一种富氢高炉水煤气反应和碳溶损反应的定量分析方法及系统与流程
本发明涉及高炉冶炼，具体涉及一种富氢高炉水煤气反应和碳溶损反应的定量分析方法及系统。
背景技术：
1、在高炉冶炼过程中，高炉煤气除参与铁氧化物还原外，还会同时参与一系列气固副反应，主要包括水煤气反应（h2o+c=co+h2）和碳溶损反应（co2+c=2co）。这些反应共同影响炉内煤气组成、热量平衡以及焦炭反应行为，是高炉过程工程分析中不可忽视的重要组成部分。由于高炉内温度、煤气组成、炉料分布和焦炭分布沿炉高方向连续变化，上述反应的发生区域和反应强度具有明显的动态特征。现有技术缺少一种将铁氧化物还原反应与焦炭参与副反应分离，并对水煤气反应、碳溶损反应进行定量评价的方法，也缺少将该定量结果进一步用于煤气组成、焦炭负荷、矿焦分布、煤气脱湿脱co2及循环煤气返回制度调控的技术手段。
2、同时，高炉煤气利用率的进一步提升也会受到炉内副反应的制约。其主要原因在于，高温区持续发生的水煤气反应和碳溶损反应会将间接还原生成的h2o和co2原位转化为h2和co，导致煤气中有效还原性气体含量升高，从而使表观煤气利用率下降。现有高炉煤气利用率评价方法多依据炉顶煤气组成进行分析，无法有效区分铁氧化物还原生成h2o/co2与焦炭参与副反应消耗h2o/co2两种过程，致使难以量化副反应对利用率的真实影响，进而难以提出有效的优化策略。
3、因此，亟需研究一种能解决现有技术中高炉内水煤气反应和碳溶损反应难以实时定量、两类反应对煤气利用率降低贡献难以分离、煤气组成和煤气循环调控缺乏定量依据问题的技术。
技术实现思路
1、本发明意在提供一种富氢高炉水煤气反应和碳溶损反应的定量分析方法及系统，以解决现有技术中高炉内水煤气反应和碳溶损反应难以实时定量、两类反应对煤气利用率降低贡献难以分离、煤气组成和煤气循环调控缺乏定量依据的问题。
2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种富氢高炉水煤气反应和碳溶损反应的定量分析方法，包括如下步骤：
3、步骤1：确定待评价高炉工况的含铁炉料组成、含碳物料参与状态、炉内煤气组成、煤气流量、温度制度和反应时间；
4、步骤2：在不加入含碳物料参与气固反应的条件下，构建基准工况，使含铁炉料与煤气发生还原反应，并连续检测基准工况尾气组成；
5、步骤3：在加入含碳物料参与气固反应的条件下，构建对比工况，并在与步骤2相同反应条件下，连续检测对比工况尾气组成；
6、步骤4：将基准工况和对比工况下的尾气成分换算为co、co2、h2、h2o和惰性内标气的实时体积流量；
7、步骤5：计算基准工况与对比工况下h2o体积流量差值和co2体积流量差值，并将h2o体积流量差值作为水煤气反应强度表征量，将co2体积流量差值作为碳溶损反应强度表征量；
8、步骤6：根据步骤5中水煤气反应强度表征量和碳溶损反应强度表征量，计算两类反应引起的含碳物料消耗量；
9、步骤7：根据步骤4尾气中各成分的体积流量，计算co利用率、h2利用率和总气体利用率，并根据基准工况与对比工况下各气体利用率的差值得到各气体利用率降低量，再根据气体利用率降低量来确定水煤气反应和碳溶损反应对煤气利用率的影响程度；
10、步骤8：建立温度、h2含量、水煤气反应强度表征量、碳溶损反应强度表征量与气体利用率降低量之间的数学模型，并根据数学模型的输出结果对煤气组成、煤气脱湿脱co2强度、循环煤气返回位置、焦炭负荷、矿焦分布、炉料结构或温度制度进行调控。
11、优选的，作为一种改进，步骤5中水煤气反应强度表征量和碳溶损反应强度表征量分别按下式计算：，，其中上标0表示基准工况，上标c表示对比工况，t表示反应温度；用于表征水煤气反应（h2o+c=h2+co）中被固体碳消耗的h2o量，用于表征碳溶损反应（co2+c=2co）中被固体碳消耗的co2量；两类反应的瞬时耗碳量分别按折算，
vm为相应温度和压力条件下的气体摩尔体积或经标准化后的气体摩尔体积。
12、优选的，作为一种改进，co利用率的计算式为，h2利用率的计算式为，总气体利用率的计算式为，其中表示还原尾气中co2的体积流量，表示还原尾气中co的体积流量，表示还原尾气中h2o的体积流量，表示还原尾气中h2的体积流量。
13、优选的，作为一种改进，所述数学模型至少以温度、co体积分数、co2体积分数、h2体积分数、h2o体积分数、co/co2体积分数比、h2/h2o体积分数比、co2分压、h2o分压、煤气湿度中的两个或两个以上参数作为输入，以co利用率降低量、h2利用率降低量、总煤气利用率降低量、含碳物料消耗量或副反应贡献率中的一种或多种作为输出。
14、优选的，作为一种改进，对所述数学模型进一步进行贡献剥离分析，分别在假设碳溶损反应不存在和假设水煤气反应不存在的条件下计算总气体利用率变化量，以判定不同h2含量和不同温度区间内限制气体利用率提升的主导副反应。
15、优选的，作为一种改进，当水煤气反应对总气体利用率变化量的贡献超过预设阈值时，调节煤气湿度、降低进入高温焦炭区的h2o分压、提高煤气脱湿强度、调整循环煤气返回位置、调整焦炭负荷或优化气固接触时间；当碳溶损反应贡献超过预设阈值时，降低co2分压、提高煤气脱co2强度、调整焦炭粒度与反应性、优化矿焦分布或调整软熔带位置。
16、优选的，作为一种改进，所述煤气包括co、co2、h2、h2o、n2中的一种或多种；反应温度为100-1600℃，优选500-1400℃；还原气体中h2体积分数为0-80 vol%，优选为0-50vol%，更优选为0-40 vol%。
17、优选的，作为一种改进，所述调控包括调节煤气成分、鼓风制度、富氧率、喷煤量、煤气循环量、循环煤气脱co2强度、循环煤气脱湿强度、循环煤气返回位置、焦炭负荷、矿焦比、焦炭粒度、焦炭反应性、烧结矿/球团矿/块矿配比或炉料布料制度中的一种或多种。
18、一种富氢高炉水煤气反应和碳溶损反应的定量分析系统，包括：
19、反应单元；
20、供气单元，与所述反应单元连接，用于向所述反应单元提供还原气体；
21、炉料与含碳物料布置单元，设置于所述反应单元内部，用于放置炉料和含碳物料；
22、尾气采集单元，与所述反应单元连接，用于收集所述反应单元排出的尾气；
23、气体分析单元，与所述尾气采集单元连接，用于分析所述尾气中各组分的体积分数；
24、流量换算单元，与所述气体分析单元连接，用于根据惰性内标气的物料守恒将各组分的体积分数换算为实时体积流量；
25、数据处理单元，与所述流量换算单元连接，用于根据有碳工况和无碳工况下的所述实时体积流量，计算水煤气反应强度、碳溶损反应强度、含碳物料消耗量和煤气利用率降低量；
26、调控输出单元，与所述数据处理单元连接，用于输出调控信号以调整反应参数。
27、优选的，作为一种改进，所述反应单元为高气密性可控气氛还原炉、软熔滴落炉、固定床反应器、移动床反应器、竖炉、试验高炉或工业高炉；所述气体分析单元与反应单元的尾气管路相连，尾气管路设置有保温、伴热、除尘、冷凝防堵、压力稳定或自动吹扫装置中的一种或多种。
28、本方案的原理及优点如下：
29、本发明采用有固体碳和无固体碳的平行对比思路，在严格一致或可等效换算的气氛、流量、温度、炉料和反应时间条件下，通过无固体碳工况获得含铁炉料还原导致的基准尾气组成，通过有固体碳工况获得含铁炉料还原与固体碳副反应共同作用下的对比尾气组成。由于两组工况的差别主要在于固体碳是否参与反应，因此两组尾气中h2o和co2体积流量差可分别归因于水煤气反应和碳溶损反应。
30、为解决尾气总量变化和h2o难以稳定标定的问题，本发明引入惰性内标气守恒计算尾气实时体积流量，并基于氢元素物料平衡反推h2o体积流量。由此，可以获得不同温度和不同h2含量下参与水煤气反应的h2o量、参与碳溶损反应的co2量以及由此引起的额外耗碳量。
31、同时，本发明计算co利用率、h2利用率和总气体利用率，建立水煤气反应强度、碳溶损反应强度、温度、h2含量与气体利用率降低量之间的数学模型，并通过灵敏度分析和贡献剥离分析识别限制气体利用率提升的主导副反应。当总气体利用率变化量较高时，优先调节h2喷吹量、脱湿强度和富氢气体喷吹位置；当碳溶损反应贡献较高时，优先调节co2分压、脱co2强度、焦炭分布和循环煤气返回位置。
32、通过实施本方案能实现高温还原过程中水煤气反应和碳溶损反应的实时定量分析，通过实时定量分析，具有以下优势：
33、1、可以准确的查看还原产生的h2o和co2有没有被焦炭消耗（h2o和焦炭的水煤气反应，及co2与焦炭的溶损反应），被消耗了多少。
34、2、能够实时知晓水煤气反应和碳溶损反应分别消耗多少热量和碳，就能对应调整喷煤量、富氧率、煤气成分、温度等，避免盲目多喷煤导致炉凉，或少喷煤导致焦比升高，从而直接降低燃料成本。
35、3、突破了传统仅凭炉顶煤气co/co2比值评判气体利用率的固有局限，通过剥离碳溶损反应所生成的“二次co”贡献，还原出扣除副反应干扰后的净气体利用率，从而避免了因无法区分铁氧化物还原消耗与碳参与副反应生成而导致的指标失真，使操作者能够真实掌握煤气对矿石的还原效率；在此基础之上，还赋予了对碳溶损异常加剧所引发的炉身下部温度异常下降等炉况恶化趋势的超前预警功能，将传统的事后被动补救转变为基于反应路径解耦的事前主动干预；同时，它能够指导气流调剂时准确区分某一区域co含量偏高究竟是源于矿石还原良好还是焦炭溶损过度，使布料与风口配置调整更具针对性；在富氢喷吹条件下，它更能明确区分h2o引发的碳气化生成co与铁氧化物还原消耗co的不同路径，确保喷氢量的调控真正服务于还原效率提升而非被副反应干扰所误导，为高炉调控提供透明、可信的决策依据。
36、4、将水煤气反应和碳溶损反应的实时状态直接转化为可量化、可追踪的耗碳速率与气体利用率损失量，使操作者能够对燃料消耗实现“分钟级”动态监控，彻底改变传统依赖事后静态平衡计算的粗放模式；与此同时，将碳溶损反应速率折算为等效热量消耗，可为炉缸热制度稳定提供超前判断依据，使热调节从滞后的“看铁测温”升级为基于耗碳强度的前瞻性干预。