多目标高炉冶炼工序碳排放优化方法

摘要

本发明多目标高炉冶炼工序碳排放优化方法是基于物质守恒和能量守恒定律，采用线性规划方法，以成本和CO₂排放量为目标，建立了炼铁系统碳排放优化模型，以优化不同层面的CO₂排放量。采用Ligo9.0软件编制程序分别对3个优化模型进行单目标和多目标优化，得出不同目标下的优化结果，建立的炼铁系统优化模型能够多目标优化能使成本和CO₂排放量相对达到最优，因此炼铁系统多目标优化模型的优化结果方案对实际钢铁企业的生产具有指导性意义。

主权项

多目标高炉冶炼工序碳排放优化方法，其特征在于：高炉模型中的影响因素只选择直接影响目标函数的变量；诸多间接影响因素，如烧结矿品位、烧结矿成本、热风温度、煤气热值等在模型中均设为定值(根据钢铁企业的实际生产情况设定)，在优化结果中不给出这些参量的最优值，而为了说明这些参量对目标的影响，在结果分析中会根据建立的模型对其进行分析讨论；基于模型的实用性考虑，高炉工序优化模型以CO₂排放量和成本为目标函数；下面分别介绍这两个目标函数的表达式；目标函数一的表达：CO₂排放量目标函数：式中，PCE^gl为高炉工序的碳排放量，tCO₂/t；EF为碳排放因子，tCO₂/unit；为除高炉鼓风外其他动力消耗的碳排放量，tCO₂/t；x为优化变量，unit/t；目标函数二的表达：成本目标函数：式中，P^gl为高炉炼铁的成本，元/t；p_i为各变量的单价，元/unit；x为优化变量，unit/t；目标函数三的表达：多目标函数f(y)＝(PCE^gl(y),P^gl(y)) 构成模型的约束条件分别是：平衡约束、工艺约束、外在环境约束(包括特定约束和其它约束)；工艺约束：(1)高炉炉渣碱度：炉渣碱度根据原料成分、生铁品种等选定；(5)渣中MgO含量(6)产品参数约束硅、锰、磷、硫、铁、碳等元素是铁水的主要组成元素，由生铁成分的归一性可知，铁水中的各元素的百分含量之和为1，即x₁₇+x₁₈+x₁₉+x₂₀+x₂₁+x₂₂＝1生铁含S量约束x₁₉≤0.0003生铁含Si量约束0.002≤x₁₇≤0.008与此同时，还必须保证生铁中每种元素的含量不能超过1；平衡约束：(1)Fe元素平衡方程式中，μ_Fe为铁元素在铁水中的分配率；(2)C元素平衡方程式中，为生成CH₄的碳量占入炉总碳量的比例，％；φ为鼓风湿度，％；r_d为铁的直接还原度；为鼓风富氧率，％；(3)P元素平衡式中，μ_P为磷元素在铁水中的分配率，％；(4)S元素平衡式中，μ_S为硫元素在铁水中的分配率，％(5)Mn元素平衡式中，μ_Mn为锰元素在铁水中的分配率，％(6)渣量平衡炉渣主要来自矿石中的脉石，焦炭中的灰分和熔剂等；组成高炉渣的氧化物有很多种，高炉渣量的计算主要通过将各种组成成分累计就和得到；在本模型中，高炉炉渣的主要成分是S、FeO、MnO、SiO₂、CaO、Al₂O₃、MgO七种，渣量平衡方程为(7)高炉煤气产生量平衡高炉煤气是冶金工业炼铁生产中产生的副产能源,也是高炉生产所需的主要能源之一；其特点是含尘量大、不易着火、燃烧不稳定、热值低，主要用于高炉热风炉、焦炉、电站锅炉以及燃用高焦混合煤气的轧钢加热炉等；煤气主要成分有CO₂、CO、N₂、H₂、CH₄，各成分的量计算如下：1)CH₄：高温区少量的C与H₂反应生成CH₄，焦炭挥发分中的CH₄是煤气中CH₄的主要来源；2)H₂：高炉煤气中H₂主要来源于高炉鼓风中水分分解出的H₂，焦炭中有机H₂，挥发分中的H₂，以及高炉喷煤中的H₂等；式中，α表示在喷吹条件下参加还原反应的H₂占总H₂量的比例，％；3)CO₂：随着高炉煤气的上升，间接还原消耗单位体积的CO，仍能生成一个单位的CO₂，所以CO的间接还原反应，以及碳酸盐的分解反应等使煤气中CO₂的主要来源；4)CO：在风口前的高温区，由于铁和S、Mn、P等元素的直接还原反应生成一部分的CO，同时有部分碳酸盐在高温区分解出的CO₂与C作用，生成大量的CO，但在中温区，由于CO参与间接还原反应，同时消耗了大量的CO；5)N₂：煤气中的N₂大部分来源于高炉鼓风中的N₂，少量是来自于焦炭中的有机N₂和灰分中的N₂，而且N₂不参加化学反应，所以绝对量不变；(8)物料平衡x₁+x₂+x₃+x₄+x₅+x₆+x₇+x₈+x₉+x₁₀+x₁₁+x₁₂+ρ_BFG·x₁₃+ρ_COG·x₁₄+ρ_空气·x₁₅＝1000+ρ_BFG·x₁₆+x₂₃(9)热平衡高炉冶炼时，进入高炉中的燃料不仅要充当还原剂的作用，而且要提供给炉子足够的热量；高炉所需的热量几乎全部由燃料的燃烧所供给，而燃料中燃烧放热的主要元素则是碳，所以热平衡约束是模型建立的重要约束条件之一；本文采用比较真实反映炉内状况的第二热平衡方法计算。