本發明屬于鉛閃速熔煉
技術領域：
，具體涉及一種閃速煉鉛過程多相平衡計算方法。
背景技術：
：閃速煉鉛技術具有作業連續、原料適應性強及環境污染小等優點。但在實際生產中由于物料成分波動大，且冶煉過程發生在高溫、多相、多組分復雜體系當中，使得過程參數檢測十分困難。可以預見，隨著兩化融合的不斷深入，計算機模擬技術在指導生產過程中的作用越來越重要。通過對冶煉過程進行熱力學分析，借助計算機模擬技術建立冶金過程數學模型并求解，以此來了解冶煉過程機理，可以為生產工藝的優化改進提供理論指導。冶金過程數學模型主要有衡算模型、經驗模型和理論模型三類。理論模型，特別是基于系統最小吉布斯自由能原理所建立的模型，因能揭示熔煉過程機理而備受關注。求解該模型的算法目前主要為常規數學規劃法，如New-Raphson法、擬Newton法、梯度法等，這類求解方法對初值選取較為嚴格，而且目標函數的解析性質要滿足求解要求。而隨機優化算法，例如粒子群算法對目標函數的數學解析性質要求低，無需求解導數，而且不依賴于初值的選擇，可以在全局范圍內搜索問題的最優解或最優近似解。因此，可以對閃速煉鉛過程建立基于系統最小吉布斯自由能原理的冶金過程數學模型，然后使用改進后的粒子群算法對其進行求解，獲得閃速煉鉛產物各相組分的物質的量，為研究閃速煉鉛過程的熱力學及工藝參數優化提供理論依據。技術實現要素：本發明的目的是提出一種閃速煉鉛過程多相平衡計算方法，為研究閃速煉鉛過程的熱力學及工藝參數優化提供理論依據。為實現上述技術目的，本發明的方案如下：一種閃速煉鉛過程多相平衡計算方法，基于系統最小吉布斯自由能原理，建立閃速煉鉛分區域多相平衡模型，并以產物元素質量守恒為約束條件，將復雜的相平衡計算轉換為線性約束最優化問題，采用粒子群算法對模型進行求解，最終得到閃速煉鉛產物各相組分的物質的量。所述的閃速煉鉛過程多相平衡計算方法，所述的閃速煉鉛分區域多相平衡模型中的分區域處理為：基于閃速煉鉛爐爐體結構、物質流與能量流，將閃速煉鉛爐分為反應塔計算區域、焦濾層計算區域及電爐計算區域，總稱為Z區域。所述的閃速煉鉛過程多相平衡計算方法，建立閃速煉鉛分區域多相平衡模型及約束條件如下：1)閃速煉鉛分區域多相平衡模型：GZ=Σzp=1ZPΣzpc=1ZPCNzpc[Gzpcθ+RTZln(γzpcΣk=1ZPCNzpcNzpk)]---(1)]]>式中，GZ為Z區域體系總的吉布斯自由能，J/mol；ZP為Z區域中體系的相數；zp為Z區域中的第p相；ZPC為Z區域p相中的組分數；zpc為Z區域p相中的第c個組分；Nzpc為zpc組分的物質的量，mol；為zpc組分為純物質標準生成吉布斯函數，J/mol；R為通用氣體常數，J/(mol·K)；T為Z區域的溫度，K。γzpc為zpc組分的活度系數；2)約束條件Σzp=1ZPΣzpc=1ZPCAzpceNzpc-AZe=0,(e=1,2,3,......,ZE)---(2)]]>式中，Azpec為zpc組分分子式中e原子的個數；AZe為Z區域體系中e原子的總物質的量，mol；ZE為Z區域體系中元數種類數。所述的閃速煉鉛過程多相平衡計算方法，采用粒子群算法對建立的閃速煉鉛分區域多相平衡模型依次進行求解，即采用前一區域的求解結果作為后一區域的輸入結果，并最終得到閃速煉鉛熔煉產物各相成分。所述的閃速煉鉛過程多相平衡計算方法，具體求解步驟如下：1)種群初始化根據所求解區域各相組分的數目，確定粒子群的個數及維度，進行種群初始化，包括位置初始化和速度初始化；2)評價種群根據閃速煉鉛分區域多相平衡模型，計算每個粒子的適應值；3)對種群速度進行更新；4)對種群位置進行更新；5)速度S擾動計算對種群速度進行干擾的S擾動，然后根據該S擾動對種群最優位置進行更新，并且根據閃速煉鉛分區域多相平衡模型，判斷新的種群位置是否優于步驟4)中位置更新產生的種群位置，如果優于，則用速度S擾動產生的種群最優位置代替位置更新產生的種群最優位置；6)速度D擾動首先根據種群初始化來產生新的種群速度矩陣，再根據這個種群速度矩陣計算對種群速度進行干擾的D擾動；以D擾動產生的速度對種群最優位置進行更新，并且根據閃速煉鉛分區域多相平衡模型判斷新的種群位置是否優于步驟4)中位置更新產生的種群位置，如果優于，則用速度D擾動產生的種群最優位置代替權利要求5中所述的4)位置更新產生的種群最優位置；7)終止準則終止準則為當前迭代步數超過最大迭代步數，檢查算法是否滿足終止準則，若滿足，則結束計算；否則，重新返回步驟3)速度更新，依序進行計算。所述的閃速煉鉛過程多相平衡計算方法，所述的步驟1)中，位置初始化首先要根據所求解區域中各相組分的物質的量給定粒子的位置邊界，對含有主要元素的物相進行在邊界范圍內的隨機賦值，剩余粒子的位置則根據元素質量守恒來確定；速度初始化首先將約束條件改寫為線性方程組的形式，通過矩陣列變換保證系數矩陣A的行列式不為零，其中A為m行、n列的矩陣，且n>m，從A的n列中選出m個線性無關的列，用B表示這個m階的方陣，用N表示A中剩下的m行、(n-m)列矩陣，即A＝[B；N]，再將v的分量對應的分解為v＝[vB；vN]，對vN進行隨機賦值，然后根據下式求解vB：vb=-B-1NvN---(3)]]>所述的閃速煉鉛過程多相平衡計算方法，所述的步驟3)中，種群速度更新按下式進行：vij(k+1)＝wvij(k)+c1r1(pij(k)-xij(k))+c2r2(pgj(k)-xij(k))(4)式中，i＝1,2,3,……,m，j＝1,2,3,……,n；vij為粒子的速度；k為當前迭代次數；w為權重因子，計算公式如下：w＝wmin+(wmax-wmin)·(K-k)/K(5)式中，wmin為初始慣性權重因子；wmax為迭代至最大代數時的慣性權重因子；K為總迭代次數；c1、c2為加速因子；r1、r2為[0,1]之間的隨機數；pij(k)為粒子迄今為止搜索到的最優位置；pgj(k)為整個粒子群迄今為止搜索到的最優位置；xij(k)為粒子的位置。所述的閃速煉鉛過程多相平衡計算方法，所述的步驟4)中，種群位置更新按下式進行：xij(t+1)＝xij(t)+λivij(t)(6)式中，λi為速度約束因子。所述的閃速煉鉛過程多相平衡計算方法，所述的步驟5)中，對種群速度進行干擾的S擾動具體公式如下：tempvi＝pp1-pp2(7)式中，p為粒子迄今為止搜索到的最優位置的集合，p1、p2為粒子數范圍內的隨機整數，且p1≠p2。所述的閃速煉鉛過程多相平衡計算方法，所述的步驟6)中，新的種群速度矩陣v為為m行、n列的矩陣，且m>n，然后從m行矩陣中隨機抽取n行矩陣組成一個n×n的方陣vsquar。對種群速度進行干擾的D擾動具體公式如下：tempvi＝vi·vsquari/||vsquari||(8)。與現有技術相比，本發明的優點在于：1)基于系統最小吉布斯自由能原理，建立的閃速煉鉛分區域多相平衡模型，無需確定體系內的具體化學反應方程，通用性強，而且模型本身可以揭示熔煉過程機理，能夠為研究閃速煉鉛過程的熱力學及工藝參數優化提供理論依據。2)對原始粒子群算法進行了改進，克服了該算法用于高維度問題時容易早熟的缺點，同時保留了其對目標函數的數學解析性質要求低，無需導數，而且不依賴于初值的選擇等優點，可以在全局范圍內搜索問題的最優解或最優近似解。3)本發明提出的閃速煉鉛多相平衡計算方法只需知道入爐物料的質量及成分，即可求解熔煉產物各相組分的物質的量，具有計算精度高，通用性強，在計算過程中不會出現負摩爾數等特點。附圖說明圖1為本發明的算法流程圖。具體實施方式本發明提出一種閃速煉鉛過程多相平衡計算方法，基于系統最小吉布斯自由能原理，建立閃速煉鉛分區域多相平衡模型，并以產物元素質量守恒為約束條件，將復雜的相平衡計算轉換為線性約束最優化問題。采用改進后的粒子群算法對模型進行求解，可以得到閃速煉鉛產物各相組分的物質的量。基于閃速煉鉛爐爐體結構、物質流及能量流，將閃速煉鉛爐分為反應塔計算區域、焦濾層計算區域及電爐計算區域，總稱為Z區域。分別在反應塔計算區域、焦濾層計算區域及電爐計算區域建立閃速煉鉛多相平衡模型及約束條件如下：1)閃速煉鉛分區域多相平衡模型GZ=Σzp=1ZPΣzpc=1ZPCNzpc[Gzpcθ+RTZln(γzpcΣk=1ZPCNzpcNzpk)]---(1)]]>式中，GZ為Z區域體系總的吉布斯自由能，J/mol；ZP為Z區域中體系的相數；zp為Z區域中的第p相；ZPC為Z區域p相中的組分數；zpc為Z區域p相中的第c個組分；Nzpc為zpc組分的物質的量，mol；Gθzpc為zpc組分為純物質標準生成吉布斯函數，J/mol；R為通用氣體常數，J/(mol·K)；T為Z區域的溫度，K。γzpc為zpc組分的活度系數；2)約束條件Σzp=1ZPΣzpc=1ZPCAzpceNzpc-AZe=0,(e=1,2,3,......,ZE)---(2)]]>式中，Azpec為zpc組分分子式中e原子的個數；AZe為Z區域體系中e原子的總物質的量，mol；ZE為Z區域體系中元數種類數。采用改進后的粒子群算法對閃速煉鉛分區域多相平衡模型依次進行求解，即采用前一區域的求解結果作為后一區域的輸入結果，并最終得到閃速煉鉛熔煉產物各相成分。具體求解步驟如下：1)種群初始化根據所求解區域中各相組分的數目，確定粒子群的個數及維度，進行種群初始化，包括位置初始化和速度初始化。位置初始化首先要根據所求解區域中各相組分的物質的量給定粒子的位置邊界，對含有主要元素(如Pb、Zn、Fe等)的物相進行在邊界范圍內的隨機賦值，剩余粒子的位置則根據元素質量守恒來確定。速度初始化首先將模型約束條件改寫為線性方程組的形式，即Ax＝b。令b＝0，x＝v，即Av＝0，同時通過矩陣列變換保證系數矩陣A(假設A為m行、n列的矩陣，且n>m)的行列式不為零。從A的n列中選出m個線性無關的列，用B表示這個m階的方陣，用N表示A中剩下的m行、(n-m)列矩陣，即A＝[B；N]。再將v的分量對應的分解為v＝[vB；vN]，對vN進行隨機賦值，然后根據下式求解vB：vb=-B-1NvN---(3)]]>2)評價種群根據閃速煉鉛分區域多相平衡模型，計算每個粒子的適應值。3)速度更新種群速度更新按下式進行：vij(k+1)＝wvij(k)+c1r1(pij(k)-xij(k))+c2r2(pgj(k)-xij(k))(4)式中，i＝1,2,3,……,m，j＝1,2,3,……,n；vij為粒子的速度；k為當前迭代次數；w為權重因子，計算公式如下：w＝wmin+(wmax-wmin)·(K-k)/K(5)式中，wmin為初始慣性權重因子；wmax為迭代至最大代數時的慣性權重因子；K為總迭代次數；c1、c2為加速因子；r1、r2為[0,1]之間的隨機數；pij(k)為粒子迄今為止搜索到的最優位置；pgj(k)為整個粒子群迄今為止搜索到的最優位置；xij(k)為粒子的位置；4)位置更新種群位置更新按下式進行：xij(t+1)＝xij(t)+λivij(t)(6)式中，λi為速度約束因子。速度約束因子λi保證了更新后的速度依然能夠滿足約束條件。5)速度S擾動對種群速度進行干擾的S擾動具體公式如下：tempvi＝pp1-pp2(7)式中，p為粒子迄今為止搜索到的最優位置的集合，p1、p2為粒子數范圍內的隨機整數，且p1≠p2。S擾動產生的速度tempvi通過位置更新公式(6)-(8)對種群最優位置進行更新。并且根據閃速煉鉛分區域多相平衡模型，判斷新的種群位置是否優于4)位置更新產生的種群位置。如果優于，則用5)速度S擾動產生的種群最優位置代替4)位置更新產生的種群最優位置。6)速度D擾動首先根據1)種群初始化產生一新的種群速度矩陣v(假設v為m行、n列的矩陣，且m>n)，從m行矩陣中隨機抽取n行矩陣組成一個n×n的方陣vsquar。對種群速度進行干擾的D擾動具體公式如下：tempvi＝vi·vsquari/||vsquari||(8)D擾動產生的速度tempvi通過4)位置更新公式(6)-(8)對種群最優位置進行更新。并且根據1)閃速煉鉛分區域多相平衡模型，判斷新的種群位置是否優于4)位置更新產生的種群位置。如果優于，則用6)速度D擾動產生的種群最優位置代替4)位置更新產生的種群最優位置。7)終止準則終止準則為當前迭代步數超過最大迭代步數。檢查算法是否滿足終止準則，若滿足，則結束計算；否則，重新返回3)速度更新，依序進行計算。該模型最終可以求解出閃速煉鉛產物各相組分的物質的量。實施例一本實施例假設在閃速煉鉛過程中，混合爐料投入量為35000kg/h，反應塔焦炭投入量為800kg/h，電爐焦炭投入量為200kg/h，氧氣噴入量為8500Nm3/h。入爐物料元素含量如表1所示。表1入爐物料元素含量/％元素PbZnCuFeSCaOSiO2CO混合爐料3550.5811598-反應塔焦炭---1-11076-電爐焦炭---1-11076-氧氣--------98采用本發明提出的閃速煉鉛多相平衡計算方法進行計算，可以得到反應塔計算區域、焦濾層計算區域及電爐計算區域中各相組分摩爾數，如表2至表4所示。通過對三個區域計算結果進行加和，可以得到閃速煉鉛最終熔煉產物各相組分摩爾數，如表5-8所示。表2反應塔計算區域各相組分摩爾數/mol表3焦濾層計算區域各相組分摩爾數/mol表4電爐計算區域各相組分摩爾數/mol表5閃速煉鉛粗鉛相各組分摩爾數/mol表6閃速煉鉛爐渣相各組分摩爾數/mol表7閃速煉鉛反應塔煙氣相各組分摩爾數/mol表8閃速煉鉛電爐煙氣相各組分摩爾數/mol當前第1頁1 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