基于焦爐測溫及加熱控制系統的應用

邱 程，田龍振

（青島特殊鋼鐵有限公司焦化廠，山東青島 266413）

1 前 言

焦爐作為最復雜的冶金工業窯爐，其燃燒系統結構非常復雜，同時爐溫受到裝煤推焦、煤氣熱值等因素的影響，焦爐溫度變化規律較難歸納，造成人工測調焦爐爐溫的困難。其次，為提高焦爐四大車的利用率，焦爐生產串序由2-1小串序優化為2-1大串序，焦爐爐溫的波動峰谷差變大，但規律性較強。為適應當前焦爐生產，需要焦爐自動測溫及爐溫自動控制系統實現連續測溫，且能夠根據溫度波動進行調節。

K安指標是焦爐持續穩定生產的關鍵指標，是決定焦炭產量和質量的主要因素之一，所以需要焦爐技術人員不斷追求K安指標的最大化。

2 傳統焦爐爐溫測調與自動測溫及加熱控制系統的對比

傳統的焦爐爐溫測定由測溫崗位每4 h 測定1次，人工測溫時間受人為和生產因素影響較大，測溫時間最短為5 min，最長為10 min，測溫時間差異造成與實際爐溫偏差較大。中控崗位根據測定的平均溫度和標準溫度之間的差值進行煤氣流量的調節，但是在調節過程中發現，煤氣的少量（100～200 m3/h）增減對焦爐爐溫的波動并無太大影響，而且在煤氣流量不進行調節的前提下，焦爐爐溫的波動范圍會在30 ℃，遠超規定的±7 ℃。

基于上述原因，焦化煉焦作業區通過研究焦爐自動測溫技術和與同行進行相關技術交流，認為自動測溫系統有以下優點：實時監測標準火道溫度，解決測溫間隔時間長和測溫誤差大問題；根據直行溫度趨勢曲線的變化規律，指導現場操作人員調節煤氣流量；及時發現爐溫異常爐號，幫助熱工調節均勻系數；可以統計數據制作報表，自動給出均勻系數和安定系數；為自動加熱系統提供數據支持。

3 基于焦爐測溫及加熱控制系統

3.1 焦爐爐溫波動規律

利用焦化爐頂自動測溫系統，對測定出實時爐溫繪制成曲線，以1#爐為例，見圖1。

圖1 理想狀態下焦爐爐溫波動規律

根據曲線波動情況可知：當前采用的2-1大串序推焦方式，焦爐爐溫趨勢曲線呈正弦波動。以1#焦爐為例，當推焦至31號炭化室時，此時爐溫到達波峰位置，隨后溫度呈現下降趨勢；當推焦至95號炭化室時，此時爐溫到達波谷位置，隨后溫度呈上升趨勢，2#焦爐溫度趨勢正好相反。

爐體溫度波動幅度較大，峰谷溫差約25 ℃，導致安定系數偏低。為保證焦炭成熟，爐溫整體處于標準溫度上方，導致煤氣資源浪費。

3.2 傳統爐溫調節手段

傳統測溫和調節為根據手工測定的直行溫度數據，計算與標準溫度溫差，當大于標準溫度+7 ℃時，減少煤氣流量幅度200 m3/h；當小于標準溫度-7 ℃時，增加焦爐煤氣流量200 m3/h。如圖2所示：

圖2 溫度控制

傳統調控手段存在以下問題：由于是定時手動測溫，無法與推焦串序的節奏相適應，所以如果當手動測溫時間點恰好處于整個焦爐的波峰位置，之后爐溫呈現下降趨勢，此時減少焦爐煤氣流量，使得波谷位置爐溫更低，從而加大波峰波谷溫差，反之亦然。

3.3 焦爐測溫及加熱調控的創新與應用

創新做法：爐溫測調的穩定與生產穩定相輔相成，爐溫調節的目的在于生產的穩定性，而焦爐爐溫的穩定性由K安指標來決定，K安指標的合格是由生產操作和煤氣量調節共同決定的，因此在推焦串序由小串序改為2-1大串序后，煤氣量的調節也要與之相適應，所以因推焦串序造成的大波峰、大波谷就要通過大量增減煤氣量來進行削平；經過實驗，逐漸改變煤氣調節幅度，焦爐煤氣調節幅度由原來的200 m3/h 流量增至500-700 m3/h，波峰波谷溫差由原來的25 ℃縮小至18 ℃；繼續增大焦爐煤氣調節幅度至1 300 m3/h，波峰波谷溫差縮小至6 ℃。

通過調節焦爐煤氣流量，穩定1#焦爐機焦側平均溫度，縮小波峰波谷溫差，3 月14 日1#焦爐安定系數達到0.84，因此調節的方向是正確的。

通過將該調節理念轉化編輯為計算機程序，按照實際溫度的波動，計算機程序經過計算進行調控，同時將分煙道吸力引入進行調節，得到如下計算機執行邏輯。焦爐爐溫波動如圖3所示。

圖3 焦爐爐溫波動

當爐溫呈下降趨勢時，此刻及時增加焦爐煤氣用量，從而減緩爐溫下降趨勢。當爐溫呈升高趨勢時，此刻及時減少焦爐煤氣用量，從而減緩爐溫上升趨勢，同時適度調節分煙道吸力。采用焦爐煤氣調節，爐溫反應速度較高爐煤氣快，由波峰到波谷的時間為5.5 h，時間較短，因此采用反應速度快的焦爐煤氣調節效果更佳。將該調節規律總結為計算機控制邏輯。

測（調）試結果：3月25日至3月29日投入自動加熱控制，現場根據系統推薦提示調節焦爐煤氣流量，效果如下：峰谷溫差明顯縮小，直行溫度趨勢呈現接近一條直線，1#焦爐波峰波谷溫差僅為6 ℃，2#焦爐反應速度較慢，經調整焦爐煤氣調節幅度后，波峰波谷溫差逐漸縮小至6 ℃。統計4 h均值直行溫度報表，30日，1#焦爐K安已達到0.92。

當調節煤氣流量時，協同調節分煙道吸力，確保空燃比合理，調試后分煙道含氧量相對穩定。

由于焦化1#、2#焦爐的氮氧化物集中處理，1#、2#爐溫趨勢正弦波動方向相反，在自動加熱控制過程中，1#焦爐增加焦爐煤氣，2#焦爐減少焦爐煤氣，焦爐煤氣總用量基本不發生變化，因此不會造成氮氧化物明顯波動。

3.4 火落管理在爐溫調控中的應用

火落管理的原理：荒煤氣溫度在火落前一定的時間明顯地上升后急劇下降50 ℃的時間點為“火落時間”，用“火落時間”可以定量地表達焦餅的成熟度，火落管理是直接以產品質量為對象的管理方法。焦爐熱工管理的主要目標是：調控好焦爐的結焦速率，盡量做到每一爐焦都能在預定的“目標火落時間”火落。對火落后的焦餅仍能照常繼續進行加熱，再經過一段不低于技術要求的“燜爐時間”才可以進行推焦，確保從炭化室推出來的每爐焦炭的質量。火落曲線如圖4所示。

圖4 火落曲線

焦餅在燜爐時間階段除了繼續進行干餾外，更重要的是各個部分進行受熱均勻化，這個階段對提高焦炭質量是很有作用的。因此，為了保證焦炭成熟，必須規定不同的結焦時間所對應的燜爐時間。

通過在上升管三通處安裝熱電偶，對荒煤氣的溫度變化進行實時檢測，從而得到如下規律：通過在線監測荒煤氣溫度趨勢，自動生成火落曲線；根據火落曲線，監測火落時刻，判斷焦餅成熟度，避免焦炭過生過火現象；通過裝煤和推焦時間，自動計算火落時間和燜爐時間；根據各碳化室實際火落時間和目標火落時間，繪出全爐火落時間柱圖；根據全爐火落時間柱圖，診斷和評估全爐火落時間和燜爐時間均勻性，判斷高低溫爐號，控制全爐焦炭質量均衡性。

3.5 焦餅測溫在焦爐爐溫調控中的應用

橫排溫度是反映焦爐橫向加熱均勻性的重要指標，焦爐共有4 488個立火道，每天測定一次不現實，通過在攔焦車的導焦柵上安裝測溫設備，在推焦時測定焦餅表面溫度，以此間接判斷橫排加熱的均勻性；焦餅中心溫度（1 000±50 ℃）是焦炭成熟的重要指標之一，是確定焦爐標準溫度的根本依據，所以當焦爐生產節奏發生變化（即，結焦時間發生變化）后，需要人工進行焦餅中心溫度的測量，但焦餅中心溫度測量復雜，基于上述原因，需要增設焦餅測溫系統。

通過在線監測焦餅表面溫度，監測焦餅上下部溫差和橫排溫度均勻性，自動生成上中下橫排溫度曲線，跟蹤焦爐上下溫度和橫向溫度變化趨勢，指導焦爐熱工管理。

3.6 壓力測量在焦爐爐溫穩定方面的應用

焦爐正常生產所需要監測的壓力制度是看火孔壓力，小煙道吸力，分煙道吸力，空氣過剩系數（分煙道氧含量），但受到高爐煤氣壓力變化，脫硫脫硝增加風機調節等因素的影響，焦爐燃燒系統內的壓力變化較大，所以僅靠定期檢測壓力指標已經不能滿足焦爐連續生產的要求，因此為提高焦爐爐溫自動控制系統的控制力，增加了看火孔壓力，小煙道吸力，空氣過剩系數的檢測。

下降氣流的小煙道吸力大于上升氣流小煙道吸力，根據二者吸力差，可以指導調火工在廢氣盤吸力調節方面的壓力變化。

看火孔壓力是表明焦爐高向加熱是否合適的重要指標，所以能夠實時檢測看火孔壓力，使看火孔壓力能夠保持在0～10 Pa，確保高向加熱的均勻性，有利于爐內上部焦炭的成熟。

分煙道內殘氧指標反映了燃燒系統在空燃比，摻混比是否合適的重要指標，所以能夠實時準確地反映分煙道含氧量有利于煤氣的充分燃燒和調節的合理性。

4 結 語

“焦炭是科技煉成的”，通過爐溫自動檢測系統，將原本屬于人工檢測的數據由測控設備執行，既能夠確保測控的準確性又能夠確保測控的及時性。

通過持續優化焦爐爐溫自動加熱系統，焦爐建立起了縱向（爐頂測溫），橫向（焦餅測溫）、高向（看火孔壓力）三位一體的立體化的溫度監測和控制系統，為焦炭保質保量的生產提供了技術支持。

焦爐的全自動控制是未來發展的方向，因此我們需要充分發掘自動測溫系統在節能降耗（節約煤氣用量），提質增效（提高焦爐加熱均勻性），降低污染（氮氧化物排放）等方面優勢。