焦炉自动加热技术及应用

摘 要：针对兖矿国际焦化有限公司7.63米焦炉人工测量焦炉加热温度，受测温点、测温时间、测温人员的熟练程度以及外部气候等因素的影响，测温精度低、误差大等情况，引入自动加热控制系统，实现资源高效利用、稳定炉温、降低能耗、提高焦炭质量的目的。

关键词：焦炉；自动加热；优化控制

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.03.036

1 焦炉加热系统现状

山东兖矿国际焦化有限公司的7.63米焦炉加热工艺流程是根据焦炉生产负荷，人为确定标准温度，测量焦饼中心温度，根据焦饼温度曲线判断标准温度确定是否合理，直至调整合理标准温度。不同焦炉生产负荷，对应不同的标准温度。日常测量主要有焦炉直行温度、横排温度和炉头温度。调火测温工每四小时测量一次直行温度，然后根据焦炉平均温度与标准温度的偏差，加减煤气流量、调整分烟道吸力。每周测量一次炉头温度，半月测量一次横排温度。人工测量焦炉加热温度，受测温点、测温时间、测温人员的熟练程度以及外部气候等因素的影响，测温精度低、误差大等情况，因此需要改进加热控制系统，实现资源高效利用、稳定炉温、降低能耗、提高焦炭质量、减少人工干预的目的。

2 焦炉加热系统存在的问题

（1）焦炉加热温度的测量采用传统的人工测温方法。调火测温工采用红外线测温仪瞄准立火道底部，人工测量受测温点、测温时间、测温人员的熟练程度以及外部气候条件等因素的影响，测温精度低，误差大；立火道底部温度不是均匀分布的，不同的人，选择不同的测量点，测量结果有很大的不同，测量点的偏移对测温的影响非常大。

（2）焦炉的加热过程是单个燃烧室间歇、全炉连续、受多种因素干扰的热工过程。焦炉的热惯性非常大，增减煤气流量后，温度要在4～6小时以后才能反映出来[1]，另外测温时间间隔大，温度调节不及时，炉温波动大。

（3）焦炉用加热煤气为回炉煤气和一部分驰放气，根据生产及焦炉温度情况设定加热煤气流量进行控制。驰放气流量的波动导致加热煤气热值波动，引起焦炉炉温波动，降低焦炉热工效率。

（4）空气过剩系数不合理。公司目前采用对单个燃烧室废气进行取样分析，得出的空气过剩系数代表性不强，且人工取样、化验过程费时多，周期长，不能实时地反映燃烧情况的变化。

尽管在近几十年一直在尝试用热电偶的方法去代替人工测温，但由于测温技术本身的限制和焦炉恶劣的环境，热电偶实时测温时间滞后[2]，因此实施焦炉自动加热和优化控制系统的技改，对于稳定炉温、降低能耗、提高焦炭质量、实现资源高效利用非常有必要。

3 优化措施

（1）实现焦炉立火道温度的全自动直接测量，可将三班测温改成白班巡检；（2）建立火道温度变化趋势数学模型，通过数学模型准确预测全炉立火道温度的变化趋势；（3）实现焦炉加热过程的全自动控制，根据火道温度的变化自动调整加热煤气流量（压力）和烟道吸力；（4）火落时间自动判断并记录；（5）优化标准火道温度模型，模型能根据配煤水分的变化和焦炭成熟预测模型，指导或自动调整标准温度；在保证焦炭成熟度前提下，降低标准温度20℃以上；（6）在充分利用甲醇驰放气的情况下，稳定焦炉加热；（7）节约回炉煤气流量2%以上；（8）实时监测全炉各炭化室的工作状态，自动监测全炉各炭化室的加热状态、自动判断高温/低温号，生成操作指导界面，指导工艺人员对个别炉号的供热量进行调整；（9）自动连续测量焦饼表面温度，并自动生成趋势曲线和报表。

4 自动测温系统的硬件构成

（1）光学镜头：光学系统直接安装在炉顶的看火空小炉盖上，通过目测瞄准对准立火道底部三角区中心位置，光学系统的总高度低于80mm；（2）光纤：把光学镜头收集的光信号传送给仪表系统；（3）仪表系统：把光信号转化成温度信号，并输出标准4～20mADC信号，实现自动控制依托原有DCS控制系统；利用原有烟道吸力和煤气流量自调阀实现自动控制；（4）防尘、防火系统：通过隔热材料和吹风，减低设备温度，确保镜头清洁。

5 焦炉自动加热优化控制方案

焦炉自动加热优化控制系统可根据火道温度自动调整加热煤气流量；根据加热煤气流量自动调整分烟道吸力；根据焦炭成熟度修正标准温度、调整个别异常火道；以二前馈、一反馈、一监控、三修正、两串级相结合的优化调控系统。二前馈：供热煤气量前馈、分烟道吸力前馈。一反馈：炉温反馈。一监测：监测空气系数α值。三修正：热值修正、水分修正、实测炉温偏差修正。两串级：炉温控制、吸力控制采用串级控制方案。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，并且在生产过程中还经常受到诸如延时推焦、变更结焦时间、装炉煤水分波动等因素的干扰，因此采用解析式表述的模糊控制规则。

（1）优化燃烧控制。在进行吸力控制之前，用便携式燃烧效率仪监测各个燃烧室的燃烧情况，然后对个别进气风门进行粗调，保证各个火道的空气过剩系数合理，并且各个火道的空气过剩系数基本一致。吸力控制采用前反馈控制模式，根据前馈吸力模型和加热煤气流量的变化前馈调整分烟道吸力大小；根据分烟道残氧量的大小反馈调整、修正吸力目标值，考虑到交换过程对分烟道残氧量影响非常大，氧化锆测出的烟气残氧量不能直接作为控制参数，需要反馈模型计算的数据作为控制参数。

（2）稳定加热煤气的热流量。最大限度的利用甲醇驰放气，同时确保加热煤气热流量的基本稳定。甲醇驰放气流量增大时，自动降低焦炉煤气流量；甲醇驰放气流量减小时，自动增加焦炉煤气流量；

6 效果分析

在实施焦炉优化加热控制后，焦炉标准温度控制更加合理，焦炉直行温度均匀系数显著提高，安定系数持续控制在1，空气过剩系数稳定在合理范围内，提高焦炉热工效率，可节约回炉煤气流量2%。

7 结语

实施焦炉优化加热控制后，温度的波动减小了，空燃比更合理，并且根据火落时间模型优化标准温度，节约回炉煤气约2%；温度下降后，结石墨减少，粗苯回收率提高；焦炉操作管理自动化水平有了很大的提高；对焦炉的调火提供了操作指导；炉温的稳定，有利于延长炉体寿命；焦炭质量的提高；焦油/苯的产量提高；通过对炼焦指数的观察，可实时检测高温、低温炉号，避免生焦、过火焦；降低工人劳动强度，改善操作环境。

参考文献：

[1]李忠，谢克昌.煤基醇醚燃料[M].北京：化学工业出版社，2011：29-31.

[2]贺永德.现代煤化工技术手册[M].北京：化学工业出版社，2011：764-766.