1、焦炉加热优化系统 第 1 页 共 45 页 装 订 线 摘 要 本文介绍了铁雄焦化分厂和梅钢焦化厂的焦炉优化串级加热系统 (OCC)，对铁雄焦化分厂焦炉优化串级加热的控制方案，数学模型中前馈模型中的几种供热模型进行详细的介绍和分析，分析了炉顶温度的变化规律。并讨论了铁雄焦化分厂优化调控系统的节能效果。本文也介绍了梅钢焦化厂的结焦模型，分析了几种测量荒煤气温度的优缺点。 关键词：焦炉 前馈 串级加热 结焦模型 焦炉加热优化系统 第 2 页 共 45 页 装 订 线 Abstract 焦炉加热优化系统 第 3 页 共 45 页 装 订 线 目 录 1 文献综述 - 4 1.1 炼焦炉的发展 【 1
2、】 . 5 1.1.1 炉型分类 . 5 1.1.2 发展方向 . 5 1.2 焦炉的加热过程 2 . 6 1.2.1 焦炉加热过程的特点 . 6 1.2.2 焦 炉加热过程控制的意义 . 7 1.3 焦炉过程自动化控制的发展 . 7 1.3.1 焦炉机械自动化 四大机车及自动操作 3 . 7 1.3.2 九温 五压 . 8 1.3.3 焦炉加热优化串级调温 . 8 1.4 国内外焦炉加热自动化控制系统的发展 . 8 1.4.1 国内外焦炉自动加热系统发展概况 4 . 8 1.4.2 国内外焦炉自动加热系统存在的问题 . 9 1.4.3 安徽工业大学开发的 OCC 系统 . 10 1.5 工艺
3、数学模型 5 . 11 1.5.1 前馈数学模型 . 11 1.5.2 反馈数学模型 . 12 1.5.3 动态数学模型 . 12 1.6 炼焦自动化控制的发展方向 6 . 12 2 控制方案 - 13 2 1 控制方案： 见图 3-1 7 . 13 2 2 稳定结焦时间控制方案： . 14 2.3 控制方案的关键问题 8 . 14 3 数学模型 - 16 3.1 数学模型的分类 . 17 3.2 前馈数学模型 . 17 3.3 前馈机、焦侧吸力模型 焦炉流体力学原理与吸力模型 . 19 3.4 反馈数学模型 . 19 3.5 修正模型 . 19 3.6 相关数学模型 . 21 3.7 动态数
4、学模型的建立 . 21 3.8 控制参数调整 . 23 4 蓄顶温度与火道温度变化规律的研究 - 24 4.1 焦炉传热概述 9 . 24 焦炉加热优化系统 第 4 页 共 45 页 装 订 线 4.1.1 对流传热 . 25 4.1.2 辐射传热 . 25 4.1.3 热传导传热 . 26 4.2 蓄顶温度变化规律的研究 . 26 4.2.1 蓄顶温度随周转时间变化规律的研究 . 26 4.2.2 蓄顶温度随换向时间的变化规律 . 27 5 结焦终了时间判断 - 28 5.1 用焦饼中心温度判断结焦终了时间 . 28 5.1.1 测量焦饼中心温度的重要性 . 28 5.1.2 主要测量方法
5、10 . 29 5.1.3 焦饼中心温度判断结焦时间 . 29 5.2 用粗煤气温度判断结焦终了时间 10 . 30 5.2.1 用 粗煤气温度判断结焦终了时间的重要性 . 30 5.2.2 粗煤气温度判断结焦终了时间的主要方法 . 30 5.2.3 粗煤气温度采集方法 . 32 6 控制界面的设计与使用 - 35 6. 1 总画面设计 . 35 6.2 焦炉加热优化控制参数画面 . 36 7 分析讨论 - 38 7.1 控制系统 11 . 38 7.2 铁雄焦化分厂节能分析 . 38 7.2.1 铁雄焦化分厂 1#焦炉节能量 . 38 7.2.2 铁雄焦化分厂 2#焦炉节能量 . 38 7.
6、3 铁雄焦化分厂 OCC 系统的优点 . 39 7.4 其他焦化厂使用 OCC 系统的效果 12 . 40 结论 - 41 附表 - 42 致谢 - 44 主要参考 文献 - 45 1 文献综述 焦炉加热优化系统 第 5 页 共 45 页 装 订 线 1.1 炼焦炉的发展 【 1】 1.1.1 炉型分类 炼焦炉 是 一种通常由 耐火砖 和耐火砌块砌成的炉子，用于使煤炭化以生产 焦炭 。一座现代化的焦炉往往有几十孔炭化室，年产焦炭数十万吨。世界上已经投产的最大焦炉在德国，它有炭化室 70 孔，炭化室高 7 85m、有效容积 70立方米，年产焦炭可达百万吨。现代焦炉已定型，其基本结构基本相同，但出
7、于装煤方式、供热方式相使用的燃料不尽相同，又可分为许多类型。具分类如下： （ 1）技火道结构可分为 ：水平火道 (索尔维尔焦炉 )，直立火道（上跨式、 两分式、四分式、四联式、双联式）。 （ 2）按加热煤气种类可分为：单热式；用一种煤气加热，即用焦炉煤气或高炉煤气加热，复热式：用两种煤气加热。 （ 3）按加热煤气供人方式可分为：侧入式 (66 型 I-，原 NBP 型。卡尔斯蒂 .尔 )，下喷式 (JN43， 55， 60)，全下喷式 (新日铁 M型 )。 （ 4）按蓄热室结构可分为：纵蓄热室 (德国奥托 程夫曼；中国简易 3#焦炉 )， 横蓄热室（带中心隔墙，机焦侧分开的蓄热室 ;无中心隔墙
8、，机、焦侧 连 续的蓄热 室 ;分格蓄热室 ;两分蓄热室）。 （ 5）按加热调化力式可分为：横向加热的均匀性（箅子砖结构改进、小烟道格或变径、分格蓄热室、单向小烟道），高向加热的均匀性（多段加热、高低灯头、废气循环、下交替加热、强化辐射加热）。 （ 6）按装煤方式可分为： 侧装焦炉 (如捣固焦炉 )，顶装焦炉 焦炉炉型不同，无非是不同火道结构、不同加热煤气种类与方式、不同的蓄热室结构和不同装煤方式的排列组合。焦炉结构的变化与发展，主要是为了更好地解决焦饼的高向与长向加热的均匀性，节能降耗，降低投资成本，提高经济效益。 【 1】 1.1.2 发展方向 我国炼焦工业自进入 21 世纪以后，获得了飞
9、跃发展，其主要原因是整个国民经济稳定、快速发展，工业结构的调整带动了钢铁焦化工业的协调发展，加上欧美、日本等国的炉龄老化，产量下降，因而出口炭量也年年上升。综观世界各国炼焦工艺的现状与发展，当今的主要方向和要解决的问题是： （ 1）实现焦炉的大型化。发展宽幅炭化室是方向，宽幅炭化室在稍微提高火道温度的前提下，产量基本上可以维持不变，而且提高了劳动生产率，降低了成本，改善了环保条件。 （ 2）建造高效、节能则焦炉，发展薄炉墙的焦炉。 （ 3）提高一代炉龄，对老炉体 进行技术改造最典型的是攀钢焦化厂 4 座大容积焦炉。它们已经生产近 40年，而结焦时间还能保持公原设计的水平 L，这主要是因为加强科
10、学管理，长年不放松，并实施丁一套独特的技术措施。侗在当前突汽的经济利益驱动下，对于一代炉龄问题有所争论。实现高度的机械化和自动化，尤其是四项新技术的推广与运用。安徽工业大学化工自动化研究所在四大车联锁、推焦计划表、推焦电流的自动传送、自动对位功能的实施上做了大量工作，并已在全国十余个着名钢铁公焦炉加热优化系统 第 6 页 共 45 页 装 订 线 司、独立焦化厂的几十座焦炉上实施了焦炉加热优化串级调控 (OCC 工艺 )。这不仅稳定了炉温，提问 了安定系数，而且降低了炼焦耗热量，减轻了劳动强度，并取得了明显的经济效益和社会效果。 （ 4）提高环境保护水平，尤其是近十年来，在解决装炉煤出焦、运焦
11、烟尘治理上取得了明显的效果。 （ 5）采用不同工艺，扩大炼焦煤源，尤其是在推广捣同焦炉上巳取得了 定的效果。进一步提高管理水平，提高综合经济效益。 综上所述，当前焦炉的主要结构型式，仍以多室的蓄热室焦炉为主，并将扩大容积，采用致密硅砖，减薄炭化室墙和提高火道温度等方面作为主要的技术发展方向。 1.2 焦炉的加热过程 2 1.2.1焦炉加热过程的特点 焦炉炼焦 是一个复杂的工艺过程，煤料在炭化室内隔绝空气加热（即高温干馏），经过干燥，热解，熔融，粘结，固化，收缩等阶段，最终成为焦炭。炭化室内的结焦过程有两个基本特点，一是成层结焦，即焦炭总是在靠近焦炉墙的处首先形成，然后逐渐向炭化室中心推移，二是
12、结焦过程中的传热性能随炉料状态和温度而变化。因此，炭化室内各部位焦炭质量与特性有所差异，一般以结焦终了时炭化室中心温度作为整个炭化室成熟的标志，根据装炉煤的性质和对焦炭质量的要求不同，该温度为950-1050。 焦炉既是高温化学反应器，又是十分庞大而结构复杂的热工设备，由 多个炭化室和燃烧室相间组成，每个燃烧室又包括一定数量的立火道，其中没两个立火道作为一对，组成一个气体通路，其两端分别和下面的蓄热室相连接。焦炉生产是连续和间歇的结合，焦炉炭化室按一定的推焦计划定期装煤，出焦，焦炉燃烧室内的燃烧过程连续不断地进行，为使炭化室均匀加热，加热系统定时改变废气流向，同时，为充分利用废气余热，通过蓄热
13、室来预热进入燃烧室的空气和煤气。 由于焦炉炭化室的定期装煤，出焦和加热系统气流的定期换向，使得炭化室内的煤 -焦状态，加热火道内的气流组成以及焦炉各处温度场均匀产生周期性变化。另外，国内焦 炉均采用自然抽风结构，供给焦炉加热用的空气流量是通过改变烟道废气通道阻力来调节的。由于焦炉结构的特点及独特的操作方式，焦炉加热受多种因素影响，综合起来，主要有这几个方面： （ 1） 煤料的品种，煤料水分及装煤量的变化，他引起炼焦耗热量的变化。 （ 2） 煤气成分和煤气温度的变化，使煤气热值变化，从而影响焦炉加热。 （ 3） 国内焦炉为自然抽风结构，因此环境温度，大气压力等因素的变化使焦炉压力制度变化，且使烟
14、道吸力变化，引起燃烧煤气的空气过剩系数变化，燃烧室温度波动。 （ 4） 焦炉生产出焦操作不平衡，使结焦时间变化，造成炉温波动。 （ 5） 其他因素，如操 作者对焦炉维护操作不当，也会引起炉温波动。 焦炉加热控制系统作为一个庞大而复杂的多变量系统，具有以下几个特点： 焦炉加热优化系统 第 7 页 共 45 页 装 订 线 （ 1） 多变量 (包括输入量和输出量）：多输入量，如装炉煤参数，加热煤气特性，空气流量和结焦时间等，多输出量，如温度，吸力等。 （ 2） 多回路而且相互关联：上述各输入量和输出量之间是密切联系和互相影响的，如大气温度的变化引起烟道吸力的变化，而吸力变化又引起空气流量变化影响立
15、火道的变化温度等等，因而形成了若干个并联的动态环节和闭合回路，而且他们之间是相互交叉的。 （ 3） 非线性，引起非线性的普遍原因是非迭加性的多元函数。 （ 4） 参 数分布，表现为对象的某些变量的动态过程是时间和空间的函数。 （ 5） 慢过程和快过程交织在一起。焦炉是个大热熔对象，温度滞后相当大，煤气量的改变不能及时从温度上反映出来，而煤气和空气流量的变化以及吸力的变化是个快过程。 要对焦炉加热这样庞大而复杂的对象进行操作，自动控制，最优设计等方面的研究和开发，首先要求全面而深刻地了解其动态特性。研究热工控制对象特性的一个很好的方法就是建立和开发其他动态模型。 1.2.2焦炉加热过程控制的意义
16、 当今焦化厂的目标，除了达到较高的操作可靠性，质量均匀的产品和不污染环境的操 作外，尚应该获得最佳的经济效果。其中焦炉加热的控制系统具有特殊的重要性。失调的加热系统使焦炉加热系统使加热费用增大并不可避免地会导致结焦的不均匀性，从而引起严重的污染。研究焦炉加热过程的控制就能有效地解决这一问题。 1.3 焦炉过程自动化控制的发展 1.3.1焦炉机械自动化 四大机车及自动操作 3 (1)装煤车 原来的装煤车只是为将原料煤从煤塔送到每个炉子，并将其装入炭化室。这工作牵涉很多人力，而且由于高温、粉尘和煤气使操作条件很坏。装煤过程中气体的大量逸出导致大气污染。近代的装煤车，按特征可分为 两种：装煤时产生的
17、气体由外部吸走，即除尘装置位于装煤车上；使用一个固定除尘站由焦炉内吸，即通过一个蒸汽喷射器或高压氨水把装炉时产生的煤气经上升管吸到集气管中。为使装煤工作更易于进行，目前制造的装煤车上带有很多机械装置。这些装煤车以“一次定位”方式进行工作，装煤过程中装煤车无需移动，下述操作全部由机械来完成：磁性孔盖的提起和放回；孔盖、孔框、上升管的清扫，装煤孔盖浆密封，炉顶的真空吸尘清扫；煤塔上的门、上升管上的阀和盖的机械化操作。要完成上述每种单一操作，通常都得采用液压驱动，这种附加装置明显地增加了装煤 车的重量；如果再加上水系统在内的除尘装置、操作室的空调装置、直流电器设备及液压设备，大容量焦炉装煤车的重量将
18、超过 160t。 (2)推焦车 推焦机上装有一个平煤杆，用来将炭化室中煤料的上表面推平。还有一个推焦杆，用于在每个结焦周期结束时从炭化室推出焦炭。推焦机使用电力驱动，推焦机上还有一个装置可将炉门打开并将炉门摘下，以及将炉门安上并关住。现在移动炉门机械的焦炉加热优化系统 第 8 页 共 45 页 装 订 线 设计，可使推焦机在到位的情况下将炉门摘下或者安上。在这种情况下炉门可自动旋转 90。处于这个位置的炉门可用利刀进行自动清扫，同时也可自动清除粘附在炉 门框上的焦油。 (3)栏焦车 拦焦车工作现场地域狭窄、环境温度高、烟尘大，其结构要求稳定性好、安全可靠、降温防尘、定位次数少，拦焦车可沿炭化室
19、的轴向移动，使其尽可能靠近炉室。由于拦焦车处于特殊的操作环境，为了避免从业人员受到作业环境的危害，现今拦焦车的司机室四周装有隔热材料、门窗密封，并安有空调，室内和室外空气对流要经过过滤和吸尘装置。 (4)熄焦车 熄焦车从焦炉行进至熄焦站，再至焦台，然后回到下一个要进行推焦的炉子。熄焦车的底和壁经常要承受很大的温度变化，热应力很大，在设计和制造时都要考虑到这一特 征。熄焦车通常采用电机车牵引，车速可在相当范围内变化，由于两次出焦之间的间隔时间越来越短，熄焦车就可能成为提高焦炉出焦次数的障碍，所以目前已开发了新的牵引装置：一种是使用紧凑的双轴驱动装置，可使熄焦车达到更高的加速。另一种是使用高功率的
20、绞车 ,可使熄焦车适用于自动化。 1.3.2九温五压 九温五压 了确保焦炭在规定的结焦时间内沿高向、长向均匀成熟，必须制定和严格执行焦炉的加热制度，并结焦时间、装煤量、装煤水分、加热煤气、气候等实际条件的变化，对焦炉加热制度进行及时的调节。焦炉加热制度的主要内容有温度制度 、压力制度、与流量（煤气、空气、废气）的供给与调节制度。 温度制度有焦饼中心温度、直行温度、冷却温度、横排温度、炉头温度、蓄热室顶部温度、小烟道温度、炉顶空间温度及炉墙温度。压力温度有炭化室底部压力、看火空压力、蓄热室顶部吸力、小烟道吸力及蓄热室阻力。 1.3.3焦炉加热优化串级调温 焦炉加热优化串级控制，（简称 OCC 系
21、统）已成功的应用于国内多家大型钢铁公司、独立焦化厂的几十 座焦炉上。 OCC系统有两种合理的控制方案和不同的控制对策 “并建立了一套独特的数学模型和灵活的控制手段 ,同时该系统具有操作方便、投资 成本低、节能效果明显等优点 ,因而得到了广泛的应用。 焦炉加热优化串级控制采用稳定结焦时间与变动结焦时间两种方案，采用二前馈、二反馈、一监控、二串级的方法进行控制。 针对焦炉使用高炉煤气、焦炉煤气和混合煤气加热的三种不同的控制对象，采用了相应的技术措施，以实现更精确、更有效的控制。采用压力控制与流量控制均是有效的， 具体实施需结合现场条件与要求进行。 1.4 国内外焦炉加热自动化控制系统的发展 1.4
22、.1国内外焦炉自动加热系统发展概况 4 1.前馈供热控制系统 前馈控制典型的控制工艺厂家有：美围钢铁 公司、伯利恒钢铁公司、凯塞尔公司、焦炉加热优化系统 第 9 页 共 45 页 装 订 线 法国炭化研究中心间歇加热、德国埃森煤炭研究所分段加热，以中国通化焦化厂。前馈控制基本原理有三种形式：一是根据焦炉传热双层乎壁不稳定导热方程式推导。二是由热平衡计算得到。它是由于供给焦炉的热量全部由产品和废气、散热带出，几乎考虑了所有的热工参数。三是由实际操作经验、专家系统、数据统计分析计算式进行模糊分段、分档控制，给出煤气量。这种控制系统主要考虑丁影响炼熊耗热量的土要因素，可超前调节，解决控制的滞后现象，
23、控制方法简单，容易实施。前馈控制存在测点多、对一次仪表的精度和稳定性要 求高、自动化程度低、同时必须由人丁输入较多的测量数等问题。 2.炉温反馈调节系统 有代表性厂家的反馈控制工艺有日本钢管公司福山 3#、 4#、 5# 炉 C.C.C.S 工艺，新日铁八幡 A.C.C 工艺，荷兰豪戈尔钢铁公司的 CETCO 工艺其基本原理为： (1)由实时火道温度或拟合火道温度与目标火迫温度的偏差进行调节。 (2)由实测焦饼中心湿度与目标焦饼中心温度的偏差进行调节。 (3)由实测结焦终了时间 (火道温度 )与目标结焦终了时间的偏差进行调节。 这类控制系统具有控制点少，控制方便、直 接等优点，但事先确定一个初
24、始供热量或加热煤气流量的经验值，实施时不断调整。另外，有较大的滞后现象，也容易产生超调现象。 3.前反馈相结合合的供热控制系统 典型工艺：德国卡尔斯蒂尔 ABR，比利时冶金研究中心 CRM。这些系统要取得成功必须具备两个基本功能：控制最佳供热量，以达到节约加热煤气流量的目的；调节废气中的含氧量，即控制合适的空气系数，以实现最佳燃烧。 同时必须具备两个基本条件：实现全自动的优化串级控制，切换操作方便、简单、人工干预少；投资低，回收周期短。 1.4.2国内外焦炉自动加热系统存在 的问题 (1)控制系统过于复杂，离线测量参数多，因而操作复杂。如酒钢采用了煤质、多个工艺参数、红焦等参数，有些参数在线测
25、定困难，给实施带来不确定因素。 (2)控制系统人机对话不方便，数学模型较复杂，对工况的变化适应性不强。如重钢采用了自适应系统，由于系统参数之间的关系较为复杂，模型的可靠件受到限制。 (3)以宝钢二期工程程美国凯塞尔公司 )焦炉加热自动控制系统为代表的前馈控制系统所需的设备多，投资大，需要人工输入大量的参数。鞍山焦耐院在通化焦化厂在实施的前馈控制也同样存在着类似问题，且前该控制难 以达到理想的节能降耗效果，系统过分依赖于生产的稳定。 (4)结焦终厂时间 (或焦饼中心温度 )的离线判断，这就势必降低了系统的节能效果。连续测定时，受设备条件的限制，也难以实现。 (5)控制过程中由于影响炼焦耗热量的因
26、素很多，因而所建立的数学模型与生产实际有较大的偏差。焦炉生产有自己的热工特性，套用 般加热炉的加热控制规律，缺乏对工艺条件的深入研究，因此对复杂的焦炉不适宜。 (6)对成分分析仪表的要求过高。如对热值仪、废气氧分析仪的依赖。 焦炉加热优化系统 第 10 页 共 45 页 装 订 线 (7)系统硬件配置达不到顶想的节能和稳定炉温的目的，反而 增加了系统的操作和维护费用。尤其是国外引进的系统，总成本过高。 1.4.3安徽工业大学开发的 OCC 系统 安徽工业大学自 90年代初开始进行“焦炉加热计算机优化串级调控”的理论研究工作，并于 1997 年在马钢煤焦化公司 6#大容积焦炉与山东莱钢焦化厂 J
27、N43 型 3#焦炉进行开拓性的实践，目前最长投运时间已超过 10年，使用情况良好，达到了预期的各项技术经济指标。 表 1-1 安徽工业大学开发的 OCC 系统 序 号 使用单位 硬件设备 控制系统特点 效 果 1 攀钢煤化工厂 16#焦炉 法国施耐德 PLC 系统 前反馈相结合 ,多模式模糊控制 温度波动 13，节能量 2.5%，耗热量降低 100.6KJ/Kg 煤，运行已达五年。 2 莱钢焦化厂 1#3#焦炉 美国 Honeywell公司的 S9000 温度波动 13，节能量 4%，耗热量降低 136.3KJ/Kg 煤。 3 马钢煤焦化公司 6#焦炉 美国 Honeywell公司的 TDC
28、-3000 温度波动 35，节能量 3.1%，耗热量降低 107.5KJ/Kg 煤。 4 昆明焦化厂 1#2#焦炉 德国西门子 PLC 系统 S-4000 温度波动 35 ，节能量 2.3%，耗热量降低 90.0KJ/Kg 煤。 5 水钢焦化厂 3#焦炉 美国 Honeywell公司的 S9000 温度波动 13，节能量 3.1%，耗热量降低 99.0KJ/Kg 煤。 6 南钢焦化厂 1#焦炉 德国西门子 PLC 系统 S-3000 在原基础上增加模型自学习部分 温度波动 35，节能量 3.4%，耗热量降低 92.0KJ/Kg 煤。 7 济钢焦化厂 5#焦炉 美国 AB 公司的 PLC 增加了
29、焦炭质量在线监控部分 温度波动 5，节能量 3.0%，耗热量降低 104.0KJ/Kg 煤。 8 济钢焦化厂 1#2#焦炉 美国 ABB 公司的 PLC 增加了焦炭质量在线监控部分 温度波动 5，节能量 4.5%，耗热量降低 115.2KJ/Kg 煤。 9 上海焦化公司 5#6#焦炉 日本横河 XL 采用流量与压力控制 温度波动 3，节能量 7%，耗热量降低 203.2KJ/Kg 煤（用代道煤气加热）。 10 马钢煤焦化公司 3#焦炉 浙大中控 采用压力控制方法 温度波动 5，节能量 6.4%，耗热量降低 143.0KJ/Kg 煤。 11 邯钢焦化厂1#2#焦炉 美国 AB 公司的 PLC 采用压力控制 温度波 动 3，节能量 4.1%，耗热量降低 109.3KJ/Kg 煤。 12 河南天宏焦化公司 1#2#3#焦炉 德国西门子 PLC 系统 采用压力控制 温度波动 5，节能量 2%，耗热量降低 90.0KJ/Kg 煤。 13 柳钢焦化厂4#5#焦炉 德国西门子 PLC 系统 采用压力控制 温度波
