[发明专利]一种氢冶金反应器的物质能量耦合优化分析方法

权利要求书

1.一种氢冶金反应器的物质能量耦合优化分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)基于混合整数非线性的数学规划方法进行分析，建立混合整数非线性规划模型；混合整数非线性规划模型包含三个要素，即目标函数、变量与约束条件；

(2)确定变量；以氢冶金反应器的工艺参数和氢气需求量做为变量；

(3)建立约束条件；根据氢冶金反应器的热力学特性，建立物质平衡约束条件和能量平衡约束条件；

(4)确立目标函数；以气体利用率最大或者以能源消耗最小为目标函数：

(5)上述目标函数、变量与约束条件构成氢冶金反应器的混合整数非线性规划模型；

(6)将实际生产数据代入上述混合整数非线性规划模型，进行模型验证和参数矫正，输出结果。

2.根据权利要求1所述的氢冶金反应器的物质能量耦合优化分析方法，其特征在于，所述步骤(2)中氢冶金反应器的工艺参数包括物料出入口温度、气体出入口温度、金属化率。

3.根据权利要求1所述的氢冶金反应器的物质能量耦合优化分析方法，其特征在于，所述步骤(2)中氢气需求量的确定包括如下步骤：

i)根据矿石成分含量，通过反应方程式：Fe₂O₃+3H₂＝2Fe+3H₂0，利用反应热力学进行计算，得出第一氢气需求量V₁；

ii)按照氢冶金反应过程的动力学特性进行区域划分，分析各反应区域内反应速率限制环节，推导出动力学方程，确定反应过程中的温度约束条件；根据反应过程所需的热量，计算出第二氢气需求量V₂；

iii)选取第一氢气需求量V₁、第二氢气需求量V₂的最大值做为氢气最终使用量。

4.根据权利要求1所述的氢冶金反应器的物质能量耦合优化分析方法，其特征在于，所述步骤(3)中，物质平衡约束条件包括总体物质平衡约束条件和各个元素平衡约束条件；

总体物质平衡约束条件为：

其中，M_ore，M_other为反应器物料投入项，分别表示通入氢气的质量、矿石投入质量、其他添加剂投入量；M_Fe，M_gangue，M_gas，M_loss为反应器物料产出项，分别表示海绵铁产出质量、脉石产出质量、炉气生成量、由于操作和设备原因造成的物质损失量；

元素平衡约束条件为：

其中，n_i,j为对应物质i的j元素质量含量；

i＝H₂,ore,other,Fe,gangue,gas,loss；

j＝H,O,Fe,Ca,Si,Mg。

5.根据权利要求4所述的氢冶金反应器的物质能量耦合优化分析方法，其特征在于，所述步骤(3)中，能量平衡约束条件为：

其中，Q_ore，Q_other为反应器能量输入项，分别表示氢气带入的热量、矿石带入的热量、其他添加剂带入的热量；Q_r，Q_evap，Q_Fe，Q_gangue，Q_gas，Q_loss为反应器能量输出项，分别表示化学反应所需热量、水分相变物理热、海绵铁带出的热量、脉石带出的热量、炉气带出的热量、由于操作和设备原因造成的热量损失量。

6.根据权利要求5所述的氢冶金反应器的物质能量耦合优化分析方法，其特征在于，所述步骤(4)中，目标函数公式如下：

其中，θ，E分别为气体利用率和氢冶金反应器能源消耗量；分别为炉气中氢含量和氢气中氢含量；Q_chem,gas分别为氢气带入的化学热和炉气带出的化学热。