保德山，陳 舉，任 梵

(1.云南大為制焦有限公司,云南 曲靖 655338；2.云南煤化工集團有限公司，云南 昆明 650231)

煉焦生產(chǎn)中，燃燒室的溫度控制是確保煉焦正常運行的關鍵。煉焦配合煤在炭化室內(nèi)經(jīng)歷了干燥、熱解、熔融、固化、收縮等階段，再通過高溫干餾最終形成了焦炭。在整個煉焦過程中，所需的熱量來自于燃燒室燃料氣燃燒所產(chǎn)生的熱量。在從燃燒室到炭化室的熱傳遞過程中，輻射傳熱占90%以上。生產(chǎn)中，同一燃燒室兩側(cè)煤餅處于不同的結(jié)焦周期，尤其是新裝配合煤，使得炭化室周邊的燃燒室溫度產(chǎn)生大幅波動。如果沒有掌握其變化規(guī)律，而僅僅通過測定燃燒室溫度就簡單地對燃料氣進行頻繁的調(diào)整，反而會加劇溫度持續(xù)的波動，極不利于生產(chǎn)控制。

對于煉焦過程中溫度的控制，無論是便于精細化管理，還是針對后續(xù)煙氣的成分變化，都有必要對爐溫變化情況進行深入分析和研究。煉焦行業(yè)內(nèi)普遍采用的K均、K安、K爐、K橫等爐溫系數(shù)，能夠從不同維度反應爐溫調(diào)控的精準性。但生產(chǎn)過程中存在由于爐溫測量時間等差異，會嚴重影響各個系數(shù)。究其原因，主要是由于測定過程中各炭化室結(jié)焦周期差異造成的。因此通過掌控因煤的不同結(jié)焦周期對爐溫的變化規(guī)律尤為重要，明確此影響并給予實施更加精準的前置調(diào)控有利于生產(chǎn)控制。

1 煉焦過程煤餅溫度變化

在煉焦過程中，煤餅在炭化室內(nèi)的整體溫度是逐步上升的，但在不同階段會出現(xiàn)短期下降和迅速上升的趨勢。這是由于物理變化和化學變化引起的溫度波動。通過焦煤的差熱分析(DTA)數(shù)據(jù)[1]充分說明了煤餅在干餾過程中的吸熱和放熱現(xiàn)象。如圖1所示。

圖1 焦煤干餾過程中DTA曲線

煤餅在 150 ℃ 附近出現(xiàn)第一個吸熱峰，此過程是煤析出水分和吸附氣體的過程，即煤的干燥過程；450 ℃ 附近出現(xiàn)第二個吸熱峰，此過程是煤發(fā)生解聚、分解生成氣體和煤焦油等低分子化合物的過程，即膠質(zhì)體形成階段；750℃溫度整體上升過程中出現(xiàn)一個放熱峰，表明此階段為放熱效應，是煤熱解殘留物互相縮聚，生成半焦的過程，相當于熱化學分析的半焦生成階段。

2 煉焦過程燃燒室溫度變化

在一個結(jié)焦周期內(nèi)，燃燒室燃氣量、吸力等一定的情況下，以新裝煤號n為例(配合煤水分Mt=10.5%，煉焦按照9-2串序裝煤)，考察了裝煤號燃燒室溫度(該溫度采用燃燒室各立火道平均溫度)的變化情況，具體如圖2所示。

圖2 結(jié)焦周期內(nèi)新裝煤號燃燒室溫度變化情況

由圖2清晰反應出，在一個結(jié)焦周期，燃燒室溫度呈現(xiàn)出“W”形。其中，n號炭化室裝煤后燃燒室溫度在前 5 h 溫度整體呈下降趨勢，并在4～5 h 時迅速下降后緩慢上升；在9～10 h 出現(xiàn)迅速下降后快速上升，并在 14 h 左右達到頂點，在 19 h 左右又出現(xiàn)一個峰值。從新裝煤到焦炭的成熟溫度變化趨勢，與配合煤的DTA曲線具有一致性。主要原因是由于炭化室內(nèi)煤料經(jīng)歷了不同的階段，由于煤料的吸熱和放熱傳熱變化所致。

從溫度變化趨勢對應到結(jié)焦機理，0～5 h 溫度持續(xù)下降,煤料處于干燥脫水階段；6～10 h 煤料逐步升溫，并達到煤的熱解溫度，煤料熱解生成氣體；11～14 h 隨著煤料溫度的持續(xù)升高，發(fā)生縮聚等放熱反應；從15～18 h 半焦收縮，到 19 h 左右焦炭收縮基本結(jié)束，對流傳熱轉(zhuǎn)為輻射傳熱，致使溫度迅速上漲；之后，隨著周邊炭化室煤料進入脫水階段，焦炭趨于成熟，溫度緩慢下降。

從上述對結(jié)焦周期內(nèi)燃燒室的溫度變化，間接反應出煤的結(jié)焦特性。目前結(jié)焦指數(shù)能夠很好地反應出焦炭的成熟情況。從燃燒室溫度變化情況看，采用焦炭收縮結(jié)束時間，作為結(jié)焦指數(shù)計算點。結(jié)焦指數(shù)CI=24/19=1.26,這與同等焦爐采用火落管理測定的結(jié)焦指數(shù)[2-3](CI=Tcoking/Tmax)以及推演公式[4]CI=0.037Tmax+0.356基本一致。

對于單個燃燒室而言，在一個結(jié)焦周期內(nèi)，溫度波幅達到 50 ℃，尤其是在焦爐高負荷生產(chǎn)狀態(tài)下，個別火道溫度還會進一步上升，并可能達到硅磚極限溫度 1450 ℃，從而引發(fā)事故。同時會造成焦炭過火或難推焦。另一方面，焦爐煙氣中氮氧化物的(NOx)高低與溫度密切相關，因溫度變化會使NOx發(fā)生變化。尤其是，在高溫條件下，NOx的生成量大幅增加，極不利于污染物的源頭控制。

全爐溫度均勻性和穩(wěn)定性是考察煉焦水平的重要參數(shù)。為此，按照一定的裝煤、推焦次序，考察了全爐溫度趨勢，具體如圖3。

注：各燃燒室溫度為火道溫度的平均值，選取了過程中較為理想的工況，K均=1。圖3 正常生產(chǎn)過程中全爐燃燒室某一時刻溫度情況

焦爐溫度雖是一個受多因素干擾的復雜熱工過程，但通過對全爐溫度的長期測定和匯總，全爐按9-2串序生產(chǎn)，未刻意對單孔溫度進行調(diào)整的情況下，全爐溫度呈現(xiàn)出規(guī)律的周期性變化。這一變化與各炭化室所處結(jié)焦階段密切關聯(lián)，充分體現(xiàn)了結(jié)焦過程對燃燒室溫度的影響程度之大，以及對整體溫度的高度關聯(lián)性。這一影響和關聯(lián)性為生產(chǎn)控制和指標預判提供了依據(jù)。

從前述燃燒室溫度與煤的結(jié)焦過程溫度變化的密切線性關系，可從源頭(即結(jié)焦過程本身溫度變化特性)實現(xiàn)各階段的溫度預判，并在此條件下實現(xiàn)溫度的前置調(diào)控。就此進行了嘗試，通過預判性的調(diào)控取得了良好效果。如圖4所示。

圖4 基于結(jié)焦過程溫度特性預調(diào)控的燃燒室溫度情況

穩(wěn)定生產(chǎn)狀態(tài)下，基于溫度周期性變化，對燃燒室溫度進行預調(diào)節(jié)，使得焦爐整體溫度更加平穩(wěn)，全爐整體溫度波幅大幅減小，K均、K安實質(zhì)品質(zhì)得到明顯提升，總體實現(xiàn)提谷壓峰?；诮?jīng)濟性考量，生產(chǎn)中僅對高峰值進行預調(diào)節(jié)，能夠更大限度地降低能耗，并且也能保證焦炭質(zhì)量。由于高溫得到壓制，焦爐煙氣中的NOx有所下降，實現(xiàn)了源頭控硝的目的。

3 實踐與應用

近年來，火落管理得到廣泛應用。該技術主要從上升管溫度或荒煤氣成分變化方面對燃料氣進行調(diào)節(jié)，并達到了一定的節(jié)能減排效果。但其技術的本源是對煉焦過程特性的應用。

燃燒室溫度測定和控制是指導煉焦生產(chǎn)的關鍵指標，但在煉焦過程中燃燒室溫度受結(jié)焦周期的影響出現(xiàn)大幅的變化，這一變化是有規(guī)律可循的，居于這一規(guī)律可更好地指導生產(chǎn)控制。

3.1 爐溫調(diào)控

煉焦爐溫是一個多因素影響的復雜熱工過程，K均、K安是評定爐溫的均勻性和穩(wěn)定性的慣用指標。通過對不同結(jié)焦階段內(nèi)爐溫趨勢的變化能夠?qū)t溫作出預判，并選擇合理的窗口期進行調(diào)控，能夠提升爐溫均勻性，提升焦爐各系數(shù)水平。

3.2 焦爐煙氣NOx調(diào)控

焦爐煙氣中NOx的生成以熱力型為主，燃燒溫度高低直接影響焦爐煙氣NOx的濃度。通過對煉焦過程中結(jié)焦中后期溫度的有效控制，能夠降低NOx的生成。

3.3 新技術擬合

常規(guī)條件下，對于爐溫的測定多數(shù)依靠人工間斷性測定。目前在線爐溫測量技術得到逐步推廣，諸如基于上升管溫度測定的火落管理，以及燃燒室溫度測定的自動加熱等技術，實現(xiàn)了溫度的連續(xù)測定，但無論是火落管理，還是基于燃燒室溫度測定的自動加熱，其本源是對煉焦過程各階段特性的檢測和判斷。對于生產(chǎn)控制和操作，燃燒室溫度能夠很好地反應煉焦特性，同時提倡源頭把控并實現(xiàn)與現(xiàn)有技術的深度融合。

4 結(jié)論

煉焦生產(chǎn)過程中，不同煉焦階段的物理和化學變化是引起溫度波動的主要因素。測定燃燒室的溫度變化是調(diào)控煉焦爐溫度最直接而有效的方法。針對生產(chǎn)中呈現(xiàn)出的爐溫周期性變化規(guī)律，以K均、K安、K爐、K橫等控制系數(shù)為指導，通過對燃燒室溫度的變化的控制，以此判斷結(jié)焦所處階段的結(jié)焦指數(shù)?；诖艘?guī)律，選擇合適的窗口期，實施爐溫前置調(diào)控，實現(xiàn)降低能耗和源頭控硝，同時也進一步提升了K均、K安控制系數(shù)的精準性，對煉焦生產(chǎn)的溫度控制具有較強的指導意義。