焦?fàn)t自動加熱技術(shù)在煙道氣控硝上的應(yīng)用

李小雷

(河南利源煤焦集團(tuán))

焦?fàn)t自動加熱技術(shù)在煙道氣控硝上的應(yīng)用

李小雷

(河南利源煤焦集團(tuán))

針對河南利源煤焦集團(tuán)5.5 m焦?fàn)t加熱溫度人工測量，受測溫點、測溫時間、測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，探討引入自動加熱系統(tǒng)以實現(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、自動化、信息化也在加速發(fā)展，人們對科技的認(rèn)識和探索也在快速豐富，對落后的工業(yè)技術(shù)所帶來的危害、傷害慢慢有了清晰的、正確的認(rèn)識，“要錢不要命、要錢不要環(huán)境、要錢不要健康”的時代已經(jīng)結(jié)束，綠色發(fā)展成為了科學(xué)的、合身的、時尚的新理念，轉(zhuǎn)型發(fā)展是實現(xiàn)綠色發(fā)展的必由之路，技術(shù)革新是實現(xiàn)轉(zhuǎn)型發(fā)展的基本保障。但是較早建成運行的焦?fàn)t，基于觀念的落后、認(rèn)識的滯后、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加熱溫度人工測量時，因受測溫點、測溫時間、測溫人員、氣候條件、生產(chǎn)工況等因素影響，產(chǎn)生的測量精度低、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)過技術(shù)革新，引入一種新型自動加熱控制技術(shù)，有效解決了人工測溫的弊端，實現(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、大熱容但溫度相對滯后的系統(tǒng)，加熱過程又是一個相對動態(tài)的熱平衡調(diào)整過程。針對焦?fàn)t的復(fù)雜結(jié)構(gòu)、動態(tài)傳熱、多變生產(chǎn)工況的特性，必須從對焦?fàn)t整體溫度變化的分析認(rèn)識開始，總結(jié)規(guī)律，對焦?fàn)t加熱技術(shù)進(jìn)行自動化控制優(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的加熱過程是單個燃燒室間歇、全爐連續(xù)、受多種因素干擾的熱干餾過程。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[1]，另外測溫時間間隔長，溫度調(diào)節(jié)不及時，都會引起爐溫的波動。

(3)生產(chǎn)操作因素。生產(chǎn)作業(yè)時，操作時間長會相對減少煤料在爐內(nèi)的結(jié)焦時間，尤其是涼爐時間過長，會造成焦?fàn)t散熱量增加。煉焦生產(chǎn)期間集中檢修的實施是造成焦?fàn)t溫度波動的一個重要原因。集中檢修時間越長，這種影響越大。

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

盡管近幾十年來，業(yè)內(nèi)一直在嘗試用熱電偶的技術(shù)替代人工測溫的方式，但由于測溫技術(shù)本身的限制和焦?fàn)t惡劣的環(huán)境，熱電偶實時測溫時間滯后[2]，因此實施焦?fàn)t自動加熱和優(yōu)化控制系統(tǒng)的技改，對于穩(wěn)定爐溫、降低能耗、提高焦炭質(zhì)量、煙道氣控硝、實現(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——自動調(diào)整加熱煤氣流量，根據(jù)加熱煤氣流量——自動調(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)時變的系統(tǒng)，并且在生產(chǎn)過程中，還經(jīng)常受到諸如延時推焦、變更結(jié)焦時間、裝爐煤水分波動等因素的干擾，故針對焦?fàn)t這一特點，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，考慮到交換過程對分煙道殘氧量影響非常大，氧化鋯測出的煙氣殘氧量不能直接作為控制參數(shù)，需要反饋模型計算的數(shù)據(jù)作為控制參數(shù)。

2.2 焦餅溫度的測量

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導(dǎo)焦槽框架兩側(cè)的不同高度上，各安裝3個紅外測溫儀，在推焦進(jìn)行中透過柵架間隙自動連續(xù)地測量整個焦餅兩個側(cè)表面的溫度，進(jìn)一步推算焦餅中心溫度?；鸬罍囟葴y量點如圖3所示。

圖3 火道溫度測量點

紅外測溫儀測量的溫度數(shù)據(jù)通過無線傳輸發(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)報表和趨勢曲線，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個部分。一是用便攜式分析儀器，對焦?fàn)t每個燃燒室(甚至每個火道)進(jìn)行取樣分析，監(jiān)測燃燒效率(包括殘氧量、CO等)，為燃燒均勻性的調(diào)整提供依據(jù)。二是在每個分煙道處安裝煙氣成分分析儀器，對分煙道實時監(jiān)測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)火落時間曲線調(diào)整直行均勻性。

2.5 爐頂看火孔壓力的監(jiān)測與控制

在代表看火孔安裝耐高溫微壓計，實時監(jiān)測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)波動頻繁，對優(yōu)化燃燒非常不利，通過煤氣壓力精密控制程序和預(yù)測調(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、運行費用高。即便如此，國內(nèi)目前還沒有一家正式運行的脫硝裝置[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人類健康以及生態(tài)環(huán)境都產(chǎn)生了巨大的影響。在人類健康方面，氮氧化物對人的眼睛和呼吸道都會產(chǎn)生強(qiáng)烈的刺激作用，嚴(yán)重時會引起支氣管炎并對肺部產(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，同時氮氧化物也是當(dāng)前我國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燃燒過程中生成氮氧化物的形成機(jī)理有3種類型：溫度熱力型、碳?xì)淙剂峡焖傩汀⒑琋組分燃料型。

(1)燃料型。燃料中的有機(jī)氮化合物在燃燒過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分解，其分解產(chǎn)物和氮氣反應(yīng)生成的氮氧化物，主要是個別火道空氣量不夠引起的。

(3)熱力型。燃燒在空氣中的氮氣在高溫下氧化生成的氮氧化物，主要是標(biāo)準(zhǔn)溫度過高引起的。

綜合上述形成機(jī)理，采用源頭上控制NOx，通過單燃燒控制技術(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

整個系統(tǒng)主要由火道溫度/火焰溫度全自動在線連續(xù)測量系統(tǒng)、粗煤氣溫度的測量與建立火落判斷模型系統(tǒng)、焦餅測溫系統(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。自動加熱組成系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 自動加熱組成系統(tǒng)示意圖

3.1 火道溫度與火焰溫度全自動在線連續(xù)測量

(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，通過目測瞄準(zhǔn)對準(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)鏡頭收集的光信號傳送給儀表系統(tǒng)。

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

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

3.2 粗煤氣溫度的測量與火落判斷模型的建立

粗煤氣溫度的測量點選擇在橋管根部，檢測設(shè)備采用專用熱電偶。在煉焦過程中，會產(chǎn)生大量的粗煤氣，粗煤氣在煉焦周期的不同時間段是按一定規(guī)律變化的，通過測量橋管處粗煤氣溫度的變化可自動監(jiān)測每爐炭化室的火落時間、燜爐時間和實際結(jié)焦時間。

3.3 火落時間與標(biāo)準(zhǔn)溫度修正

采用專業(yè)的軟件，根據(jù)對焦餅溫度的數(shù)據(jù)和火落實際數(shù)據(jù)綜合分析，確定火落時間的合適范圍。生產(chǎn)過程中，若將火落時間穩(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，實時調(diào)整加熱煤氣流量。一個燃燒室連接著相鄰的兩個炭化室,但兩個炭化室處于不同的結(jié)焦?fàn)顟B(tài),它們的推焦裝煤時間大于相隔4 h～8 h,炭化室處于不同的結(jié)焦時刻,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，把相鄰的兩個炭化室結(jié)焦時間錯開，但立火道溫度波動較大，一般溫度的波動大約在60 ℃，有的甚至可達(dá)120 ℃。

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

4 實施效果

(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(小時平均值)，氮氧化物排放量以環(huán)保部門監(jiān)測數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

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

(3)建立火落判斷模型。實時檢測粗煤氣溫度的變化，準(zhǔn)確判斷每爐炭化室的火落時間，指導(dǎo)工藝人員進(jìn)行生產(chǎn)操作，并自動生成煉焦指數(shù)歷史趨勢曲線、提供煉焦指數(shù)報警及報警記錄。

(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)”不包括燜爐時間超過正常時間2.0 h以上，強(qiáng)化生產(chǎn)時標(biāo)準(zhǔn)溫度超過1 310 ℃(交換后20 s的溫度)，爐墻出現(xiàn)大面積的熔洞，沒有按計算機(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)時調(diào)整控制參數(shù)等五種情況。

5 結(jié)語

我國的焦炭產(chǎn)量占到世界焦炭總產(chǎn)量的55%，大多數(shù)企業(yè)都還沒有使用焦?fàn)t加熱自動控制系統(tǒng)。實施焦?fàn)t優(yōu)化加熱控制后，溫度的波動減小了，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，實現(xiàn)了煙氣的控硝目的，提升了焦?fàn)t操作管理自動化水平，不僅穩(wěn)定了焦炭質(zhì)量，而且延長了爐體壽命。

[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[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(455141)，河南利源煤焦集團(tuán)焦化廠；

2017—3—28