焦?fàn)t加熱燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化控制

周善語

廣西柳鋼焦化廠 廣西柳州 545001

焦?fàn)t加熱燃燒工況的改變對煉焦過程影響巨大，一方面會引起焦?fàn)t加熱溫度的波動，導(dǎo)致焦炭的產(chǎn)量和質(zhì)量下降、爐體壽命縮短；另一方面會破壞焦?fàn)t連續(xù)生產(chǎn)的穩(wěn)定性，導(dǎo)致煤氣消耗量增加、焦?fàn)t熱效率降低。目前，焦?fàn)t加熱燃燒控制系統(tǒng)中缺乏有效的模型辨識手段，只是對系統(tǒng)模型的粗略近似，導(dǎo)致控制效果較差。因采取更有效的控制策略對提高焦?fàn)t加熱溫度穩(wěn)定性、降低煉焦能耗十分重要。

1 焦?fàn)t的結(jié)構(gòu)及其生產(chǎn)工藝

1.1 焦?fàn)t的結(jié)構(gòu)

焦?fàn)t是煉焦的主要熱工設(shè)備，可生產(chǎn)焦炭、煤焦油、焦?fàn)t煤氣等產(chǎn)品。焦?fàn)t在生產(chǎn)過程中，以隔絕空氣的方式對炭化室內(nèi)的煤加熱，保持溫度在950-1050℃，經(jīng)過一整個(gè)結(jié)焦周期，煤料即被干餾成焦炭，并生成其他焦化產(chǎn)品。

（1）炭化室。炭化室主要功能是提供煤干餾的環(huán)境，其建筑材料大多數(shù)為耐火的密致硅磚，可讓燃燒室的熱量有效導(dǎo)入炭化室中。JN-60型焦?fàn)t的炭化室頂部一般設(shè)有兩個(gè)裝煤孔和兩個(gè)煤氣上升孔，機(jī)、焦側(cè)的爐門通常為添加耐火內(nèi)襯的鑄鐵爐門[1]。

（2）燃燒室。燃燒室是焦?fàn)t中最重要的供能區(qū)域，由多個(gè)隔墻分開的立火道組成，煤氣與空氣在此混合燃燒提供熱能。每個(gè)立火道的底部都設(shè)有三個(gè)圓孔，其中兩個(gè)與斜道相通，用于導(dǎo)入煤氣和空氣，另一個(gè)與磚煤氣道相通，作為焦?fàn)t煤氣的通道。燃燒室與炭化室并不處在同一水平高度，因此產(chǎn)生了加熱水平高度，是加熱過程中一個(gè)重要的參數(shù)。

（3）蓄熱室。蓄熱室主要用于回收煙氣中的熱能，并將這些熱能儲存下來，用于后續(xù)加熱階段中煤氣和空氣的預(yù)熱。經(jīng)過預(yù)熱后的氣體通過上部的斜道進(jìn)入燃燒室進(jìn)行混合燃燒。

（4）斜道區(qū)。斜道區(qū)是連接燃燒室與蓄熱室的重要通道，可將煤氣和空氣分別導(dǎo)入不同的立火道內(nèi)，還可將高溫廢氣導(dǎo)入蓄熱室內(nèi)[2]。

（5）爐頂區(qū)。爐頂區(qū)是炭化室頂磚以上的部分，一般設(shè)有看火孔、上升管孔以及拉條溝等。為了減少爐頂區(qū)的散熱，一般在不受壓力的區(qū)域鋪有隔熱磚。頂部表面鋪有不受雨水侵蝕的耐磨瓷磚以提高爐體使用年限。

（6）煙道。煙道外部一般由鋼筋混凝土澆筑，內(nèi)部貼有耐火磚塊，主要用于煙氣的排出。根據(jù)焦?fàn)t的具體結(jié)構(gòu)，一般分為下噴式和側(cè)噴式。

1.2 焦?fàn)t煉焦的生產(chǎn)工藝

煉焦過程中，主要由推焦裝煤車、熄焦車、攔焦車循環(huán)操作執(zhí)行。首先將處理好的碎煤裝入推焦裝煤車，在煤箱內(nèi)搗固成煤餅備用，然后控制開關(guān)將爐門打開，使用推焦桿將成熟的焦炭推入熄焦車，熄焦車順著軌道將紅焦運(yùn)至熄焦塔，在熄焦車運(yùn)送過程中，裝煤車將搗固成型的煤餅推入炭化室內(nèi)，待煤餅完全進(jìn)入炭化室后將爐門關(guān)閉，最后進(jìn)行焦?fàn)t加熱，經(jīng)過一整個(gè)結(jié)焦周期再次形成成熟的焦炭。

2 焦?fàn)t各系統(tǒng)主要內(nèi)容

2.1 焦?fàn)t加熱燃燒系統(tǒng)的主要內(nèi)容

焦?fàn)t加熱燃燒系統(tǒng)可分為加熱控制和燃燒控制兩個(gè)部分，焦?fàn)t加熱控制主要負(fù)責(zé)控制焦?fàn)t加熱溫度，保證焦炭產(chǎn)量和質(zhì)量。焦?fàn)t燃燒控制主要通過改變吸入燃燒室的空氣量，達(dá)到減少排煙熱損耗、提高焦?fàn)t熱效率的目的。煉焦生產(chǎn)過程中，焦?fàn)t加熱燃燒過程可分為焦?fàn)t加熱過程和煤氣的燃燒過程。

2.2 焦?fàn)t加熱控制的主要內(nèi)容

焦?fàn)t加熱控制主要以控制溫度為目標(biāo)，其中最核心的控制參數(shù)是立火道溫度。工業(yè)生產(chǎn)過程中將焦?fàn)t各燃燒室立火道溫度的平均值定義為焦?fàn)t立火道溫度，它反映了焦?fàn)t整體的加熱水平，直接決定了焦炭的產(chǎn)量和質(zhì)量。因此，必須對焦?fàn)t立火道溫度進(jìn)行精確的控制，而實(shí)現(xiàn)精確控制的前提是能夠準(zhǔn)確的測得實(shí)時(shí)溫度。

2.3 焦?fàn)t燃燒控制的主要內(nèi)容

煤氣在燃燒室燃燒的過程中，最核心的參數(shù)就是燃燒的效率，直接關(guān)系到焦化企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。為了提高焦?fàn)t的熱效率，一方面要保證煤氣得到充分燃燒，另一方面要盡量減少熱損耗。下面將首先分析焦?fàn)t的熱平衡。

3 焦?fàn)t加熱燃燒控制的難點(diǎn)

焦?fàn)t是當(dāng)代焦化行業(yè)最重要的熱工設(shè)備，經(jīng)過數(shù)百年的發(fā)展，現(xiàn)役最多的焦?fàn)t類型為蓄熱式焦?fàn)t，主要由燃燒室、炭化室和蓄熱室組成。煉焦的加熱過程十分復(fù)雜，具有大滯后、非線性等特點(diǎn)，因此難以采用傳統(tǒng)的建模方法建立起精確的系統(tǒng)模型，這極大的提高了控制難度。

焦?fàn)t的整體結(jié)構(gòu)十分龐大，無論是升溫還是降溫，其過程都十分緩慢，具有很強(qiáng)的慣性和嚴(yán)重的滯后性。外加現(xiàn)場生產(chǎn)過程中，根據(jù)煤料性質(zhì)等因素改變結(jié)焦周期，以及各種現(xiàn)場生產(chǎn)突發(fā)狀況都會對焦?fàn)t溫度造成嚴(yán)重干擾。上述的種種因素都給爐溫的穩(wěn)定控制帶來了不小的挑戰(zhàn)[3]。

4 優(yōu)化焦?fàn)t加熱燃燒的控制方案

影響焦炭質(zhì)量的因素主要為立火道溫度，火道溫度是否穩(wěn)定直接決定了焦炭質(zhì)量的好壞。影響焦?fàn)t熱效率的主要因素為空燃比，合理的空燃比值可以在保證溫度的前提下，有效減少排煙帶走的熱量，提高焦?fàn)t的熱效率。通過最小二乘支持向量機(jī)算法辨識溫度模型結(jié)合廣義預(yù)測控制的方案，達(dá)到穩(wěn)定控制爐溫的目的。為提高現(xiàn)場焦?fàn)t熱效率，采取基于煤氣熱值設(shè)定空燃比的策略，以調(diào)整通入燃燒室的煤氣量與空氣量，達(dá)到最佳燃燒的效果[4]。

5 結(jié)語

本文介紹了焦?fàn)t的加熱和燃燒系統(tǒng)，主要分為兩個(gè)方面：加熱控制和燃燒控制。在分析焦?fàn)t結(jié)構(gòu)、焦化過程、焦?fàn)t加熱過程、燃?xì)馊紵^程的基礎(chǔ)上，提出了結(jié)合溫度控制和空燃比控制的優(yōu)化控制策略。