烧结工序能耗建模及可视化界面实现_耿超

*中国博士后科学基金资助项目（2013M530529）。

收稿日期：2013－06－18耿超（1988－），硕士生；100083北京市海淀区。

烧结工序能耗建模及可视化界面实现*耿超1王泽群2王化军1胡文韬1（1.北京科技大学土木与环境工程学院，金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，2.北京大学元培学院）摘要分析了烧结工序能源消耗的主要方面，建立相关数学模型，以便于求解每一道工序的能耗。

并利用Visual Basic 实现了烧结工序能耗计算的可视化界面。

用此模型模拟计算八钢265m 2烧结机的工序能耗，分析了模拟数据与实际数据有差别的原因，为完善建模提出了改进方向。

关键词烧结工序能耗数学模型Visual BasicStudy on model building of energy consumption in sintering processand development of a visual interfaceGeng Chao 1Wang Zequn 2Wang Huajun 1Hu Wentao 1（1.University of Science and Technology Beijing ，2.Yuanpei College ，Peking University ）AbstractIn the research a mathematical model been was developed to calculate the energy consump-tion in each process of sintering based on analyzing main composition of energy consumption ，and a visual interface for calculation of energy consumption in sintering process was designed with Visual Basic．Then the model was applied to calculate the energy consumption of the 265m 2sintering machine in Bagang ，and the data obtained from the model were compared with practical data in plant to figure out the difference between the two．The factors that lead to this difference were analyzed ，which may provide an improved direction for the model．Keywordssintering processenergy consumptionmathematical modelVisual Basic烧结是将添加一定数量燃料的矿粉或精矿，借燃料的高温，使烧结料中的组分熔化或软化，发生化学反应并生成一定数量的液相，冷却后相互粘结成块的过程。

目前，我国烧结矿产量很大，是高炉的主要原料之一，研讨烧结矿能耗途径，对国家经济发展具有重大的意义。

据统计，2011年前五个月，重点钢铁企业烧结工序的最高能耗为72.57kgce /t ，最低能耗是湘钢的40.04kgce /t ，平均能耗52.53kgce /t ，占钢铁总能耗的6.06%。

2001年我国烧结工序能耗约占钢铁生产总能耗的8.3%［1－3］。

十年之间，我国不断改善烧结的固体燃料的燃烧条件，提高料层厚度和成品率，降低电能消耗，并加强二次能源利用，使烧结工序能耗约降低了2.24个百分点。

据估算，烧结生产能耗指标下降1% 2%，其总量相当于一个大中型煤矿一年的产煤量。

实现烧结能耗的估算，对烧结节能，提高企业经济效益具有深远意义［4］。

但目前对于烧结矿能耗模拟计算的资料比较少，大多考虑的不全面，只注重固体燃料消耗、点火煤气消耗和电耗三方面。

该文分析了影响烧结工序能耗的各种因素，利用物料平衡和热平衡，建立了与设备、工艺、操作因素相关的工序模型，并最终用Visual Basic实现模型计算的可视化图形界面。

1烧结工序能耗模型烧结工序主要包括：固体燃料、点火用气体或液体燃料、电能、水、蒸汽、压缩空气和氧气等。

烧结工序的能耗=（车间各能源消耗量－二次能源回收量）/车间烧结矿总量［5］。

其中，消耗的能源有焦粉、煤气、电能、矿物（放热反应的成分）和其他辅助动力，回收并外供的二次能源主要为烧结废气带出的物理热。

烧结工序能耗计算公式E=Qgt +Qmq+Qdh+Qqt+Qhx－Qfq（1）式中：E为烧结工序能耗，kJ/t；Qgt 、Qmq、Qdh 、Qqt、Qhx为固体燃料、煤气、电能、其它辅助动力和化学反应放热的能耗，kJ/t；Q fq为烧结废气带出的物理热，kJ/t。

（1）固体燃料的能耗模型固体燃料分为焦炭和煤两种，实际用于烧结的是焦粉和煤粉。

在烧结中，固体燃料的消耗占总能耗的70%左右，是烧结耗能的主要部分。

固体燃料能耗=固体燃料化学热+固体燃料物理热。

由于固体燃料本身为常温并没有带入的物理热，在此，将固体燃料的物理热视为零。

其中，固体燃料化学热=固体燃料的消耗量ˑ固体燃料应用基低位发热值。

其计算公式Qjt =GfˑQDWF+GcˑQDWC（2）式中：G f为焦粉燃料用量，kg/t；Q DWF为焦粉燃料应用基低位发热值，kJ/kg；G c为煤的用量，kg/t；QDWC为煤的应用基低位发热值，kJ/kg。

（2）电能消耗模型在烧结生产中，电耗占整个烧结过程能耗的20%左右。

其中，抽风机电耗和鼓风环冷机电耗是烧结工序电耗的主要构成部分［6］。

Qdh =GcfˑPfˑA3600ˑ1000ˑηˑQEˑq－GgfˑPwˑA3600ˑ1000ˑηg ˑQEˑq（3）其中P f，P w=K1ˑF1.8；式中：G cf为抽风机抽风量，m3/t；P f为抽风机输入风压，Pa；η为抽风机总效率，%；A为电能储备系数；G gf为鼓风环冷机鼓风量，m3/t；Pw为鼓风机输入风压，Pa；ηg为鼓风机总效率，%；Q E为电能折算标煤系数，kgce/kWh；q 为单位标煤的热量，kJ/kg；K1为与原料性质和操作相关的系数；F为风量，m3/（m2min）。

（3）点火煤气的能量点火的目的是供给混合料表层以足够的热量，使其中的固体燃料着火燃烧，其消耗的能量占烧结工序总能耗的8%左右。

点火用燃料一般用煤气。

煤气在燃烧放热时存在两部分热量，点火煤气的化学热和物理热，这两部分的热量通过热平衡方法和热力学定律得出，其计算式Qmq=Vdˑ［∑ni=1qiφ（M i）+0.01ˑΔTˑ∑ni=1ciφ（M i）］（4）式中：V d为煤气消耗量，m3/t；q i为煤气中各成分的低位发热值，kJ/m3；φ（M i）为煤气中各成分的体积分数，%；ΔT为煤气的温度变化，ħ；c i为煤气中各成分的比热容，kJ/（m3ħ）。

（4）其他辅助动力其他辅助动力包括蒸汽、水、压缩空气等。

辅助动力在整个烧结过程中占的比例很小，仅有5%左右。

其中，蒸汽消耗占比重较大，其次是水，所以着重计算这两者的能耗。

辅助动力能耗Qqt=GmˑcmˑT2－T1e+msˑΔTsˑΔcs（5）式中：G m为混合料量，kg/t；c m为混合料比热容，kJ/（kgħ）；T1、T2为混合料预热前、后温度，ħ；m s为水的质量，kg/t；ΔT s为水的变化温度，ħ；Δc s为水的比热容，kJ/（kgħ）；e 为蒸汽预热效率，%。

（5）化学反应放热在烧结生产中，烧结矿在烧结机高温的作用下，发生了一系列的化学反应，其中很多为放热反应。

而这些放热反应也属于热量收入的一部分，也为烧结过程提供了能量。

在化学反应放热中，硫化物的氧化放热和氧化亚铁氧化放热是主要组成部分。

它们的热量Qhx=qsˑ1.871∑ni=1Giw（Si）－G'1w（S'[]）+qFeOˑ∑ni=1Giw（FeOi）－G'1w（FeO'）{－1.123ˑ∑ni=1Giw（Si）－G'1w（S'}）（6）式中：G i为i种原料的质量，kg/t；w（S i）为i 种原料带入的硫的质量分数，kg/t；G'1为成品烧结矿的质量，kg/t；w（S'）为成品烧结矿中残留的硫的质量分数，kg/t；q s为每千克FeS2完成氧化所放热量，kJ/kg； 1.871为S换算成FeS2的比值；w（FeO i）为i原料带入的FeO质量分数，kg/t；w（FeO'）为烧结矿中残留的FeO的质量分数，kg/t；qFeO为1.123，每千克FeO氧化成Fe2O3的放热量及硫换算成FeO的系数（72/64.2）。

（6）回收并外供的二次能源烧结中的废气来源烧结烟气和冷却废气，属中、低温废气余热。

烧结过程生产的废气余热占钢铁生产废气余热的12%以上，其中，烧结矿的余热占8%，烧结废气余热占4%。

烧结余热回收减少了排往大气的烧结废气量，从而降低了烧结废气除尘及脱硫等设施的费用，更节约能源。

烧结废气回收利用，获得的物理热量Qfq =Ggaˑcgaˑ（Tga－Th）ˑega（7）式中：G ga为烧结废气量，m3/t；c gs为烧结废气在0 t ga间的平均比热容，kJ/（m3K）；T ga为烧结废气的温度，K；e ga为烧结废气物理热回收率，%。

（7）模型参数的确定该工序能耗模型涉及大量参数，如何合理地确定这些参数的数值是决定该模型合理性的关键。

在模型中，参数分成两类：一类是物理化学参数，如基低位发热值、电能折标系数、电能储备系数、比热容或热焓等，该类参数通过查询相关手册获得；另一类是工艺参数，由实际生产情况确定，如固体燃料用量、烧结矿的成分、混合料量等。

所有参数经过计算后得出的结果，最终都会化成标准煤形式，以便于比较计算。

2利用Visual Basic实现烧结工序能耗计算的可视化界面Visual Basic是一种由微软公司开发的包含协助开发环境的事件驱动编程语言。

它源自于BASIC编程语言［7］。

利用Visual Basic图形用户界面（GUI）和快速应用程序开发（ＲAD）系统建立了烧结工序能耗，使其能够在众多参数和干涉因素的情况下，准确的计算出每道工序的能耗。

（1）VB中的主要函数引用由于在整个模型中涉及到大量的参数，首先要对整个模型中所有的参数进行数值类型定义，所用到的数值类型有，double，string和long。

加之所有的参数都是未知变量，所以要引用val （string）函数来接收输入数据，并进行相应的赋值。