焦爐機械設備的運行控制探究

王 浩

（山西焦化集團有限公司技術中心，山西 臨汾 041606）

0 引言

近些年，我國經濟發展速度越來越快，各個領域和行業面貌都發生了很大的變化，煉焦行業亦是如此。當前，焦炭的應用范圍越發廣泛，其已經被拓展應用到了諸多領域當中，諸如電石、氣體焦炭、鑄造等，以焦炭資源為發展基礎的諸多領域因此得到了很大的助力[1-2]。據調查和了解，現階段的焦爐機械設備發展越來越具先進性，發展方向和目標也與之前相比有了很大的變化，并正在朝著環保、大容積以及智能化的主流方向發展，我國的焦爐設備自動化和機械化水平日漸提高，焦爐生產的安全性和高效性也因此得到了充分保障[3-4]。焦爐機械設備的運行控制工作便是以此為目標，在日常生產過程中不斷加強對焦爐機械設備的運動控制力度，以推動焦爐機械設備的正常運轉和高效利用。

1 焦爐機械設備的運行控制的目的及意義分析

煤炭焦化，即再次加工和制作原煤資源，結合各個行業的煤炭使用要求來進行針對性的加工制作。焦爐生產的自動化水平高低對于整個焦化廠的生產水平和生產質量會產生非常直接的影響，其不僅影響到焦化產品的生產率，更是會直接影響到焦化生產的成本。所以，當前焦化廠最重要的任務之一便是要全力推動并實現焦爐機械的全面自動化，即無人值守模式來進行焦化生產。在調查和了解的過程中，發現現階段我國諸多焦化廠中實際生產所配置的人工資源，即操作人員數量占比還是非常高的，其與焦爐機械的全面自動化目標還是存在著比較大的差距[5]。因此，逐步提高焦爐機械設備運動控制的水平和質量有著至關重要的價值和意義，其需要通過不斷創新和完善焦爐機械設備的運行控制理念和方式來進一步實現煉焦行業焦爐機械設備的運行控制效率。

2 煉焦生產過程當中所涉及焦爐機械設備種類以及功能介紹

在煉焦行業，煉焦的生產過程是把合適數量的煤放入到密封的容器當中進行加熱，再經過一定的時間之后煤轉變成為焦炭的過程。煉焦過程中使用到的密封容器指的便是焦爐炭化室。

煉焦的生產流程是非常清晰明確的，而且基本上都是固定的模式：首先，將適量煤放入到密閉焦爐炭化室進行隔絕空氣加熱；其次，經過一段時間加熱之后將燒熱的焦炭運出焦爐炭化室；最后，在運走全部焦炭之后進行熄滅。

以頂裝焦爐為例，在常規要求下，煉焦所使用到的機械設備多以大型設備為主，最具代表性的便是四大車，即裝煤車、推焦車、攔焦車和熄焦車，見圖1。其中，裝煤車的功能和作用主要是把原料煤運輸裝入到焦爐炭化室當中，通常以螺旋形式送煤，手動操作開閉爐蓋，推焦車對焦爐炭化室里面的煤料上表面進行推平處理。在結焦過程中把煤焦油從炭化室里面提取出來。結焦完成后，推焦車、攔焦車自動打開對應炭化室爐門，推焦車將成熟的焦炭從焦爐機側向焦側推出，攔焦車的功能是將成熟焦炭通過導焦柵倒運至熄焦車中，完成推焦過程后，推焦車、攔焦車手動操作關閉炭化室爐門。熄焦車將成熟的炙熱焦炭運輸到熄焦塔中，完成熄焦作業。

圖1 焦爐機械大型設備類型

焦爐機械設備的運動控制，主要就是要對上述大型機械設備，即裝煤車、推焦車、攔焦車以及熄焦車之間的彼此配合和運作進行精準管控，以保證按時完成生產任務同時保證穩步提升生產效率的目的。

3 關于焦爐機械設備的發展現狀以及未來發展趨勢分析

3.1 發展現狀

在最開始階段，我國對焦爐機械設備的研究力度并不強，多是直接引進國外焦爐設備或者購買國外焦爐設備制作和使用技術。在后續發展過程中，這種嚴重依賴國外技術和設備的方式已經不能再很好地滿足煉焦行業的發展需求。因此，我國開始不斷加強對焦爐機械設備的研究力度，并且在比較短的時間內便成功研制出了5.5 m 焦爐以及設備，又在此基礎之上順利研制出了6 m 焦爐機械設備，其中電磁鐵揭爐蓋便是最具代表性的成果之一。

縱觀現階段我國焦爐機械設備的研究現狀，雖然取得了諸多研究成果，但是也逐漸暴露出了一些問題，諸如：焦爐機械設備研究是建立在過度消耗原材料的基礎之上，從實際研究成果和原材料消耗對比中，不得不承認其成功率還是比較小的，尤其在高效設備的研究方面，與世界發達國家相比存在著不小的差距。在研究焦爐機械設備時，實際研究工作中對先進設備的利用率還有著非常大的提升空間[6-7]。此外，焦爐機械設備研究中，設備和技術的融合度并不是很高。

在多年研究和發展過程中，我國針對煉焦行業所開展的焦爐研究工作成果越發豐富和多元，其中頂裝焦爐也有著越來越多的型號，側裝搗固焦爐型號也越發豐富，從實際生產工藝角度來看，其也已經可以與先進國際化水平相媲美。

以6 m 焦爐機械設備的設計和生產為例，其擁有著非常顯著且獨特的優勢，具體體現在如下幾個方面：

1）對裝煤車做出相應的改造處理，用雙曲線斗嘴對裝煤操作進行簡化，如此也可縮短裝煤的時間。

2）針式料位計，成功實現了按照可控程序裝煤的目標。

3）將裝煤車安裝上螺旋給料或者轉盤給料裝置，增加煤料中的水分含量，借助先進性且多元化的技術手段來實現高壓氨水消煙裝煤處理。

3.2 發展趨勢

3.2.1 焦爐設備智能化

在科學技術創新發展與提高的大背景下，用戶對焦爐技術要求也將日益增加，而焦爐機械又必須通過不斷革新提高才能更好地滿足現代社會發展要求，因此智能化將是焦爐機械未來發展的一個重點目標。焦爐的自動化技術一方面能夠在較大范圍上實現人工勞動強度的解放，另一方面還能夠顯著提高作業的可靠性，增強焦爐的工作安全性[8]。

3.2.2 焦爐大型化

據了解，在我國煉焦領域中，大多數企業首選的還是6 m 焦爐這種大型化焦爐。這類大型化焦爐的使用在很大程度上提高了我國的焦炭產量。此外，加之焦爐設備中越來越多高科技手段的引入和應用，整套焦爐機械也都是按照一次對位來進行，并且采用推焦串序方式來操作。

在煉焦行業，6 m 的焦爐屬于大型焦爐范疇，而且6 m 焦爐的一大優勢還體現在其環保性能方面，在實際使用過程中也呈現出產量高、成本低、熱損小、占地面積小等特點，這也是6 m 焦爐的主要優勢所在。在了解過程中發現現階段我國很多煉焦企業使用的都是這一種焦爐，一般情況下，6 m 焦爐單孔日常量可以達到22 t 左右，與此同時，使用6 m 焦爐還成功減小了出焦過程中污染物的影響程度。

3.2.3 焦爐設備自動化及機械化

在焦爐設備完成了生產任務以后，焦爐設備中的構件都有待清潔處理，其主要包括爐框、爐臺、爐門、裝煤座等，如無法進行完全機械化，則整個焦爐機械設備的清潔工作將會顯得十分麻煩。而隨著焦爐設備自動化以及生產機械化進展，在設備清洗后的操作能力上便解放了大部分的人工勞動強度，無人作業程度也愈來愈高。

3.2.4 干熄焦設備發展

在當前煉焦領域，干熄焦技術得到了廣泛應用。干熄焦技術的應用，一方面提升了焦炭的質量，另一方面也為冶金企業節約能源提供了強大助力。此外，干熄焦技術與可持續發展理念有著高度契合性，干熄焦技術本身的污染就要低于其它技術[9]。有越來越多的煉焦企業選擇使用干熄焦設備和干熄焦技術。

3.2.5 側裝煤搗固

在之前很長一段時間內，焦爐制作企業選擇使用的都是頂裝煤焦爐，為了進一步節約煉焦的成本，同時積極迎合我國鋼鐵行業的發展需求，現在的煉焦企業開始全力向側裝煤焦爐過渡，市場上對搗固焦爐的設備需求越來越高，實踐證明搗固焦爐市場的發展前景也非常廣闊。

4 焦爐機械設備的運行控制

4.1 焦爐機車的聯鎖控制過程以及安全聯鎖條件

在煉焦過程中，按照設計要求的煤車在裝完一定的煤料之后就會按照預定時間來推焦車完成平煤工作。在完成煉焦之后就會進行推焦，而在推焦期間推焦車、攔焦車和熄焦車都需要到達炭化室中的指定位置。此外，推焦車、攔焦車和熄焦車必須保持一條直線，后方可完成推焦過程。在推焦、平煤的過程中，自動識別機車所處爐號并主動走行至推焦爐路，同時完成摘鍋爐閥門聯鎖、平煤聯鎖機和推焦聯鎖。

關于各個部件聯鎖控制的條件，其具體體現在如下幾個方面：

1）推焦聯鎖控制允許推焦的條件。推焦聯鎖控制允許推焦的條件是根據既定爐號，推焦車、攔焦車以及熄焦車要對號入座；攔焦車的導焦槽要精準到位。只有在上述條件滿足的情況下，并且經過確認之后才可開始推焦。通常在熄焦車與攔焦車的操作臺上面都會設置緊急停止按鈕裝置，如果在推焦時工作人員發現熄焦車或者是攔焦車出現了問題或者故障，便可迅速按下緊急停車按鈕，阻止推焦桿繼續前進。

2）摘爐門聯鎖控制允許摘爐門條件。首先，推焦車和攔焦車的摘門機一定要和出焦炭化室的中心點精準對應；其次，要確保現在時間和計劃出焦的時間在可允許范圍之內。在保證這兩個條件的前提下才可采取相應措施。

3）裝煤聯鎖控制允許裝煤條件。裝煤車聯鎖控制需要同時滿足兩個條件，第一個條件是裝煤車的裝煤槽要和裝煤的爐號準確對應；第二個條件則是爐號焦側的爐門保持緊閉狀態。在滿足以上兩個條件后，才可進行裝煤聯鎖控制。

4）取煤聯鎖控制允許下煤條件。必須要保證裝煤車的裝煤口和下一個煤口精準對應，同時裝煤槽擋板要保持關閉。在同時滿足這兩個條件之后才可下煤。

4.2 焦爐機械設備部分調節和運行控制措施

4.2.1 針對集氣管壓力和鼓風機前吸力的控制

對集氣管壓力和鼓風機前吸力進行控制，其目的是更好地維持焦爐壓力的穩定性，在集壓力控制系統過程中，由于焦爐、通風機等控制器本身就是一種錯綜復雜的控制系統，而其間又存在著相當復雜的耦合關系，使得各個控單回路之間往往會發生擾動情況，同時振蕩超調的現象也十分強烈[10]。而且在實際工作過程中由于控制對象的模擬參數會隨時跟著焦爐工況所變化的狀況而變化，因此，PID 控制器也就很難確保同時實現增加速度與降低超調的要求，尤其是在壓力發生了大幅度的瞬間躍變狀況之后，若仍然采用常規的控制算法則更難以實現控制目標。這樣便需要適用與專家控制理論相結合的控制策略，來達到對全爐壓力的平衡與快速調節，逐步實現爐間、組間壓力以及總管吸力的協調發展。

4.2.2 針對焦爐煤氣總管壓力的控制

回爐煤氣總管壓力的控制本身強度是比較高的，在實際控制中呈現出壓力波動范圍大且調節不宜太頻繁的特征。所以，針對焦爐煤氣總管壓力的控制多會選用分段比例控制的方式。回爐煤氣總管壓力一般會要求在某一壓力范圍之內波動，不可超出要求壓力范圍上線。

4.2.3 針對焦爐加熱燃燒流量的控制

焦爐的升溫和燃燒壓力的控制，主要目的是有效控制焦爐在高溫的穩定性。通常情況下，通過裝煤量、結焦時間等因素，就可以計算出焦爐煉焦需要的大致加能量，在得到了焦爐火的溫度之后，還可以通過確定了焦爐的溫度和煤流量，來實現串級的PID 計算。

5 結語

在煉焦領域，對焦爐機械設備的運行進行有效控制至關重要。要想進一步提高焦爐機械設備運行控制的效率，就必須要加強對焦爐機械設備控制系統基礎理論的研究，要深入了解和掌握焦爐機械設備控制的運行原理，同時結合煉焦實際需求來不斷創新和優化焦爐機械設備的運行方式，完善焦爐機械設備的實際運行效果。