李小雷

(河南利源煤焦集團(tuán))

焦?fàn)t自動(dòng)加熱技術(shù)在煙道氣控硝上的應(yīng)用

李小雷

(河南利源煤焦集團(tuán))

針對(duì)河南利源煤焦集團(tuán)5.5 m焦?fàn)t加熱溫度人工測(cè)量，受測(cè)溫點(diǎn)、測(cè)溫時(shí)間、測(cè)溫人員的熟練程度和外部氣候以及生產(chǎn)工況等因素影響，將出現(xiàn)測(cè)量精度低、誤差大、加熱資源利用率低和氮氧化物排放量不穩(wěn)定等情況，探討引入自動(dòng)加熱系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)高效利用資源、穩(wěn)定爐溫、降低能耗和提高焦炭質(zhì)量的效果，達(dá)到從源頭控硝的目的。

焦?fàn)t 自動(dòng)加熱系統(tǒng) 源頭控硝

0 引言

伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)化、自動(dòng)化、信息化也在加速發(fā)展，人們對(duì)科技的認(rèn)識(shí)和探索也在快速豐富，對(duì)落后的工業(yè)技術(shù)所帶來(lái)的危害、傷害慢慢有了清晰的、正確的認(rèn)識(shí)，“要錢(qián)不要命、要錢(qián)不要環(huán)境、要錢(qián)不要健康”的時(shí)代已經(jīng)結(jié)束，綠色發(fā)展成為了科學(xué)的、合身的、時(shí)尚的新理念，轉(zhuǎn)型發(fā)展是實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展的必由之路，技術(shù)革新是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型發(fā)展的基本保障。但是較早建成運(yùn)行的焦?fàn)t，基于觀念的落后、認(rèn)識(shí)的滯后、煙氣處理技術(shù)和設(shè)施的不足，致使焦?fàn)t煙氣富含多種化學(xué)物質(zhì)，對(duì)自然生態(tài)造成嚴(yán)重破壞。最為明顯、最受關(guān)注的就是近幾年連續(xù)出現(xiàn)的霧霾天氣。

通過(guò)系統(tǒng)分析河南利源煤焦集團(tuán)5.5 m焦?fàn)t加熱溫度人工測(cè)量時(shí)，因受測(cè)溫點(diǎn)、測(cè)溫時(shí)間、測(cè)溫人員、氣候條件、生產(chǎn)工況等因素影響，產(chǎn)生的測(cè)量精度低、誤差大、加熱資源利用率不高和氮氧化物排放量不穩(wěn)定等情況，經(jīng)過(guò)技術(shù)革新，引入一種新型自動(dòng)加熱控制技術(shù)，有效解決了人工測(cè)溫的弊端，實(shí)現(xiàn)了資源高效利用、穩(wěn)定爐溫、降低能耗和提高焦炭質(zhì)量的效果，達(dá)到從源頭控硝的目的。

1 焦?fàn)t加熱系統(tǒng)存在的問(wèn)題

焦?fàn)t是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、多變量輸出輸入、大熱容但溫度相對(duì)滯后的系統(tǒng)，加熱過(guò)程又是一個(gè)相對(duì)動(dòng)態(tài)的熱平衡調(diào)整過(guò)程。針對(duì)焦?fàn)t的復(fù)雜結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)傳熱、多變生產(chǎn)工況的特性，必須從對(duì)焦?fàn)t整體溫度變化的分析認(rèn)識(shí)開(kāi)始，總結(jié)規(guī)律，對(duì)焦?fàn)t加熱技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)化控制優(yōu)化改造。

1.1 影響焦?fàn)t整體溫度變化的主要因素

(1)裝爐煤因素。裝爐煤包括揮發(fā)份、水分及煤料的質(zhì)量等，都會(huì)引起焦?fàn)t熱平衡的不穩(wěn)定。

(2)煤氣加熱因素。焦?fàn)t的加熱過(guò)程是單個(gè)燃燒室間歇、全爐連續(xù)、受多種因素干擾的熱干餾過(guò)程。焦?fàn)t的熱慣性非常大，增減煤氣流量后，溫度要在4 h～6 h以后才能反映出來(lái)[1]，另外測(cè)溫時(shí)間間隔長(zhǎng)，溫度調(diào)節(jié)不及時(shí)，都會(huì)引起爐溫的波動(dòng)。

(3)生產(chǎn)操作因素。生產(chǎn)作業(yè)時(shí)，操作時(shí)間長(zhǎng)會(huì)相對(duì)減少煤料在爐內(nèi)的結(jié)焦時(shí)間，尤其是涼爐時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)造成焦?fàn)t散熱量增加。煉焦生產(chǎn)期間集中檢修的實(shí)施是造成焦?fàn)t溫度波動(dòng)的一個(gè)重要原因。集中檢修時(shí)間越長(zhǎng)，這種影響越大。

(4)空氣過(guò)剩系數(shù)不合理因素。目前采用單個(gè)燃燒室廢氣進(jìn)行取樣分析，得出的空氣過(guò)剩系數(shù)代表性不強(qiáng)，且取樣化驗(yàn)周期長(zhǎng)，不能實(shí)時(shí)反映燃燒狀況的變化。

盡管近幾十年來(lái)，業(yè)內(nèi)一直在嘗試用熱電偶的技術(shù)替代人工測(cè)溫的方式，但由于測(cè)溫技術(shù)本身的限制和焦?fàn)t惡劣的環(huán)境，熱電偶實(shí)時(shí)測(cè)溫時(shí)間滯后[2]，因此實(shí)施焦?fàn)t自動(dòng)加熱和優(yōu)化控制系統(tǒng)的技改，對(duì)于穩(wěn)定爐溫、降低能耗、提高焦炭質(zhì)量、煙道氣控硝、實(shí)現(xiàn)資源高效利用非常有必要。

2 優(yōu)化方案

焦?fàn)t加熱現(xiàn)有一套控制系統(tǒng)，為減少改造，新增加的焦?fàn)t自動(dòng)加熱控制系統(tǒng)的AO輸出作為原系統(tǒng)的AI輸入，為保持一致，新系統(tǒng)PLC中的基準(zhǔn)煤氣壓力(流量)、P、I、D分量以原加熱控制系統(tǒng)DCS為參考。

2.1 控制方案的實(shí)施

采用前饋-反饋相結(jié)合的方式，根據(jù)配煤水分和煉焦指數(shù)模型確定最佳標(biāo)準(zhǔn)火道溫度，根據(jù)火道溫度——自動(dòng)調(diào)整加熱煤氣流量，根據(jù)加熱煤氣流量——自動(dòng)調(diào)整分煙道吸力?？刂葡到y(tǒng)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)

(1)溫度控制。焦?fàn)t立火道溫度控制系統(tǒng)是典型的大慣性、非線性、特性參數(shù)時(shí)變的系統(tǒng)，并且在生產(chǎn)過(guò)程中，還經(jīng)常受到諸如延時(shí)推焦、變更結(jié)焦時(shí)間、裝爐煤水分波動(dòng)等因素的干擾，故針對(duì)焦?fàn)t這一特點(diǎn)，采用解析式表述的模糊控制規(guī)則是非常適合的。采用前饋-反饋控制相結(jié)合的模式，根據(jù)前饋吸力模型和加熱煤氣流量的變化前饋調(diào)整。 吸力前反饋控制如圖2所示。

圖2 吸力前反饋控制

(2)分煙道吸力情況。根據(jù)分煙道殘氧量的大小反饋調(diào)整、修正吸力目標(biāo)值，考慮到交換過(guò)程對(duì)分煙道殘氧量影響非常大，氧化鋯測(cè)出的煙氣殘氧量不能直接作為控制參數(shù)，需要反饋模型計(jì)算的數(shù)據(jù)作為控制參數(shù)。

2.2 焦餅溫度的測(cè)量

焦餅中心溫度是反映焦炭均勻成熟的重要指標(biāo)，具體方法是在攔焦車(chē)導(dǎo)焦槽框架兩側(cè)的不同高度上，各安裝3個(gè)紅外測(cè)溫儀，在推焦進(jìn)行中透過(guò)柵架間隙自動(dòng)連續(xù)地測(cè)量整個(gè)焦餅兩個(gè)側(cè)表面的溫度，進(jìn)一步推算焦餅中心溫度?；鸬罍囟葴y(cè)量點(diǎn)如圖3所示。

圖3 火道溫度測(cè)量點(diǎn)

紅外測(cè)溫儀測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸發(fā)送到控制室里的接收終端，并進(jìn)行處理，生成溫度數(shù)據(jù)報(bào)表和趨勢(shì)曲線，以便查詢和打印。

2.3 煙氣成分分析

煙氣成分分析設(shè)置2個(gè)部分。一是用便攜式分析儀器，對(duì)焦?fàn)t每個(gè)燃燒室(甚至每個(gè)火道)進(jìn)行取樣分析，監(jiān)測(cè)燃燒效率(包括殘氧量、CO等)，為燃燒均勻性的調(diào)整提供依據(jù)。二是在每個(gè)分煙道處安裝煙氣成分分析儀器，對(duì)分煙道實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制全爐的煙氣成分。

2.4 直行均勻性與橫排均勻性的調(diào)整

一是根據(jù)焦餅溫度曲線調(diào)整橫排均勻性；二是根據(jù)火落時(shí)間曲線調(diào)整直行均勻性。

2.5 爐頂看火孔壓力的監(jiān)測(cè)與控制

在代表看火孔安裝耐高溫微壓計(jì)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制看火孔壓力的變化。

2.6 焦?fàn)t加熱煤氣的流量(或壓力)穩(wěn)定性控制

由于焦?fàn)t煤氣主管壓力的波動(dòng)以及焦?fàn)t頻繁的交換，導(dǎo)致進(jìn)入燃燒室的煤氣流量(壓力)波動(dòng)頻繁，對(duì)優(yōu)化燃燒非常不利，通過(guò)煤氣壓力精密控制程序和預(yù)測(cè)調(diào)控，可有效的穩(wěn)定煤氣流量。

2.7 氮氧化物(NOx)的排放控制

氮氧化合物是大氣污染的主要成分之一，目前國(guó)內(nèi)大部分焦化企業(yè)的氮氧化合物排放量都在600 mg/m3～2 000 mg/m3,特別是5.5 m搗固型焦?fàn)t氮氧化合物嚴(yán)重超標(biāo)(≥1 000 mg/m3)，目前控制焦?fàn)t煙氣中氮氧化物排放的主要方法是進(jìn)行煙氣脫硝，但投入大，能耗高、二次污染嚴(yán)重、運(yùn)行費(fèi)用高。即便如此，國(guó)內(nèi)目前還沒(méi)有一家正式運(yùn)行的脫硝裝置[3]。因此我們必須從源頭控硝，是目前最為便捷方便可行的措施，通過(guò)優(yōu)化才能緩解環(huán)保壓力。

2.7.1 氮氧化物的危害

氮氧化物作為污染排放物對(duì)人類(lèi)健康以及生態(tài)環(huán)境都產(chǎn)生了巨大的影響。在人類(lèi)健康方面，氮氧化物對(duì)人的眼睛和呼吸道都會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的刺激作用，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起支氣管炎并對(duì)肺部產(chǎn)生腐燭。在生態(tài)環(huán)境方面，氮氧化物是造成酸雨、溫室效應(yīng)以及破壞臭氧層的主要物質(zhì)之一，同時(shí)氮氧化物也是當(dāng)前我國(guó)霧霾天氣的主要成分。

2.7.2 氮氧化物的形成機(jī)理

焦?fàn)t燃燒過(guò)程中生成氮氧化物的形成機(jī)理有3種類(lèi)型：溫度熱力型、碳?xì)淙剂峡焖傩?、含N組分燃料型。

(1)燃料型。燃料中的有機(jī)氮化合物在燃燒過(guò)程中氧化生成的氮氧化物，主要原因是爐體串漏引起的。

(2)快速型。碳化氫系燃料在燃燒時(shí)分解，其分解產(chǎn)物和氮?dú)夥磻?yīng)生成的氮氧化物，主要是個(gè)別火道空氣量不夠引起的。

(3)熱力型。燃燒在空氣中的氮?dú)庠诟邷叵卵趸傻牡趸?，主要是?biāo)準(zhǔn)溫度過(guò)高引起的。

綜合上述形成機(jī)理，采用源頭上控制NOx，通過(guò)單燃燒控制技術(shù)，控制空氣量、火道溫度的分布、控制燃燒室壓力分布等技術(shù)手段，達(dá)到控制NOx的生成目的。

3 硬件組成

整個(gè)系統(tǒng)主要由火道溫度/火焰溫度全自動(dòng)在線連續(xù)測(cè)量系統(tǒng)、粗煤氣溫度的測(cè)量與建立火落判斷模型系統(tǒng)、焦餅測(cè)溫系統(tǒng)、煤氣成分分析設(shè)備、單燃燒室控制系統(tǒng)等設(shè)備構(gòu)成。自動(dòng)加熱組成系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 自動(dòng)加熱組成系統(tǒng)示意圖

3.1 火道溫度與火焰溫度全自動(dòng)在線連續(xù)測(cè)量

(1)光學(xué)鏡頭。光學(xué)系統(tǒng)直接安裝在爐頂?shù)目椿鹂仔t蓋上，通過(guò)目測(cè)瞄準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)立火道底部三角區(qū)中心位置，光學(xué)系統(tǒng)的總高度低于80 mm。

(2)光纖。把光學(xué)鏡頭收集的光信號(hào)傳送給儀表系統(tǒng)。

(3)儀表系統(tǒng)。把光信號(hào)轉(zhuǎn)化成溫度信號(hào)，并輸出標(biāo)準(zhǔn)4 m～20 mADC信號(hào)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制依托原有DCS控制系統(tǒng)，利用原有煙道吸力和煤氣流量自調(diào)閥實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

(4)防塵、防火系統(tǒng)。通過(guò)隔熱材料和吹風(fēng)，減低設(shè)備溫度，確保鏡頭清潔。

3.2 粗煤氣溫度的測(cè)量與火落判斷模型的建立

粗煤氣溫度的測(cè)量點(diǎn)選擇在橋管根部，檢測(cè)設(shè)備采用專(zhuān)用熱電偶。在煉焦過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的粗煤氣，粗煤氣在煉焦周期的不同時(shí)間段是按一定規(guī)律變化的，通過(guò)測(cè)量橋管處粗煤氣溫度的變化可自動(dòng)監(jiān)測(cè)每爐炭化室的火落時(shí)間、燜爐時(shí)間和實(shí)際結(jié)焦時(shí)間。

3.3 火落時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)溫度修正

采用專(zhuān)業(yè)的軟件，根據(jù)對(duì)焦餅溫度的數(shù)據(jù)和火落實(shí)際數(shù)據(jù)綜合分析，確定火落時(shí)間的合適范圍。生產(chǎn)過(guò)程中，若將火落時(shí)間穩(wěn)定在上述的范圍內(nèi)，就可以較好地控制焦炭的質(zhì)量。

3.4 單燃燒室控制技術(shù)

根據(jù)兩側(cè)的炭化室的結(jié)焦?fàn)顟B(tài)和立火道溫度的變化趨勢(shì)，實(shí)時(shí)調(diào)整加熱煤氣流量。一個(gè)燃燒室連接著相鄰的兩個(gè)炭化室,但兩個(gè)炭化室處于不同的結(jié)焦?fàn)顟B(tài),它們的推焦裝煤時(shí)間大于相隔4 h～8 h,炭化室處于不同的結(jié)焦時(shí)刻,吸收的熱量是不同的。在結(jié)焦初期,需要蒸發(fā)大量的水分和揮發(fā)份,吸收大量熱量,導(dǎo)致立火道溫度下降,在結(jié)焦末期,焦炭基本成熟,吸收的熱量很小,立火道溫度迅速上升。盡管焦?fàn)t操作采用5:2串序或9:2串序，把相鄰的兩個(gè)炭化室結(jié)焦時(shí)間錯(cuò)開(kāi)，但立火道溫度波動(dòng)較大，一般溫度的波動(dòng)大約在60 ℃，有的甚至可達(dá)120 ℃。

在煤氣支管上安裝氣動(dòng)蝶閥,根據(jù)立火道溫度的變化趨勢(shì),實(shí)時(shí)調(diào)整加熱煤氣流量,特別是在炭化室火落點(diǎn)后，吸熱很小，立火道溫度迅速上升，把煤氣流量降下來(lái)，可以降低溫度的波動(dòng)。但由于焦?fàn)t爐體是個(gè)大熱容體，熱慣性非常大，把溫度的波動(dòng)完全消除是不可能的，因此只能控制波動(dòng)幅度。

4 實(shí)施效果

(1)焦?fàn)t正常生產(chǎn)情況下，煙囪氮氧化物排放量小于500 mg/m3(小時(shí)平均值)，氮氧化物排放量以環(huán)保部門(mén)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

(2)節(jié)約加熱煤氣量2%左右，實(shí)現(xiàn)了煙氣的氮氧化物排放減少。

(3)建立火落判斷模型。實(shí)時(shí)檢測(cè)粗煤氣溫度的變化，準(zhǔn)確判斷每爐炭化室的火落時(shí)間，指導(dǎo)工藝人員進(jìn)行生產(chǎn)操作，并自動(dòng)生成煉焦指數(shù)歷史趨勢(shì)曲線、提供煉焦指數(shù)報(bào)警及報(bào)警記錄。

(4)在保證焦炭成熟度前提下，降低標(biāo)準(zhǔn)溫度10 ℃～30 ℃以上。

上述效果都是建立在合理的正常生產(chǎn)工況下，任何一種優(yōu)化方案，必須有一個(gè)合理的工作環(huán)境，這樣才能做出最優(yōu)方案?！敖?fàn)t正常生產(chǎn)”不包括燜爐時(shí)間超過(guò)正常時(shí)間2.0 h以上，強(qiáng)化生產(chǎn)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)溫度超過(guò)1 310 ℃(交換后20 s的溫度)，爐墻出現(xiàn)大面積的熔洞，沒(méi)有按計(jì)算機(jī)的指示進(jìn)行操作，生產(chǎn)負(fù)荷出現(xiàn)大的調(diào)整(4爐/天以上)時(shí)調(diào)整控制參數(shù)等五種情況。

5 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)的焦炭產(chǎn)量占到世界焦炭總產(chǎn)量的55%，大多數(shù)企業(yè)都還沒(méi)有使用焦?fàn)t加熱自動(dòng)控制系統(tǒng)。實(shí)施焦?fàn)t優(yōu)化加熱控制后，溫度的波動(dòng)減小了，空燃比更合理，煤氣節(jié)能效果和化產(chǎn)回收率提高了，煙氣的氮氧化物排放減少了，實(shí)現(xiàn)了煙氣的控硝目的，提升了焦?fàn)t操作管理自動(dòng)化水平，不僅穩(wěn)定了焦炭質(zhì)量，而且延長(zhǎng)了爐體壽命。

[1] 李忠，謝克昌.煤基醇醚燃料[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011：29-31.

[2] 賀永德.現(xiàn)代煤化工技術(shù)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011：764-766.

[3] 寧芳青.焦?fàn)tDN-SGT脫硝技術(shù)(源頭控硝)[J].廣東科技，2015(6)

APPLICATION OF AUTOMATIC HEATING TECHNOLOGY IN FLUE GAS NITRATE CONTROL OF COKE OVEN

Li Xiaolei

(Henan Liyuan Coal Tar Group)

The heating temperature in Henan Liyuan Coal Tar Group 5.5 meters coke oven, of artificial measurement, which affected by the temperature measurement points, the temperature measurement time, the proficiency of staff, the external climate and production conditions, there will be a low measurement precision, large error, the low utilization rate ofresources and NOxemissions is not stable, etc. This paper discusses the introduction ofautomatic heating system to realize the efficient utilization of resources, stable temperature, reducing energy consumption and improving the quality of coke, and achieve the aim of optimizing control from the source control of nitrate.

Coke oven Automatic heating system Source control of nitrate Optimal control

雷,電氣助理工程師,河南.安陽(yáng)(455141)，河南利源煤焦集團(tuán)焦化廠；

2017—3—28