焦爐加熱燃燒系統的優化控制

周善語

廣西柳鋼焦化廠 廣西柳州 545001

焦爐加熱燃燒工況的改變對煉焦過程影響巨大，一方面會引起焦爐加熱溫度的波動，導致焦炭的產量和質量下降、爐體壽命縮短；另一方面會破壞焦爐連續生產的穩定性，導致煤氣消耗量增加、焦爐熱效率降低。目前，焦爐加熱燃燒控制系統中缺乏有效的模型辨識手段，只是對系統模型的粗略近似，導致控制效果較差。因采取更有效的控制策略對提高焦爐加熱溫度穩定性、降低煉焦能耗十分重要。

1 焦爐的結構及其生產工藝

1.1 焦爐的結構

焦爐是煉焦的主要熱工設備，可生產焦炭、煤焦油、焦爐煤氣等產品。焦爐在生產過程中，以隔絕空氣的方式對炭化室內的煤加熱，保持溫度在950-1050℃，經過一整個結焦周期，煤料即被干餾成焦炭，并生成其他焦化產品。

（1）炭化室。炭化室主要功能是提供煤干餾的環境，其建筑材料大多數為耐火的密致硅磚，可讓燃燒室的熱量有效導入炭化室中。JN-60型焦爐的炭化室頂部一般設有兩個裝煤孔和兩個煤氣上升孔，機、焦側的爐門通常為添加耐火內襯的鑄鐵爐門[1]。

（2）燃燒室。燃燒室是焦爐中最重要的供能區域，由多個隔墻分開的立火道組成，煤氣與空氣在此混合燃燒提供熱能。每個立火道的底部都設有三個圓孔，其中兩個與斜道相通，用于導入煤氣和空氣，另一個與磚煤氣道相通，作為焦爐煤氣的通道。燃燒室與炭化室并不處在同一水平高度，因此產生了加熱水平高度，是加熱過程中一個重要的參數。

（3）蓄熱室。蓄熱室主要用于回收煙氣中的熱能，并將這些熱能儲存下來，用于后續加熱階段中煤氣和空氣的預熱。經過預熱后的氣體通過上部的斜道進入燃燒室進行混合燃燒。

（4）斜道區。斜道區是連接燃燒室與蓄熱室的重要通道，可將煤氣和空氣分別導入不同的立火道內，還可將高溫廢氣導入蓄熱室內[2]。

（5）爐頂區。爐頂區是炭化室頂磚以上的部分，一般設有看火孔、上升管孔以及拉條溝等。為了減少爐頂區的散熱，一般在不受壓力的區域鋪有隔熱磚。頂部表面鋪有不受雨水侵蝕的耐磨瓷磚以提高爐體使用年限。

（6）煙道。煙道外部一般由鋼筋混凝土澆筑，內部貼有耐火磚塊，主要用于煙氣的排出。根據焦爐的具體結構，一般分為下噴式和側噴式。

1.2 焦爐煉焦的生產工藝

煉焦過程中，主要由推焦裝煤車、熄焦車、攔焦車循環操作執行。首先將處理好的碎煤裝入推焦裝煤車，在煤箱內搗固成煤餅備用，然后控制開關將爐門打開，使用推焦桿將成熟的焦炭推入熄焦車，熄焦車順著軌道將紅焦運至熄焦塔，在熄焦車運送過程中，裝煤車將搗固成型的煤餅推入炭化室內，待煤餅完全進入炭化室后將爐門關閉，最后進行焦爐加熱，經過一整個結焦周期再次形成成熟的焦炭。

2 焦爐各系統主要內容

2.1 焦爐加熱燃燒系統的主要內容

焦爐加熱燃燒系統可分為加熱控制和燃燒控制兩個部分，焦爐加熱控制主要負責控制焦爐加熱溫度，保證焦炭產量和質量。焦爐燃燒控制主要通過改變吸入燃燒室的空氣量，達到減少排煙熱損耗、提高焦爐熱效率的目的。煉焦生產過程中，焦爐加熱燃燒過程可分為焦爐加熱過程和煤氣的燃燒過程。

2.2 焦爐加熱控制的主要內容

焦爐加熱控制主要以控制溫度為目標，其中最核心的控制參數是立火道溫度。工業生產過程中將焦爐各燃燒室立火道溫度的平均值定義為焦爐立火道溫度，它反映了焦爐整體的加熱水平，直接決定了焦炭的產量和質量。因此，必須對焦爐立火道溫度進行精確的控制，而實現精確控制的前提是能夠準確的測得實時溫度。

2.3 焦爐燃燒控制的主要內容

煤氣在燃燒室燃燒的過程中，最核心的參數就是燃燒的效率，直接關系到焦化企業的經濟效益。為了提高焦爐的熱效率，一方面要保證煤氣得到充分燃燒，另一方面要盡量減少熱損耗。下面將首先分析焦爐的熱平衡。

3 焦爐加熱燃燒控制的難點

焦爐是當代焦化行業最重要的熱工設備，經過數百年的發展，現役最多的焦爐類型為蓄熱式焦爐，主要由燃燒室、炭化室和蓄熱室組成。煉焦的加熱過程十分復雜，具有大滯后、非線性等特點，因此難以采用傳統的建模方法建立起精確的系統模型，這極大的提高了控制難度。

焦爐的整體結構十分龐大，無論是升溫還是降溫，其過程都十分緩慢，具有很強的慣性和嚴重的滯后性。外加現場生產過程中，根據煤料性質等因素改變結焦周期，以及各種現場生產突發狀況都會對焦爐溫度造成嚴重干擾。上述的種種因素都給爐溫的穩定控制帶來了不小的挑戰[3]。

4 優化焦爐加熱燃燒的控制方案

影響焦炭質量的因素主要為立火道溫度，火道溫度是否穩定直接決定了焦炭質量的好壞。影響焦爐熱效率的主要因素為空燃比，合理的空燃比值可以在保證溫度的前提下，有效減少排煙帶走的熱量，提高焦爐的熱效率。通過最小二乘支持向量機算法辨識溫度模型結合廣義預測控制的方案，達到穩定控制爐溫的目的。為提高現場焦爐熱效率，采取基于煤氣熱值設定空燃比的策略，以調整通入燃燒室的煤氣量與空氣量，達到最佳燃燒的效果[4]。

5 結語

本文介紹了焦爐的加熱和燃燒系統，主要分為兩個方面：加熱控制和燃燒控制。在分析焦爐結構、焦化過程、焦爐加熱過程、燃氣燃燒過程的基礎上，提出了結合溫度控制和空燃比控制的優化控制策略。