焦炉自动加热研究

2022-08-08李旭森

当代化工研究 2022年14期

＊李旭森

（潞安焦化公司山西 046032）

随着人口红利的降低，我国工业生产中面临的用工难问题越发严重，因此有越来越多的企业认识到工业生产自动化的重要性。炼焦行业也不例外，作为基础行业的炼焦产业关系到上下游多个行业的发展。我国是焦炭大国，行业数据调研显示我国焦炭的出口量约占世界的60%左右。并且炼焦作为冶金行业的重要组成部分，降能减排政策要求行业具有更为完善的焦炭生产技术，因此对焦炉自动加热温控系统有强烈的需求[1]。为提升生产效率，降低焦炭的耗损，提升生产效益，炼焦行业使用的管理方式、机器设备也在不断改进。其中焦炉作为炼焦行业最为重要的生产设备，其改进和发展一直受到行业的关注。本文主要对焦炉的自动加热，即焦炉自动化温控系统进行介绍，旨在将先进的温控技术应用于传统炼焦行业中，保障焦炉温度的稳定可靠，满足行业发展的需要。

1.焦炉自动加热的基本概述和背景

焦炉是炼焦行业的重要生产资料，其安全、稳定、可靠地使用直接影响着炼焦企业的生产效益。随着自动化、智能化、无人化成为工业领域的发展方向，焦炉自动温控系统也越发受到关注[2]。在炼焦行业生产过程中，焦炉运行温度是最为重要的生产指标之一，如在生产期间温度出现异常可导致产品质量下降，甚至是工业生产事故。作为冶金行业的重要一环，如炼焦行业出现质量问题，将对上下游造成难以预估的损害。而焦炉的温度受到多种因素的限制，因此自动温控系统的开发难度大。

焦炉自动温控系统是以焦炉火道温度作为控制目标，使用安装在焦炉蓄热室内的热电偶作为传感器，将焦炉内部各个部位的温度数据传输到焦炉自动温控系统之中。再由温控系统通过分析各个因素，并通过计算火道温度值对加热煤气流进行智能调整，使焦炉达到自动加热、自动控温的目的。为了保障对热煤气流的调节，保证加热煤气空燃比在安全范围内，自动温控系统通常还会对机、焦两侧烟道废气氧含量等指标实时监测，以此对烟道吸力控制模型等进行调节，实现稳定加热、实时控温的自动化生产流程。

焦炉自动温控系统的核心是自动加热与自动控温，关系到焦炉是否能稳定运行，均匀加热。自动温控系统根据火道及烟道采集的数据，自动化调整温度，能够有效提升焦炉温度的稳定性，满足炼焦行业发展方向和安全生产。

2.焦炉自动加热的应用前景

焦炉是炼焦行业的核心生产资料，目前我国焦炉自动温控系统虽然已经较为普遍的应用，但与国外先进技术依然存在客观差异，因此焦炉自动加热温控系统具有广阔的应用前景。影响焦炉温度的因素较多，且焦炉加热过程是典型的大惯性、非线性变化，因而温度出现异常，即使及时进行调整，也难以避免造成重大损失。焦炉在进行炼焦作业时，其生产具有连续性，因此加热时需要温度稳定提升。焦炉的主要结构包括蓄热室、火道、炭化室等，基本结构简单，但是为提升生产效益，不同企业的焦炉存在不同的控制方式和结构。影响焦炉温度的因素较多，基本影响因素包括煤料品质、入煤量、水分等；其次我国大部分炼焦企业采用的是自然抽风结构，故环境温度、压力等的变化，也会影响到燃烧室的做功。此外，技术人员技术水平不同，焦炉在生产过程中因不同的操作，其温度、结焦时间也会受到极大的影响。

基于以上原因，如何实现自动加热的温控系统具有重要的意义，具有广阔的应用前景。

（1）焦炉温度人工监测的弊端。焦炉火道温度监测一直是焦炉生产活动中的重要日常工作，传统方式为人工测量，通过使用红外测温仪测试火道底部、鼻梁砖等的温度，继而依据测定温度数据调整加热煤气的流量和烟道的吸力。其弊端在于人工监测无法实施测定温度，且人工测试温度还会受到测温点位、时间、煤料等主客观因素的影响，存在一定误差[3]。人工测定不是实时性监测，因此温度数据具有一定时效性和延后性。

（2）焦炉自动加热温控系统的优势。相较于人工监测和调整焦炉温度，焦炉自动加热温控系统具有明显的技术优势。

首先，自动加热温控系统的温度监测是连续性实时监测，因此能够对各个时间节点的火道温度实时监测。由于温度监测数据的实时性，故在调整热煤气流、烟道吸力等时具有更为可靠的参考指标。能够最大限度的降低温度惯性对温控调整的影响，使焦炉保持稳定、安全的状态。

其次，焦炉自动加热温控系统应用后可极大解放生产力，使操作人员将更多的精力投入到其他工作中。因此，焦炉自动加热温控系统的另一大作用是减少维护人员数量，提升单位生产人员的生产效率。目前随着人口红利的下降，炼焦企业的员工年龄构成呈现明显的倒金字塔结构，40～50岁的员工占比极高，而这不利于企业的持续化发展[4]。自动温控系统的应用，可减少维护人员，使企业的用工压力降低。且自动温控系统的应用，可降低员工的工作难度，提升工作环境，也有利于降低招工难度。

最后，自动加热温控系统相较传统人工测定温度，调整焦炉温度的效率更高，也有利于节能减排，使企业的效益提升。由于自动加热温控系统采集的数据是连续性、实时性数据，因此在调整温度时更为精确，能最大程度的减少煤料的使用，使单位煤料的产值提升。而人工调整难以回避温度变化的惯性，因此在调整温度时需要对煤料、烟道压力等进行更大幅度的改变，不利于控制能耗比。

（3）焦炉自动加热系统的应用优势。解决了焦炉温度管理中人工测调滞后、误差大的问题，使焦炉温度管理更加科学、准确。其次减少了人力测调的需求，将原有人工调节转变为辅助、备用调节手段，提高了焦炉温度管理的效率。提高焦炉产能的同时，降低了焦炉加热煤气的消耗，产生的经济效益显著。最后，通过加热系统的精准控制，为焦炉高负荷生产创造了良好的基础条件，促进了焦炉产能的释放和焦炭质量的稳定提升。

3.焦炉自动加热温控系统的应用

不同企业使用的焦炉类型虽然大体结构差异不大，但是细微的差异较多，因而不同焦炉也需要选择合适的自动加热温控系统。常见的自动温控系统的技术趋势主要包括前馈供热量控制系统、炉温反馈控制系统。

（1）前馈供热量反馈系统。前馈供热量控制系统的技术优势是操作简单，温控效果好。该系统的基本运行思想是“按需供热”，即依据采集的温控数据，按照生产需要调整焦炉的温度。其调节温度的基础条件较多，因而需要对火道温度、煤料温度、煤气热值、煤配比等指标实施监测，利用这些指标调整焦炉的实时温度。但受限于采集数据较多，故缺点也较为明显，即需要对多个指标进行监测，在实际生产中由于各种不确定因素的影响，难以达到系统设定的理想值。实际焦炉运行过程中各种参数值其变化是不确定的，因而按照采集数据调整焦炉温度，会出现不及时，继而造成焦炭品质下降。

（2）炉温反馈控制系统。该控制系统也是当前焦炉加热自动温控系统的一种技术趋势，其实现形式主要有三种。第一种，依据火道温度或者拟合火道温度与目标火道温度的偏差增加煤气流温度，该模式需要使用热电偶连续监测火道内温度的变化，通过调整煤气流实现温度的调节。该技术的优势是实现简单，但由于调整存在较大的滞后性，导致节能减排的效果不理想。且该技术在实际生产中需要的维护费用较高，故不适合长期应用，仅适合短期内替代使用。第二种，实测焦饼的中心温度，继而调整火道的温度。但焦饼温度只有在形成焦后才能获取，加热控制滞后性也较为严重，因此该技术主要作为辅助控制系统。第三种，将实测的结焦终了时间或炼焦指数作为控制温度的监测指标，通过调整粗煤气颜色、温度、成分等进行焦炉的温度调节。该技术是温控系统的设想趋势，需要继续积累更多的生产数据，才能实现该技术，因而技术难度较大。

（3）前、反馈系统结合应用。鉴于前反馈温控、反馈温控系统在应用中的局限性，也有学者认为焦炉自动加热温控系统应该结合两种技术的优势综合应用，达到更理想的温控效果。两种控制系统结合后面临两种选择，其一是以前馈为主，反馈为辅；其二是前馈为辅，反馈为主[5]。两种方案的结合使得温度调整更为灵活和前瞻，极大降低滞后性，使焦炭的质量提升。目前国内的主流加热温控方案是应用两种反馈系统的结合，通过计算入炉煤和结焦时间综合计算目标热量，并实测焦炉实际温度，加减煤气流大小[6]。

前、反馈系统相结合控制系统克服了单一控制系统的缺点，使焦炭质量、成本控制达到更完美的平衡，是国内外目前应用广泛的一种控制系统。

4.自动加热温控系统的实际应用案例

作为工业生产技术，最终需要落实到实际生产环节，因此焦炉自动加热系统的实际应用才能真实反映其使用价值。现以某企业自动加热控制系统为例进行简单介绍。

（1）焦炉加热控制技术。相较于人工监测火道温度的技术，自动加热控制技术的火道温度的监测具有明显的优势，见表1。

表1 自动加热系统与人工监测技术对比

从表1的纸面数据来看，实际应用中焦炉自动加热系统也具备较大的技术优势，可实现温度的稳定控制，减少人力需求。

（2）煤气流量自动控制技术。作为调节温度的重要辅助手段，自动调节煤气流量也是自动加热控制系统的重要一环。相较于人工调节，也具有明显的优势，见表2。

表2 煤气流量自动控制技术与人工调节对比

从表2可知，使用自动加热控制系统，能极大的提升煤气流量的控制效果，解决人工调节的滞后性，使焦炉温度的变化更为线性和稳定，避免温度的大起大落。

5.当前我国焦炉自动加热温控系统面临的技术难点

焦炉自动加热是炼焦企业发展的必然之路，因此虽然我国炼焦行业的起步相对较晚，但发展也极为迅猛。早在20世纪80年代，上海焦化厂就开展了焦炉微机自动加热系统的研究与应用，在1983年上海焦化厂的四号炉已实现微机控制自动加热[7]。此后我国各个地方的焦化厂也在不断进行自动加热温控系统的研究和应用。最初应用的温控方案是简单的恒流控制，随后发展到炉温控制和计算机优化控制。焦炉自动化进程对焦炭质量的影响极大，不仅可提升焦炭的产量和品展，还能极大降低能耗比，使单位煤料的产值增加。但由于焦炉在早期设计中未充分考虑到自动化发展，因此焦炉自动加热系统的应用面临着诸多问题，具体包含：

（1）前期设计技术难点。首先，部分焦炉建造初并未完全考虑到自动加热系统的应用，因而未留足充足的空间预留监测设备的空间，这导致在后期加装温控系统时面临诸多障碍。虽然通过克服困难，使自动加热系统能满足基本生产需要，但是维护困难，影响经济效益。

其次，在前期设计中完全参照国外的焦化厂设计，未结合我国煤料的实际情况，导致前、反馈控制系统对国内的煤料不适应，使结焦时间不稳定，影响焦炭质量。另外，有的焦化厂在设计初设定了极高的工艺指标和生产模型，但并未考虑到实际生产状况，因而当模型与实际生产出现较大偏差时，温度控制、结焦时间控制等指标控制效果会严重打折，最终导致自动加热系统频繁调整，影响效益。

（2）后期使用技术难点。自动加热控制系统需要监测的数据较多，而数据的获取依赖各种类型的传感器、检测器，在日常生产中因各种因素，如交付时间短等影响，控制系统的元部件得不到正常的维护保养，继而导致采集数据出现问题，最终影响焦炉温度的控制。其次，自动加热系统并非完全依赖智能化控制系统，也需要人工进行干预和纠错。因此，受限于主观因素的影响，焦炉的加热控制也会存在显著差异。如操作人员的专业性不足，不规范的操作则会影响自动加热系统的稳定运行。

（3）升级换代问题。焦炉的自动加热控制系统，其设计往往与焦炉的设计相匹配，这就导致升级换代存在较大的问题。自动控制系统在使用一段时期后，性能的稳定性会出现下降，而后续升级换代则面临着较为严重的匹配问题。且随着技术水平的发展，自动加热控制系统的技术会逐渐落后，而更新成本又较大。

6.焦炉自动加热温控系统的未来展望

目前焦炉自动加热已得到行业的认可，在大部分炼焦企业中广泛应用，具有广阔的市场前景。但由于焦炉温控的自动化、智能化是与焦炉设计相匹配的技术，故先进自动加热技术的实际应用受到焦炉设计的限制，难以及时应用于生产环节。目前更多的焦炉自动加热技术作为技术储备尚待开发和实际应用验证。相信在不久的将来有更多的自动加热技术突破理论，应用于实际生产中。