當(dāng)不考慮鐵的直接還原度最小值約束時(shí)的理論最大值，與高爐利用系數(shù)實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)相比較而言，數(shù)值更高。而焦比和燃料比也大于理論最優(yōu)值。綜上所述，本文所建立的冶金企業(yè)中高爐系數(shù)目標(biāo)優(yōu)化模型是正確無(wú)誤的。通過(guò)高爐利用系數(shù)的實(shí)際值，同高爐利用系數(shù)理論上的最大值進(jìn)行研究，可得出結(jié)果高爐利用系數(shù)依舊有提高空間。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

為保證本文所構(gòu)建的模型在實(shí)際運(yùn)用中有效性更高，特進(jìn)行實(shí)驗(yàn)論證，在實(shí)驗(yàn)中，選取同一冶金企業(yè)作為對(duì)象。首先，采用兩種傳統(tǒng)的模型進(jìn)行冶煉生產(chǎn)。同時(shí)，采用本文所構(gòu)建的模型，對(duì)于要冶煉的金屬材料進(jìn)行分析，同時(shí)觀察操作流程與工藝流程，選定優(yōu)化變量，并且制定相關(guān)約束條件。之后進(jìn)行高爐冶煉生產(chǎn)。將三種模型進(jìn)行的高爐冶煉數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄分析，其結(jié)果如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)論證結(jié)果曲線

通過(guò)圖2，我們可以明顯得出結(jié)論，在同樣的生產(chǎn)條件下，本文所構(gòu)建的模型優(yōu)于傳統(tǒng)模型。傳統(tǒng)模型在生產(chǎn)中能耗更大，而在同樣能耗條件下，采用本文所構(gòu)建的高爐系數(shù)目標(biāo)優(yōu)化模型進(jìn)行生產(chǎn)后，產(chǎn)量明顯有所提升。在實(shí)驗(yàn)整體結(jié)束后，本文模型的產(chǎn)量較之傳統(tǒng)模型2高了一倍；而傳統(tǒng)模型1，雖然前期產(chǎn)量飆升，但是由于能源消耗較大，后期產(chǎn)量逐漸保持平穩(wěn)，本文模型與之相比，產(chǎn)量也增加了大概30%。因此，可以得出結(jié)論，本文構(gòu)建的模型，具有更加良好的應(yīng)用效果。高爐冶煉的生產(chǎn)過(guò)程中，可以幫助各項(xiàng)參數(shù)合理進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而降低生產(chǎn)過(guò)程中的能耗，提高產(chǎn)量，促進(jìn)冶金產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以高爐利用系數(shù)為目標(biāo)，進(jìn)行冶金企業(yè)中高爐性能優(yōu)化模型的建立。根據(jù)高爐冶煉過(guò)程中的各種平衡理論，建立模型，并以各種約束條件為依托，對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，獲得最佳優(yōu)化結(jié)果。通過(guò)本文研究，明確了生產(chǎn)過(guò)程中各項(xiàng)條件對(duì)高爐利用系數(shù)的影響規(guī)律，促進(jìn)了高爐參數(shù)的科學(xué)合理調(diào)節(jié)。在生產(chǎn)過(guò)程中節(jié)能降耗方面發(fā)揮重大作用。