清洁型焦炉自动调节技术

田晓兰

(山西省化工设计院，山西 太原 030001)

1 清洁型焦炉控制手段的现状

清洁型焦炉从2000年投入使用至今，虽经过了多次的改道、升级，但改造与升级仅限于焦炉炉体、集气管等部分，控制手段并没有发生根本性的改变。焦炉最终的控制参数是焦炉各部分的温度，焦炉炭化室和四联拱的温度最终决定了焦炭的结焦时间(在相同配合煤的情况下)。清洁型焦炉炼焦热源来自于炼焦过程中挥发出的煤气、焦油、苯等物质在炉内的燃烧，相应部位配入空气的多少控制着焦炉内可燃成分的燃烧情况，同时决定着焦炉各部分的温度。而焦炉各部分的进风量与进风时间是由焦炉上的进风门控制的。近几年设计的焦炉，仍然采用手动控制的一次、二次风门，烟道和集气管上采用的闸板、阀门也仅仅是由手动改为电动，并没有实现自动、联动控制。一次风门虽然采用上翻式、推拉式、旋转式3种不同形式，但还需要调火工手动调节。二次风门采用了上翻式、推拉式，也还仍然是手动控制。烟道和集气管上的电动阀门或闸板只能对全炉的吸力整体调节，不能实现单孔控制，从而把焦炉限制在了一个较低的控制水平上。目前，各焦化企业使用的PLC、DCS等系统，在炼焦工段中只能起到自动检测的作用，无法实现自动控制。

2 传统控制手段的缺陷

1)一次风门:一次风门设置在炉顶，一般采用翻板式，操作工人在结焦的不同时期调节翻板开度。

2)二次风门:四联拱下部二次进风口为推拉式，操作工人在结焦的不同时期调节风门开度。

3)上升管:上升管调节主要为插板砖。耐火砖为脆性材料，很难用机械结构连接和控制。

4)集气管和烟道:集气支管的调节主要为闸板阀。集气管内部的高温对阀门芯体材料的选用提出了很高的要求，并对阀门能否长期使用提出了挑战。

集气总管及烟道部位采用的调节手段主要为插板阀。插板阀比较笨重，尤其是与烟道及管道连接部分不易密封，影响阀门的使用寿命，降低烟气温度，从而影响发电。

以上几种调节手段，开度的控制只能由调火工目测，并对照自动仪表检测结果进行调整，这需要长期实践经验的积累。而且，一旦配煤发生改变，又需要一定时间的摸索，无法实现准确的可重复操作。这就意味着，焦炉控制手段还停留在手动控制阶段，没有实现自动控制。随着环保、节能、生产管理等要求的提高，通过手动控制已无法实现更高的目标。

3 自动控制的难点

与传统机焦炉不同，QRD清洁型焦炉的加热方式是直接加热。也就是说，炼焦过程中挥发出来的可燃成分必须在炉内完全燃烧。由于炼焦过程中可燃成分的挥发是无法人为控制的，因此不能像机焦一样通过控制加热用的煤气来准确控制炉体的温度。

要控制可燃成分的燃烧，只能靠控制配入炉内助燃的空气量及配入时间来调节。配入空气量应该保证可燃成分完全燃烧，同时不能因配入过多的冷空气而使废气温度降低，否则会影响后续的发电效率。所以，配入的空气量不易做到准确。配入空气的时间和入口也很关键，把握不好会造成炉体部分区域温度过高，使炉体损坏。

要控制首先要检测，而高温段测量仪表既昂贵又易损。目前，采用的高温测温仪表为铂铑合金，外部有金刚砂的保护壳。该测温仪表虽然耐高温，但当在水平安装时会因重力和高温的共同作用而使仪表变形损坏。

局部高温难以预测与控制。炉内可燃成分燃烧时流体做湍流运动，配风只能在固定的配风口配入，很难做到混合均匀，易造成焦炉某点局部燃烧过于猛烈而产生局部高温。一旦耐火材料不能承受湍流和高温的共同作用，就会造成炉体损坏。

高温流通通道的密封问题。集气管、烟道、炉体内部都为高温区域，在此区域的耐火材料存在膨胀问题，故需设置多处膨胀缝。膨胀缝密封一般采用不定形耐火材料，如耐火纤维板、纤维棉、纤维绳等。这就意味着，此处不可能完全密封，可能存在局部漏气。而一旦发生漏气，就会与残留的可燃成分发生混合燃烧，造成局部高温。严重时，使炉体损坏。

高温控制点的材质选用。高温段控制需要采用非金属材料，此种材料因脆性或不定形而不易做成坚固的控制体。即使做成板状加筋等形式，也容易在长期使用中损坏。一旦发生损坏，则不易维修。

4 自动控制的可行性与实现

4.1 自动调节的可行性分析

要想准确地控制焦炉各部分的温度，必须对焦炉各部分的燃烧情况加以控制。如果能准确地掌握各时间段内配合煤挥发物质的产量和组成，就有可能通过配入合适的空气实现焦炉的稳定操作。可先从配合煤炼焦过程中产生的可燃成分入手，绘制出配合煤的挥发分随时间的变化曲线，参照此曲线，绘制出配风曲线，并对此曲线进行实践验证。校正后，再应用到实践中。

4.2 自动调节手段的实现

4.2.1 自动调节阀门的应用及低温段调节理念

一次风门可以采用电动阀门。炉顶的一次风门开口高出炉顶150 mm～200 mm，是冷态区域(即低温段控制)，现有的自动阀门完全可以满足自动调节的要求。也可以把炉顶各风门用管道连接起来，用统一的阀门实现调节。

二次风门在四联拱下部，也可以采用类似的手段实现自动调节。例如，可以改变目前二次风门入口的方形为圆形，加装铸铁管道，引出炉体外部，在冷段用阀门进行自动调节。

一次、二次风门的调节必须做好挥发可燃成分与空气的合理调配，使可燃成分在炉内完全燃烧。但也不能过多地配入冷空气，否则会影响废气的温度，进而影响发电。

此外，尽量通过砌筑、放置调节砖使整炉吸力均匀，并在废气换热后的冷段用风机控制吸力，以达到低温控制的目的。自动调节阀门如图1所示。

图1 自动调节阀门

4.2.2 高温段检测与控制

高温段也需设置一些调节手段。但高温段调节只用于开工或煤种有重大变化的情况，正常生产时尽量不使用高温段调节。因此，要求使用质量更高、稳定性更好的高温阀门，以保证炉体系统压力的稳定，从而保证低温段调节手段的灵敏性和可重复性。

炼焦挥发物具有不可控制性，要达到精确的控制，需要相当稳定的热源。所以，我们在设计焦炉时采用了一些改进措施，使不同结焦时间的单孔焦炉可以相互利用多余的可燃成分，实现焦炉的稳定操作。

5 技术发展与展望

1)完善清洁型焦炉理论计算与控制体系

目前，山西省化工设计院正在与天津大学合作进行QRD清洁型焦炉仿真模拟研究，通过应用软件(ANSYS)建立炉体三维仿真模型，对炉体的热力学及流体动力学进行分析，总结出各种不同情况下炉体内的燃烧情况、温度场分布、压力场分布等数据。以此为理论依据，绘制相应的配风曲线，作为焦炉配风调节的基准。不久之后，我院设计的江西东乡QRD焦炉即将装煤出焦。届时，我们将基于这种最新炉型进行配风实验，总结出一套合理的配方方案。

2)改热态调节为冷态调节

将调节手段都设置在冷态条件下，即在一次、二次风门处设置调节阀，对焦炉进行调节。以配风曲线为基准，焦炉各部分温度为检测值，用自动阀门进行精确调节。如在热段的上升管处可以采用调节砖，集气支管处用电动阀门，烟道(或集气总管)处也使用电动阀门。但热态调节手段只在煤种或操作情况有重大调整时使用，正常生产时维持不变。这样既能保证焦炉操作的稳定性，又能保证冷态调节的灵敏性与精确性。

预计的控制逻辑图如图2。

图2 控制辑逻图

3)在实现焦炉配风的精确控制下，可以考虑焦炉配风的预热，通过焦炉炉底散热孔散出的热量加热入炉空气。既可以节能，又能提高废气发电量。

［1］姚昭章.炼焦学［M］.北京:冶金工业出版社，2004.

［2］王树青.先进控制技术及应用［M］.北京:化学工业出版社，2001.