智能炼焦关键技术进展与趋势分析

甘秀石 ，韩树国 ，王超 ，朱庆庙 ，赵锋

（1.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009；2.鞍钢股份有限公司炼焦总厂，辽宁 鞍山 114021）

以智能制造为核心，基于大数据、云计算的新型信息化技术与传统制造业的加速融合已成为全球先进制造业发展的突出趋势。与钢铁工业高度相关的炼焦工业正经历着从传统的大规模重复建设转型为以智能高效为主题的高质量发展工业。智能炼焦是在自动化和信息化的炼焦基础上，形成以实时感知为核心、协同服务为基础、智能决策和分析为目标的工业过程。2020年，我国焦炭产量已达4.71亿t，约占世界焦炭总产量的69%，已连续多年稳居世界第一，强有力地支撑了我国粗钢产量长期保持的世界领先地位，并且初步构建起面向炼焦生产全流程制造集成技术体系。

1 炼焦过程与智能炼焦概况

炼焦是应用配合煤在焦炉中进行高温干馏的过程。配合煤主要由气煤、肥煤、焦煤、1/3焦煤、瘦煤等不同变质程度的单种炼焦煤组成，各单种煤按一定比例配合，经过混合前各自粉碎或混合后统一粉碎达到一定细度后，到焦炉内进行一段时间的隔绝空气加热。成熟后的焦炭经过换热降温、筛分后输送给各级用户 （主要是炼铁）使用，煤热解产生的荒煤气经过净化用于工业原料或燃料，燃烧产生的废气经过处理后经焦炉烟囱外排。典型炼焦过程 （配合煤先配和后粉碎）见图1。

图1 典型炼焦过程（配合煤先配和后粉碎）Fig.1 Typical Coke-making Process （Mixture Coal to be Blended First and Crushed Later）

进入21世纪以来，炼焦生产技术呈现飞速发展态势，在焦炉大型化、绿色化基础上，炼焦智能高效化是炼焦行业发展的一个必然趋势。智能炼焦成为有效保证炼焦过程稳定、减小焦炭质量波动的一项根本的技术手段，同时能够有效提高劳动生产率，降低人工成本。智能炼焦生产全流程制造技术主要集中在如下环节：一是围绕煤，主要包括炼焦用煤的到达、质量监测、性质分析、内部运输、储存、配合和使用等；二是围绕焦，主要包括焦炭的制备、熄灭、筛分、质量监测、应用等；三是围绕煤焦设备，主要包括设备配合使用、状态监测、故障分析、维修保养等过程中的智能化。十三五期间，我国智能炼焦逐步集中在配合煤制备，焦炉加热，焦炉车辆控制，干熄焦、煤料和焦炭物料输送等炼焦生产单元及其附属模块形成关键技术，并有所发展和突破。

2 智能炼焦关键技术进展与趋势

2.1 配合煤制备智能化

配合煤制备系统是炼焦生产的一个关键环节，受煤质特性、运输、价格、焦炭质量需求等因素影响，为保证炼焦用煤供应稳定，一般将各路径来煤的炼焦煤性质接近煤种通过皮带传送至筒仓进行储存备用，再根据需求进行配煤及粉碎等处理。传统配合煤制备过程中，容易造成因人为操作失误或者机械故障而发生卸错煤、上错煤及配错煤等问题，而且装错量、装错筒仓编号、装错时间等溯源难度大，易造成后续配煤结果失真，进而影响焦炭质量。另外，在炼焦配煤生产管理过程中缺少信息化、智能化管理平台，信息传输及共享度低，影响配煤决策响应时间。

基于备煤智能化的开发与使用能够实现配合煤制备过程中物流信息、车皮调配、质检化验、翻车前车号识别、煤种确认全过程信息的实时共享，给翻车机自动翻车信号、贮煤筒仓卸煤小车自动行走定位、自动卸煤信号，在自动化和信息化基础上提升系统智能化水平。配合煤采用智能优化、神经网络模型等方法确定其中各煤种配比，从而实现降低配煤炼焦生产成本和提高焦炭质量的效果，焦化配煤流程如图2所示。在合理范围内优化配煤比例可以使焦化企业减低生产成本，同时有利于降低炼焦煤资源的消耗以及降低对环境的污染［1］。

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

谭绍栋等［2］结合焦化厂炼焦配煤生产开发了配煤专家系统，该系统主要效果体现在生产配煤的配比调控、配煤质量监管以及焦炭质量的预测等方面。当前，伴随着神经网络计算技术的发展，神经网络技术对配煤炼焦生产过程中参数适应性要求逐步降低，在焦化领域中的研究与应用逐步拓展，黄永辉［3］、田英奇［4］、陶文化［5］等在人工智能网络模型开发用于焦炭质量预测方面已取得进展。

旭阳集团开发的智能配煤专家系统配煤流程见图3，该系统于2020年6月9日率先在中煤旭阳上线。智能配煤系统与基础系统对接，并结合利用集团大数据和云平台，打通了配煤与炼焦生产全流程，使配煤与炼焦生产一体化智能化成为可能。截至目前，利用系统下达配煤单277个，创新并应用配煤比6个，降配煤价30～70元/t，焦炭产品质量合格率在行业领先基础上实现了进一步提升。

图3 旭阳集团智能配煤专家系统配煤流程Fig.3 Coal Blending Process for Intelligent Coal Blending Expert System in Xuyang Group

2.2 焦炉加热智能化

焦炉是炼焦生产的核心装备模块，其加热智能化集中体现在焦炉温度智能控制方面。其中，焦炉温度自动测量及自动控制系统能够在线监测焦炉温度变化趋势，消除人工测温误差干扰，实现全自动焦炉加热控制，通过快速调节加热用煤气流量，减少炉温波动，使焦炉温度更加稳定合理，并能节约加热煤气，对于稳定焦炭质量、延长炉体寿命、节能降耗、保护环境都有着非常重要的意义。

山钢日照基地7.3 m SUPRACOK焦炉，能够实现焦炉加热的自动调控，焦炭成熟过程监控，编制与协调装煤和推焦生产计划，与其他计算机系统的数据通讯等功能［6］。在提高焦炉操作稳定性、安全性和炼焦生产效率上效果显著，在提高和稳定焦炭质量的同时，能够有效降低加热煤气消耗，降低炼焦耗热量达4%～5%。此外，对降低NOX生成也有积极效果。

马钢结合其7.63 m焦炉加热运行控制特性，开展焦炉立火道的红外自动测量，结合焦炉加热温度变化规律，实时调控加热运行与停止，实现焦炉燃烧室温度的动态精准调节，取得了降低焦炉热量消耗的同时使焦炉炉温均匀性显著提高的效果。

鞍钢炼焦总厂已在全部炼焦车间推广使用焦炉在线自动测温的焦炉智能加热控制系统，实现了焦炉加热煤气量和烟道吸力的自动调节。在焦炉稳定生产条件下，立火道在线测温与自动加热系统能够对加热煤气流量和吸力进行自动调节，提高加热的均匀性，有利于稳定焦炭质量，同时节约煤气用量2%以上［7］。鞍钢焦炉在线测温与控制系统示意图见图4。

图4 鞍钢焦炉在线测温与控制系统示意图Fig.4 Schematic Diagram for On-line Temperature Measurement and Control System for Coke Oven in Anteel

2.3 焦炉车辆智能化

焦炉车辆是焦炉生产的重要工艺设备，常规顶装焦炉由推焦机、拦焦机、装煤车、熄焦车等组成。焦炉生产具有车辆种类多，车辆自身单元操作多，多机种协调动作多等特点，同时，面临炉顶温度高，有害气体及粉尘多，劳动强度大等焦化行业一直亟待解决的难题。焦炉车辆智能化能够将操作工人解放出来，提高劳动生产率，降低生产成本，保证安全生产。

焦炉机车进行无人化及智能改造应该把焦炉机车的快速、精准、可靠的自动定位作为实现无人化、智能化的核心［8］。常见的智能化焦炉机车系统网络构架图见图5。

图5 智能化焦炉机车系统网络架构图Fig.5 Network Architecture Diagram for Intelligent Coke Oven Locomotive System

山钢日照基地7.3 m焦炉采用无线数据通信技术结合码牌的自动定位技术，实现焦炉机车智能作业管理。码牌技术采用射频识别方式，各炉有独立的定位标记，无累计误差，定位方法简单可靠，定位精度高，对位精度达±2 mm；无线数据通讯技术分别在推焦车、拦焦车、装煤车、熄焦车设无线通讯子站，在主控室设无线通讯主站，实现无线组网通讯，完成四大车之间及与出焦除尘站、机侧炉头烟除尘站之间的数据交换。焦炉机车智能作业管理系统实现了四大机车的自动化生产运行和计算机生产管理，实现焦炉机车“有人监视、全自动运行”智能化目标［6］。

马钢焦化通过7.63 m焦炉机车无人化项目攻关，基本掌握了无人化生产关键核心技术（包括焦炉生产条件下的通迅、机车精准对位、机车与各系统之间无人联锁技术），目前熄焦车已完全实现无人化，其它机车正在调试阶段。

宝钢四期焦炉通过对电机车的设备优化、控制程序的改进、安全管控措施的增加完善，已初步实现焦炉电机车的无人化运行［9］。宝钢湛江基地在7 m焦炉上开展了焦炉机车的无人化改造，通过在装煤车上增加直行揭盖装置和装煤口堵塞检测系统，应用机械数字孪生系统和毫米波雷达技术，开发焦炉机车自动定位及主动防碰撞系统等技术措施，使焦炉机车运行故障诊断系统性能得到全方位提升，完善了焦炉机车各种监测及保护运行系统，也实现了焦炉机车的自动化运行［10］。

2.4 干熄焦智能化

干熄焦是采用惰性循环气体将红焦降温冷却的一种熄焦方法，具有减少熄焦烟尘排放、回收利用红焦余热、在煤源既定的条件下有效提高焦炭的冶金性能等优点。干熄焦系统工艺流程见图6。

图6 干熄焦系统工艺流程Fig.6 Process Flow for Coke Dry Quenching System

国内外干熄焦生产运行主要还是传统的工厂运行方式，控制上主要采用部分设备手动和部分单元自动相结合的生产运行方式。一些故障判定还需要部分专业人员进行现场查找诊断。随着工业4.0的发展，传统的工厂转型为智能工厂，干熄焦的生产运行方式向既保证安全稳定生产运行，又能实现智能化、长寿化已经是必然发展趋势。

（1）干熄焦提升智能化控制。干熄焦提升系统由于工作环境恶劣、长期满负荷自动运行、定位精度要求高，是干熄焦生产的关键设备，提升机系统故障将会给干熄焦生产造成重大影响。干熄焦提升控制系统通过远程精确控制、精准定位控制、全自动冗余控制、控制系统能量回馈、吊具自动脱挂钩、防风锚定等技术及装置的综合运用，可有效实现干熄焦提升控制系统智能化运行［11-12］。

（2）干熄炉料位检测与控制。干熄炉内高温焦炭料位检测的准确与否关系到干熄焦装置的稳定安全生产，新型数字处理技术通过将接收伽马射线穿过焦炭时强度减弱的射线剂量转化为直观的数字量显示，可有效实现干熄炉的料位测量。DCS系统能够将料位计测定的干熄炉内的红焦下料、排料变化准确地通过趋势图呈现出来，方便精确掌握干熄炉内焦炭的实际存量高度，从而提高干熄炉生产操控［13］。

（3）干熄焦锅炉自动加药。在DCS控制系统中对干熄焦锅炉加药控制器修正后的数学逻辑算法以及运行设备的传动比进行组态，建立相适应的逻辑和计算关系，实现干熄焦锅炉加药自动控制，使干熄焦锅炉给水指标正常，解决余热负荷不稳定使锅炉炉水磷酸根波动范围大问题，保障干熄焦锅炉的安全稳定生产［14］。

2.5 煤及焦炭物料输送系统智能化

煤、焦皮带通廊自然环境比较恶劣，光线暗、粉尘大，且通廊的人行过道比较窄。工作人员巡检时，受光线、粉尘、道路狭窄及运输材料气味、温度、湿气影响，非常容易发生安全事故。传统安防缺少对视频内容的解析，需要工作人员紧密配合，才能较好实现安全监控防护的使命。

通过对粉碎机和皮带电机等关键大电机、风机增加在线检测设备，对振动数据、温度及转速等参数的在线采集，建立一套设备状态数据集中管控、智能诊断分析平台，由数据驱动上层业务流程智能诊断服务平台，实现预测故障、降低非计划停机等目标。

目前，视觉技术已经从传统简单的视频监控，向智能安防、智慧安防方向发展，智能化成为物料输送安防新的发展方向。智能安防技术中人员检测、人员定位、人员运动特征识别已获得成熟的应用［15］。将现代视觉安防技术、模式识别技术、人工智能技术应用到皮带通廊现场，进行人员安全检测，为工作人员多提供一道安全防线，能够加强皮带通廊人行过道区域监控力度，提升信息化管理能力，促使现场安防向智慧监管方向发展。炼焦煤及焦炭物料输送系统主体网络结构示意图见图7。

图7 常见煤及焦炭物料输送系统主体网络结构示意图Fig.7 Schematic Diagram for Main Network Structure for Common Coal and Coke Material Conveying System

3 鞍钢炼焦智能化进展及展望

鞍钢炼焦生产以经济、高效、智能、绿色、先进炼焦为总体目标，借助5G+、大数据等手段，全面提升炼焦装备自动化、信息化水平，夯实炼焦生产的数字化基础，全面向炼焦品控需求全流程控制转变升级。炼焦生产监控系统已投入运行，炼焦工序的立火道在线测温与自动加热控制系统在节能降耗方面初见效果，焦炉车辆智能控制系统、干熄焦智能化管控系统、机器人巡检等项目快速开展应用，智能炼焦格局初步显现。

鞍钢炼焦将继续探索智能炼焦，实现本质安全、运行管控强化、人力资源优化、生产效率提高、生产成本降低、产品质量提高，最终达到最优生产、最少人为干预、效益最佳、动态平衡的效果，引领行业炼焦技术装备发展方向，打造世界一流智能化炼焦企业。

4 结语

在国家碳达峰、碳中和的大形势下，焦化流程正面临巨大历史变革的挑战，有效处理现代炼焦面临的配合煤质量频繁变化、生产工况复杂等关键技术问题，提高焦炉自适应能力、完善炼焦能源网络构建，加强炼焦生产污染物的源头治理，使炼焦生产环境效益、社会效益、企业效益最大化，炼焦智能化是实现炼焦工序低碳、绿色生产与焦炉大型化、高效化、清洁化融合发展体系，推动焦化流程高质量发展的保障和方向。