副业赚钱_《燃料与化工》※论文精选※单孔炭化室压力稳定系统（CPS系统）在新泰正大6.78 m捣固焦炉上的应用_副业教程

作者：崔义平 张洪波 刘宏 吕文才

第一作者单位：新泰正大焦化有限公司

焦炉单孔炭化室压力调节技术是21世纪以来为进一步减少大型焦炉装煤和结焦过程的污染物排放而研发的新技术。现国内应用的单孔炭化室压力调节技术有德国DMT与Uhde公司合作开发的PROven技术、Paul Wurth 公司（简称PW公司）的SOPRECO技术及中冶焦耐的CPS技术。在我国，这3种技术都有顶装焦炉的实际应用业绩，但在捣固焦炉上，仅CPS技术有实际应用业绩。本文对CPS技术在新泰正大焦化有限公司（以下简称新泰正大）6.78 m捣固焦炉上的实际应用作了详细介绍。

1  工艺系统构成

新泰正大采用的是2×62孔JNDX3-6.78-13型炭化室高6.78 m的复热式捣固焦炉，是目前世界上最大的捣固焦炉。2座焦炉布置在一条中心线上，与环保有关的工艺配置如下。

（1）装煤除尘采用双U型管式烟气转换车、高压氨水喷射、机侧炉门密封装置及炉头烟捕集后送地面站处理系统。

（2）出焦除尘采用地面站方式。

（3）集气系统采用位于焦侧的单梨型三段集气管，每段设1根吸气管。2座焦炉的6根吸气管并联，约在1号焦炉A段和B段集气管之间位置汇合后进入冷鼓装置。进鼓风机前煤气总管设置了用于调节吸力的蝶阀，煤气大循环管上设置了可遥控的电动阀。鼓风机2开1备，采用变频调速。 

2  CPS系统介绍

新泰正大6.78 m捣固焦炉应用的是中冶焦耐自主研发的焦炉炭化室压力稳定系统（Chamber Pressure Stabilization System，简称CPS系统）。该系统采用“高压氨水喷射+炭化室压力自动调节+集气管压力优化控制”的技术路线，在集气管微正压的条件下，实现了焦炉无烟装煤以及结焦过程中各炭化室的压力稳定。

2.1  CPS系统的构成

本项目CPS系统针对常规集气系统进行了改进，增设了水封阀的调节气缸、上升管水封盖的开闭气缸及高低压氨水三通球阀的切换气缸。在1号焦炉的41^#、51^#炭化室的桥管处和2号焦炉的73^#、83^#炭化室的桥管处设置了带氮气保护、加蒸汽吹扫功能的桥管测压点。控制系统根据桥管测压点的压力值自动调节水封阀盘开度，使焦炉炭化室底部的压力稳定为微正压。为改善CPS系统在结焦中后期的调节性能，中冶焦耐研发设计了特殊结构形式的水封阀体和阀盘，可提高阀盘开度与煤气流通截面之间的线性相关度。

通过上升管水封盖气缸和高低压氨水三通球阀气动执行机构，实现了上升管水封盖的自动开闭和高低压氨水的自动切换。

CPS的控制系统采用的是ABB Freelance DCS控制系统，配900F控制器和S800系列IO模块。现场设置了带正压通风保护和联锁保护功能的手动控制柜，每4孔配置1个控制柜，采用I/O子站方式，最大化地节约了电缆和施工量。CPS系统构成如图1所示。

图1  CPS系统构成

2.2  CPS系统的工作原理

在6.78 m捣固焦炉操作的不同时段，CPS系统的控制工作原理如下。

（1）压力调节状态。炭化室结焦过程中，上升管盖关闭，CPS系统依据煤气发生量曲线，采用中冶焦耐自主开发的优化控制算法对桥管压力进行精确分段控制，保桥管压力稳定，使炭化室底部始终为微正压（>+5 Pa）。

（2）晾炉、出焦状态。在晾炉、出焦操作时，水封阀全关，上升管盖自动开启，CPS系统将集气管与炭化室的通道完全切断，避免空气吸入集气管，保证生产安全。

（3）装煤状态。装煤操作时，上升管盖关闭，水封阀全开，相关孔高压氨水依次开启，CPS系统将集气管与炭化室完全导通，依靠高压氨水喷射产生的强大吸力，将装煤烟尘导入集气管并送往煤气净化系统，实现无烟装煤。

2.3  CPS系统的调试过程与运行参数

本项目CPS系统在2019年3月开始进行有关设备的安装，4月份进行1号炉CPS设备调试，5月份投运，具体工作内容如下。

（1）在桥管带测压点的41^#、51^#炭化室试验标定从装煤到推焦的结焦全过程炭化室底部压力和桥管测压点的压力变化。炭化室底部测压是采用中冶焦耐自主开发的炉底连续测压装置完成的。通过试验标定，获得整个结焦过程中煤气发生量的变化规律。

（2）在上述试验基础上，改变水封阀开度，改变煤气在桥管与集气管连接部位的流通面积，掌握结焦全过程中炭化室底部压力以及桥管测压点压力的变化规律。

（3）进一步改变集气管压力设定值，以无可视烟尘逸散且炭化室底部保持微正压为前提，试验水封阀的开度。

（4）设定桥管无测压点的其他各孔炭化室水封阀在结焦过程不同时段的开度。

2019年5~9月，1号焦炉CPS系统运行相关的主要参数见表1。

表1  CPS系统主要运行参数

通过CPS系统投运过程试验发现，捣固焦炉在煤饼装入炭化室经加热干馏变成焦炭的整个结焦过程中，荒煤气的发生量随着时间推移不断变化。结焦初期煤气发生量呈爆发性地升高，然后快速下降，其余时段则趋于稳定并呈缓慢下降趋势。由此可见，在捣固焦炉结焦过程中，煤气发生量的变化规律与顶装焦炉结焦过程中煤气发生量的变化规律有非常大的差异。

2.4  CPS系统实现的功能说明

（1）上升管系统全自动装煤/出焦操作。自动状态下，CPS系统依据焦炉车辆的装煤、出焦信号自动完成上升管水封盖开闭、高低压氨水自动切换和水封阀开闭等动作，大大减轻了炉顶工人的劳动强度，与焦炉机械配合，实现了炉顶无人操作。

（2）单体设备远程/本地操作。手动状态下，实现上升管盖、高低压氨水切换和水封阀的远程操作和现场联锁操作，加快反应速度，减轻劳动量。

（3）单孔炭化室压力调节。根据结焦过程各阶段桥管压力的设定值，分时段调节水封阀开度，通过优化控制算法控制桥管压力，实现炭化室底部在全结焦周期处于微正压状态。

（4）集气管微正压操作。CPS系统以可控方式将炭化室与集气管隔离，实现集气管微正压操作，减少捣固焦炉在结焦过程中的烟尘逸散和污染物排放。

（5）桥管测压免维护。即使采用N₂保护法，桥管上的测压导压管也会经常被荒煤气中的焦油堵塞，为此，本项目采用中冶焦耐的蒸汽自动吹扫专利技术，完全解决了该问题。

3  集气管压力优化控制系统

对于任何形式的单孔炭化室压力调节系统而言，需要强调的是，其正常工作的基本前提是集气管压力必须稳定，其波动范围应不大于设定值的±25 Pa。本项目因厂区总图布置条件所限，焦炉集气管和吸煤气管布置的不平衡造成1号和2号焦炉的集气管压力很难平衡和稳定。

中冶焦耐研发的集气管压力优化控制系统采用变结构模糊插值、集气管间解耦、冷鼓装置稳定生产协同方法和装煤扰动前馈控制相结合的控制算法，实现了装煤和结焦过程的集气管压力稳定。其中，冷鼓装置稳定生产协同方法用于对2座焦炉的整体荒煤气负荷进行粗调；变结构模糊插值和集气管间解耦方法用于对2座焦炉的集气管压力进行细调；装煤扰动前馈控制方法用于解决装煤对集气管压力的脉冲式干扰。为了解决焦炉集气管和吸煤气管布置不平衡造成的1号和2号焦炉集气管压力难稳定问题，对2座焦炉的集气管采用不同的压力设定值，相应控制策略也进行了调整。通过图2可见，新泰正大的集气管压力很好地满足了CPS系统的需求。

图2  集气管压力变化曲线

4  应用分析

4.1  装煤烟尘治理

捣固焦炉在装煤时的烟气逸出量远大于顶装焦炉，主要原因是在装煤时机侧炉门长时间打开，入炉煤水份大、挥发分高导致烟气量大，而且集气管设置在焦侧，难以快速将装煤烟尘导入集气系统，因此捣固焦炉的装煤烟尘治理一直是焦化行业的难题。本项目CPS系统在装煤时采用相邻炭化室导烟和高压氨水引射技术，在接收到焦炉车辆系统N孔装煤信号后，采用N-1和N+2孔炭化室作为烟气导入的炭化室，各相关炭化室水封阀和高压氨水的开启动作依照操作程序精准执行，完全实现了无烟装煤，且电捕前煤气中氧含量小于0.37%。同时，由于捣固焦炉装煤期间煤气发生量最大，夹杂的蒸汽、煤粉量也最大，喷淋密度较大的高压氨水本身就对煤气有洗净作用，所以新泰正大工程投产至今，初冷器运行一直正常，未出现过任何堵塞情况。

4.2  集气管微正压操作

众所周知，德国PROven技术、PW公司SOPRECO技术的应用是以集气管高负压为基础的，由此带来的问题如下。

（1）德国的PROven系统在应用过程中，设备的检修、更换较为困难，为此用户想了很多改进办法 ，但没有从根本上解决问题。PW公司的SOPRECO技术为解决该问题而保留了水封阀，但增加了投资费用且增加了上升管高度。

（2）对入炉煤的细度要求严格。据国内7.63 m顶装焦炉用户运行反馈，如果入炉煤中0.5 mm粒级以下的细粉煤含量不能控制在30%以下，初冷器堵塞或阻力增大的概率会大大增加。而我国由于煤矿开采、洗选工艺以及价格因素等多方面原因，相当多焦化厂的进厂原料煤中0.5 mm粒级以下的粉煤含量超过30%，经备煤系统粉碎装置后的入炉煤中，细粉煤的含量还会进一步增加。在集气管高负压的条件下，对正装煤和刚装完煤的炭化室而言，被抽吸到集气系统的粉尘量大大增加。这是致使初冷器等煤气净化系统设备堵塞或阻力增大的一大隐患。

新泰正大6.78 m捣固焦炉CPS系统能够实现无烟装煤及结焦过程中无可视烟尘的效果说明，即使在集气管微正压的条件下，高压氨水引射结合双U型管式转换车导烟装置完全可以实现捣固焦炉的无烟装煤。同时，集气管微正压可以有效地降低煤气中的氧含量，对独立焦化厂用焦炉煤气制甲醇或LNG等后续工艺非常有利。

以34^#炭化室为例，实际生产时的整个装煤期间，桥管压力、集气管压力和水封阀开度曲线如图3所示。装煤期间水封阀全开，高压氨水引射作用使桥管处产生负压将装煤烟气吸入集气管，整个装煤周期内桥管处压力始终保持负压，没有压力过高现象出现，也没有烟尘逸散现象发生。

图3  装煤期间桥管压力变化曲线

4.3  关于调节精度

新泰正大6.78 m捣固焦炉的CPS系统在整个结焦周期内对炭化室压力进行分时段调节，能够实现炭化室底部在结焦全过程中处于微正压状态，有效防止了炭化室压力不稳造成的炉门冒烟和结焦末期底部负压。

以51^#炭化室为例，在集气管压力稳定在+50 Pa附近的基础上，单个周期内压力波动曲线如图4所示。从图中可以看出，在结焦周期内，水封阀开度逐渐减小，炭化室底部压力在结焦过程的绝大多数时间内能维持在+5~+30 Pa 之间，仅结焦末期压力值有个别瞬间出现微负压情况。因此，其控制效果良好，满足实际生产的需要。

图4  51^#炭化室压力波动曲线

5  结语

CPS系统在新泰正大新建6.78 m捣固焦炉上的成功应用，充分证明了CPS系统技术路线的正确性及其对捣固焦炉的适用性和有效性。该技术为捣固焦炉的烟尘治理和炉顶操作的完全自动化提供了新思路，也为我国捣固焦炉用户提供了一种高性价比的选择。

目前CPS系统水封阀的调节范围还不大，炭化室压力稳定的效果还有进一步提升的空间。中冶焦耐正致力于以进一步提升其调节精度为目标的技术改进，并已通过理论计算和冷态试验确定了可行的技术解决方案，推出更好满足市场需求的新一代CPS技术，即CPS-NG系统，有望在近期通过工程化示范验证。