[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

说明书

本发明涉及一种氢冶金反应器的物质能量耦合优化分析方法。技术方案如下：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)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。本发明能够提高物质能量利用率、降低能源消耗。

技术领域

本发明属于冶金领域，具体涉及一种氢冶金反应器的物质能量耦合优化分析方法。

背景技术

钢铁行业是基础行业和支柱性产业，在国民经济中具有重要地位。随着钢铁行业的迅速发展，传统的长流程高炉炼铁显露出了资源匮乏和环境破坏两大问题。钢铁行业这类高污染的行业必须进行结构性改革，我国钢铁行业碳排放量占总排放量的16％，同时我国焦煤资源贫乏，需要改变原有依赖于焦煤资源的高炉炼铁工艺方法。

氢冶金技术，对焦煤资源依赖小，适合短流程炼铁，能够有效解决长流程工艺的资源匮乏和环境破坏的两大问题。氢冶金反应过程依赖于气基直接还原法，其具有化学反应速率高、产品转化率高、能量损失率低等优点，但是氢冶金反应过程也需要大量的还原性气体以及能量，所以对氢冶金反应器进行物质能量耦合优化分析可以进一步降低氢冶金短流程的能源消耗，提升能源效率。

中国专利“CN107169599一种基于钢铁企业能源系统的多目标优化调度方法”提供了一种基于钢铁企业能源系统的多目标优化调度方法。此专利通过采集钢铁企业能源消耗的历史数据训练模型，然后预测未来周期内的相关能源数据，根据预测数据进行经济成本、环境成本等多目标优化，来获得最优调度方案，降低能源消耗。主要针对能源系统进行优化调度，缺乏对于物质流能量流的耦合优化，并且该优化调度方法针对的是传统长流程钢铁企业，缺少对氢冶金反应器的优化分析。

中国专利“CN111575427一种近零排放的氢冶金工艺”涉及氢冶金工艺，属于冶金技术领域，解决了现有技术中钢铁冶炼排放大量废气废固、污染环境等问题，通过合理布局工艺路线，使氢冶金新工艺过程SO₂几乎无排放，粉尘排放量比传统工艺降低90％以上，是一种环保的绿色冶炼工艺。主要通过新的冶炼技术以及合理的流程配置实现氢冶金过程的近零排放，但是该工艺主要是对氢冶金流程进行分析，主要是针对的是物质流，缺少与能量流的耦合，并且没有对氢冶金反应器物质能量进行耦合优化，缺乏进一步发掘节能减排的潜力。

发明内容

本发明提供一种氢冶金反应器的物质能量耦合优化分析方法，根据反应热力学、反应动力学、热力学第一定律、质量守恒定律，对氢冶金反应器投入、产出以及内部的反应进行优化，能够提高物质能量利用率、降低能源消耗。

本发明的技术方案如下：

一种氢冶金反应器的物质能量耦合优化分析方法，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。