高爐噴煤優(yōu)化配煤模型的研究

高爐噴煤優(yōu)化配煤模型的研究

目前，國(guó)內(nèi)外高架道路的混合煤沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。高架道路的生產(chǎn)主要基于煤化學(xué)成分的簡(jiǎn)單混合。然而，這一原則的使用受不同地區(qū)煤資源差異的限制。應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)確定特定類型的煤炭供應(yīng)方案。從這個(gè)意義上來說,目前的混配煤方案只能稱之為“混煤”。隨著高爐噴煤比和高爐操作水平的不斷提高,要求對(duì)混配煤方案進(jìn)一步細(xì)化和優(yōu)化。針對(duì)高爐噴吹煤使用煤種較多,無法進(jìn)行優(yōu)化選擇的問題。一般通過實(shí)驗(yàn)室對(duì)單種煤種發(fā)熱量、著火點(diǎn)、燃燒性、反應(yīng)性、流動(dòng)性、可磨性和爆炸性等指標(biāo)進(jìn)行研究。對(duì)比分析單種煤的優(yōu)缺點(diǎn),然后按一定揮發(fā)分或其他指標(biāo)來確定配煤方案,并對(duì)配煤再次進(jìn)行燃燒性和反應(yīng)性等實(shí)驗(yàn),從而確定最佳配煤方案。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室配煤研究能夠有效地指導(dǎo)高爐配煤生產(chǎn),但其存在煤粉評(píng)價(jià)指標(biāo)眾多,且多數(shù)指標(biāo)之間存在重疊現(xiàn)象,而且配煤方案繁瑣,工作量巨大等缺點(diǎn)。建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型指導(dǎo)配煤工作是一種有效而科學(xué)的方法,相關(guān)的研究在煉焦配煤和電廠動(dòng)力配煤都有很好的應(yīng)用[11,12,13,14,15,16],但在高爐噴吹煤配煤方面,國(guó)內(nèi)目前尚未報(bào)道。筆者從高爐噴吹煤?jiǎn)畏N煤粉的噴吹性能出發(fā),首先對(duì)其噴吹性能指標(biāo)進(jìn)行主成分降維分析。得到的主成分指標(biāo)結(jié)合煤粉的工業(yè)分析和元素分析建立配煤優(yōu)化模型,并利用實(shí)驗(yàn)室和高爐實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)行驗(yàn)證,為中國(guó)高爐噴煤技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展提供指導(dǎo)。1主要組成因素1.1煤粉噴吹特性的確定實(shí)驗(yàn)中研究的煤粉取自某鋼鐵公司1050m3高爐現(xiàn)場(chǎng),共7種煤粉。各種煤粉的工業(yè)分析和元素分析見表1。從表1中可以看出7種煤粉的揮發(fā)分不高,硫分較低;從灰分、全水角度分析7種煤粉中除C-1、C-3和C-6噴吹煤粉的灰分較高外(大于12%),剩余4種煤粉用于高爐噴吹均沒問題;從固定碳角度來說,7種煤粉固定碳含量均在70%~80%之間,熱值較高,適合高爐噴吹。煤粉除了以上工業(yè)分析和元素分析外,還要對(duì)其重要的噴吹特性進(jìn)行研究。諸如煤的可磨性、著火點(diǎn)、灰熔點(diǎn)和燃燒性等,由于各廠資源條件不同、煤質(zhì)特性不同,以及生產(chǎn)條件不同,合理選擇高爐噴吹用煤必須結(jié)合上述因素,對(duì)煤的噴吹特性進(jìn)行研究。參考文獻(xiàn)中方法對(duì)單煤進(jìn)行噴吹特性實(shí)驗(yàn)研究。各煤粉的噴吹特性值見表2。從表2中可以看出:7種煤粉的噴吹特性差別較大,且特性指標(biāo)較多,給煤粉的綜合評(píng)價(jià)帶來困難。而且如果用這些指標(biāo)直接進(jìn)行配煤模型建立,將大大增加模型的復(fù)雜度,降低了模型的實(shí)用性。為此,優(yōu)化配煤建立前對(duì)煤粉的噴吹特性進(jìn)行主成分分析。1.2煤粉噴吹性能指標(biāo)相關(guān)性分析利用主成分分析的方法對(duì)煤粉14個(gè)主要噴吹性能指標(biāo)進(jìn)行降維處理。主成分分析是利用降維的思想,在損失很少信息的前提下把多個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為幾個(gè)綜合指標(biāo)的多元統(tǒng)計(jì)方法。通常把轉(zhuǎn)化生成的綜合指標(biāo)稱之為主成分,其中每個(gè)主成分都是原始變量的線形組合,且各個(gè)主成分之間互不相關(guān),這就使得主成分比原始變量具有某些更優(yōu)越的性能。這樣在研究復(fù)雜問題時(shí)就可以只考慮少數(shù)幾個(gè)主成分而不至于損失太多信息,從而更容易抓住主要矛盾,揭示事物內(nèi)部變量之間的規(guī)律性,同時(shí)使問題得到簡(jiǎn)化,提高分析效率。主成分分析采用SPSS17.0軟件,通過軟件分析可以得到煤粉14個(gè)性能指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)矩陣,見表3、總方差解釋表4和主成分初始載荷矩陣表5。從表3煤粉噴吹性能指標(biāo)相關(guān)系數(shù)矩陣中可以看出,煤粉噴吹性能指標(biāo)之間重疊較為嚴(yán)重。例如X1著火點(diǎn)和X2,X3,X4,X7,X8,X9指標(biāo)之間相關(guān)性都大于60%。主成分個(gè)數(shù)提取原則為主成分對(duì)應(yīng)的特征值大于1的前m個(gè)主成分。特征值可以被看成是表示主成分影響力度大小的指標(biāo),特征值小于1,說明該主成分的解釋力度不如原變量的平解釋力度大,因此將特征值大于1作為保留標(biāo)準(zhǔn)。從表4的煤粉噴吹性能指標(biāo)提取主成分總方差解釋中可以看出,主成分1的特征值為6.136,代表整個(gè)數(shù)據(jù)信息的43.828%,按照累計(jì)貢獻(xiàn)率大于85%的原則提取主成分。本研究前3個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率已經(jīng)達(dá)到90.755%,故提取3個(gè)主成分即可滿足要求。按照以上原則提取的3個(gè)煤粉噴吹性能的主成分初始載荷矩陣如表5所示。得到的主成分初始載荷矩陣結(jié)合特征解即可求解得到主成分特征向量,與標(biāo)準(zhǔn)化后的煤粉噴吹特性指標(biāo)數(shù)據(jù)相乘,從而就可以得出主成分表達(dá)式:以上得到的3個(gè)煤粉噴吹特性的主成分P1、P2和P3可以代表原先14個(gè)指標(biāo)的全部信息,且之間是線性無關(guān)的。2配煤調(diào)濕結(jié)果的具體做法本研究提出建立數(shù)學(xué)模型來指導(dǎo)高爐噴吹煤的優(yōu)化配煤。具體做法可以歸結(jié)為以下4個(gè)步驟:(1)選擇配煤指標(biāo);(2)確定約束條件;(3)確定目標(biāo)函數(shù);(4)模型求解。2.1高爐噴吹煤煤質(zhì)特性分析高爐噴煤優(yōu)化配煤指標(biāo)選擇工業(yè)分析指標(biāo)、元素分析指標(biāo)以及3個(gè)主成分指標(biāo)。元素分析和工業(yè)分析是煤質(zhì)基本分析指標(biāo)。煤粉的工業(yè)分析包括固定碳FCad,水分Mad,灰分Aad,揮發(fā)分Vad以及硫分Sad是目前中國(guó)鋼鐵廠選擇高爐噴煤煤種的主要考量指標(biāo)。元素分析主要包括碳Cad,氫Had,氧Oad,氮Nad,通過元素分析可以測(cè)定高爐噴吹煤有機(jī)組成部分中碳、氫、氧、氮、硫等元素的含量,從而對(duì)噴吹煤的化學(xué)成分進(jìn)行最直觀的分析和了解。通過工業(yè)分析(實(shí)用分析或技術(shù)分析)可以對(duì)噴吹煤中的揮發(fā)分、水分、灰分的測(cè)定及固定碳的計(jì)算,可以了解煤質(zhì)特性的主要指標(biāo),以及對(duì)所用噴吹煤進(jìn)行煤質(zhì)評(píng)價(jià),有助于初步判斷煤的性質(zhì)、種類和加工利用效果。通過主成分分析得到的3個(gè)新指標(biāo)P1,P2和P3。這些新指標(biāo)之間線性無關(guān),并且代表了原先煤粉14個(gè)性能指標(biāo)的90%以上信息。利用新的指標(biāo)建立優(yōu)化配煤模型更加簡(jiǎn)潔、高效。2.2高爐噴吹煤配煤的等式優(yōu)化模型1)煤粉工業(yè)分析約束。優(yōu)化配煤首先必須滿足對(duì)高爐噴吹煤粉的固定碳C,水分M,灰分A,揮發(fā)分V工業(yè)分析指標(biāo)要求。即如下:式中:Pi為煤粉i在混合煤中所占比例值;n為單煤種數(shù);Iji為煤粉i中工業(yè)分析指標(biāo)j的值;Aj和Bj分別對(duì)應(yīng)為混合煤中對(duì)各工業(yè)分析約束的下限和上限。2)煤粉元素分析約束。高爐噴吹煤有機(jī)組成部分中碳、氫、氧、氮、硫等元素的含量,從而對(duì)噴吹煤的化學(xué)成分進(jìn)行最直觀的分析和了解。因此,混合煤需要滿足對(duì)元素指標(biāo)要求,即式中:Eji為煤粉i中元素指標(biāo)j的值;Cj和Dj分別對(duì)應(yīng)為混合煤中對(duì)各元素分析約束的下限和上限。3)煤粉性能主成分約束。研究表明混合煤粉的燃燒性、灰熔融性和單種煤粉并不具有加和性,這就限制無法利用簡(jiǎn)單的線性規(guī)劃方法來建立高爐噴吹煤優(yōu)化配煤模型。但此次利用通過主成分分析得到的3個(gè)新的煤粉噴吹特性指標(biāo)P1、P2和P3,每個(gè)主成分指標(biāo)中燃燒性和灰熔融性所占載荷并不大,故不影響新的主成分指標(biāo)的加和性。煤粉性能主成分約束具體表示如下:式中:Pji為高爐噴吹煤粉i性能特性指標(biāo)j的值;minPj和maxPj分別為噴吹特性指標(biāo)下限和上限約束;j取值為1,2和3。4)供應(yīng)量等約束。除上述約束外,高爐噴吹煤粉還要滿足供應(yīng)量約束,以及各種原料量總和為100%的等式條件。式中:Qi為原料i的最大供應(yīng)量。2.3煤粉配比的確定高爐優(yōu)化配煤的主要目的是通過調(diào)整各種無煙煤、煙煤等原料之間的配比,進(jìn)行混勻得到滿足高爐噴吹質(zhì)量要求的混合煤,同時(shí)要求配加的實(shí)現(xiàn)原料成本最低。即式中:ci為各煤粉單價(jià);pi為生成單位噴吹煤時(shí)各原煤粉配加量;Z為單位噴吹煤的成本。2.4高爐配煤?jiǎn)栴}的單純形法求解單純形法是求解線性規(guī)劃問題的迭代算法。所謂迭代算法的基本思路是從一個(gè)可行解開始,求得下一個(gè)較前一個(gè)可行解更好的可行解(目標(biāo)函數(shù)較前一個(gè)可行解大),直至得到最優(yōu)解。一般情況下,線性規(guī)劃的可行域是一個(gè)凸多邊形,該凸多邊形的頂點(diǎn)稱為線性規(guī)劃問題的基本可行解。理論上可以證明,若一個(gè)線性規(guī)劃問題存在最優(yōu)解,則其最優(yōu)值必定在某個(gè)基本可行解上達(dá)到,即必然在某個(gè)頂點(diǎn)上達(dá)到最優(yōu)值。線性規(guī)劃的單純形法就是從某個(gè)基本可行解(可行域的某個(gè)頂點(diǎn))開始,迭代得到另外一個(gè)相鄰的、具有更大目標(biāo)函數(shù)值的基本可行解,最后得到最優(yōu)的基本可行解的迭代過程。由上述思路,利用單純形法求解高爐優(yōu)化配煤?jiǎn)栴}需要2個(gè)步驟:1)求得一個(gè)基本可行解,作為迭代的初始基本可行解,該步驟稱為單純形法的第一階段問題。2)從初始基本可行解出發(fā),通過迭代逐步得到最優(yōu)的基本可行解。3優(yōu)化配煤方案高爐噴吹煤優(yōu)化配煤模型實(shí)際應(yīng)用于某鋼鐵公司1050m3高爐,該高爐使用的噴吹煤主要由C-1等7種煤粉組成。在保證低成本的前提下,以目前的7種煤粉進(jìn)行優(yōu)化配煤方案研究。得出的優(yōu)化配煤方案和高爐優(yōu)化前最佳配煤方案對(duì)比,如表6所示。從表6可以看出,優(yōu)化配煤方案從價(jià)格優(yōu)勢(shì)方面明顯優(yōu)于優(yōu)化前的最佳生產(chǎn)方案,成本節(jié)約14元/t。這主要是由于減少了價(jià)格較貴的Cue0113和C-5。增加了C-2和C-7的配比,這2種煤的噴吹性能和C-3、C-5基本相差不大,但價(jià)格更為便宜。將優(yōu)化配煤方案實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行著火點(diǎn)、燃燒性等系統(tǒng)研究。測(cè)定結(jié)果表明優(yōu)化配煤后的混合煤粉發(fā)熱值較高,著火點(diǎn)適中無爆炸性,灰熔融性高,流動(dòng)性好,具有良好的燃燒性和反應(yīng)性,完全適合高爐噴吹。2種配煤方案下1050m3高爐的生產(chǎn)指標(biāo)情況對(duì)比如表7所示。從表7中,某鋼鐵公司1050m3高爐使用優(yōu)化配煤方案后煤比從135kg/t增加到145kg/t,煤比增加10kg,說明優(yōu)化后的混合煤在高爐中更加易于燃燒和反應(yīng)。對(duì)應(yīng)的焦比也相比之前的最佳生產(chǎn)方案下降了8kg,節(jié)焦效果明顯。此外,優(yōu)化后配煤方案應(yīng)用高爐生產(chǎn)后,高爐的利用系數(shù)也有所上升,從之前的2.5t/(m3·d)增加到2.6t/(m3·d),有一定的增產(chǎn)效果。綜上所述,該優(yōu)化配煤數(shù)學(xué)模型應(yīng)用到某鋼鐵公司1050m3高爐,實(shí)際結(jié)果顯示出很好的生產(chǎn)效果,不僅較低了噸煤的采購成本,而且起到有效地提煤降焦的作用。證明了該優(yōu)化配煤模型的有效性。4煤粉主成分及初始載荷針對(duì)目前中國(guó)高爐噴吹煤優(yōu)化配煤研究的嚴(yán)重不足,筆者提出一種考慮煤粉噴吹特性的高爐噴吹煤優(yōu)化配煤方法,建立相應(yīng)優(yōu)化配煤模型。通過生產(chǎn)驗(yàn)證得到如下結(jié)論:1)通過煤粉噴吹特性主成分分析,能夠從煤粉14個(gè)噴吹特性指標(biāo)得到3個(gè)主成分,這3個(gè)主成分代表全部指標(biāo)信息的90.755%,可以代表原來復(fù)雜的數(shù)據(jù)來進(jìn)行下一步建模,達(dá)到簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、抓住問題實(shí)質(zhì)的目的。2)基于主成分分析得到的煤粉噴吹特性指標(biāo)P1、P2和P3,很好地解決了灰熔融性和燃燒性能指標(biāo)不具