干熄焦烧损率的实时计算

2022-10-13袁本雄邵胜平左夏青周怀宇

冶金能源 2022年5期

袁本雄邵胜平左夏青徐正周怀宇

(1.铜陵泰富特种材料有限公司，2.辽宁盛焓工程技术有限公司，3.鞍山蓝海自动化系统工程有限公司)

干熄焦现在是焦炉的标准配套设备。在运行过程中，为了保证生产安全，通常要引入空气，将循环气体中的可燃成分烧掉，远离爆炸极限，但也造成了焦炭的燃烧损失，同时也增加了碳排放。如果能实时监测烧损率，在保证安全的前提下优化干熄焦的操作参数、降低烧损，不但能给企业带来可观的效益，还能降低碳排放量。

1 干熄焦烧损的原因

干熄焦生产过程中，除了导入一些空气外，气体循环系统的负压段也会吸入一定量的空气，而空气会与红热焦炭发生各种化学反应。首先空气中的O2与高温焦炭发生氧化反应，生成CO和CO2；其次空气中的水分与红焦发生反应生成H2、CO、CO2和CH4等。在干熄炉预存段，红焦本身残留的一部分挥发分进一步热解生成H2和CH4。因此，干熄焦的循环气体中存在H2、CH4和CO等可燃成分，而CH4经过高温焦炭时会重新分解成C和H2，所以循环气体中最终主要的可燃成分是H2和CO。

循环气体冷却焦炭的过程中，H2和CO等可燃成分浓度不断升高，达到一定程度后，在气体循环系统负压段，与漏入的空气混合容易发生爆炸，因此需要调整干熄炉环形烟道处空气导入量，将焦炭冷却过程中产生的可燃成分烧掉。这个过程会使一部分焦粉在循环风中燃烧形成焦炭烧损。另外，循环风中的H2O、H2和CO2等成分与炽热的红焦会发生CO2+C=2CO、C+H2O=CO+H2、C+2H2O=CO2+2H2、C+2H2=CH4等溶碳反应，也会造成焦炭的损失。由此可见，干熄焦工艺本身不可避免地会造成焦炭的部分损失，只有优化操作参数才能将这种损失降到最小。干熄焦系统设计的国家标准规定焦炭烧损率要小于1%，但是大部分干熄焦系统实际运行的焦炭烧损率远大于1%。

焦炭的烧损包括焦块烧损与焦粉烧损两部分，其中焦块烧损多在干熄焦冷却室上部的高温区域内，而焦粉烧损主要发生在环型烟道、一次除尘器和锅炉的高温段。影响干熄炉焦炭烧损率的因素很多，过程也很复杂，主要的影响因素和相互关系见图1。由于涉及到众多的设备及各种传热传质过程，因此对这些设备建立物理模型联立计算求解干熄焦的实时烧损率非常困难。

图1 焦炭烧损率主要影响因素和相互关系

2 降低干熄焦烧损率的利弊

烧损率降低后，对干熄焦会产生各种利弊。

利：干熄炉内焦炭高温部分减少，冷却速度加快，有利于焦炭的冷却；焦炭的排出量会增加，增加效益；干熄焦碳排放量必然降低，有利于减少企业的碳排放。

弊：干熄焦的产汽量减少；循环风动力消耗增加；对生产调度的要求提高。

是否降低烧损率，需要根据国家政策、产品及能源价格和企业自身要求等综合考虑。

3 国内烧损率计算方法

目前国内大部分焦化厂对干熄焦烧损率的计算都不是实时的，而是根据一段时间内的生产数据计算的平均值，数据精度不高、统计周期较长，对降低干熄焦烧损率生产操作不具备指导意义，只能当作一个长期生产的参考指标。

常用的干熄焦烧损率计算方法：

(1)根据质量守恒计算烧损率

质量守恒为最简单统计计算法，通过当班操作运行装焦量、排焦量和焦粉量记录粗略计算烧损率，同时与碳平衡计算的烧损率进行相互验证，分析焦炭质量变化，计算式为：焦炭烧损率=(装焦量-排焦量-焦粉量)/装焦量×100%。

(2)根据吨焦耗煤计算烧损率

焦炉采用湿法熄焦时，烧损率为零；采用干法熄焦时，因焦炭存在烧损，故焦炭产量下降，对应的吨焦耗煤增加。其计算式为：焦炭烧损率=(干熄焦吨焦耗煤量-湿熄焦吨焦耗煤量)/干熄焦吨焦耗煤量×100%。

(3)根据碳平衡计算烧损率

假设干熄焦循环系统密封，正常生产时导入的空气与炉内碳元素发生完全反应，处于一个平衡的状态，则根据导入的空气量可以计算出干熄焦的烧损率。其计算式为：焦炭烧损率=每小时排放碳元素质量÷每小时焦炭装入量×100%。

(4)根据热平衡计算烧损率

干熄焦通过循环气体吸收红焦显热及焦炭燃烧热后通过锅炉来产生蒸汽。正常生产时，红焦装入量一定，排焦温度一定时，红焦的显热就可确定，而锅炉蒸发量同烧损率成一次线性关系。用蒸发量推算烧损率的公式为：

(1)

(2)

式中：Gm为排出冷焦时的焦炭烧损量，t/t；φsj为实际蒸发量，kg/t；φws为无焦炭烧损时的蒸发量，kg/t；qzq为蒸汽焓值，kJ/kg；qgs为给水焓值，kJ/kg；qrs为焦炭燃烧热值，kJ/kg；qfs为放散气体热量，kJ/t。

(5)以干熄焦收集焦粉含灰量计算烧损率

焦炭在炉内气化后产生的灰分进入焦粉，焦粉含灰大幅度上升，通过焦粉含灰量可计算出烧损率。灰分平衡计算式为：焦炭烧损率=焦粉量×(焦粉含灰率-焦炭含灰率)÷(焦炭量×焦炭含灰率)×100%。

(6)人工智能神经网络计算烧损率

人工智能神经网络是人工智能领域一种重要的方法，是具有统计性、自适应性的一类算法模型。处理复杂信息时，这种方法通过调整网络内部大量节点之间相互连接的关系，达到处理信息的目的。采用人工智能神经网络技术，在大量统计数据基础上，对神经网络进行训练，最终得到各个输入变量与烧损率对应的非线性映射关系，从而利用较少的基准输入数据快速计算出对应的焦炭烧损率。

目前国内对干熄炉焦炭烧损实时计算的研究和实践非常少，2009年南方某焦化厂根据循环气体成分来进行焦炭烧损率实时计算，为国内首次对干熄焦烧损率实时计算的尝试。由于测量设备精度变化和修正系数的影响，需要定期用实际统计平均值进行修正，其实时计算结果只能参考。近年来，国内少数采用烧损率实时计算的企业，其计算方法依然以碳平衡法为主。

4 烧损率实时计算方法

以现有技术水平和条件，碳平衡法、热平衡法和人工智能神经网络法可以实时计算烧损率。只有在实时计算烧损率的基础上，才有可能及时调整干熄焦的操作，真正实现降低烧损率。

4.1 碳平衡计算法

以干熄炉为对象，进入其中的碳元素质量应该等于离开的碳元素质量。

进入干熄炉的碳元素包括：红焦含碳量MC1，循环风带入碳量MC2。

(3)

以排风量37 140 m3/h、循环风中CO含量6.4%、CO2含量12.7%、排焦量166 t、除尘灰(焦粉)3.3 t、存焦减少量7.1 t为例，利用公式(3)可计算得到烧损率为2.1%。

气体成分和流量参数是瞬时的，所以碳平衡法实时计算烧损率是所有方法里响应速度最快的，当然这种方法的准确程度很大程度依赖排焦量和排风量测量的准确度。尽管利用碳平衡法可实时计算瞬时烧损率的变化，但无法根据这种变化去指导干熄焦操作，实现降低烧损率。

4.2 热平衡计算法

干熄焦是利用循环风冷却焦炭，然后再利用循环风加热锅炉产生蒸汽的过程。通过热平衡分析，可以估算出干熄焦的烧损率。

(4)

式中：G为红焦质量。

将实际测试数据带入公式(4)可得到干熄焦烧损率为2.2%。

用热平衡计算法计算的烧损率，可以对其它的烧损率计算方法进行定性的判断：散热量和排污量都为定值，当烧损率为零时，热平衡计算法可以得到吨焦最小理论蒸发量；吨焦实际蒸发量为已知的条件下，当散热量和排污量都为零时，热平衡计算法可以得到最小烧损率。以实际数据为例，当1 t的红焦从1 010 ℃被冷却到110 ℃时，其显热可获得的理论蒸发量为460 kg，实际的蒸发量不可能小于这个数值。当每吨焦实际蒸发量为550 kg时，理论最小烧损率为0.9%，真实的烧损率也必然大于此值。

由于大系统存在热延迟现象，干熄焦烧损率的瞬时变化，不能立刻反映到蒸发量的变化，因此热平衡法实时计算烧损率的结果比实际的烧损率变化滞后。而且由于散热率无法精确测量，所以热平衡法实时计算烧损率的结果准确率要比另外两个方法低。对于降低烧损率的操作指导，它只能给出一个大概的调节原则：即正常生产的情况下，蒸发量减小，则烧损率降低。

4.3 人工智能神经网络计算

人工智能神经网络需要对生产数据进行统计，然后进行训练拟合，训练的输出变量是烧损率也可以是其它变量。神经网络训练用的目标烧损率可以用干熄炉物料平衡进行计算，也可以用碳平衡或热平衡计算。通过数万次对神经网络的训练，神经网络建立起了各生产参数与目标烧损率的非线性映射关系，可以对符合训练样本范围内的生产参数进行烧损率的拟合预测。

以碳平衡计算的烧损率为目标、经过训练后的神经网络对检验数据的验证拟合，平均值的相对误差小于5%，余弦相似度(形状相似程度，形状完全相同时为1)约0.85。以干熄炉物料平衡计算的烧损率为目标、经过训练后的神经网络对检验数据的拟合，平均值相对误差小于10%，余弦相似度约0.8。所以将碳平衡法计算的烧损率做为神经网络训练目标效果更好。

神经网络可以通过调整生产参数预测烧损率，并给出干熄焦的循环风成分、蒸发量等参数的变化，指导干熄焦操作。举例来说，对某干熄焦的生产数据经神经网络训练后，发现将循环风量加大10%，神经网络预测出的烧损率将比原来降低6.1%，可以判断适当加大循环风量是降低烧损率的手段之一。另外神经网络训练好之后，其中一个参数精度下降对计算结果准确度影响比较小，容错性比较强。