第１期 中 氮肥 Ｎｏ．１ ２０１４年１月 Ｍ—Ｓｉｚｅｄ Ｎｉｔｒｏｇｅｎｏｕｓ Ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ Ｊａｎ．２０１４ 焦炉自动加热技术在我公司的应用 成华峰 （山西焦化集团有限公司，山西洪洞０４１６０６） ［中图分类号］ＴＱ ５２２．１６ ［文献标志码］Ｂ ［文章编号］１００４—９９３２（２０１４）０１—００１５—０４ １概况 龄，降低了炼焦耗热量及人工操作强度，实现了 节能减排。 为响应国家大力推进节能减排的号召，我公 司在“十二五”期间加大了先进节能环保技术 ２建设内容 的研发和使用，积极对装置实施改造升级，从源 头削减和预防污染物的产生，降低能耗，提高资 在５ 、６ ＪＮ６０型焦炉上增设自动测温及控 源的综合利用率。其中，在第３炼焦车间５ 、６ 制装置，进行系统软件安装及相关数据模型的建 立。具体内容包括： ＪＮ６０型焦炉增设自动加热装置就是公司推进节 能减排的一项重要举措。公司拥有６座西６ ０００ （１）开发系统软件及安装； ｍｍ的大容积顶装焦炉，焦炭产能为３ ６００ ｋｔ／ａ， （２）建立火道温度、分烟道吸力等相关数 据模型； 焦炉操作管理粗放，主要以人工操作为主，焦炉 （３）安装｝贝４量直行温度的光学高温镜头及 生产中一些关键参数缺乏自动监测手段，造成加 热控制温度波动、炼焦耗热量高等问题。为此， 配套气路系统； 公司与高校合作，研究开发了焦炉加热优化控制 （４）在上升管简体位置选择安装测量荒煤 气火落温度的热电偶； 技术并应用于公司５ 、６ ＪＮ６０型焦炉。实践表 明，焦炉加热优化控制技术优化了焦炉的加热系 （５）在拦焦车的导焦栅上安装测量焦饼中 心温度的光学高温镜头及配套的小型空压机。 统，稳定了炉温，提高了产品质量，延长了炉 ３技术来源及水平 ［作者简介］昱 ２成华峰（…０１３ －０…６－１０９…６７ 、４一）， 男，山西霍州人，工程师。 稿 。 ．４ 引进安徽工业大学化工自动化研究中心／…～～………………… 马 ’ ＜０．１ ｇ／Ｌ。操作人员严格按规定执行，加强对 清液冷却槽和地下池进行彻底清理。另外，严格 回液颜色的监视，减少了硫颗粒的损失。 按照熔硫指标要求操作，尽量减少副盐的形成， ３．４改造残液冷却系统，消除冒槽现象 防止悬浮硫再次回至系统。 （１）由于残液冷却不够彻底，导致回收后 再生槽冒槽。现将原来并联的２台清液冷却槽改 ４结语 造成串联。先经过第一冷却槽冷却沉淀，溶液溢 自原始开车以来，通过对脱硫系统出现的 流至第二冷却槽再次进行冷却，冷却后溢流至地 诸多问题进行分析研究，找到了相应的解决办 下池再回收至系统，通过延长冷却时间的方法彻 法，使问题得以解决，在乙二醇系统双机负荷 底冷却残液，减少冒槽。 （气量５５ ０００ ｍ ／ｈ）下脱硫系统已经正常运行 （２）出于对环保的考虑，残液不能外排， 了近半年。但系统仍存在需要改进的地方，在 只能内部循环，随着时间的增长，系统溶液中的 以后逐步提高负荷后，还需对出现的问题进行 副盐会越来越多，在残液冷却过程中不断沉淀， 分析解决，优化操作，保证脱硫系统的正常稳 最终导致清液槽堵死，所以，在每年大修时需对 定生产 ・１６・ 中氮肥 第１期 鞍山市蓝天化工自动化科技有限公司以下５项专 利技术。 ４技术路线和主要研究内容 ◆焦炉火道温度非接触式在线测量系统。专 ４．１技术路线 利号：ＺＬ２００６２００７１２６５．１。 在总结国内外经验的基础上，针对５ 、６ ◆焦饼表面温度非接触式在线测量装置。专 ＪＮ６０型焦炉的特点，方案采用前一反馈相结合 利号：ＺＬ２０１０２０２１５９３２．５。 的方法，具体为：采用红外光纤温度计在线直接 ◆焦炉加热温控方法。申请专利号： 测量立火道温度；根据全炉平均立火道温度自动 ２０１１１０３５７１１８．６。 调整加热煤气流量；根据加热煤气流量的变化、 ◆焦炭成熟度的判断方法。申请专利号： 空气过剩系数，自动调整分烟道吸力；根据焦饼 ２０１２１０１０７３８２．９。 中心温度、煤质和配煤情况确定最佳标准火道温 ◆焦炉立火道温度在线测量装置（光学镜 度；根据粗煤气温度的检测，生成焦炭成熟度模 头）。申请专利号：２０１２２０１３０４８２．９。 型，并修正标准温度。自控系统框图见图１。 煤气 图１ 控制系统框图 ４．２主要研究内容 射能量，辐射能量的大小与其表面温度有着密切 （１）火道温度全自动在线连续测量方法。 的关系，因此通过对物体自身辐射红外能量的测 （２）煤气流量与火道温度相关模型。 量便能准确地测定其表面温度，这就是红外辐射 （３）火道温度相关模型。 测温所依据的原理。辐射量除与物体的温度有关 （４）结焦周期内立火道温度变化规律。 外，还与构成物体的材料种类、表面状态等因素 （５）分烟道吸力模型。 有关，通常用发射率来描述这一特征，发射率一 （６）控制方案。 般在０～１。 （７）粗煤气温度的测量与焦炭成熟度模型。 红外光纤温度测量装置由光学系统（光学 （８）高温／低温炭化室、问题炭化室以及边 镜头）、光纤、仪表系统几部分构成。其工作原 炉的监控。 理为：首先通过光学系统（光学镜头）把焦炉 （９）焦饼温度在线自动测量系统。 立火道底部的砖表面的热辐射（红外光）收集 ４．２．１火道温度自动在线连续测量 起来，然后通过光纤（光导纤维）把光学系统 高温物体都在不停地向周围空间发出红外辐 收集的热辐射（红外光）传送到仪表系统，最 第１期 成华峰：焦炉自动加热技术在我公司的应用 ・１７・ 后在仪表系统中把热辐射（红外光）信号转化 成温度信号并显示。 ４．２．２粗煤气温度的测量与炼焦指数模型 在炼焦过程中，煤中的挥发分从炭化室中逸 出，形成粗煤气，粗煤气经过上升管、桥管，最 后汇集到集气管中，进入下一道生产工序。在气 化初期，煤炭中的挥发分高，炭化室温度低，粗 煤气的温度也相对较低。随着炭化室温度的升 高，从炭化室内部逸出的粗煤气温度也随之升 高，１０多个小时后上升至最高点，这一时期煤 基本上变成了焦炭，挥发分很少，从炭化室里带 走的热量也很少，所以粗煤气的温度也缓慢下 降，直到推焦结束。因此，粗煤气温度的变化在 一定程度上反映了炭化室中煤变焦过程的变化， 通过对粗煤气温度变化的研究，可以间接地判断 焦炭的成熟情况以及标准温度的高低。粗煤气温 度的测量位置一般选择在上升管或桥管部分，粗 煤气的温度一般不超过１ ０００℃，通常采用Ｋ型 热电偶测量。 国内外通过炼焦过程中逸出的粗煤气温度判 断焦炭成熟度的方法有多种形式，基本思路十分 接近，但具体的做法有一些差别。综合各方面考 虑，把热电偶安装在桥管处或上升管处测量粗煤 气温度，用炼焦指数模型更适合ＪＮ６０型焦炉生 产操作的实际情况，实现方法也比较简单。为 此，重点研究了上升管处安装热电偶的安全防 护、上升管处粗煤气温度的变化规律和如何自动 生成炼焦指数模型。 ４．２．３炼焦指数模型与标准温度修正 焦炭的成熟度是焦炉生产的主要质量指标， 它由挥发分、焦炭强度等参数构成，在实际生产 中这些参数又是通过焦饼表面温度或焦饼中心温 度来控制的，由于工业现场的特殊环境的限制， 焦饼温度难以长时间在线连续测量，因而直接用 焦饼表面温度或焦饼中心温度来控制焦炭的质量 指标很困难。在炼焦过程中，粗煤气温度在不同 时间段内是按一定规律变化的，通过粗煤气温度 的变化得出炼焦指数，再根据对焦饼表面温度的 测量和焦炭质量指标的综合分析确定炼焦指数的 合适范围。在合适的炼焦指数范围内，焦炭的成 熟度好，质量指标比较合理，因而生产过程中， 若将炼焦指数稳定在一定的范围内，就可以较好 地控制焦炭的质量。为此，重点进行了如下研 究：找出炼焦指数与焦饼中心温度的对应关系， 并回归分析得出关系模型；根据炼焦指数关系和 工艺要求确定标准的炼焦指数；根据实际的炼焦 指数（全炉平均值）与标准炼焦指数的偏差调 整标准火道温度。 ４．２．４控制算法研究 焦炉加热控制的目的就是根据生产工况的变 化适时地调整供热量，在各种干扰的作用下，能 使炉温保持基本稳定。焦炉的加热系统一般由相 互关联的立火道温度系统和吸力系统（即燃烧 室和烟道的负压控制系统）２个子系统构成，它 是一个双输人、双输出的系统，但由于吸力系统 的工作频率远高于温度系统，因此可将它分成２ 个独立的子系统。焦炉立火道温度控制系统是典 型的大惯性、非线性、特性参数时变的系统，并 且在生产过程中经常受到诸如延时推焦、变更结 焦时间、煤质、装炉煤水分波动等因素的干扰， 故采用常规的ＰＩＤ控制难以保证炉温的稳定。 根据生产工艺要求，炉温波动一般应控制在标准 温度±７℃范围内，但实际生产中，炉温波动往 往超过这个范围。针对焦炉的这一特点，采用模 糊控制算法较为合适，但普通的模糊算法有不足 之处，若模糊输入／输出的量化等级分得过细， 则模糊控制规则变得很复杂，分得过粗又难以满 足控制精度的要求，而用多模式模糊控制可较好 地解决这一矛盾。 对控制算法主要开展了以下研究：通过对生 产数据的分析，找出焦炉的控制特性参数；控制 仿真，找出适合焦炉特性的控制规律或算法；优 化控制参数。 ４．２．５分烟道吸力模型研究 通过对分烟道翻板的自动控制，使分烟道吸 力处于合适的范围，保证燃烧系统各区段吸力和 看火孔压力合理，同时保证适宜的烟道含氧量 （空气系数）。由于吸力控制一般受加热煤气流 量、风门开度、煤气热值和气候条件等的影响， 通过理论分析建立数学模型，找出分烟道吸力的 最优控制值。主要研究内容包括：从理论上分析 燃烧系统的各处压力（吸力）分布规律；根据 理论和现场数据的分析，建立实用的分烟道吸力 前馈控制模型；用氧化锆氧量在线分析仪的分析 数据和人工化验分析数据对比，对前馈模型进行 修正。 ・１８・ 中氮肥 第１期 ４．２．６高／低温炭化室、问题炭化室以及边炉的 监控 根据上升管的粗煤气温度生成每个炭化室 对应的炼焦指数，把每个炭化室对应的炼焦指 数记录下来，生成历史数据库，从而找出粗煤 气温度与炭化室温度的关系，找出炭化室高／ 低温判别指标或判别域值，以自动生成操作 指导 ５关键技术创新点 （１）焦炉火道温度直接在线连续测量技术 为国内外首创，全自动测温系统测量精度高，过 程全自动进行，可靠性高，且测温仪表能在线、 长期、稳定地进行测量，投资省、操作方便，无 人为因素干扰。光学镜头的物镜、目镜、镀膜半 反镜片都采用光学石英玻璃，材料耐高温，热胀 系数小，不容易断裂或龟裂，镜头前安装一个吹 灰装置，向吹灰装置（单向通风）中吹气，在 光学镜头前形成一个向下流动的微风，避免烟 气、灰尘接触光学镜头。 （２）为了增加光纤的机械强度，在光纤的 外面套一层防护材料和金属软管，光纤沿铁轨布 置，放置在５ 槽钢中，在槽钢内铺设玻璃纤维 硅胶带隔热材料，防止火焰直接烧烤。 （３）建立了煤气流量与火道温度的相关模 型、分烟道吸力模型、粗煤气温度的测量与焦炭 成熟度模型等。 （４）根据火落时间判断焦炭成熟度。 （５）自动调节烟道吸力，优化焦炉燃烧控 制系统 ６运行情况及存在的问题 ６．１运行总结 ２０１３年３月２７日和４月８日分别投用了 ５ 、６ 焦炉自动加热装置，根据试运行监测数 据，得出以下结论。 （１）通过对立火道温度、焦饼中心温度、 粗煤气温度的自动监测，根据相关模型的分析和 焦炭质量的稳定情况，２０１３年３月１９日、５月２ 日和５月２７日分别对标准温度进行调整，机侧 由１ ２４０ ｃｌＣ下调为１ ２２０ ｃＣｌ，焦侧由１ ３００ ｑＣ下 调为１ ２８０℃，对３月１９日至５月２６日生产报 表数据进行统计分析，回炉煤气占煤气产量的比 率由原先的４９．２４％降低为４６．８９％，下降了 ２．３５％，节约煤气量约１ ５００ ｍ ／ｈ。 （２）减小５ 焦炉风门开度ｌＯ～２０ ｍｍ，烟 道吸力减少１０～２０ Ｐａ，化验分析废气含氧量由 原先的８．５２％下降为７．２３％，废气氧含量明显 降低。 （３）焦饼中心温度大都在９５０～１ １００ ， 适度降低标准温度后，焦饼中心温度多在１ ０００～ １ ０５０℃，焦炭质量强度指标符合准一级焦标 准，并且质量较为稳定。 ６．２存在的问题 （１）炉温调控没有考虑到入炉煤水分的波 动、配煤比的改变、煤气热值的改变等状况，会 出现自动测量与人工测量误差较大的情况，有时 温差在±１０ ｃ（＝偏上。 （２）焦饼中心温度的显示是以出炉时间为 查找点，因实际出炉时间与计划出炉时间有偏差 或受７ 拦焦车出炉的影响（未考虑备用７ 拦焦 车安装测温装置，投用时焦饼中心温度不能自动 测量），不易查找相关数据。该问题目前技术方 正在完善。 （３）调试运行阶段无损坏件，但出现过因 接触不良造成信号传送不到的情况。 ７结论 焦炉加热系统自动优化控制技术是国家目前 大力提倡、推进和扶持的节能减排与环保项目。 该项目的实施，对提高产品质量、降低单位产品 能耗、减少温室气体ＣＯ 的排放非常有成效。 项目在我公司的应用实践表明，实施后２座焦炉 年节约焦炉煤气１．６４×１０ ｍ ，折标煤１０ ｋｔ左 右，相应的废气排放量及氮氧化物产生量大幅减 少，而且在自主创新、节能减排方面也取得了重 大突破，推进了焦炉技术的进步，使焦炉的生产 操作和管理水平得到了进一步提高。我国是一个 焦炭生产大国，全国有大小焦炉上千座，焦炭产 能达２×１０ ｔ／ａ以上，该项技术的成功应用为全 国上千座焦炉的生产技术管理起到了示范作用， 具有广阔的市场前景。