智慧配煤煉焦在焦化行業(yè)的應(yīng)用及展望

龐克亮，鄭有志

（鞍鋼集團北京研究院有限公司，北京 102211）

焦炭作為高爐-轉(zhuǎn)爐長流程冶煉的關(guān)鍵物料，在鋼鐵行業(yè)中發(fā)揮著不可替代的作用。即使氫冶金技術(shù)在未來實現(xiàn)重大突破，傳統(tǒng)高爐煉鐵作為鋼鐵行業(yè)中技術(shù)最成熟、熱轉(zhuǎn)化率最高的工序，依然將發(fā)揮其重要作用。眾所周知，傳統(tǒng)煉焦工藝發(fā)展至今，依然存在能耗高、危險性大、污染嚴重等困擾行業(yè)多年的難題。但鋼鐵行業(yè)對焦炭生產(chǎn)的要求卻越來越高，包括更高的焦炭質(zhì)量、更低的能源消耗、更高的生產(chǎn)效率和更環(huán)保的生產(chǎn)方式。目前，機器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等數(shù)字化方式的先進性已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)中被證明，如何利用這些智慧化手段提高配煤煉焦過程的穩(wěn)定性和效率，將是焦化行業(yè)從業(yè)者努力的方向。

1 配煤煉焦發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)階段焦炭的生產(chǎn)依然沿用過去幾十年的技術(shù)，即從煤場將不同種類的單種煤按照比例取出，經(jīng)過配煤、粉碎等工序配成混煤，通過煤車裝入焦爐進行煉焦；結(jié)焦完成后，經(jīng)過熄焦、篩分等工序得到焦炭。整個煉焦過程環(huán)環(huán)相扣，需要所有工序協(xié)同高效，才能保證整個流程的連續(xù)性。近年來，雖然焦化行業(yè)機械化程度有所提高，但依然需要大量人力協(xié)助完成生產(chǎn)，有些工序甚至依然以人力操控為主，無形中增加了煉焦工序的成本與不穩(wěn)定性。

當前，受優(yōu)質(zhì)煤炭資源及環(huán)保政策調(diào)控等方面的制約，傳統(tǒng)的人工經(jīng)驗配煤已無法適應(yīng)變化多樣的煤炭種類，且由于優(yōu)質(zhì)煉焦煤和普通煉焦煤價格差異巨大，配煤成本和焦炭質(zhì)量均出現(xiàn)了較大波動。進行科學(xué)的智慧配煤和焦炭質(zhì)量預(yù)測可以有效縮短煉焦流程，并提高焦炭質(zhì)量，對鋼鐵企業(yè)的降本增效有積極的促進作用。以鞍山鋼鐵為例，年耗煤量約1 400萬t，目前優(yōu)質(zhì)煉焦煤的市場價格趨近4 000元/t，每年采購煉焦煤的成本約500億元。應(yīng)用智慧配煤，可以在加入氣煤等非優(yōu)質(zhì)煉焦煤的同時保證焦炭質(zhì)量，極大地降低配煤成本。因此，通過建立智慧配煤模型，綜合單種煤所有可測定數(shù)據(jù)，同時基于價格和配比給出成本最低的配煤方案，是解決配煤成本居高不下問題的關(guān)鍵。

目前，焦炭的評價仍需通過人工對每爐焦炭進行傳統(tǒng)的反應(yīng)性、反應(yīng)后強度檢測分析，費時費力，且評價結(jié)果存在很大滯后性；同時，在煉焦生產(chǎn)過程中，能源調(diào)控仍需通過人工測量溫度、調(diào)節(jié)閥門等手段進行干涉，在很大程度上影響了焦爐生產(chǎn)過程的優(yōu)化控制。因此，在焦爐生產(chǎn)過程中，建立智慧煉焦的焦炭預(yù)測模型，進行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機器學(xué)習(xí)及大數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)焦炭質(zhì)量的在線預(yù)測及能源消耗檢測，可以節(jié)省大量人力與時間。與此同時，智能煉焦可對大型焦爐的波動性工況進行實時調(diào)節(jié)，進行反饋式的優(yōu)化控制，對焦爐這種大型工業(yè)反應(yīng)裝置的安全性及實時性控制有著突破性的貢獻。

2 智慧配煤煉焦應(yīng)用

2.1 智慧配煤

廣義上的智慧配煤，不局限于多種單種煤的配比混合，而是包括煤場、運輸、筒倉及配煤等階段的智能化操作、智慧型決策。實現(xiàn)進入焦爐前的每個步驟的智能化，可以提高配煤效率，減少原料損耗，降低配煤成本，實現(xiàn)資源節(jié)能化利用。

2.1.1 煤場管理系統(tǒng)

由于優(yōu)質(zhì)煉焦煤資源的緊缺，主焦煤的種類變化很快，無序的煤場堆放不僅會極大地影響工作效率，也會影響焦炭質(zhì)量。煤場管理系統(tǒng)［1］可以實現(xiàn)焦化進場煤的全面智能評估、優(yōu)化堆放管理和合理安排運輸，通過參考以往配煤煉焦經(jīng)驗及目標焦炭配煤原理，確保來煤的合理存放，確定各單種煤的存放位置和數(shù)量等詳細信息。應(yīng)用煤場管理系統(tǒng)，可以使存煤更加合理，用煤更加方便，在保證安全的同時，提高取煤效率，對生產(chǎn)更加有利。

2.1.2 煤焦數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

煤焦數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)通過大數(shù)據(jù)存儲與分析［2］，實現(xiàn)單種煤及配合煤（含關(guān)聯(lián)焦炭）的數(shù)據(jù)存儲與調(diào)用，進而實現(xiàn)各單種煤的評價集合及配合煤的質(zhì)量期望預(yù)測。單種煤到達煤場后，先進行全面的煤質(zhì)評價，隨后將配合煤的配比和關(guān)聯(lián)焦炭數(shù)據(jù)收錄到數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，供配煤模型和焦炭質(zhì)量預(yù)測模型隨時調(diào)用，加快配煤響應(yīng)速率及焦炭在線預(yù)測評估速度。同時，定期更新和補錄煤焦數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中數(shù)據(jù)，保證系統(tǒng)的準確性和快速調(diào)用效率。

2.1.3 數(shù)字筒倉系統(tǒng)

由于筒倉數(shù)量有限，焦化廠的單個筒倉往往存儲的是來自不同產(chǎn)地、性質(zhì)相近的單種煤，單種煤雖然在某些方面性質(zhì)相近，但配煤后的指標卻存在差異。

數(shù)字筒倉系統(tǒng)通過自主學(xué)習(xí)、自主矯正，不斷完善系統(tǒng)的精準度和完成速率，實現(xiàn)智能化控制。數(shù)字筒倉智能系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向如圖1所示。

圖1 數(shù)字筒倉智能系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向Fig.1 Data Direction of Digital Silo Intelligent System

來料時，數(shù)字筒倉［3］系統(tǒng)會實時采集皮帶運煤信息，根據(jù)煤焦數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的指示，將來煤分門別類地運送到相應(yīng)筒倉的卸料點，有效防止卸錯煤種。同時，根據(jù)筒倉的幾何尺寸，結(jié)合倉內(nèi)現(xiàn)有存煤的料位高度、煤種分布等信息，以及進煤、出煤信息，計算流場，調(diào)整卸料口卸料角度，解決存煤時間過長或懸料等問題，實現(xiàn)整個筒倉的實時監(jiān)控與合理分配，保證筒倉內(nèi)保存煤種的質(zhì)量，消除安全隱患。

卸料時，數(shù)字筒倉系統(tǒng)會接收來自配煤系統(tǒng)的配煤方案，結(jié)合配煤方案數(shù)據(jù)和現(xiàn)存煤種的存儲時間、存儲量等信息，自動打開倉門，通過帶式輸送機的自動稱量系統(tǒng)，實時調(diào)控放煤量，將煤運出。煤被運送到配煤盤后，根據(jù)煤種細度數(shù)據(jù)，自動選擇合適的粉碎機，進行粉碎混合。

2.1.4 智能皮帶輸送系統(tǒng)

皮帶系統(tǒng)是煉焦工序中非常重要的環(huán)節(jié)，包括來煤、配煤運送及焦炭運輸，是整個煉焦系統(tǒng)能否正常運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。目前，焦化廠使用的皮帶系統(tǒng)仍然以傳統(tǒng)的傳動系統(tǒng)和人工巡檢為主，過分依賴現(xiàn)場人工監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)問題不及時，且效率較低，容易出現(xiàn)撒料和破損。智能皮帶輸送系統(tǒng)［5］包括氣動皮帶系統(tǒng)、皮帶集控中心、現(xiàn)場圖像采集系統(tǒng)、機器巡檢技術(shù)、自動報警裝置等，可以實時監(jiān)測調(diào)整皮帶系統(tǒng)，及時檢測問題并自動采取報警或補救行為，完成穩(wěn)定和安全的長距離傳輸，減少現(xiàn)場事故，保證整個煉焦過程的連續(xù)性和生產(chǎn)的穩(wěn)定性。一種目前應(yīng)用的長距離皮帶輸送系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 一種目前應(yīng)用的長距離皮帶輸送系統(tǒng)Fig.2 One Long-distance Belt Conveying System Currently in Use

2.1.5 配煤系統(tǒng)

配煤系統(tǒng)［5-7］是合理利用昂貴的主焦煤資源的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，決定了企業(yè)生產(chǎn)成本的高低，是決定焦炭質(zhì)量的關(guān)鍵，對高爐等一系列后續(xù)工序的生產(chǎn)影響很大。

煉焦煤的指標主要包括煤的工業(yè)分析、硫分分析、細度分析和煤的結(jié)焦性能等。其中，工業(yè)分析包括灰分、水分、揮發(fā)分和固定碳，即煤質(zhì)的常規(guī)評價；煤的結(jié)焦性能指數(shù)包括黏結(jié)指數(shù)G值、膠質(zhì)層厚度Y值、坩堝膨脹序數(shù)、奧亞膨脹度、基式流動度等，以及煤化度指標鏡質(zhì)組平均最大反射率Rmax，配煤時需要綜合考量不同煤種的特性及焦炭質(zhì)量的要求，來達到質(zhì)量和成本的平衡。

通過煤焦數(shù)據(jù)庫的建立，可將不同單種煤的各項指標存儲到數(shù)據(jù)庫中并實現(xiàn)實時調(diào)用，使系統(tǒng)首先完成煤基準換算的初步工作。單種煤的分析評價數(shù)據(jù)庫可對不同的單種煉焦煤的眾多個指標進行統(tǒng)一量化，使不同性質(zhì)的單種煤具有可比性。

智能配煤系統(tǒng)如圖3所示?；跀?shù)據(jù)挖掘和機器學(xué)習(xí)的配煤系統(tǒng)，通過調(diào)取煤焦數(shù)據(jù)庫內(nèi)單種煤的各項參數(shù)，將參數(shù)過濾、分析、加工，最終轉(zhuǎn)化為更有價值的信息；結(jié)合配合煤的參數(shù)及煉焦過后焦炭的數(shù)據(jù)，建立數(shù)學(xué)模型，并利用歷史數(shù)據(jù)進行模型優(yōu)化修正；利用焦炭質(zhì)量反饋機制調(diào)整模型，選擇配煤比例；通過反復(fù)訓(xùn)練和學(xué)習(xí)以及自身的適應(yīng)能力，完成煤焦信息的處理，得到既定焦炭質(zhì)量條件下的最低成本配煤模型。

圖3 智能配煤系統(tǒng)Fig.3 Intelligent Coal Blending System

目前應(yīng)用的配煤系統(tǒng)中，大多數(shù)利用鏡質(zhì)組平均最大反射率Rmax、黏結(jié)指數(shù)G等為變量指標的二元線性回歸方程，或多種參數(shù)指標構(gòu)建的多元線性回歸方程進行預(yù)測配煤。當前，鋼鐵和焦化行業(yè)中已經(jīng)有適合自身生產(chǎn)要求的配煤專家系統(tǒng)正在被使用。在原料、煤場、配煤評價、焦炭評價上使用跟蹤一體化的全方位動態(tài)實時科學(xué)管理，在優(yōu)化主焦煤如焦煤和肥煤、1/3焦煤、瘦煤或氣煤配比的同時，提高焦炭質(zhì)量在線預(yù)測的準確率和焦炭質(zhì)量的穩(wěn)定性，成功解除了人工計算管理的繁重勞動及人工經(jīng)驗配煤可能出現(xiàn)的偏差。

2.2 智慧煉焦

2.2.1 焦炭預(yù)測系統(tǒng)

焦炭產(chǎn)品的質(zhì)量需滿足高爐生產(chǎn)的參數(shù)要求，是煉鐵生產(chǎn)的關(guān)鍵。目前，焦炭質(zhì)量的驗證都是通過冷、熱態(tài)實驗，在時間上有滯后性，無法給予高爐生產(chǎn)實時指導(dǎo)，因此，建立一個具有反饋作用的焦炭質(zhì)量預(yù)測系統(tǒng)非常重要。

焦炭質(zhì)量預(yù)測系統(tǒng)正是在此基礎(chǔ)上提出的智能化系統(tǒng)，與前文提到的智慧配煤系統(tǒng)共同組成了配煤專家系統(tǒng)［8-9］，并廣泛應(yīng)用于焦化領(lǐng)域。焦炭質(zhì)量預(yù)測模型是煉焦配煤專家系統(tǒng)的核心內(nèi)容，焦炭質(zhì)量預(yù)測主要是對焦炭灰分、硫分、抗碎強度（M40）、耐磨強度（M10）、反應(yīng)后強度（CSR）和反應(yīng)性（CRI）等數(shù)據(jù)的估測。建立焦炭預(yù)測模型的關(guān)鍵是選擇合適的焦炭預(yù)測指標，然后通過合理的計算擬合得到預(yù)測模型。其中，焦炭灰分預(yù)測的指標一般為煉焦煤灰分和揮發(fā)分，經(jīng)過數(shù)據(jù)擬合，得到灰分預(yù)測模型；焦炭冷強度的預(yù)測選擇表征煉焦煤變質(zhì)程度的鏡質(zhì)組平均最大反射率和表征黏結(jié)特性的煉焦煤膠質(zhì)層最大厚度Y，通過數(shù)據(jù)分析及擬合得到焦炭冷強度預(yù)測模型；焦炭熱性質(zhì)預(yù)測模型在同樣考慮鏡質(zhì)組平均最大反射率和膠質(zhì)層最大厚度Y的同時，選擇煉焦煤的化學(xué)性質(zhì)參數(shù)即煉焦煤灰分和催化指數(shù)作為預(yù)測指標進行預(yù)測。

近年來，國內(nèi)有很多專家學(xué)者利用新興的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行仿真研究，建立了相對完善的焦炭質(zhì)量預(yù)測模型。其中最成功的是基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的焦炭質(zhì)量預(yù)測模型。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析依靠系統(tǒng)的復(fù)雜程度，通過調(diào)整內(nèi)部大量節(jié)點之間相互連接的關(guān)系，基于現(xiàn)場生產(chǎn)的大量數(shù)據(jù)樣本進行反復(fù)學(xué)習(xí)，實現(xiàn)對焦炭質(zhì)量的準確預(yù)測。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［10］是以網(wǎng)絡(luò)誤差平方為目標函數(shù)，采用梯度下降法計算目標函數(shù)的最小值，采用具有自適應(yīng)學(xué)習(xí)速率和動量項的誤差反向傳播學(xué)習(xí)算法盡可能地提高收斂速度。目前的配比計算和配比優(yōu)化模型的建立也選擇采用模擬退火算法。模擬退火算法［11］是通過賦予搜索過程一種時變且最終趨于零的概率突跳性，從而有效避免陷入局部極小并最終趨于全局最優(yōu)的串行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化算法，在接收最優(yōu)解的同時，也會接收惡化解，可避免陷入計算陷阱。退火算法的開發(fā)可以為智慧配煤和焦炭質(zhì)量預(yù)測快速而合理地計算出一個最優(yōu)配比。

2.2.2 智能煉焦

在煉焦生產(chǎn)過程中，由于煉焦煤的成分繁雜，導(dǎo)致焦爐內(nèi)反應(yīng)機理復(fù)雜、反應(yīng)的非線性度高、干擾因素眾多且控制難度大，因此，需要利用多重控制手段，建立精確的煉焦過程控制、污染控制、自適應(yīng)調(diào)節(jié)與能耗預(yù)測模型，實現(xiàn)焦爐生產(chǎn)過程最優(yōu)操作。目前，煉焦生產(chǎn)過程的優(yōu)化控制問題，主要通過分析配煤煉焦過程的工藝機理，綜合運用灰色關(guān)聯(lián)分析、主元分析、RBF網(wǎng)絡(luò)、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法［10］，建立符合煉焦生產(chǎn)過程的控制與預(yù)測模型，實現(xiàn)整個焦爐工段的智能操作與實時操控。智能煉焦體系中包含整個焦爐所有工序的智能化。

焦爐本體的智能化系統(tǒng)包括：自動對位系統(tǒng)，由粗定位與精定位兩大功能單元構(gòu)成，每個單元都可以單獨工作，能使定位達到最大的可靠性，以完成不同階段的控制任務(wù)。焦爐智能自適應(yīng)加熱系統(tǒng)（簡稱 CIAHS）結(jié)構(gòu)原理［12-16］如圖 4所示。

圖4 焦爐智能自適應(yīng)加熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理Fig.4 Structure Principle for Intelligent Self-adapting Heating System for Coke Oven

基于反饋控制方式的新型自動加熱解決方案，是綜合了先進控制技術(shù)、計算機技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)的高科技產(chǎn)品，根據(jù)實時溫度變化，自動調(diào)節(jié)進氣量等參數(shù)以完成加熱的精準控制；焦爐車輛智能化操作系統(tǒng)[16]，無人操作分為數(shù)據(jù)采集與實時控制兩個方面，通過對設(shè)備本地檢測元件、高清攝像頭、自動定位系統(tǒng)等單元對設(shè)備進行實時監(jiān)控，得到當前設(shè)備的位置并進行遠程操控調(diào)整；可視化技術(shù)，基于仿真和3D[17]虛擬實現(xiàn)可視和聯(lián)動，提高應(yīng)急響應(yīng)能力，使工廠的自動化數(shù)據(jù)采集分析成為可能，決策支持信息一目了然，信息的實時性和可靠性極大提高。

焦爐車輛的智慧化操作技術(shù)，可以極大的提高焦爐操作的準確性與安全性，減少了人工成本，可以實現(xiàn)遠距離集中操控，只需要人工定期巡檢即可。

干熄焦工藝作為煉焦領(lǐng)域重要的一環(huán)，智能化操作也扮演著焦化產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級的重要角色。干熄焦系統(tǒng)是一個復(fù)雜的非線性系統(tǒng)并且具有很高的延時性，因此一般采用模型預(yù)測控制來實現(xiàn)對干熄焦系統(tǒng)的控制。目前干熄焦的智能化控制主要來自于自動化控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)[18]。通過現(xiàn)場總線層（編碼器等現(xiàn)場設(shè)備）、基礎(chǔ)控制層（各子系統(tǒng)的主控制站、遠程控制站、變頻器等設(shè)備）及冗余以太網(wǎng)信息層（干熄焦系統(tǒng)的上位機、配套子系統(tǒng)上位機）等三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)提取最佳工藝參數(shù)及運行經(jīng)驗，最終達到降低總體運營成本，縮短停機時間并能節(jié)省維護成本的目的。

同時，也有學(xué)者提出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的非線性建模方法[19-20]。干熄焦系統(tǒng)建模具有數(shù)據(jù)緯度高，數(shù)據(jù)樣本量龐大的特點，因此需要進行數(shù)據(jù)的篩選，通過多層感知器（MLP）與RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過復(fù)雜的交叉驗證計算及復(fù)雜的群智能優(yōu)化計算，從而使得預(yù)測模型擁有結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)速度快，預(yù)測精度高等優(yōu)點，以滿足模型預(yù)測控制對預(yù)測模型的精度要求。非線性建模方法的多層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度快，能夠很好的滿足工業(yè)現(xiàn)場對預(yù)測模型的實時性要求。

3 結(jié)語與展望

對智慧配煤、智能煉焦在焦化領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀與優(yōu)勢進行了綜述。以目前的工業(yè)水平而言，焦炭在高爐-轉(zhuǎn)爐長流程煉鐵領(lǐng)域，仍有著不可替代的作用。如何正確的生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)焦炭、準確的評價預(yù)測焦炭對所有焦化工作者來說都是一項艱巨的任務(wù)。僅憑人工的經(jīng)驗式預(yù)測已經(jīng)不能滿足焦炭優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)的要求，所以智慧配煤、智能煉焦已經(jīng)成為焦化行業(yè)不得不轉(zhuǎn)向研究的方向。以目前的技術(shù)研究來看，專家配煤系統(tǒng)、焦炭預(yù)測系統(tǒng)、智能化煉焦控制系統(tǒng)的成功應(yīng)用已經(jīng)證明了計算機和大數(shù)據(jù)分析在配煤領(lǐng)域的成功應(yīng)用基礎(chǔ)和廣闊的升級空間，不但可以減少大量人力物力，同時，也可以實現(xiàn)精確與實時控制，對焦化行業(yè)來說是長足的進步。因此，作為行業(yè)內(nèi)的龍頭企業(yè)之一，鞍鋼應(yīng)該積極利用智能化控制系統(tǒng)及裝置，完成傳統(tǒng)煉焦配煤的轉(zhuǎn)型升級，實現(xiàn)鋼鐵行業(yè)全流程的自動化、智能化，為提升企業(yè)競爭力作出積極貢獻。

目前，鞍鋼集團焦化工序的自動化程度已有較大程度的更新迭代，但智能化程度應(yīng)用程度不高，應(yīng)用的配煤系統(tǒng)仍基于數(shù)據(jù)挖掘的系統(tǒng)建模階段，如何將更先進的智能化系統(tǒng)引入焦化工序，提高生產(chǎn)效率和焦炭質(zhì)量，將是焦化從業(yè)者下一步努力的方向。