一种铁粉燃料的气力输送与精准给料控制系统的制作方法

本发明涉及固体燃料储运与燃烧控制，具体涉及一种铁粉燃料的气力输送与精准给料控制系统及方法，尤其适用于利用可再生能源电解制绿氢、再以氢还原氧化铁制备的铁粉燃料在燃煤电厂替代煤炭燃烧发电的应用场景。

背景技术：

1、随着能源结构转型目标的推进，风能、太阳能等可再生能源占比持续提升，但其间歇性和波动性导致电网弃风、弃光现象突出。如何高效消纳间歇性可再生能源是当前亟待解决的技术难题。

2、铁粉燃料作为一种新型零碳能源载体，具有体积能量密度高（约11.3 kwh/l）、燃烧产物（三氧化二铁）可循环再生等独特优势。其典型技术路径为：利用弃风弃光电能电解水制氢，以绿氢为还原剂将氧化铁（fe2o3）还原为金属铁粉；铁粉作为燃料在燃烧设备中替代煤炭发电；燃烧产物经分选后可作为炼铁原料或化工原料销售，未燃尽铁粉返回系统循环利用，形成"电—氢—铁—电"的闭环储能路线。

3、然而，铁粉燃料在工程化应用中面临以下突出的技术障碍，尤其在气力输送与精准给料环节：

4、（1）架桥与下料不畅。 铁粉颗粒间存在较强的范德华力和残余磁引力，松装密度高达2.0 t/m³～2.8 t/m³，在储料仓锥段极易形成拱桥结构，导致断流或脉动下料。传统振动给料或单螺旋给料难以保证连续稳定供料。

5、（2）气力输送脉动与堵塞。 铁粉在管道中由于颗粒沉降、团聚及气固两相流的不稳定性，易出现栓状流或大幅度脉动，造成燃烧器端给料量波动，影响燃烧稳定性和锅炉热效率。

6、（3）质量流量计量困难。 气固两相流的复杂性使得常规流量计（如电磁流量计、涡街流量计）无法直接适用；冲量式流量计或核子秤存在精度低、响应慢或维护困难等问题。

7、（4）静电积聚安全隐患。 铁粉在气力输送中与管壁高速摩擦产生静电荷，若不能及时泄放，存在粉尘爆炸风险。

8、（5）给料控制精度不足。 电厂负荷随电网调度频繁波动，要求给料系统快速精准响应。传统单pid控制在铁粉燃料这类大滞后、非线性、强耦合对象上，难以同时满足响应速度和超调抑制要求。

9、现有技术中，金属粉末气力输送的研究多见于喷涂领域。例如欧洲专利文献ep3630372 b1公开了一种粉末给料速率控制系统，利用差压变送器维持料斗与输送管间压差来控制给料，但其适用场景为小流量、低压差喷涂工况，不能满足铁粉燃料吨/小时级大流量、高压差、长距离工业输送的需求。国内有关铁粉/直接还原铁输送的公开文献多聚焦于还原工艺本身或通用气力输送方案，对铁粉特有的架桥—流化—计量—闭环给料这一完整链条的系统性工程设计披露不足。

10、综上，亟需一套面向铁粉燃料物性特点、可工业化运行的、大流量稳定输送与精准给料控制系统。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种铁粉燃料的气力输送与精准给料控制系统及方法，以解决铁粉在储运与输送过程中的架桥、脉动、静电积聚及给料精度不足等问题，满足燃煤电厂或工业锅炉铁粉燃料替代煤炭时对给料安全性、稳定性和快速负荷响应的要求。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种铁粉燃料的气力输送与精准给料控制系统，包括：

4、储料仓(1)，用于储存铁粉燃料，顶部设有布袋除尘器(11)、氮气保护接口(12)及料位监测装置(13)，仓壁设有振打器(14)和流化气垫(15)；氮气保护接口(12)用于维持仓内惰性气氛以防铁粉氧化，料位监测装置(13)实时监测料位，振打器(14)与流化气垫(15)协同破坏铁粉拱桥结构以促连续下料.

5、流化给料装置(2)，设置于储料仓(1)底部，包括多级流化床(21)、变频旋转供料阀(22)及气室压力调节模块(23)；多级流化床(21)通过分层布风板(211)的开孔率和孔径梯度设计实现铁粉由松散态向密实流态化的渐进过渡，减少气泡汇合和颗粒夹带；变频旋转供料阀(22)作为执行机构依据下游需求调节转速以控制初始给料量；气室压力调节模块(23)通过电气比例阀精确控制流化气室压力.

6、密相气力输送管路(3)，包括输送主管(31)、补气支管(32)及沿程压力监测点(33)；输送主管(31)采用耐磨合金钢管且内壁设减摩防磨涂层；补气支管(32)在管路中段按设定间距布置，当沿程压力降至初始值的60%～70%时补充载气，以维持悬浮输送速度、防止颗粒沉积堵塞；沿程压力监测点(33)实时监控压力分布.

7、差压式质量流量计量单元(4)，设置于输送主管(31)末端，包括文丘里管(41)、差压变送器(42)及温度压力补偿模块(43)；差压变送器(42)实时检测文丘里管(41)喉部与入口的压差δp，温度压力补偿模块(43)同步采集气体温度t和绝对压力p，基于气固两相流的压差—流量关系（可采用本领域已知的barth修正模型或muschelknautz修正模型，并以实验标定固气比修正系数）计算获得铁粉实时质量流量m(t)，为闭环控制提供测量反馈.

8、闭环反馈控制模块(5)，包括plc控制器(51)、pid-mpc复合算法单元(52)及人机交互界面(53)；plc控制器(51)以实时流量信号与设定给料曲线的偏差作为输入，由内环pid提供快速校正、外环mpc基于预测模型滚动优化给料曲线，输出控制量至变频旋转供料阀(22)的转速设定及气室压力调节模块(23)的压力设定，从而形成给料速率闭环调控.

9、燃烧器给料接口(6)，包括旋风分离器(61)、旋转锁气阀(62)、静电消除器(63)及燃烧器喷嘴(64)；旋风分离器(61)利用离心沉降将铁粉与载气分离；旋转锁气阀(62)在维持气密性条件下连续排料；静电消除器(63)采用离子风棒与接地铜刷组合结构以中和并泄放铁粉表面摩擦静电荷；铁粉经燃烧器喷嘴(64)喷入燃烧室。

10、进一步地，所述铁粉燃料为由绿氢通过直接还原工艺还原氧化铁制得的金属铁粉，粒径范围50 μm～200 μm，松装密度2.0 t/m³～2.8 t/m³，储料仓(1)内氧含量控制在3％以下。

11、进一步地，所述多级流化床(21)为三级串联布风板结构，开孔率自上而下递减分别为15％～20％、10％～15％、5％～10％，孔径自上而下递减分别为2.0 mm、1.5 mm、1.0mm。

12、进一步地，所述输送载气为氮气或二氧化碳，气固质量比控制在10 kg/kg～30kg/kg，输送速度控制在5 m/s～15 m/s。

13、进一步地，所述文丘里管(41)收缩角15°～25°，扩张角5°～8°，喉径与管径比0.4～0.6；差压变送器(42)量程0～50 kpa，精度等级不低于0.1级，采样频率≥10 hz。

14、进一步地，所述pid-mpc复合算法单元(52)中，内环pid调节周期100 ms～200 ms；外环mpc预测时域5～10个控制周期，控制时域2～3个控制周期，目标函数加权考虑跟踪误差、控制量变化量及设备磨损项。

15、进一步地，所述静电消除器(63)中离子风棒工作电压±5 kv，接地铜刷接地电阻≤10 ω。

16、进一步地，所述系统还包括废渣分选回收模块(7)，设置于燃烧室下游，包括磁选机(71)和涡电流分选机(72)，分离所得三氧化二铁收集利用，未燃尽铁粉返回储料仓(1)循环利用。

17、本发明还提供一种基于上述系统的铁粉燃料气力输送与精准给料控制方法，包括步骤s1至s7（对应权利要求9）。

18、有益效果

19、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

20、（1）通过多级流化床梯度布风设计与仓壁振打器、流化气垫的协同，实现铁粉渐进流态化和拱桥结构的持续破坏，下料均匀性显著提高；

21、（2）采用密相气力输送配合沿程定点补气，维持全管路稳定悬浮速度，减少脉动和堵管风险，适用于较长距离、吨/小时级大流量输送；

22、（3）利用文丘里管差压法结合温压补偿及气固两相流修正模型，以非接触方式实现铁粉质量流量的实时计量，为闭环控制提供可靠的测量反馈；

23、（4）离子风棒加接地铜刷的双重静电消除方案，有效抑制铁粉输送过程中的静电荷积聚，降低粉尘爆炸风险；

24、（5）pid-mpc复合控制兼顾快速响应与平滑性，使给料速率能跟踪电网负荷调度所要求的动态给料曲线，稳态精度可控制在±2％以内；

25、（6）通过下游磁选与涡电流分选实现燃烧产物的资源化处理，铁元素利用率高，符合循环经济的实施需求。