焦炉加热燃烧系统的优化控制

周善语

广西柳钢焦化厂 广西柳州 545001

焦炉加热燃烧工况的改变对炼焦过程影响巨大，一方面会引起焦炉加热温度的波动，导致焦炭的产量和质量下降、炉体寿命缩短；另一方面会破坏焦炉连续生产的稳定性，导致煤气消耗量增加、焦炉热效率降低。目前，焦炉加热燃烧控制系统中缺乏有效的模型辨识手段，只是对系统模型的粗略近似，导致控制效果较差。因采取更有效的控制策略对提高焦炉加热温度稳定性、降低炼焦能耗十分重要。

1 焦炉的结构及其生产工艺

1.1 焦炉的结构

焦炉是炼焦的主要热工设备，可生产焦炭、煤焦油、焦炉煤气等产品。焦炉在生产过程中，以隔绝空气的方式对炭化室内的煤加热，保持温度在950-1050℃，经过一整个结焦周期，煤料即被干馏成焦炭，并生成其他焦化产品。

（1）炭化室。炭化室主要功能是提供煤干馏的环境，其建筑材料大多数为耐火的密致硅砖，可让燃烧室的热量有效导入炭化室中。JN-60型焦炉的炭化室顶部一般设有两个装煤孔和两个煤气上升孔，机、焦侧的炉门通常为添加耐火内衬的铸铁炉门[1]。

（2）燃烧室。燃烧室是焦炉中最重要的供能区域，由多个隔墙分开的立火道组成，煤气与空气在此混合燃烧提供热能。每个立火道的底部都设有三个圆孔，其中两个与斜道相通，用于导入煤气和空气，另一个与砖煤气道相通，作为焦炉煤气的通道。燃烧室与炭化室并不处在同一水平高度，因此产生了加热水平高度，是加热过程中一个重要的参数。

（3）蓄热室。蓄热室主要用于回收烟气中的热能，并将这些热能储存下来，用于后续加热阶段中煤气和空气的预热。经过预热后的气体通过上部的斜道进入燃烧室进行混合燃烧。

（4）斜道区。斜道区是连接燃烧室与蓄热室的重要通道，可将煤气和空气分别导入不同的立火道内，还可将高温废气导入蓄热室内[2]。

（5）炉顶区。炉顶区是炭化室顶砖以上的部分，一般设有看火孔、上升管孔以及拉条沟等。为了减少炉顶区的散热，一般在不受压力的区域铺有隔热砖。顶部表面铺有不受雨水侵蚀的耐磨瓷砖以提高炉体使用年限。

（6）烟道。烟道外部一般由钢筋混凝土浇筑，内部贴有耐火砖块，主要用于烟气的排出。根据焦炉的具体结构，一般分为下喷式和侧喷式。

1.2 焦炉炼焦的生产工艺

炼焦过程中，主要由推焦装煤车、熄焦车、拦焦车循环操作执行。首先将处理好的碎煤装入推焦装煤车，在煤箱内捣固成煤饼备用，然后控制开关将炉门打开，使用推焦杆将成熟的焦炭推入熄焦车，熄焦车顺着轨道将红焦运至熄焦塔，在熄焦车运送过程中，装煤车将捣固成型的煤饼推入炭化室内，待煤饼完全进入炭化室后将炉门关闭，最后进行焦炉加热，经过一整个结焦周期再次形成成熟的焦炭。

2 焦炉各系统主要内容

2.1 焦炉加热燃烧系统的主要内容

焦炉加热燃烧系统可分为加热控制和燃烧控制两个部分，焦炉加热控制主要负责控制焦炉加热温度，保证焦炭产量和质量。焦炉燃烧控制主要通过改变吸入燃烧室的空气量，达到减少排烟热损耗、提高焦炉热效率的目的。炼焦生产过程中，焦炉加热燃烧过程可分为焦炉加热过程和煤气的燃烧过程。

2.2 焦炉加热控制的主要内容

焦炉加热控制主要以控制温度为目标，其中最核心的控制参数是立火道温度。工业生产过程中将焦炉各燃烧室立火道温度的平均值定义为焦炉立火道温度，它反映了焦炉整体的加热水平，直接决定了焦炭的产量和质量。因此，必须对焦炉立火道温度进行精确的控制，而实现精确控制的前提是能够准确的测得实时温度。

2.3 焦炉燃烧控制的主要内容

煤气在燃烧室燃烧的过程中，最核心的参数就是燃烧的效率，直接关系到焦化企业的经济效益。为了提高焦炉的热效率，一方面要保证煤气得到充分燃烧，另一方面要尽量减少热损耗。下面将首先分析焦炉的热平衡。

3 焦炉加热燃烧控制的难点

焦炉是当代焦化行业最重要的热工设备，经过数百年的发展，现役最多的焦炉类型为蓄热式焦炉，主要由燃烧室、炭化室和蓄热室组成。炼焦的加热过程十分复杂，具有大滞后、非线性等特点，因此难以采用传统的建模方法建立起精确的系统模型，这极大的提高了控制难度。

焦炉的整体结构十分庞大，无论是升温还是降温，其过程都十分缓慢，具有很强的惯性和严重的滞后性。外加现场生产过程中，根据煤料性质等因素改变结焦周期，以及各种现场生产突发状况都会对焦炉温度造成严重干扰。上述的种种因素都给炉温的稳定控制带来了不小的挑战[3]。

4 优化焦炉加热燃烧的控制方案

影响焦炭质量的因素主要为立火道温度，火道温度是否稳定直接决定了焦炭质量的好坏。影响焦炉热效率的主要因素为空燃比，合理的空燃比值可以在保证温度的前提下，有效减少排烟带走的热量，提高焦炉的热效率。通过最小二乘支持向量机算法辨识温度模型结合广义预测控制的方案，达到稳定控制炉温的目的。为提高现场焦炉热效率，采取基于煤气热值设定空燃比的策略，以调整通入燃烧室的煤气量与空气量，达到最佳燃烧的效果[4]。

5 结语

本文介绍了焦炉的加热和燃烧系统，主要分为两个方面：加热控制和燃烧控制。在分析焦炉结构、焦化过程、焦炉加热过程、燃气燃烧过程的基础上，提出了结合温度控制和空燃比控制的优化控制策略。