干熄焦燒損率的實(shí)時(shí)計(jì)算

袁本雄 邵勝平 左夏青 徐 正 周懷宇

(1.銅陵泰富特種材料有限公司，2.遼寧盛焓工程技術(shù)有限公司，3.鞍山藍(lán)海自動(dòng)化系統(tǒng)工程有限公司)

干熄焦現(xiàn)在是焦?fàn)t的標(biāo)準(zhǔn)配套設(shè)備。在運(yùn)行過程中，為了保證生產(chǎn)安全，通常要引入空氣，將循環(huán)氣體中的可燃成分燒掉，遠(yuǎn)離爆炸極限，但也造成了焦炭的燃燒損失，同時(shí)也增加了碳排放。如果能實(shí)時(shí)監(jiān)測燒損率，在保證安全的前提下優(yōu)化干熄焦的操作參數(shù)、降低燒損，不但能給企業(yè)帶來可觀的效益，還能降低碳排放量。

1 干熄焦燒損的原因

干熄焦生產(chǎn)過程中，除了導(dǎo)入一些空氣外，氣體循環(huán)系統(tǒng)的負(fù)壓段也會(huì)吸入一定量的空氣，而空氣會(huì)與紅熱焦炭發(fā)生各種化學(xué)反應(yīng)。首先空氣中的O2與高溫焦炭發(fā)生氧化反應(yīng)，生成CO和CO2；其次空氣中的水分與紅焦發(fā)生反應(yīng)生成H2、CO、CO2和CH4等。在干熄爐預(yù)存段，紅焦本身殘留的一部分揮發(fā)分進(jìn)一步熱解生成H2和CH4。因此，干熄焦的循環(huán)氣體中存在H2、CH4和CO等可燃成分，而CH4經(jīng)過高溫焦炭時(shí)會(huì)重新分解成C和H2，所以循環(huán)氣體中最終主要的可燃成分是H2和CO。

循環(huán)氣體冷卻焦炭的過程中，H2和CO等可燃成分濃度不斷升高，達(dá)到一定程度后，在氣體循環(huán)系統(tǒng)負(fù)壓段，與漏入的空氣混合容易發(fā)生爆炸，因此需要調(diào)整干熄爐環(huán)形煙道處空氣導(dǎo)入量，將焦炭冷卻過程中產(chǎn)生的可燃成分燒掉。這個(gè)過程會(huì)使一部分焦粉在循環(huán)風(fēng)中燃燒形成焦炭燒損。另外，循環(huán)風(fēng)中的H2O、H2和CO2等成分與熾熱的紅焦會(huì)發(fā)生CO2+C=2CO、C+H2O=CO+H2、C+2H2O=CO2+2H2、C+2H2=CH4等溶碳反應(yīng)，也會(huì)造成焦炭的損失。由此可見，干熄焦工藝本身不可避免地會(huì)造成焦炭的部分損失，只有優(yōu)化操作參數(shù)才能將這種損失降到最小。干熄焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)的國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定焦炭燒損率要小于1%，但是大部分干熄焦系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的焦炭燒損率遠(yuǎn)大于1%。

焦炭的燒損包括焦塊燒損與焦粉燒損兩部分，其中焦塊燒損多在干熄焦冷卻室上部的高溫區(qū)域內(nèi)，而焦粉燒損主要發(fā)生在環(huán)型煙道、一次除塵器和鍋爐的高溫段。影響干熄爐焦炭燒損率的因素很多，過程也很復(fù)雜，主要的影響因素和相互關(guān)系見圖1。由于涉及到眾多的設(shè)備及各種傳熱傳質(zhì)過程，因此對(duì)這些設(shè)備建立物理模型聯(lián)立計(jì)算求解干熄焦的實(shí)時(shí)燒損率非常困難。

圖1 焦炭燒損率主要影響因素和相互關(guān)系

2 降低干熄焦燒損率的利弊

燒損率降低后，對(duì)干熄焦會(huì)產(chǎn)生各種利弊。

利：干熄爐內(nèi)焦炭高溫部分減少，冷卻速度加快，有利于焦炭的冷卻；焦炭的排出量會(huì)增加，增加效益；干熄焦碳排放量必然降低，有利于減少企業(yè)的碳排放。

弊：干熄焦的產(chǎn)汽量減少；循環(huán)風(fēng)動(dòng)力消耗增加；對(duì)生產(chǎn)調(diào)度的要求提高。

是否降低燒損率，需要根據(jù)國家政策、產(chǎn)品及能源價(jià)格和企業(yè)自身要求等綜合考慮。

3 國內(nèi)燒損率計(jì)算方法

目前國內(nèi)大部分焦化廠對(duì)干熄焦燒損率的計(jì)算都不是實(shí)時(shí)的，而是根據(jù)一段時(shí)間內(nèi)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算的平均值，數(shù)據(jù)精度不高、統(tǒng)計(jì)周期較長，對(duì)降低干熄焦燒損率生產(chǎn)操作不具備指導(dǎo)意義，只能當(dāng)作一個(gè)長期生產(chǎn)的參考指標(biāo)。

常用的干熄焦燒損率計(jì)算方法：

(1)根據(jù)質(zhì)量守恒計(jì)算燒損率

質(zhì)量守恒為最簡單統(tǒng)計(jì)計(jì)算法，通過當(dāng)班操作運(yùn)行裝焦量、排焦量和焦粉量記錄粗略計(jì)算燒損率，同時(shí)與碳平衡計(jì)算的燒損率進(jìn)行相互驗(yàn)證，分析焦炭質(zhì)量變化，計(jì)算式為：焦炭燒損率=(裝焦量-排焦量-焦粉量)/裝焦量×100%。

(2)根據(jù)噸焦耗煤計(jì)算燒損率

焦?fàn)t采用濕法熄焦時(shí)，燒損率為零；采用干法熄焦時(shí)，因焦炭存在燒損，故焦炭產(chǎn)量下降，對(duì)應(yīng)的噸焦耗煤增加。其計(jì)算式為：焦炭燒損率=(干熄焦噸焦耗煤量-濕熄焦噸焦耗煤量)/干熄焦噸焦耗煤量×100%。

(3)根據(jù)碳平衡計(jì)算燒損率

假設(shè)干熄焦循環(huán)系統(tǒng)密封，正常生產(chǎn)時(shí)導(dǎo)入的空氣與爐內(nèi)碳元素發(fā)生完全反應(yīng)，處于一個(gè)平衡的狀態(tài)，則根據(jù)導(dǎo)入的空氣量可以計(jì)算出干熄焦的燒損率。其計(jì)算式為：焦炭燒損率=每小時(shí)排放碳元素質(zhì)量÷每小時(shí)焦炭裝入量×100%。

(4)根據(jù)熱平衡計(jì)算燒損率

干熄焦通過循環(huán)氣體吸收紅焦顯熱及焦炭燃燒熱后通過鍋爐來產(chǎn)生蒸汽。正常生產(chǎn)時(shí)，紅焦裝入量一定，排焦溫度一定時(shí)，紅焦的顯熱就可確定，而鍋爐蒸發(fā)量同燒損率成一次線性關(guān)系。用蒸發(fā)量推算燒損率的公式為：

(1)

(2)

式中：Gm為排出冷焦時(shí)的焦炭燒損量，t/t；φsj為實(shí)際蒸發(fā)量，kg/t；φws為無焦炭燒損時(shí)的蒸發(fā)量，kg/t；qzq為蒸汽焓值，kJ/kg；qgs為給水焓值，kJ/kg；qrs為焦炭燃燒熱值，kJ/kg；qfs為放散氣體熱量，kJ/t。

(5)以干熄焦收集焦粉含灰量計(jì)算燒損率

焦炭在爐內(nèi)氣化后產(chǎn)生的灰分進(jìn)入焦粉，焦粉含灰大幅度上升，通過焦粉含灰量可計(jì)算出燒損率?；曳制胶庥?jì)算式為：焦炭燒損率=焦粉量×(焦粉含灰率-焦炭含灰率)÷(焦炭量×焦炭含灰率)×100%。

(6)人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算燒損率

人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是人工智能領(lǐng)域一種重要的方法，是具有統(tǒng)計(jì)性、自適應(yīng)性的一類算法模型。處理復(fù)雜信息時(shí)，這種方法通過調(diào)整網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部大量節(jié)點(diǎn)之間相互連接的關(guān)系，達(dá)到處理信息的目的。采用人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，最終得到各個(gè)輸入變量與燒損率對(duì)應(yīng)的非線性映射關(guān)系，從而利用較少的基準(zhǔn)輸入數(shù)據(jù)快速計(jì)算出對(duì)應(yīng)的焦炭燒損率。

目前國內(nèi)對(duì)干熄爐焦炭燒損實(shí)時(shí)計(jì)算的研究和實(shí)踐非常少，2009年南方某焦化廠根據(jù)循環(huán)氣體成分來進(jìn)行焦炭燒損率實(shí)時(shí)計(jì)算，為國內(nèi)首次對(duì)干熄焦燒損率實(shí)時(shí)計(jì)算的嘗試。由于測量設(shè)備精度變化和修正系數(shù)的影響，需要定期用實(shí)際統(tǒng)計(jì)平均值進(jìn)行修正，其實(shí)時(shí)計(jì)算結(jié)果只能參考。近年來，國內(nèi)少數(shù)采用燒損率實(shí)時(shí)計(jì)算的企業(yè)，其計(jì)算方法依然以碳平衡法為主。

4 燒損率實(shí)時(shí)計(jì)算方法

以現(xiàn)有技術(shù)水平和條件，碳平衡法、熱平衡法和人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法可以實(shí)時(shí)計(jì)算燒損率。只有在實(shí)時(shí)計(jì)算燒損率的基礎(chǔ)上，才有可能及時(shí)調(diào)整干熄焦的操作，真正實(shí)現(xiàn)降低燒損率。

4.1 碳平衡計(jì)算法

以干熄爐為對(duì)象，進(jìn)入其中的碳元素質(zhì)量應(yīng)該等于離開的碳元素質(zhì)量。

進(jìn)入干熄爐的碳元素包括：紅焦含碳量MC1，循環(huán)風(fēng)帶入碳量MC2。

(3)

以排風(fēng)量37 140 m3/h、循環(huán)風(fēng)中CO含量6.4%、CO2含量12.7%、排焦量166 t、除塵灰(焦粉)3.3 t、存焦減少量7.1 t為例，利用公式(3)可計(jì)算得到燒損率為2.1%。

氣體成分和流量參數(shù)是瞬時(shí)的，所以碳平衡法實(shí)時(shí)計(jì)算燒損率是所有方法里響應(yīng)速度最快的，當(dāng)然這種方法的準(zhǔn)確程度很大程度依賴排焦量和排風(fēng)量測量的準(zhǔn)確度。盡管利用碳平衡法可實(shí)時(shí)計(jì)算瞬時(shí)燒損率的變化，但無法根據(jù)這種變化去指導(dǎo)干熄焦操作，實(shí)現(xiàn)降低燒損率。

4.2 熱平衡計(jì)算法

干熄焦是利用循環(huán)風(fēng)冷卻焦炭，然后再利用循環(huán)風(fēng)加熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽的過程。通過熱平衡分析，可以估算出干熄焦的燒損率。

(4)

式中：G為紅焦質(zhì)量。

將實(shí)際測試數(shù)據(jù)帶入公式(4)可得到干熄焦燒損率為2.2%。

用熱平衡計(jì)算法計(jì)算的燒損率，可以對(duì)其它的燒損率計(jì)算方法進(jìn)行定性的判斷：散熱量和排污量都為定值，當(dāng)燒損率為零時(shí)，熱平衡計(jì)算法可以得到噸焦最小理論蒸發(fā)量；噸焦實(shí)際蒸發(fā)量為已知的條件下，當(dāng)散熱量和排污量都為零時(shí)，熱平衡計(jì)算法可以得到最小燒損率。以實(shí)際數(shù)據(jù)為例，當(dāng)1 t的紅焦從1 010 ℃被冷卻到110 ℃時(shí)，其顯熱可獲得的理論蒸發(fā)量為460 kg，實(shí)際的蒸發(fā)量不可能小于這個(gè)數(shù)值。當(dāng)每噸焦實(shí)際蒸發(fā)量為550 kg時(shí)，理論最小燒損率為0.9%，真實(shí)的燒損率也必然大于此值。

由于大系統(tǒng)存在熱延遲現(xiàn)象，干熄焦燒損率的瞬時(shí)變化，不能立刻反映到蒸發(fā)量的變化，因此熱平衡法實(shí)時(shí)計(jì)算燒損率的結(jié)果比實(shí)際的燒損率變化滯后。而且由于散熱率無法精確測量，所以熱平衡法實(shí)時(shí)計(jì)算燒損率的結(jié)果準(zhǔn)確率要比另外兩個(gè)方法低。對(duì)于降低燒損率的操作指導(dǎo)，它只能給出一個(gè)大概的調(diào)節(jié)原則：即正常生產(chǎn)的情況下，蒸發(fā)量減小，則燒損率降低。

4.3 人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算

人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，然后進(jìn)行訓(xùn)練擬合，訓(xùn)練的輸出變量是燒損率也可以是其它變量。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練用的目標(biāo)燒損率可以用干熄爐物料平衡進(jìn)行計(jì)算，也可以用碳平衡或熱平衡計(jì)算。通過數(shù)萬次對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立起了各生產(chǎn)參數(shù)與目標(biāo)燒損率的非線性映射關(guān)系，可以對(duì)符合訓(xùn)練樣本范圍內(nèi)的生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行燒損率的擬合預(yù)測。

以碳平衡計(jì)算的燒損率為目標(biāo)、經(jīng)過訓(xùn)練后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證擬合，平均值的相對(duì)誤差小于5%，余弦相似度(形狀相似程度，形狀完全相同時(shí)為1)約0.85。以干熄爐物料平衡計(jì)算的燒損率為目標(biāo)、經(jīng)過訓(xùn)練后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合，平均值相對(duì)誤差小于10%，余弦相似度約0.8。所以將碳平衡法計(jì)算的燒損率做為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練目標(biāo)效果更好。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以通過調(diào)整生產(chǎn)參數(shù)預(yù)測燒損率，并給出干熄焦的循環(huán)風(fēng)成分、蒸發(fā)量等參數(shù)的變化，指導(dǎo)干熄焦操作。舉例來說，對(duì)某干熄焦的生產(chǎn)數(shù)據(jù)經(jīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練后，發(fā)現(xiàn)將循環(huán)風(fēng)量加大10%，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測出的燒損率將比原來降低6.1%，可以判斷適當(dāng)加大循環(huán)風(fēng)量是降低燒損率的手段之一。另外神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練好之后，其中一個(gè)參數(shù)精度下降對(duì)計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確度影響比較小，容錯(cuò)性比較強(qiáng)。

4.4 三種燒損率實(shí)時(shí)計(jì)算方法的特點(diǎn)和比較

前述的三種燒損率實(shí)時(shí)計(jì)算方法各有不同，又互相補(bǔ)充，實(shí)踐中應(yīng)綜合運(yùn)用。

各燒損率實(shí)時(shí)計(jì)算方法的共同點(diǎn)：均可實(shí)時(shí)計(jì)算燒損率；均可對(duì)干熄焦生產(chǎn)調(diào)節(jié)降低燒損率提供參考；均可對(duì)干熄爐發(fā)生棚料或塌料做出一定判斷。

各方法的特點(diǎn)：碳平衡法響應(yīng)速度快，當(dāng)各參數(shù)測量準(zhǔn)確時(shí)可作為其它兩種方法的校準(zhǔn)；熱平衡法響應(yīng)速度慢，但當(dāng)蒸發(fā)量測量比較準(zhǔn)時(shí)，可以確定理論最小燒損率作為其它兩種方法的補(bǔ)充判斷依據(jù)；人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法可給出優(yōu)化操作的效果預(yù)測。三種方法的比較見表1。

表1 三種實(shí)時(shí)計(jì)算方法不同維度的綜合評(píng)價(jià)

5 結(jié)語

(1)在實(shí)際運(yùn)行中，干熄焦燒損率通常達(dá)到2%甚至更多，不但造成能源浪費(fèi)，而且增加了碳排放，所以降低燒損率有利于節(jié)能減排。

(2)降低燒損率可以增加焦炭產(chǎn)出量，目前焦炭價(jià)格比較高，焦炭增產(chǎn)的利潤還是十分可觀的。

(3)將人工智能應(yīng)用在干熄焦的生產(chǎn)流程，符合當(dāng)今技術(shù)發(fā)展方向，可以促進(jìn)干熄焦智能生產(chǎn)的快速發(fā)展。