智能煉焦關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展與趨勢分析

甘秀石 ，韓樹國 ，王超 ，朱慶廟 ，趙鋒

（1.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼股份有限公司煉焦總廠，遼寧 鞍山 114021）

以智能制造為核心，基于大數(shù)據(jù)、云計(jì)算的新型信息化技術(shù)與傳統(tǒng)制造業(yè)的加速融合已成為全球先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展的突出趨勢。與鋼鐵工業(yè)高度相關(guān)的煉焦工業(yè)正經(jīng)歷著從傳統(tǒng)的大規(guī)模重復(fù)建設(shè)轉(zhuǎn)型為以智能高效為主題的高質(zhì)量發(fā)展工業(yè)。智能煉焦是在自動(dòng)化和信息化的煉焦基礎(chǔ)上，形成以實(shí)時(shí)感知為核心、協(xié)同服務(wù)為基礎(chǔ)、智能決策和分析為目標(biāo)的工業(yè)過程。2020年，我國焦炭產(chǎn)量已達(dá)4.71億t，約占世界焦炭總產(chǎn)量的69%，已連續(xù)多年穩(wěn)居世界第一，強(qiáng)有力地支撐了我國粗鋼產(chǎn)量長期保持的世界領(lǐng)先地位，并且初步構(gòu)建起面向煉焦生產(chǎn)全流程制造集成技術(shù)體系。

1 煉焦過程與智能煉焦概況

煉焦是應(yīng)用配合煤在焦?fàn)t中進(jìn)行高溫干餾的過程。配合煤主要由氣煤、肥煤、焦煤、1/3焦煤、瘦煤等不同變質(zhì)程度的單種煉焦煤組成，各單種煤按一定比例配合，經(jīng)過混合前各自粉碎或混合后統(tǒng)一粉碎達(dá)到一定細(xì)度后，到焦?fàn)t內(nèi)進(jìn)行一段時(shí)間的隔絕空氣加熱。成熟后的焦炭經(jīng)過換熱降溫、篩分后輸送給各級用戶 （主要是煉鐵）使用，煤熱解產(chǎn)生的荒煤氣經(jīng)過凈化用于工業(yè)原料或燃料，燃燒產(chǎn)生的廢氣經(jīng)過處理后經(jīng)焦?fàn)t煙囪外排。典型煉焦過程 （配合煤先配和后粉碎）見圖1。

圖1 典型煉焦過程（配合煤先配和后粉碎）Fig.1 Typical Coke-making Process （Mixture Coal to be Blended First and Crushed Later）

進(jìn)入21世紀(jì)以來，煉焦生產(chǎn)技術(shù)呈現(xiàn)飛速發(fā)展態(tài)勢，在焦?fàn)t大型化、綠色化基礎(chǔ)上，煉焦智能高效化是煉焦行業(yè)發(fā)展的一個(gè)必然趨勢。智能煉焦成為有效保證煉焦過程穩(wěn)定、減小焦炭質(zhì)量波動(dòng)的一項(xiàng)根本的技術(shù)手段，同時(shí)能夠有效提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低人工成本。智能煉焦生產(chǎn)全流程制造技術(shù)主要集中在如下環(huán)節(jié)：一是圍繞煤，主要包括煉焦用煤的到達(dá)、質(zhì)量監(jiān)測、性質(zhì)分析、內(nèi)部運(yùn)輸、儲(chǔ)存、配合和使用等；二是圍繞焦，主要包括焦炭的制備、熄滅、篩分、質(zhì)量監(jiān)測、應(yīng)用等；三是圍繞煤焦設(shè)備，主要包括設(shè)備配合使用、狀態(tài)監(jiān)測、故障分析、維修保養(yǎng)等過程中的智能化。十三五期間，我國智能煉焦逐步集中在配合煤制備，焦?fàn)t加熱，焦?fàn)t車輛控制，干熄焦、煤料和焦炭物料輸送等煉焦生產(chǎn)單元及其附屬模塊形成關(guān)鍵技術(shù)，并有所發(fā)展和突破。

2 智能煉焦關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展與趨勢

2.1 配合煤制備智能化

配合煤制備系統(tǒng)是煉焦生產(chǎn)的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，受煤質(zhì)特性、運(yùn)輸、價(jià)格、焦炭質(zhì)量需求等因素影響，為保證煉焦用煤供應(yīng)穩(wěn)定，一般將各路徑來煤的煉焦煤性質(zhì)接近煤種通過皮帶傳送至筒倉進(jìn)行儲(chǔ)存?zhèn)溆?，再根?jù)需求進(jìn)行配煤及粉碎等處理。傳統(tǒng)配合煤制備過程中，容易造成因人為操作失誤或者機(jī)械故障而發(fā)生卸錯(cuò)煤、上錯(cuò)煤及配錯(cuò)煤等問題，而且裝錯(cuò)量、裝錯(cuò)筒倉編號、裝錯(cuò)時(shí)間等溯源難度大，易造成后續(xù)配煤結(jié)果失真，進(jìn)而影響焦炭質(zhì)量。另外，在煉焦配煤生產(chǎn)管理過程中缺少信息化、智能化管理平臺，信息傳輸及共享度低，影響配煤決策響應(yīng)時(shí)間。

基于備煤智能化的開發(fā)與使用能夠?qū)崿F(xiàn)配合煤制備過程中物流信息、車皮調(diào)配、質(zhì)檢化驗(yàn)、翻車前車號識別、煤種確認(rèn)全過程信息的實(shí)時(shí)共享，給翻車機(jī)自動(dòng)翻車信號、貯煤筒倉卸煤小車自動(dòng)行走定位、自動(dòng)卸煤信號，在自動(dòng)化和信息化基礎(chǔ)上提升系統(tǒng)智能化水平。配合煤采用智能優(yōu)化、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等方法確定其中各煤種配比，從而實(shí)現(xiàn)降低配煤煉焦生產(chǎn)成本和提高焦炭質(zhì)量的效果，焦化配煤流程如圖2所示。在合理范圍內(nèi)優(yōu)化配煤比例可以使焦化企業(yè)減低生產(chǎn)成本，同時(shí)有利于降低煉焦煤資源的消耗以及降低對環(huán)境的污染［1］。

圖2 焦化配煤流程Fig.2 Coal Blending Process for Coke-making

譚紹棟等［2］結(jié)合焦化廠煉焦配煤生產(chǎn)開發(fā)了配煤專家系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要效果體現(xiàn)在生產(chǎn)配煤的配比調(diào)控、配煤質(zhì)量監(jiān)管以及焦炭質(zhì)量的預(yù)測等方面。當(dāng)前，伴隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對配煤煉焦生產(chǎn)過程中參數(shù)適應(yīng)性要求逐步降低，在焦化領(lǐng)域中的研究與應(yīng)用逐步拓展，黃永輝［3］、田英奇［4］、陶文化［5］等在人工智能網(wǎng)絡(luò)模型開發(fā)用于焦炭質(zhì)量預(yù)測方面已取得進(jìn)展。

旭陽集團(tuán)開發(fā)的智能配煤專家系統(tǒng)配煤流程見圖3，該系統(tǒng)于2020年6月9日率先在中煤旭陽上線。智能配煤系統(tǒng)與基礎(chǔ)系統(tǒng)對接，并結(jié)合利用集團(tuán)大數(shù)據(jù)和云平臺，打通了配煤與煉焦生產(chǎn)全流程，使配煤與煉焦生產(chǎn)一體化智能化成為可能。截至目前，利用系統(tǒng)下達(dá)配煤單277個(gè)，創(chuàng)新并應(yīng)用配煤比6個(gè)，降配煤價(jià)30～70元/t，焦炭產(chǎn)品質(zhì)量合格率在行業(yè)領(lǐng)先基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步提升。

圖3 旭陽集團(tuán)智能配煤專家系統(tǒng)配煤流程Fig.3 Coal Blending Process for Intelligent Coal Blending Expert System in Xuyang Group

2.2 焦?fàn)t加熱智能化

焦?fàn)t是煉焦生產(chǎn)的核心裝備模塊，其加熱智能化集中體現(xiàn)在焦?fàn)t溫度智能控制方面。其中，焦?fàn)t溫度自動(dòng)測量及自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠在線監(jiān)測焦?fàn)t溫度變化趨勢，消除人工測溫誤差干擾，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)焦?fàn)t加熱控制，通過快速調(diào)節(jié)加熱用煤氣流量，減少爐溫波動(dòng)，使焦?fàn)t溫度更加穩(wěn)定合理，并能節(jié)約加熱煤氣，對于穩(wěn)定焦炭質(zhì)量、延長爐體壽命、節(jié)能降耗、保護(hù)環(huán)境都有著非常重要的意義。

山鋼日照基地7.3 m SUPRACOK焦?fàn)t，能夠?qū)崿F(xiàn)焦?fàn)t加熱的自動(dòng)調(diào)控，焦炭成熟過程監(jiān)控，編制與協(xié)調(diào)裝煤和推焦生產(chǎn)計(jì)劃，與其他計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊等功能［6］。在提高焦?fàn)t操作穩(wěn)定性、安全性和煉焦生產(chǎn)效率上效果顯著，在提高和穩(wěn)定焦炭質(zhì)量的同時(shí)，能夠有效降低加熱煤氣消耗，降低煉焦耗熱量達(dá)4%～5%。此外，對降低NOX生成也有積極效果。

馬鋼結(jié)合其7.63 m焦?fàn)t加熱運(yùn)行控制特性，開展焦?fàn)t立火道的紅外自動(dòng)測量，結(jié)合焦?fàn)t加熱溫度變化規(guī)律，實(shí)時(shí)調(diào)控加熱運(yùn)行與停止，實(shí)現(xiàn)焦?fàn)t燃燒室溫度的動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，取得了降低焦?fàn)t熱量消耗的同時(shí)使焦?fàn)t爐溫均勻性顯著提高的效果。

鞍鋼煉焦總廠已在全部煉焦車間推廣使用焦?fàn)t在線自動(dòng)測溫的焦?fàn)t智能加熱控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了焦?fàn)t加熱煤氣量和煙道吸力的自動(dòng)調(diào)節(jié)。在焦?fàn)t穩(wěn)定生產(chǎn)條件下，立火道在線測溫與自動(dòng)加熱系統(tǒng)能夠?qū)訜崦簹饬髁亢臀M(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，提高加熱的均勻性，有利于穩(wěn)定焦炭質(zhì)量，同時(shí)節(jié)約煤氣用量2%以上［7］。鞍鋼焦?fàn)t在線測溫與控制系統(tǒng)示意圖見圖4。

圖4 鞍鋼焦?fàn)t在線測溫與控制系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic Diagram for On-line Temperature Measurement and Control System for Coke Oven in Anteel

2.3 焦?fàn)t車輛智能化

焦?fàn)t車輛是焦?fàn)t生產(chǎn)的重要工藝設(shè)備，常規(guī)頂裝焦?fàn)t由推焦機(jī)、攔焦機(jī)、裝煤車、熄焦車等組成。焦?fàn)t生產(chǎn)具有車輛種類多，車輛自身單元操作多，多機(jī)種協(xié)調(diào)動(dòng)作多等特點(diǎn)，同時(shí)，面臨爐頂溫度高，有害氣體及粉塵多，勞動(dòng)強(qiáng)度大等焦化行業(yè)一直亟待解決的難題。焦?fàn)t車輛智能化能夠?qū)⒉僮鞴と私夥懦鰜?，提高勞?dòng)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，保證安全生產(chǎn)。

焦?fàn)t機(jī)車進(jìn)行無人化及智能改造應(yīng)該把焦?fàn)t機(jī)車的快速、精準(zhǔn)、可靠的自動(dòng)定位作為實(shí)現(xiàn)無人化、智能化的核心［8］。常見的智能化焦?fàn)t機(jī)車系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架圖見圖5。

圖5 智能化焦?fàn)t機(jī)車系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖Fig.5 Network Architecture Diagram for Intelligent Coke Oven Locomotive System

山鋼日照基地7.3 m焦?fàn)t采用無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)結(jié)合碼牌的自動(dòng)定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)焦?fàn)t機(jī)車智能作業(yè)管理。碼牌技術(shù)采用射頻識別方式，各爐有獨(dú)立的定位標(biāo)記，無累計(jì)誤差，定位方法簡單可靠，定位精度高，對位精度達(dá)±2 mm；無線數(shù)據(jù)通訊技術(shù)分別在推焦車、攔焦車、裝煤車、熄焦車設(shè)無線通訊子站，在主控室設(shè)無線通訊主站，實(shí)現(xiàn)無線組網(wǎng)通訊，完成四大車之間及與出焦除塵站、機(jī)側(cè)爐頭煙除塵站之間的數(shù)據(jù)交換。焦?fàn)t機(jī)車智能作業(yè)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了四大機(jī)車的自動(dòng)化生產(chǎn)運(yùn)行和計(jì)算機(jī)生產(chǎn)管理，實(shí)現(xiàn)焦?fàn)t機(jī)車“有人監(jiān)視、全自動(dòng)運(yùn)行”智能化目標(biāo)［6］。

馬鋼焦化通過7.63 m焦?fàn)t機(jī)車無人化項(xiàng)目攻關(guān)，基本掌握了無人化生產(chǎn)關(guān)鍵核心技術(shù)（包括焦?fàn)t生產(chǎn)條件下的通迅、機(jī)車精準(zhǔn)對位、機(jī)車與各系統(tǒng)之間無人聯(lián)鎖技術(shù)），目前熄焦車已完全實(shí)現(xiàn)無人化，其它機(jī)車正在調(diào)試階段。

寶鋼四期焦?fàn)t通過對電機(jī)車的設(shè)備優(yōu)化、控制程序的改進(jìn)、安全管控措施的增加完善，已初步實(shí)現(xiàn)焦?fàn)t電機(jī)車的無人化運(yùn)行［9］。寶鋼湛江基地在7 m焦?fàn)t上開展了焦?fàn)t機(jī)車的無人化改造，通過在裝煤車上增加直行揭蓋裝置和裝煤口堵塞檢測系統(tǒng)，應(yīng)用機(jī)械數(shù)字孿生系統(tǒng)和毫米波雷達(dá)技術(shù)，開發(fā)焦?fàn)t機(jī)車自動(dòng)定位及主動(dòng)防碰撞系統(tǒng)等技術(shù)措施，使焦?fàn)t機(jī)車運(yùn)行故障診斷系統(tǒng)性能得到全方位提升，完善了焦?fàn)t機(jī)車各種監(jiān)測及保護(hù)運(yùn)行系統(tǒng)，也實(shí)現(xiàn)了焦?fàn)t機(jī)車的自動(dòng)化運(yùn)行［10］。

2.4 干熄焦智能化

干熄焦是采用惰性循環(huán)氣體將紅焦降溫冷卻的一種熄焦方法，具有減少熄焦煙塵排放、回收利用紅焦余熱、在煤源既定的條件下有效提高焦炭的冶金性能等優(yōu)點(diǎn)。干熄焦系統(tǒng)工藝流程見圖6。

圖6 干熄焦系統(tǒng)工藝流程Fig.6 Process Flow for Coke Dry Quenching System

國內(nèi)外干熄焦生產(chǎn)運(yùn)行主要還是傳統(tǒng)的工廠運(yùn)行方式，控制上主要采用部分設(shè)備手動(dòng)和部分單元自動(dòng)相結(jié)合的生產(chǎn)運(yùn)行方式。一些故障判定還需要部分專業(yè)人員進(jìn)行現(xiàn)場查找診斷。隨著工業(yè)4.0的發(fā)展，傳統(tǒng)的工廠轉(zhuǎn)型為智能工廠，干熄焦的生產(chǎn)運(yùn)行方式向既保證安全穩(wěn)定生產(chǎn)運(yùn)行，又能實(shí)現(xiàn)智能化、長壽化已經(jīng)是必然發(fā)展趨勢。

（1）干熄焦提升智能化控制。干熄焦提升系統(tǒng)由于工作環(huán)境惡劣、長期滿負(fù)荷自動(dòng)運(yùn)行、定位精度要求高，是干熄焦生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，提升機(jī)系統(tǒng)故障將會(huì)給干熄焦生產(chǎn)造成重大影響。干熄焦提升控制系統(tǒng)通過遠(yuǎn)程精確控制、精準(zhǔn)定位控制、全自動(dòng)冗余控制、控制系統(tǒng)能量回饋、吊具自動(dòng)脫掛鉤、防風(fēng)錨定等技術(shù)及裝置的綜合運(yùn)用，可有效實(shí)現(xiàn)干熄焦提升控制系統(tǒng)智能化運(yùn)行［11-12］。

（2）干熄爐料位檢測與控制。干熄爐內(nèi)高溫焦炭料位檢測的準(zhǔn)確與否關(guān)系到干熄焦裝置的穩(wěn)定安全生產(chǎn)，新型數(shù)字處理技術(shù)通過將接收伽馬射線穿過焦炭時(shí)強(qiáng)度減弱的射線劑量轉(zhuǎn)化為直觀的數(shù)字量顯示，可有效實(shí)現(xiàn)干熄爐的料位測量。DCS系統(tǒng)能夠?qū)⒘衔挥?jì)測定的干熄爐內(nèi)的紅焦下料、排料變化準(zhǔn)確地通過趨勢圖呈現(xiàn)出來，方便精確掌握干熄爐內(nèi)焦炭的實(shí)際存量高度，從而提高干熄爐生產(chǎn)操控［13］。

（3）干熄焦鍋爐自動(dòng)加藥。在DCS控制系統(tǒng)中對干熄焦鍋爐加藥控制器修正后的數(shù)學(xué)邏輯算法以及運(yùn)行設(shè)備的傳動(dòng)比進(jìn)行組態(tài)，建立相適應(yīng)的邏輯和計(jì)算關(guān)系，實(shí)現(xiàn)干熄焦鍋爐加藥自動(dòng)控制，使干熄焦鍋爐給水指標(biāo)正常，解決余熱負(fù)荷不穩(wěn)定使鍋爐爐水磷酸根波動(dòng)范圍大問題，保障干熄焦鍋爐的安全穩(wěn)定生產(chǎn)［14］。

2.5 煤及焦炭物料輸送系統(tǒng)智能化

煤、焦皮帶通廊自然環(huán)境比較惡劣，光線暗、粉塵大，且通廊的人行過道比較窄。工作人員巡檢時(shí)，受光線、粉塵、道路狹窄及運(yùn)輸材料氣味、溫度、濕氣影響，非常容易發(fā)生安全事故。傳統(tǒng)安防缺少對視頻內(nèi)容的解析，需要工作人員緊密配合，才能較好實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)控防護(hù)的使命。

通過對粉碎機(jī)和皮帶電機(jī)等關(guān)鍵大電機(jī)、風(fēng)機(jī)增加在線檢測設(shè)備，對振動(dòng)數(shù)據(jù)、溫度及轉(zhuǎn)速等參數(shù)的在線采集，建立一套設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)集中管控、智能診斷分析平臺，由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)上層業(yè)務(wù)流程智能診斷服務(wù)平臺，實(shí)現(xiàn)預(yù)測故障、降低非計(jì)劃停機(jī)等目標(biāo)。

目前，視覺技術(shù)已經(jīng)從傳統(tǒng)簡單的視頻監(jiān)控，向智能安防、智慧安防方向發(fā)展，智能化成為物料輸送安防新的發(fā)展方向。智能安防技術(shù)中人員檢測、人員定位、人員運(yùn)動(dòng)特征識別已獲得成熟的應(yīng)用［15］。將現(xiàn)代視覺安防技術(shù)、模式識別技術(shù)、人工智能技術(shù)應(yīng)用到皮帶通廊現(xiàn)場，進(jìn)行人員安全檢測，為工作人員多提供一道安全防線，能夠加強(qiáng)皮帶通廊人行過道區(qū)域監(jiān)控力度，提升信息化管理能力，促使現(xiàn)場安防向智慧監(jiān)管方向發(fā)展。煉焦煤及焦炭物料輸送系統(tǒng)主體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖見圖7。

圖7 常見煤及焦炭物料輸送系統(tǒng)主體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic Diagram for Main Network Structure for Common Coal and Coke Material Conveying System

3 鞍鋼煉焦智能化進(jìn)展及展望

鞍鋼煉焦生產(chǎn)以經(jīng)濟(jì)、高效、智能、綠色、先進(jìn)煉焦為總體目標(biāo)，借助5G+、大數(shù)據(jù)等手段，全面提升煉焦裝備自動(dòng)化、信息化水平，夯實(shí)煉焦生產(chǎn)的數(shù)字化基礎(chǔ)，全面向煉焦品控需求全流程控制轉(zhuǎn)變升級。煉焦生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)已投入運(yùn)行，煉焦工序的立火道在線測溫與自動(dòng)加熱控制系統(tǒng)在節(jié)能降耗方面初見效果，焦?fàn)t車輛智能控制系統(tǒng)、干熄焦智能化管控系統(tǒng)、機(jī)器人巡檢等項(xiàng)目快速開展應(yīng)用，智能煉焦格局初步顯現(xiàn)。

鞍鋼煉焦將繼續(xù)探索智能煉焦，實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全、運(yùn)行管控強(qiáng)化、人力資源優(yōu)化、生產(chǎn)效率提高、生產(chǎn)成本降低、產(chǎn)品質(zhì)量提高，最終達(dá)到最優(yōu)生產(chǎn)、最少人為干預(yù)、效益最佳、動(dòng)態(tài)平衡的效果，引領(lǐng)行業(yè)煉焦技術(shù)裝備發(fā)展方向，打造世界一流智能化煉焦企業(yè)。

4 結(jié)語

在國家碳達(dá)峰、碳中和的大形勢下，焦化流程正面臨巨大歷史變革的挑戰(zhàn)，有效處理現(xiàn)代煉焦面臨的配合煤質(zhì)量頻繁變化、生產(chǎn)工況復(fù)雜等關(guān)鍵技術(shù)問題，提高焦?fàn)t自適應(yīng)能力、完善煉焦能源網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，加強(qiáng)煉焦生產(chǎn)污染物的源頭治理，使煉焦生產(chǎn)環(huán)境效益、社會(huì)效益、企業(yè)效益最大化，煉焦智能化是實(shí)現(xiàn)煉焦工序低碳、綠色生產(chǎn)與焦?fàn)t大型化、高效化、清潔化融合發(fā)展體系，推動(dòng)焦化流程高質(zhì)量發(fā)展的保障和方向。