大容積焦爐結焦指數(shù)模型研究

袁浩杰，寧芳青

（1.寶鋼湛江鋼鐵有限公司，廣東 湛江524072；2.安徽工業(yè)大學，安徽 馬鞍山243002）

引 言

在焦爐生產(chǎn)過程中，為保證炭化室內焦餅的成熟，焦爐熱工管理至關重要，特別是結焦末期的熱工管理是影響焦炭質量的關鍵因素之一。目前，國內焦化企業(yè)主要采用以產(chǎn)品生產(chǎn)條件作為管理對象的爐溫管理方式，寶鋼則采用以焦化產(chǎn)品質量為管理對象的“火落管理”方法[1]?！盎鹇涔芾怼笔菍氫撛?0世紀80年代引進新日鐵焦爐時引入的一項焦爐熱工管理制度，相較于傳統(tǒng)“九溫五壓”的焦爐加熱管理方法，“火落管理”主要利用炭化室內煤料在干餾過程中出現(xiàn)的特殊現(xiàn)象來判定“火落時刻”，從而確定“火落時間”與“燜爐時間”（置時間）[2-3]。在焦爐生產(chǎn)過程中，一定的周轉時間內對置時間的合理控制是“火落管理”的技術關鍵，置時間過短易導致生焦，對焦炭的冷熱強度造成嚴重影響；置時間過長將造成焦炭過火，影響焦炭的粒度及推焦的穩(wěn)定順行[4-5]。因此，確定合理的置時間可降低煉焦耗熱量，改善焦炭質量，利用“火落管理”來判定焦炭成熟狀況的熱工管理方式，也在國內焦化行業(yè)逐漸得到應用。本文以寶鋼湛江鋼鐵有限公司（簡稱寶鋼湛江公司）7 m焦爐為對象，監(jiān)測了煉焦生產(chǎn)過程中上升管底部和橋管處荒煤氣溫度的變化趨勢，通過調節(jié)實際生產(chǎn)中開工率來建立結焦指數(shù)模型，從而為置時間的確定提供理論依據(jù)。

1 “火落”現(xiàn)象的特征與結焦指數(shù)

“火落”是煉焦生產(chǎn)過程中客觀存在的一種現(xiàn)象，“火落”發(fā)生時表明配合煤熱解炭化基本結束，焦炭基本成熟?？梢酝ㄟ^煉焦過程中結焦末期上升管荒煤氣溫度（或顏色）的變化來判定“火落”，其中裝煤時刻、火落時刻、推焦時刻是“火落管理”的重要時間節(jié)點[6]，裝煤時刻到推焦時刻為周轉時間，裝煤時刻至火落時刻為火落時間，周轉時間、火落時間、置時間的關系如圖1所示。在煉焦初期，荒煤氣溫度隨煉焦時間的延長而不斷升高，在最高點時為火落點，而在煤餅熱解炭化基本結束后，荒煤氣溫度逐漸下降，故而結焦指數(shù)CI可定義為式（1）。結焦指數(shù)較合理地反映了周轉時間與火落時間、燜爐時間（置時間τmen，h）的關系。

圖1 上升管荒煤氣溫度隨結焦時間變化趨勢圖

式中：τcoking——周轉時間，h；

τTmax——火落時間，h。

在實際焦爐熱工管理中，結焦指數(shù)是判斷焦炭是否成熟的主要依據(jù)，也是調節(jié)燃燒室溫度的基礎[7]，通過對上升管底部或橋管處荒煤氣溫度的在線監(jiān)測，判定火落時刻，再根據(jù)公式（1）可計算出結焦指數(shù)CI，故火落時刻的判定對結焦指數(shù)的確定非常重要。煉焦生產(chǎn)過程中判定火落時刻的方法有兩種：一是根據(jù)上升管荒煤氣顏色的變化，二是依據(jù)火落點即通過監(jiān)測上升管荒煤氣溫度變化，其中較好的方法是通過在上升管底部安裝熱電偶測定荒煤氣溫度，或者測定荒煤氣在橋管的溫度達到最高點的時刻來判定火落時刻[8]。

2 上升管荒煤氣溫度變化趨勢

在焦爐煉焦生產(chǎn)中，一般是通過觀察上升管荒煤氣顏色的變化來判斷火落點，這種方法存在較大的主觀性，有誤判的可能。隨著焦爐裝備及測試技術的發(fā)展，利用上升管荒煤氣溫度變化曲線來確定火落點更為簡捷。因此，寶鋼湛江公司在7 m大容積焦爐的上升管橋管處安裝了熱電偶，采集的荒煤氣溫度在1個結焦周期內變化趨勢如圖2所示，作為對比又在上升管底部安裝了熱電偶，監(jiān)測荒煤氣溫度的變化，如圖3所示。

圖2 上升管橋管部位荒煤氣溫度變化趨勢圖

圖3 上升管底部荒煤氣溫度變化趨勢圖

由圖2、圖3可知，在橋管處由于受噴灑氨水的影響，荒煤氣的測定溫度較低，最高溫度不超過280℃，但是其變化趨勢基本表現(xiàn)出火落。同時作為對比研究，上升管底部荒煤氣溫度的變化趨勢則可明顯反映出火落時刻，可作為較好的判定依據(jù)。兩種測溫方式結果表明，上升管底部溫度可真實反映荒煤氣的實際溫度狀況，同時由于受裝煤與出焦時剩余煤氣燃燒的影響，有較大的波動，荒煤氣的最高溫度點可明確確定，這有助于建立可用于指導實際生產(chǎn)的結焦指數(shù)模型。

3 結焦指數(shù)模型研究

3.1 焦爐實際生產(chǎn)的結焦指數(shù)

根據(jù)寶鋼湛江公司7 m焦爐2018年的實際生產(chǎn)操作數(shù)據(jù)，得到焦爐生產(chǎn)周轉時間與結焦指數(shù)關系，見圖4。

圖4 焦爐周轉時間與結焦指數(shù)關系圖

從圖4可知，焦爐炭化室的平均周轉時間為22.2 h，平均火落時間為16.9 h，平均結焦指數(shù)為1.31。

3.2 結焦指數(shù)模型的建立

在焦爐生產(chǎn)的實際操作過程中，為滿足生產(chǎn)的需要，可能要調整焦爐開工率，因此置時間和結焦指數(shù)也會隨之進行相應的調整。經(jīng)統(tǒng)計，寶鋼湛江公司焦化廠近幾年不同周轉時間（開工率）下的置時間和結焦指數(shù)如表1所示。

表1 開工率與火落管理參數(shù)的關系

由表1可知，隨著開工率的增加，焦爐周轉時間（結焦時間）縮短，置時間與結焦指數(shù)相應減少。在實際生產(chǎn)過程中，可通過開工率來確定結焦指數(shù)，并及時調整置時間，以確保焦炭成熟。

根據(jù)表1焦爐生產(chǎn)周轉時間（開工率）與結焦指數(shù)或置時間的數(shù)據(jù)，擬合出對應的模型，見圖5。擬合方程式如下。

對開工率：y結焦指數(shù)=0.000 56x2-0.136x+9.318，R2=0.959；y置時間=0.000 5x3-0.196 5x2+23.641x-953.156，R2=0.987。

對周轉時間：y結焦指數(shù)=0.037x+0.356，R2=0.996；y置時間=0.723x-12.854，R2=0.997。

圖5 不同周轉時間（開工率）下的置時間和結焦指數(shù)模型

3.3 利用上升管荒煤氣溫度對結焦指數(shù)模型的驗證

根據(jù)安裝在上升管橋管部位和上升管底部位置的熱電偶測定荒煤氣的溫度曲線判定結焦指數(shù)，并依據(jù)3.2節(jié)建立的結焦指數(shù)模型計算得到擬合的結焦指數(shù)，其誤差情況如表2所示。

表2 根據(jù)上升管荒煤氣溫度判定的結焦指數(shù)與結焦指數(shù)模型擬合計算的結焦指數(shù)關系

從表2可知，在上升管橋管處測得荒煤氣溫度所判定的結焦指數(shù)與周轉時間擬合模型計算的結焦指數(shù)差異比較明顯，其誤差最大為-0.12，且橋管處判定的結焦指數(shù)普遍低于根據(jù)周轉時間擬合的結焦指數(shù)，這是由于橋管處噴灑氨水影響荒煤氣溫度，導致未能及時反映火落點，使其后延，從而使結焦指數(shù)偏低；而根據(jù)上升管底部位置測得荒煤氣溫度所判定的結焦指數(shù)與周轉時間擬合模型計算的結焦指數(shù)比較吻合，其誤差最大為0.08，這是由于安裝在上升管底部的熱電偶能迅速地反映出荒煤氣溫度的變化，在荒煤氣溫度由逐漸上升轉為下降時，火落點很容易判定出來，通過火落時間計算出的結焦指數(shù)跟周轉時間擬合模型計算的結焦指數(shù)誤差較小，表明結焦指數(shù)模型擬合的結焦指數(shù)相對較準確。結合測試數(shù)據(jù)，將結焦指數(shù)控制在1.2左右較為合理。

綜上所述，在焦爐實際生產(chǎn)中，可充分利用現(xiàn)有上升管底部安裝的熱電偶實時測量荒煤氣溫度來判定火落點，或者利用本文擬合的結焦指數(shù)模型預設火落點，在中控電腦上自動提醒此時為火落時刻。另外為確保焦餅成熟，也可利用不同開工率下的結焦指數(shù)模型確定置時間。

4 結 論

4.1 根據(jù)焦爐實際生產(chǎn)條件，可通過周轉時間（開工率）擬合模型計算結焦指數(shù)，也可以分別采用上升管橋管處或上升管底部荒煤氣溫度判定結焦指數(shù)；而根據(jù)上升管底部荒煤氣溫度判定火落點較為及時準確，與周轉時間擬合模型計算的結焦指數(shù)誤差較小。若受焦爐現(xiàn)場條件限制，也可依據(jù)上升管橋管處荒煤氣溫度來判斷火落點。對大容積焦爐而言，建議結焦指數(shù)一般控制在1.2左右。

4.2 在實際生產(chǎn)中，可利用上升管荒煤氣溫度來判斷火落時刻，得到周轉時間和火落時間，依據(jù)結焦指數(shù)定義來確定置時間；也可采用本文建立的結焦指數(shù)模型計算不同開工率（周轉時間）下的結焦指數(shù)，為置時間的確定提供理論依據(jù)。