智能煉焦關鍵技術進展與趨勢分析

甘秀石 ，韓樹國 ，王超 ，朱慶廟 ，趙鋒

（1.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼股份有限公司煉焦總廠，遼寧 鞍山 114021）

以智能制造為核心，基于大數據、云計算的新型信息化技術與傳統制造業的加速融合已成為全球先進制造業發展的突出趨勢。與鋼鐵工業高度相關的煉焦工業正經歷著從傳統的大規模重復建設轉型為以智能高效為主題的高質量發展工業。智能煉焦是在自動化和信息化的煉焦基礎上，形成以實時感知為核心、協同服務為基礎、智能決策和分析為目標的工業過程。2020年，我國焦炭產量已達4.71億t，約占世界焦炭總產量的69%，已連續多年穩居世界第一，強有力地支撐了我國粗鋼產量長期保持的世界領先地位，并且初步構建起面向煉焦生產全流程制造集成技術體系。

1 煉焦過程與智能煉焦概況

煉焦是應用配合煤在焦爐中進行高溫干餾的過程。配合煤主要由氣煤、肥煤、焦煤、1/3焦煤、瘦煤等不同變質程度的單種煉焦煤組成，各單種煤按一定比例配合，經過混合前各自粉碎或混合后統一粉碎達到一定細度后，到焦爐內進行一段時間的隔絕空氣加熱。成熟后的焦炭經過換熱降溫、篩分后輸送給各級用戶 （主要是煉鐵）使用，煤熱解產生的荒煤氣經過凈化用于工業原料或燃料，燃燒產生的廢氣經過處理后經焦爐煙囪外排。典型煉焦過程 （配合煤先配和后粉碎）見圖1。

圖1 典型煉焦過程（配合煤先配和后粉碎）Fig.1 Typical Coke-making Process （Mixture Coal to be Blended First and Crushed Later）

進入21世紀以來，煉焦生產技術呈現飛速發展態勢，在焦爐大型化、綠色化基礎上，煉焦智能高效化是煉焦行業發展的一個必然趨勢。智能煉焦成為有效保證煉焦過程穩定、減小焦炭質量波動的一項根本的技術手段，同時能夠有效提高勞動生產率，降低人工成本。智能煉焦生產全流程制造技術主要集中在如下環節：一是圍繞煤，主要包括煉焦用煤的到達、質量監測、性質分析、內部運輸、儲存、配合和使用等；二是圍繞焦，主要包括焦炭的制備、熄滅、篩分、質量監測、應用等；三是圍繞煤焦設備，主要包括設備配合使用、狀態監測、故障分析、維修保養等過程中的智能化。十三五期間，我國智能煉焦逐步集中在配合煤制備，焦爐加熱，焦爐車輛控制，干熄焦、煤料和焦炭物料輸送等煉焦生產單元及其附屬模塊形成關鍵技術，并有所發展和突破。

2 智能煉焦關鍵技術進展與趨勢

2.1 配合煤制備智能化

配合煤制備系統是煉焦生產的一個關鍵環節，受煤質特性、運輸、價格、焦炭質量需求等因素影響，為保證煉焦用煤供應穩定，一般將各路徑來煤的煉焦煤性質接近煤種通過皮帶傳送至筒倉進行儲存備用，再根據需求進行配煤及粉碎等處理。傳統配合煤制備過程中，容易造成因人為操作失誤或者機械故障而發生卸錯煤、上錯煤及配錯煤等問題，而且裝錯量、裝錯筒倉編號、裝錯時間等溯源難度大，易造成后續配煤結果失真，進而影響焦炭質量。另外，在煉焦配煤生產管理過程中缺少信息化、智能化管理平臺，信息傳輸及共享度低，影響配煤決策響應時間。

基于備煤智能化的開發與使用能夠實現配合煤制備過程中物流信息、車皮調配、質檢化驗、翻車前車號識別、煤種確認全過程信息的實時共享，給翻車機自動翻車信號、貯煤筒倉卸煤小車自動行走定位、自動卸煤信號，在自動化和信息化基礎上提升系統智能化水平。配合煤采用智能優化、神經網絡模型等方法確定其中各煤種配比，從而實現降低配煤煉焦生產成本和提高焦炭質量的效果，焦化配煤流程如圖2所示。在合理范圍內優化配煤比例可以使焦化企業減低生產成本，同時有利于降低煉焦煤資源的消耗以及降低對環境的污染［1］。

圖2 焦化配煤流程Fig.2 Coal Blending Process for Coke-making

譚紹棟等［2］結合焦化廠煉焦配煤生產開發了配煤專家系統，該系統主要效果體現在生產配煤的配比調控、配煤質量監管以及焦炭質量的預測等方面。當前，伴隨著神經網絡計算技術的發展，神經網絡技術對配煤煉焦生產過程中參數適應性要求逐步降低，在焦化領域中的研究與應用逐步拓展，黃永輝［3］、田英奇［4］、陶文化［5］等在人工智能網絡模型開發用于焦炭質量預測方面已取得進展。

旭陽集團開發的智能配煤專家系統配煤流程見圖3，該系統于2020年6月9日率先在中煤旭陽上線。智能配煤系統與基礎系統對接，并結合利用集團大數據和云平臺，打通了配煤與煉焦生產全流程，使配煤與煉焦生產一體化智能化成為可能。截至目前，利用系統下達配煤單277個，創新并應用配煤比6個，降配煤價30～70元/t，焦炭產品質量合格率在行業領先基礎上實現了進一步提升。

圖3 旭陽集團智能配煤專家系統配煤流程Fig.3 Coal Blending Process for Intelligent Coal Blending Expert System in Xuyang Group

2.2 焦爐加熱智能化

焦爐是煉焦生產的核心裝備模塊，其加熱智能化集中體現在焦爐溫度智能控制方面。其中，焦爐溫度自動測量及自動控制系統能夠在線監測焦爐溫度變化趨勢，消除人工測溫誤差干擾，實現全自動焦爐加熱控制，通過快速調節加熱用煤氣流量，減少爐溫波動，使焦爐溫度更加穩定合理，并能節約加熱煤氣，對于穩定焦炭質量、延長爐體壽命、節能降耗、保護環境都有著非常重要的意義。

山鋼日照基地7.3 m SUPRACOK焦爐，能夠實現焦爐加熱的自動調控，焦炭成熟過程監控，編制與協調裝煤和推焦生產計劃，與其他計算機系統的數據通訊等功能［6］。在提高焦爐操作穩定性、安全性和煉焦生產效率上效果顯著，在提高和穩定焦炭質量的同時，能夠有效降低加熱煤氣消耗，降低煉焦耗熱量達4%～5%。此外，對降低NOX生成也有積極效果。

馬鋼結合其7.63 m焦爐加熱運行控制特性，開展焦爐立火道的紅外自動測量，結合焦爐加熱溫度變化規律，實時調控加熱運行與停止，實現焦爐燃燒室溫度的動態精準調節，取得了降低焦爐熱量消耗的同時使焦爐爐溫均勻性顯著提高的效果。

鞍鋼煉焦總廠已在全部煉焦車間推廣使用焦爐在線自動測溫的焦爐智能加熱控制系統，實現了焦爐加熱煤氣量和煙道吸力的自動調節。在焦爐穩定生產條件下，立火道在線測溫與自動加熱系統能夠對加熱煤氣流量和吸力進行自動調節，提高加熱的均勻性，有利于穩定焦炭質量，同時節約煤氣用量2%以上［7］。鞍鋼焦爐在線測溫與控制系統示意圖見圖4。

圖4 鞍鋼焦爐在線測溫與控制系統示意圖Fig.4 Schematic Diagram for On-line Temperature Measurement and Control System for Coke Oven in Anteel

2.3 焦爐車輛智能化

焦爐車輛是焦爐生產的重要工藝設備，常規頂裝焦爐由推焦機、攔焦機、裝煤車、熄焦車等組成。焦爐生產具有車輛種類多，車輛自身單元操作多，多機種協調動作多等特點，同時，面臨爐頂溫度高，有害氣體及粉塵多，勞動強度大等焦化行業一直亟待解決的難題。焦爐車輛智能化能夠將操作工人解放出來，提高勞動生產率，降低生產成本，保證安全生產。

焦爐機車進行無人化及智能改造應該把焦爐機車的快速、精準、可靠的自動定位作為實現無人化、智能化的核心［8］。常見的智能化焦爐機車系統網絡構架圖見圖5。

圖5 智能化焦爐機車系統網絡架構圖Fig.5 Network Architecture Diagram for Intelligent Coke Oven Locomotive System

山鋼日照基地7.3 m焦爐采用無線數據通信技術結合碼牌的自動定位技術，實現焦爐機車智能作業管理。碼牌技術采用射頻識別方式，各爐有獨立的定位標記，無累計誤差，定位方法簡單可靠，定位精度高，對位精度達±2 mm；無線數據通訊技術分別在推焦車、攔焦車、裝煤車、熄焦車設無線通訊子站，在主控室設無線通訊主站，實現無線組網通訊，完成四大車之間及與出焦除塵站、機側爐頭煙除塵站之間的數據交換。焦爐機車智能作業管理系統實現了四大機車的自動化生產運行和計算機生產管理，實現焦爐機車“有人監視、全自動運行”智能化目標［6］。

馬鋼焦化通過7.63 m焦爐機車無人化項目攻關，基本掌握了無人化生產關鍵核心技術（包括焦爐生產條件下的通迅、機車精準對位、機車與各系統之間無人聯鎖技術），目前熄焦車已完全實現無人化，其它機車正在調試階段。

寶鋼四期焦爐通過對電機車的設備優化、控制程序的改進、安全管控措施的增加完善，已初步實現焦爐電機車的無人化運行［9］。寶鋼湛江基地在7 m焦爐上開展了焦爐機車的無人化改造，通過在裝煤車上增加直行揭蓋裝置和裝煤口堵塞檢測系統，應用機械數字孿生系統和毫米波雷達技術，開發焦爐機車自動定位及主動防碰撞系統等技術措施，使焦爐機車運行故障診斷系統性能得到全方位提升，完善了焦爐機車各種監測及保護運行系統，也實現了焦爐機車的自動化運行［10］。

2.4 干熄焦智能化

干熄焦是采用惰性循環氣體將紅焦降溫冷卻的一種熄焦方法，具有減少熄焦煙塵排放、回收利用紅焦余熱、在煤源既定的條件下有效提高焦炭的冶金性能等優點。干熄焦系統工藝流程見圖6。

圖6 干熄焦系統工藝流程Fig.6 Process Flow for Coke Dry Quenching System

國內外干熄焦生產運行主要還是傳統的工廠運行方式，控制上主要采用部分設備手動和部分單元自動相結合的生產運行方式。一些故障判定還需要部分專業人員進行現場查找診斷。隨著工業4.0的發展，傳統的工廠轉型為智能工廠，干熄焦的生產運行方式向既保證安全穩定生產運行，又能實現智能化、長壽化已經是必然發展趨勢。

（1）干熄焦提升智能化控制。干熄焦提升系統由于工作環境惡劣、長期滿負荷自動運行、定位精度要求高，是干熄焦生產的關鍵設備，提升機系統故障將會給干熄焦生產造成重大影響。干熄焦提升控制系統通過遠程精確控制、精準定位控制、全自動冗余控制、控制系統能量回饋、吊具自動脫掛鉤、防風錨定等技術及裝置的綜合運用，可有效實現干熄焦提升控制系統智能化運行［11-12］。

（2）干熄爐料位檢測與控制。干熄爐內高溫焦炭料位檢測的準確與否關系到干熄焦裝置的穩定安全生產，新型數字處理技術通過將接收伽馬射線穿過焦炭時強度減弱的射線劑量轉化為直觀的數字量顯示，可有效實現干熄爐的料位測量。DCS系統能夠將料位計測定的干熄爐內的紅焦下料、排料變化準確地通過趨勢圖呈現出來，方便精確掌握干熄爐內焦炭的實際存量高度，從而提高干熄爐生產操控［13］。

（3）干熄焦鍋爐自動加藥。在DCS控制系統中對干熄焦鍋爐加藥控制器修正后的數學邏輯算法以及運行設備的傳動比進行組態，建立相適應的邏輯和計算關系，實現干熄焦鍋爐加藥自動控制，使干熄焦鍋爐給水指標正常，解決余熱負荷不穩定使鍋爐爐水磷酸根波動范圍大問題，保障干熄焦鍋爐的安全穩定生產［14］。

2.5 煤及焦炭物料輸送系統智能化

煤、焦皮帶通廊自然環境比較惡劣，光線暗、粉塵大，且通廊的人行過道比較窄。工作人員巡檢時，受光線、粉塵、道路狹窄及運輸材料氣味、溫度、濕氣影響，非常容易發生安全事故。傳統安防缺少對視頻內容的解析，需要工作人員緊密配合，才能較好實現安全監控防護的使命。

通過對粉碎機和皮帶電機等關鍵大電機、風機增加在線檢測設備，對振動數據、溫度及轉速等參數的在線采集，建立一套設備狀態數據集中管控、智能診斷分析平臺，由數據驅動上層業務流程智能診斷服務平臺，實現預測故障、降低非計劃停機等目標。

目前，視覺技術已經從傳統簡單的視頻監控，向智能安防、智慧安防方向發展，智能化成為物料輸送安防新的發展方向。智能安防技術中人員檢測、人員定位、人員運動特征識別已獲得成熟的應用［15］。將現代視覺安防技術、模式識別技術、人工智能技術應用到皮帶通廊現場，進行人員安全檢測，為工作人員多提供一道安全防線，能夠加強皮帶通廊人行過道區域監控力度，提升信息化管理能力，促使現場安防向智慧監管方向發展。煉焦煤及焦炭物料輸送系統主體網絡結構示意圖見圖7。

圖7 常見煤及焦炭物料輸送系統主體網絡結構示意圖Fig.7 Schematic Diagram for Main Network Structure for Common Coal and Coke Material Conveying System

3 鞍鋼煉焦智能化進展及展望

鞍鋼煉焦生產以經濟、高效、智能、綠色、先進煉焦為總體目標，借助5G+、大數據等手段，全面提升煉焦裝備自動化、信息化水平，夯實煉焦生產的數字化基礎，全面向煉焦品控需求全流程控制轉變升級。煉焦生產監控系統已投入運行，煉焦工序的立火道在線測溫與自動加熱控制系統在節能降耗方面初見效果，焦爐車輛智能控制系統、干熄焦智能化管控系統、機器人巡檢等項目快速開展應用，智能煉焦格局初步顯現。

鞍鋼煉焦將繼續探索智能煉焦，實現本質安全、運行管控強化、人力資源優化、生產效率提高、生產成本降低、產品質量提高，最終達到最優生產、最少人為干預、效益最佳、動態平衡的效果，引領行業煉焦技術裝備發展方向，打造世界一流智能化煉焦企業。

4 結語

在國家碳達峰、碳中和的大形勢下，焦化流程正面臨巨大歷史變革的挑戰，有效處理現代煉焦面臨的配合煤質量頻繁變化、生產工況復雜等關鍵技術問題，提高焦爐自適應能力、完善煉焦能源網絡構建，加強煉焦生產污染物的源頭治理，使煉焦生產環境效益、社會效益、企業效益最大化，煉焦智能化是實現煉焦工序低碳、綠色生產與焦爐大型化、高效化、清潔化融合發展體系，推動焦化流程高質量發展的保障和方向。