使还原过程的设计和操作最佳化的方法

摘要

本发明涉及在还原高炉(1)中使优选以块状含铁原料(3)的还原过程的设计和操作最佳化的方法,在还原室(1)中加入例如来自熔炼气化炉的还原气体(9),同时从还原高炉(1)中排出还原产品(13),例如海绵铁以用于生产熔融的金属或液态的通用钢半成品。其中采用物理－化学过程的数学模型来描述还原方法,还原高炉(1)以多维,特别是三维模拟。采用数值方法估算所述的过程模型,并对还原方法考虑以多维,特别是以物理或化学数值空间分布的形式获得的估算结果。本发明的方法能定量地估算整个还原高炉内的还原方法,并使还原方法最佳化。

说明书

本发明涉及使还原高炉中含铁炉料优选块状炉料的还原过程的设计和操作最佳化的方法，在还原高炉中加入例如来自熔炼气化器中的还原气体，同时从还原高炉中排出被还原的产品，例如海绵铁以用于生产液态的生铁或液态的钢半成品。

还原高炉可以是例如直接还原方法的高炉或是熔炼还原方法固相中的预还原阶段。在后一种情况下，如果条件适宜，在制备液态生铁或液态钢半成品时，在还原高炉内将炉料，例如铁矿石(优选块状的或粒状的)，有时还有添加剂直接还原成海绵铁，再将海绵铁加入熔炼气化区，并在加入碳载体和含氧的气体下在其中进行熔炼。这个过程生成含CO和H2的还原气体，从熔炼气化区排出还原气体并送入还原高炉内，在还原高炉内还原气体发生反应，在含铁炉料发生还原后，作为炉顶气体排出。

在这类还原过程中，估计最佳产量是困难的，因为炉料的具体性质，例如在还原或团矿过程中的稳定性和易碎性，以及还原剂的具体性质，都会影响生产。

即使今天，新设备仍然是在假定原料和还原剂都是高质量的情况下进行操作的，这并不反映原料方面的供给情况。由于尚不了解采用质量较低的原料对操作的限制，结果是原料供给短缺并从而引起停产。

另一方面，在新还原高炉的设计上如放大和改变几何尺寸以及在现有的设备中使用变化的炉料，对于这些变化的影响具有不确定性。特别是材料的流程、炉配料的死区以及它们对气体流动的影响方面存在不确定性。这些不确定性，也只能通过对实际设备或按比例模型进行实验来部分地消除。因此，在估计还原高炉的几何尺寸和原料的特性对还原过程的影响时，仍然需要依靠操作现有还原设备取得的经验，特别是在将这些资料应用于至今没有试验过的几何尺寸或炉料时，是非常危险的，而且不可能获得客观的或定量的结论。

在还原设备或还原高炉中的过程，只考虑业已存在的所谓“黑箱”模型是不够的，因为这些模型是基于经验关系式建立的，因而不能提供任何关于还原高炉内部状态的资料。

因此，本发明的目的是通过开发一种能定量地估计整个还原高炉内还原过程的方法，来克服上述的缺点，因此，能使还原过程最佳化。

本发明的特征在于，采用物理-化学过程的数学模型来描述还原过程，本发明的特征还在于，采用多维，特别是三维模拟还原炉，其特征还在于，采用数值方法估算过程模型，并对还原过程，考虑以多维，特别是以物理或化学变量空间分布的形式获得的估算结果。

本发明的新颖性是，第一次以多维的定量的形式确定整个还原高炉中的物理和化学变量，因而可对还原过程进行客观的陈述，所以这种模拟工具的使用，意味着在新设备的设计和操作方面，以及采用变化的炉料运行现有设备方面，都具有较少的风险。

为了建立过程模型，需要规定还原高炉的几何尺寸、在过程中涉及的每一种物质的化学和物理性质、解微分方程所需的边界条件、和用于控制还原过程的工艺参数。

过程模型的计算结果，至少为每一相提供压力、速度、体积分数、化学组成和温度在还原炉中的空间分布。

将本发明应用于在本文开始所述的还原熔炼过程的固相中的预还原阶段是特别有利的，因为对还原高炉建立的物理-化学过程的数学模型，是在该还原炉中加入来自熔炼气化器中的还原气体，同时将固体产物，例如海绵铁，从还原高炉加入熔炼气化器中。

本发明的特征还在于，过程模型是在考虑了粉尘沉积和粉尘再分散的情况下建立的。因此考虑到还原气体中所含粉尘对还原过程的影响。这是通过例如改变已沉积粉尘的体积分数模拟粉尘的沉积进行的。

如果过程模型是在考虑到固体物质的非线性性质的情况下建立的，那也是有利的。该模型能可靠地描述固体物质的流动，特别是当采用屈服判据，例如Drucker-Prager、Von Misis或Tresca屈服判据，将固体物质模拟成Bingham型流体。因此，考虑到粒状固体物质临界剪切应力的存在，所以，例如可以计算死区。

由于在模拟化学和物理过程中考虑到平衡状态，并考虑到对温度的依赖关系，所以该过程模型甚至能较好地重现还原高炉中的真实状态。

在模拟化学和物理过程中，采用一些动力学原理。通过采用动力学原理，在过程模型中将化学和物理过程模拟成与时间的进展有关的过程，因而能够模拟还原高炉中每个位置的空间反应情况。在本文中，术语动力学，系指所研究的过程是以某种速度进行的过程。

本发明的一个优选实施方案的前提是，在过程模型中，将过程中所涉及的物质划分为各个相，例如气相，或至少一个颗粒相，或至少一个粉尘相等。颗粒相的特征是具有特定的颗粒粒度和特定的原料。通过划分成各个相就能根据其物理或化学性质模拟每一个相。

因此对每个相都建立该相的质量平衡和相应的成分平衡。可以采用这些平衡关系，确定还原高炉中各个相的体积分数和化学组成。

可根据成分平衡，计算例如以质量分数表示的特定化学元素的元素分数。例如为了计算金属化程度，可以根据成分分数，例如Fe、FeO、Fe₂O₃在一相或多相中的质量分数计算铁的质量分数。

另一个是为了建立动量平衡和能量平衡，在每一种情况下，都将若干个相合并成一组，一组的相具有相同的速度、压力和温度范围。这可以以下列方式进行，将气相和分散在气体中的粉尘相划分为第一组即气态相，将颗粒相和沉积在固体物质中的粉尘相划分为第二组即固相，对这二组中的每一组都建立相应的动量平衡和能量平衡。通过将各个相合并成二组，因而可以将它们看成是二相，可以以一种特别简单的方式，建立速度、压力、和温度的分布。

对各个过程的模块化处理，能使它们在一开始就被分开地考虑，在每一种情况下，都能采用最适宜的数学方法解单个平衡方程，特别是微分方程。

为了对过程模型进行计算，假定使还原高炉离散化，采用数值方法，例如有限差分法、有限元法、有限体积法或加权剩余法等解平衡方程。因此，可以利用对每一个平衡足够准确和适宜的数值方法。同时，可以采用逐步迭代法计算平衡来获得过程模型的解。

另外是根据材料实验确定过程中所涉及的物质的某些化学和/或物理性质，特别是对化学动力学的模拟，根据材料实验确定粉尘的沉积和固体物质的性质，例如内摩擦角和附着力。这能确保在过程模型中考虑的材料参数与所用材料的实际性质相符。

本发明的另一项研究是，为利用对称性缩短运算的时间，只对还原高炉中一个三维分域进行过程模型的计算。

另一个打算是通过CAD程序数据传送接收还原高炉的几何尺寸。因此，能几乎不费力地在过程模型中改变还原高炉的几何尺寸。

如果计算的结果采用图解的方法，例如以分段表示的形式显示在计算机的屏幕上，也是方便的。因此，例如，可以以一种清楚显示和能迅速了解的形式，利用过程模型的估算结果作为对还原高炉采取进一步措施的基础。

根据本发明的方法的一项应用是，在改变还原高炉几何尺寸的情况下，对过程模型进行反复的离线计算以确定还原高炉的适宜设计。在新还原设备的设计或现有还原设备的改造中，能以这种方法确定还原高炉的最佳几何尺寸，因而与未最佳化的几何尺寸相比，能提高生产能力。因此，可使还原高炉的几何尺寸适合规定的炉料，例如适合使用块状的铁矿石。此外，还可广泛地研究几何尺寸变化对还原过程的影响。在过程模型反复计算结果的基础上，可以确定改善过程控制所需的几何尺寸。

另一项可能的应用是，在改变工艺参数和/或规定的炉料和/或边界条件的情况下，通过对过程模型反复的离线计算，能使还原过程最佳化。因此，能研究装料的变化、原料组成的变化、和其它工艺参数的变化对还原过程的影响。在过程模型反复计算结果的基础上，可以确定最佳过程控制所必要的工艺参数或炉料。

另一个设想是，在目前所考虑的工艺参数下，对过程模型进行在线计算，控制还原过程或使还原过程最佳化。例如，这能使还原设备控制中心的操作人员，对还原过程进行更好的控制。

还原过程最佳化在于当原料和/或能量消耗最小时，能通过使还原产物的金属化程度最大或达到所规定的金属化程度。从这一点出发来评价所进行的过程模型的估算。

下面基于图1-3，采用实施例更详细地说明本发明。

图1示出进行还原熔炼过程的对本发明是重要的部分设备。

图2示出沿纵轴所取的整个还原炉的纵剖面图。

图3示出还原炉一个扇面的平面图。

在图1中，将铁矿石4和添加剂5一起按箭头3所示加入还原高炉1中，在发生反应后，采用运输装置8排出产品13，基本上是海绵铁，将其加入熔炼气化器6中，还通过运输装置7，将煤加入熔炼气化器中，按箭头23所示，排出熔炼的产品。在旋流器11中，净化在熔炼气化器6中产生的还原气体9，同时返回沉积的固体12，随后将还原气体加入还原炉1中，在还原炉中发生反应以后，作为炉顶气体14排出。使还原气体9的一部分16通过冷却和净化装置17，然后在旋流器11的上游返回到还原气体9中，从而使还原气体9冷却到还原炉1所需的温度。

在图2中示出，原料3、铁矿石(例如作为铁载体的Fe₂O₃)和添加剂是如何利用筒管30加入还原高炉1的，为了简化起见，以下将还原高炉称作高炉。在使固定床2向下缓慢移动的过程中，铁矿石通过化学反应转化成海绵铁，在图中示出装料锥形32。采用配置在高炉1底部的螺杆输送机38，强制固定床移动，固定床的移动，采用二个向下的箭头表示，采用螺杆输送机38将海绵铁13排出，在高炉1的外部，螺杆输送机38被螺杆的套管39包围着。通过下降管36，将海绵铁13加入熔炼气化器中，下降管气体按箭头37所示，通过下降管进入炉1中。为了简化起见，以下将还原气体9称作气体，还原气体9流过装有流入狭缝34的环形管33进入高炉1，并按向上的箭头所示，与固定床2逆流向上流动，通过二个管35又从高炉中流出(炉顶气体14)。在气体中包含的一氧化碳(CO)和氢(H₂)，与铁矿石(Fe₂O₃)发生化学反应，从而生成海绵铁(Fe)。

图3示出，图2中高炉1的一个扇形部分，这个扇形部分具有筒管30，筒管30配置在二个螺杆输送机38之间，流入狭缝34配置在整个炉体的周围。

由于在海绵铁大量金属化时还原率锐减，所以在熔炼气化器中发生一小部分还原，旨在使金属化程度为约90％。

为了确保生铁的脱硫作用和熔炼气化器6中的熔渣粘度低，将添加剂(石灰石，白云石)与铁矿石一起加入高炉1中。这些添加剂在高炉1中放出二氧化碳，即将二氧化碳加入气体9中，将此称作脱酸或煅烧。

原料3(铁矿石、添加剂)以潮湿状态加入，在高炉1的上部干燥。从炉配料2(＝炉中的装料＝固定床)中抽出水分，进入气体9中。原料3还包含不参加化学反应的惰性物质，例如，矿石情况下的脉石。

流进高炉1中的气体9包含有粉尘，一部分粉尘沉积在固定床2中。然而，已经沉积的粉尘能通过局部的高气体流速又再分散到气体9中。

气体9实际上包含含碳、氢、和氧的成分(分子)，它们能互相起化学反应，其中的一个影响是生成或消耗固态的碳。因此，这些反应影响气体9中或固定床2中粉尘的含量。

由于进入高炉1中的气体9(几百摄氏度)和固体物质2(环境温度)的入口温度不同，再加上物理/化学转变过程的热效应，产生了固体2和气体9之间的温度差，该温度差通过传热被降低。

原料的加入量，一般是由螺杆输送机38的转速控制的。流过高炉1的气体量，实际上可通过降低固定床2上部的气体压力来增加，反之亦然。

高炉操作的目的是调节矿石达到所需的金属化程度，并同时具有良好的气体利用率，良好的气体利用率，系指在矿石还原过程中，以尽可能大的比例，将气体中存在的CO和H₂转化成CO₂和H₂O。这会使资源消耗最少，成本效率最高，和对环境的影响最小。气体利用率低则有相反的影响，也意味着达不到所需的金属化程度。

基于边界条件(加料和排料装置，流入狭缝)，能采用三维方法适宜地模拟还原炉。为了缩短运算的时间，因而一般只考虑高炉的一个扇形部分(例如30°或60°)，见图3。这个扇形部分是离散的，例如对每一个微小单元(cell)，都通过适宜的数值方法解平衡方程(质量、成分、动量和能量平衡)。

在只考虑还原炉的一个扇形部分时，对高炉中不对称性(在时间和空间上不均匀的装料，部分更换的环形管和流入狭缝)起作用的影响，可在仅考虑高炉扇形时通过周期的边界条件，或通过在不同的边界条件下相继进行的运算确定。然而，原则上也能对整个高炉进行计算，不过会增长运算的时间。

在模拟过程中，将一些物质划分到各个相。气体形成其本身的相，在气体中夹带的粉尘和沉积到固定床中的粉尘，各自形成其本身的相。

每一个粒级和每一种原料(矿石、石灰石、…)都代表其本身的颗粒相。因此，颗粒相的数目就等于原料数与粒度的乘积。例如在采用4种原料(2种矿石、石灰石和白云石)和在0mm-50mm之间的6种粒度时，就有24个颗粒相。然后将颗粒相的总数(例如24)+2个粉尘相+1个气相，也就是说，例如共有27个相。

在三维模型中，每个相一般具有下列关系：

+质量平衡，

+给定m种成分的m-1成分平衡，

+动量矢量平衡，

+状态方程和

+能量平衡。

每个相都有其本身的速度、本身的压力、和本身的温度。在这些相之间进行质量、动量和热量交换。对每个相得到下列数值：

→相的体积分数，

→在相内的成分分数，

→在三个方向上的速度，

→压力和

→温度。

然而，只当在各个相内计算体积分数和成分分数时，这个严格的程序才是绝对必要的。在颗粒相和粉尘相中，也能将扩散考虑进去，但不是必需的。

对于动量平衡和能量平衡，可将若干个相方便地合并成相组。例如，一个组包括所有的颗粒相和沉积在装料中的粉尘相，另一个组包括气相和分散在气体中的粉尘相。在这种情况下，所有的颗粒相和沉积在原料中的粉尘相都具有共同的速度、压力、和温度范围。气相和分散在气体中的粉尘相则具有与此不同的共同的速度、压力、和温度范围。

下面叙述对各个相形成的模型。平衡是根据空间不变的坐标系统(Eulersche原理)研究的。研究每个元体积的质量、动量和能量流，质量和能量的流入和流出，以及外界的作用力。

关于还原高炉中任意的坐标元，相q的质量平衡为：·任意相q(气体、颗粒、粉尘)的质量密度随时间的变化+·进入和离开该元的所有对流质量流的总和＝·在该元中相q的所有质量流入和流出的总和。

$>\frac{}{}$_q    是相q的体积分数[-]ρ_q    是相q的密度[kg/m³]     是相q的速度[m/s]    是从相p进入相q的质量流[kg/(m³s)]      是矢量形式的哈密顿算子[1/m]N       是相数t       是时间[s]

对于还原高炉中任意的坐标元，在任意的颗粒或粉尘相q(非气相)中，成分1的成分平衡为：·在相q(颗粒或粉尘)中成分1(例如Fe₂O₃、CaO等)的质量密度  随时间的变化+·成分1进入和离开该元的所有对流质量流的总和＝·在相q中成分1的所有质量流入和流出的总和。 $>\frac{}{}$_q    是相q的体积分数[-]ρ_q    是相q的密度[kg/m³]m_ql    是相q中成分1的质量分数[-]     是相q的速度[m/s]    是成分1从相p进入相q的质量流[kg/(m³s)]      是矢量形式的哈密顿算子[l/m]N    是相数t    是时间[s]

就还原高炉中任意的坐标元，气相g的成分平衡时，例如如果要计算还原气体和下降管气体之间的混合物的话，将扩散流考虑进去是合理的。一般并不是绝对需要考虑扩散流：·在气相g中成分1(例如CO、H₂等)的质量密度随时间的变化+·成分1进入和离开该元的所有对流质量流的总和＝·成分1的扩散流+·在气相g中成分1的所有质量流入和流出的总和。 $>\frac{}{}$_g    是气相g的体积分数[-]ρ_g    是气相g的密度[kg/m³]m_gl    是气相g中成分1的质量分数[-]     是气相g的速度[m/s]    是成分1从气相p进入气相g的质量流[kg/(m³s)]D_gl    是气相g中成分1的扩散或分散系数[kg/(m³s)]     是矢量形式的哈密顿算子[l/m]N      是相数t      是时间[s]

不必建立元素平衡。为了校验(以金属化为例)，根据成分分数(例如在一个或多个相中Fe、FeO、和Fe₂O₃的质量分数)计算元素分数(例如Fe、O的质量分数)。

不是绝对地要对每个相各个建立动量平衡，而可对相组建立动量平衡。例如，下面的相组对动量平衡是重要的：相组q  包括所有颗粒相和沉积在装料中的粉尘的粉尘相的总和，相组g  包括气相和分散在气体中的粉尘的粉尘相。

对所有颗粒相和沉积在装料中的粉尘的粉尘相的相组的动量的矢量平衡为：·元中的颗粒相和沉积在装料中的粉尘的粉尘相的动量密度随时间的变  化+·颗粒相和沉积在装料中的粉尘的粉尘相进入和离开元的所有对流动量  流的总和+·由颗粒相中和沉积在装料中的粉尘相中的质量流入和流出引起的动量  流流入和流出＝·通过连续相(气体)的浮力+·颗粒相和装料中粉尘相对该元的压力+·由剪切应力和正应力引起的力(应力偏差量)+·重力+·气体对固体物质表面的附着所引起的气体和固体之间的阻力。 $>>>ϵ>q>>>\rho >q>\frac{}{}$_q    是颗粒相和沉积在装料中的粉尘的粉尘相的体积分数[-]ρq    是颗粒相和沉积在装料中的粉尘的粉尘相的密度[km/m³]     是颗粒相和沉积在装料中的粉尘的粉尘相的速度[m/s]     是气相和分散在气体中的粉尘的粉尘相g的速度[m/s]p_g     是气相和分散在气体中的粉尘的粉尘相g的压力[Pa]p_q     是颗粒相和沉积在装料中的粉尘的粉尘相的压力(“装料压

     力”)[Pa]      是颗粒相和沉积在装料中的粉尘相的应力偏差量[Pa]。作为参

     数包括内摩擦角和附着力。      是重力加速度矢量[m/s²]K_gq     一方面，是颗粒相和沉积在装料中的粉尘的粉尘相q之间的动

     量交换系数，另一方面，是气相和分散在气体中的粉尘相g的

  动量交换系数(是从Ergun方程推导的)    是矢量形式的哈密顿算子[l/m]D/Dt  是全微分t     是时间[s]

在只省略浮力时，气相和气相g中的粉尘相的相组的动量平衡，与颗粒相和沉积在装料中的粉尘的粉尘相q的动量平衡在形式上的差别为：·元中气相和分散在气体中的粉尘相的动量密度随时间的变化+·气相和分散在气体中的粉尘相进入和离开元的所有对流动量流的总和  +·由气相和分散在气体中的粉尘相的质量流入和流出引起的动量流流入  和流出＝·气相和分散在气相中的粉尘相对该元的压力+·由剪切应力和正应力引起的力(应力偏差量)+·重力+·气体对固体物质表面的附着引起的气体和固体之间的阻力。 $>>>ϵ>g>>>\rho >g>\frac{}{}$_g   是气相和分散在气体中的粉尘相的体积分数[-]ρ_g   是气相和分散在气体中的粉尘相的密度[kg/m³]    是颗粒相和沉积在装料中的粉尘相的速度[m/s]    是气相和分散在气体中的粉尘相g的速度[m/s]p_g    是气相和分散在气体中的粉尘相g的压力[Pa]     是气相和分散在气体中的粉尘相的应力偏差量[Pa]     是重力加速度矢量[m/s²]K_qg    一方面，是颗粒相和沉积在装料中的粉尘相q之间的动量交换

  系数，另一方面，是气相和分散在气体中的粉尘相g的动量交

  换系数    是矢量形式的哈密顿算子[l/m]D/Dt  是全微分t     是时间[s]

作为实施例，再对处于动量平衡下的所述二个相组给出能量平衡：相组q  包括所有颗粒相和沉积在装料中的粉尘相的总和，相组g  包括气相和分散在气体中的粉尘相。

对所有颗粒相和装料中的粉尘的相组的能量平衡如下：·元中的颗粒相和沉积在装料中的粉尘相的焓密度随时间的变化+·颗粒相和沉积在装料中的粉尘相进入和离开元的所有对流焓流的总和＝·通过颗粒相和沉积在装料中的粉尘相传导的热流+·传入所有颗粒相和沉积在装料中的粉尘相中的热流+·由在颗粒相和在原料的粉尘相中的成分的质量流入和流出引起的焓流  入和流出。 $>\frac{}{}$_q   是颗粒相和沉积在装料中的粉尘相q的体积份数[-]ρ_q   是颗粒相和沉积在装料中的粉尘相q的密度[kg/m³]h_q    是颗粒相和沉积在装料中的粉尘相q的焓[J/kg]    是颗粒相和沉积在装料中的粉尘相的速度[m/s]λ_q   是相组q的导热系数[W/(mK)]H_gq   是二个相组之间的热交换系数[W/K]T_q    是颗粒相和沉积在装料中的粉尘相q的温度[K]T_g    是气相和分散在气体中的粉尘相g的温度[K]N      是相数M      是成分数   是成分1从相p进入相q的质量流量[kg/(m³s)]h₁    是成分1的焓[J/kg]  是矢量形式的哈密顿算子[l/m]t       是时间[s]。

气相和分散在气体中的粉尘相的相组的能量平衡，在形式上与颗粒相和沉积在装料中的粉尘相的相组相同。是由g代替字符q获得的。

颗粒相的体积分数，既可以在整个计算空间(炉的扇形部分)内给定，也可以根据状态方程方便地确定，例如见N.Ouchiyama和T.Tanaka1988年在日本化学工程杂志(Journal of Chemical Engineering ofJapan，21(2)：157-163)上发表的“具有不同装填特性的固体颗粒混合群空隙率的估算”，或Jonhansen S.T.，Laux H.在第二届多相流国际会议论文集(Proceeding of the 2^nd International Conference ofMultiphase Flow，Kyoto，Japan，1955)中刊载的“弥散多相流方程式的另一种数值解法”。粉尘相的体积分数从粉尘相的质量平衡获得。因此，也确定了气相的体积分数，因为在一个元中所有相的体积份数的总和等于1。

可以从所有已知的方程推导出动量平衡中的阻力，利用这些方程，能方便地模拟气体通过多孔介质的流动，例如利用Ergun方程，例如见Sabri Ergun 1952年在化学工程进展(Chemical EngineeringProgress，48(2)：89-94)上发表的“通过填充塔的流体流动”。利用下列之类的材料特性系数可得到离析、粉尘沉积、和空隙对气体流动的影响，如：→颗粒相和在装料中沉积的粉尘相的局部体积分数→局部平均颗粒直径和→局部形状系数。

利用固相动量平衡的适宜参数，例如内部摩擦角和附着力等，可得到温度、粉尘流、和化学反应对固体物质流动的影响。因此可计算在排料装置(例如螺杆输送机)或搭桥之间的中心流或死区形成之类的现象。利用这些参数对局部状态，例如温度、粉尘的体积分数或硫含量等的依赖关系，还能计算于由“粘结”、“结块”、或“凝块”(＝由于化学上的结合，例如Fe-Fe或Fe-S的结合，或由于在颗粒之间存在的液相使颗粒粘结在一起)所引起的还原高炉的异常状态。

采用边界条件(采用提高筒管中粉尘分数的方法，调节颗粒粒度的分布)，可以近似考虑离析的影响。通过规定FeO的低密度，可以近似估计膨胀作用(＝在还原过程中颗粒体积的增加)。在粗颗粒相的质量平衡过程中采用适宜的流入-流出项能考虑颗粒粉碎和摩擦的影响。

下面讨论相的组成。每个相都包含参加某种物理/化学转化过程的成分。可将不参与物理-化学转化的所有固体成分(脉石或Al₂O₃，SiO₂等)作为惰性物质成分组合在一起。例如下列气相、粉尘相或颗粒相的组成是重要的：气体              CO、CO₂、H₂、H₂O(g)、CH₄、N₂矿石1和矿石2：    Fe₂O₃、FeO、Fe、H₂O(1)、惰性物质石灰石，白云石：  MgCO₃、MgO、CaCO₃、CaO、H₂O(1)、惰性物质气体中的粉尘：    C，惰性物质固定床中的粉尘：  C，惰性物质

如果例如考虑粉尘中甚至更多的成分，或H₂S或氰化物之类的外加成分，也可以应用模型方程。只是运算的时间相应增长。

在所建立的平衡方程的流入/流出项中，考虑到例如下列之类的物理/化学转化过程：·所有的颗粒相的干燥·采用CO和H₂分若干阶段(赤铁矿—磁铁矿—方铁矿—铁)还原矿石，  可以跳过例如磁铁矿之类的快速还原阶段。·石灰石和白云石的煅烧·在C-H-O系统中的化学反应：Boudouard反应，均相和非均相的水-  气反应，甲烷分解反应·粉尘沉积/粉尘再分散：气体中包含的粉尘沉积到固定床中，或固定床  中所含的粉尘再分散到气体中·颗粒的粉碎和摩擦

作为实施例，举出“一氧化碳”(CO)成分的平衡。CO只出现在气相中。通过矿石还原和通过在C-H-O系统中的化学反应，例如Boudouard反应等，产生CO平衡中的流入/流出项。所以，在CO平衡中所涉及的相是所有的矿石和粉尘相。

在平衡中的流入和流出可根据需要模拟。它们由势(例如达热力学平衡的距离)和速度项(例如阿伦尼乌斯系数、产品层扩散系数、和传质系数)构成是特别方便的。此外，例如可作为温度T的函数建立流入和流出，也就是说，对不同的温度范围有不同的形式，或只对特定的温度才是有效的。就固体而言，在流入和流出的计算中，包括形状系数和平均颗粒直径。在粉尘沉积/粉尘再分散的情况下，装料中最大可能的粉尘体积分数是起决定性作用的，它与装料中颗粒的粒度分布和局部的气体流速有关。当沉积粉尘的体积分数都小于其平衡值，发生粉尘沉积，如果沉积粉尘的体积分数大于其平衡值，就会发生粉尘再分散。

对于化学过程流入和流出的形成，采用通常的参数，例如关于反应的反应级数和化学计算量系数。

基于化学反应热度的效应作用和为了节省运算的时间，在能量平衡中，忽略了由于摩擦所做的机械工和能量耗散。由此，结果也不会发生明显的变化。

解模型方程需要边界条件。这些边界条件可以根据现有的或需要的测量和控制的系统建立。例如，如果在操作过程中测定还原气体和下降管气体的压力以及炉顶气体量，就能在数学模型中设定下降管气体和还原气体入口的压力的边界条件和炉配料表面的气相速度的边界条件。

适当地选择边界条件，也能够模拟复杂的设备部件，例如排料装置等。为此目的，并不需要模拟准确的几何尺寸和排料装置的动作；而是以速度边界条件的形式模拟排料的状态，例如可以采用排料装置(例如螺杆的机壳＝在运行的螺杆输送机38周围的假想圆筒)的速度边界条件，表示炉配料2的排料。因此，不需模拟螺杆本身的动作。

边界条件并不限于数值；也可以规定压力、速度、温度、质量、和体积分数的分布。通过周期的边界条件，也能重现高炉扇形部分的对称条件。

平衡方程和边界条件包括材料特性系数和参数，这些数值和参数，一方面，可从一般的文献中获得，例如克分子量、纯质的密度、热容量、和耐火衬里的导热系数等，另一方面，必须凭试验来确定，例如内摩擦角，还原的动力学参数，和排料装置的排料特性。这样就能计算在特定原料和特定设备下还原炉的运行状态。

为了确保能真实地描述固体流，必须特别注意确定应力偏差量和应力张量所需的材料定律。作为流动力学标准采用的“牛顿型流体”线性材料定律对于应用是最简单的。然而，它不能描述在粒状材料情况下出现的装料锥形或死区之类的现象。对此不得不采用非线性材料定律。

对本方法所研究的对于在应力张量和速度梯度之间建立的关系的颗粒流材料定律是经典Bingham材料定律(“具有屈服点的材料流”T.C.Papanastasiou，1987，流变学杂志(Journal of Rheology，31(5)，385-404))的一般化。“Bingham流体”通常是具有恒定临界剪切应力的材料，只有在占优势的剪切应力实际上超过临界剪切应力时，根据这种流体的材料定律，材料才能移动。这种临界剪切应力也出现在粒状介质的情况下，但在这种情况下，不能假定临界剪切应力是恒定的，而是临界剪切应力与固体物质的压力和材料参数如材料的内摩擦角等以及固体物质的附着力有关。所以，例如采用Drucker-Prager屈服判据描述静止和移动状态之间的界限：[特别是]“工程材料的基本方程，第1卷：弹性和模拟”，W.F.Chen和A.F.Saleeb，1994，Elsevier，阿姆斯特丹，和“粘塑性和触变性粒状材料的现象学模型”，A.Berker和W.E.VanArsdale，1992，流变学学报(Rhelogica Acta 31，119-138)。

采用理想气体定律建立气相密度(采用平均克分子量)，对于所研究的气体压力(高达5bar)，这是足够的。其它相的密度，从成分分数和纯质密度得到。

在材料特性系数即有效传热系数λq中还考虑到颗粒之间传热的辐射分量。

通过本发明建立的过程模型可理解和描述还原高炉中的下列过程或物质性质：·对筒管采用不同的条件，对过程模型进行反复的计算，可以模拟炉配  料(矿石，添加剂)组成的不均匀性·可以考虑局部颗粒粒度的分布对炉配料中气流的影响。·考虑炉配料中的水分和炉配料中所含的惰性物质。·定量地得到还原高炉的几何尺寸，例如扩大锥体等对还原高炉中过程  的影响。·考虑加料和排料装置的几何尺寸，例如通过筒管加入炉配料和通过螺  杆输送机排出炉料，它们分别只占还原炉横截面面积的一部分。·气体在高炉壁内从流入狭缝沿径向向内流动。·使炉配料表面形成对气流有影响的装料锥形。由于装料锥形，气体倾  向主要通过尽可能大的径向距离从筒管离开。·局部的单位气量，取决于局部的空隙率、局部的平均颗粒直径和局部  的颗粒形状，即取决于离析程度和粉尘化。局部的空隙率和局部的颗  粒直径越小，以及局部的球形颗粒越少，局部的单位气量也越少。·由粉尘堵塞一部分环形管和/或流入狭缝，能引起气流不均匀地通过炉  配料。·粉尘含量高可能引起沟流。气体通过炉配料中的这些沟道向上流动，  而不起任何还原作用。通过规定初始条件，可对气流考虑这个问题。·考虑气体和固体之间的热交换。·通过在C-H-O系统中的化学反应，改变气体的还原势。例如，通过  Boudouard反应和非均相的水-气反应，将CO和H₂转化成粉尘形式的  碳(C_(s))，CO₂和H₂O，因而，对铁矿石的还原是个损失。·局部较高的石灰石和白云石分数，限制了温度，降低了还原势，因为  煅烧是吸热的，并释放出CO₂。·局部的比气量，受气体从炉壁流进炉配料这一因素的影响，这种影响  会在炉配料中产生不均匀的粉尘分布。在高炉中粉尘的分布是根据计  算得到的。·气体不只是通过旋流器-环形管-流入狭缝这条路线流进高炉的；而且  来自熔炼气化器的一部分还原气体，还走经过下降管直接进入还原炉  的路线。·在高炉逐渐减小的截面(＝横截面向下缩小)中和在螺杆输送机的区域  中，可能出现中心流。·如果规定炉配料具有一定的抗压强度，例如由于粘结或结块、或由于  颗粒之间的化学结合、由于液化的、重新固化的惰性物质、由于包含  的灰尘，这就可能通过螺杆输送机形成桥架。·高炉的温度越高，发生引起粘结过程(烧结、液态的脉石或液态的铁-  硫化合物)的情况就越多。最高容许温度受粘结/结块的限制。·可定量地研究下列各项的相互影响，以及它们对高炉操作性能的影  响：  原料的特定数据，例如矿石的反应动力学参数等，  操作人员的特定措施，例如比气量等，  几何尺寸和/或规模的变化，例如较长的排料螺杆等。

通过模型还能间接地考虑下列过程，特别是能根据计算的压力分布推断的下列过程：·炉配料不能均匀地下落在整个横截面上；而是炉配料能够在局部超过松散速度的地方“悬着”。松散速度是气体的空管速度，在气体的空管速度下，气体侧竖直的比压力损失等于竖直的装料压力(如果忽略炉壁或静态装料对炉配料的支撑，装填压力＝炉料装料密度乘以重力加速度)。·气体进入高炉的速度比松散速度大得多。如果在高炉的下部气体透过  率太低，可能会从流入狭缝开始，出现空洞或部分悬着。

根据本发明的方法，能在不同原料的情况下，通过改变几何尺寸或工艺参数，使还原过程和产品质量最佳化。因此，可以拓宽所用原料的范围。