一种降低焦炉废气中氮氧化物的控制系统及其控制方法.pdf

一种降低焦炉废气中氮氧化物的控制系统及其控制方法，包括焦炉、温度检测系统、加热自动控制系统、火落时间自动判断模型、焦煤成熟度模型、目标焦炉火道温度模型、煤气流量控制单元、分烟道吸力控制系统；通过感温探头检查焦炉内粗煤气的温度、在线火道温度和焦饼温度，将粗煤气温度反馈给火落时间自动判断模型和焦煤成熟度模型；火落时间自动判断模型和焦煤成熟度模型将CI和K值反馈给目标焦炉火道温度模型，目标焦炉火道温度模型将目标焦炉火道温度Ts反馈给加热自动控制系统；加热自动控制系统控制煤气流量控制单元和分烟道吸力控制系统向焦炉中输送煤气和分烟道废气。本发明显著降低氮氧化物排放，易于推广应用、投资成本和运行成本低。

1.  一种降低焦炉废气中氮氧化物的控制系统，包括焦炉(1)、温度检测系统(2)、加热自动控制系统(3)、火落时间自动判断模型(4)、焦煤成熟度模型(5)、目标焦炉火道温度模型(6)、煤气流量控制单元(8)，其特征在于：还包括分烟道吸力控制系统(7)；其中：
所述的温度检测系统(2)包括感温探头、热电偶、光纤和红外光纤仪表；
所述的加热自动控制系统(3)包括焦炉内粗煤气温度检测、焦炉内在线火道温度检测和焦饼温度检测；
火落时间自动判断模型(4)：在炼焦过程，要产生大量的粗煤气，粗煤气在炼焦周期的不同时间段是按照一定规律变化的，通过测量粗煤气温度变化可得出火落时间自动判断模型
CI＝Tc/Tm
CI-火落时间
Tc-结焦周期，min
Tm-从装煤开始到粗煤气温度达到最大值的时间，min
焦煤成熟度模型(5)：
K＝(T_c-T_m)/T_c
K：焦煤成熟度
所述的分烟道吸力控制系统(7)是通过检测加热煤气流量、火道温度、系统阻力、进风门开度、空气系数等因素以达到对分烟道吸力进行控制。

2.  根据权利要求1所述的一种降低焦炉废气中氮氧化物的控制系统，其特征在于：所述的风机和分烟道设置有两个。

3.  根据权利要求1所述的一种降低焦炉废气中氮氧化物的控制系统，其特征在于：所述的温度检测系统(2)采用红外测温装置进行测温。

4.  一种如权利要求1所述的降低焦炉废气中氮氧化物的控制系统的控制方法，其特征在于：其步骤为：温度检测系统(2)通过感温探头检查焦炉(1)内粗煤气(包含氢气、一氧化碳、甲烷等)的温度、在线火道温度和焦饼温度，将粗煤气温度反馈给火落时间自动判断模型(4)和焦煤成熟度模型(5)，得出火落时间CI和焦煤成熟度K；火落时间自动判断模型(4)和焦煤成熟度模型(5)将CI和K值反馈给目标焦炉火道温度模型(6)，结合配煤水分和结焦周期进行修正，得到目标焦炉火道温度Ts；目标焦炉火道温度模型(6)将目标焦炉火道温度Ts反馈给加热自动控制系统(3)；加热自动控制系统(3)控制煤气流量控制单元(8)和分烟道吸力控制系统(7)向焦炉(1)中输送煤气和分烟道废气；
根据所述的温度检测系统(2)中焦炉内粗煤气温度的检测和在结焦周期确定的情况下，得到所述的火落时间CI和焦煤成熟度模型K；根据温度检测系统(2)中焦炉内在线火道温度检 测和焦饼温度检测，以及配煤水分和结焦周期，确定目标焦炉火道温度模型(6)：Ts＝Tf+F1+F2+F3；
Ts：目标焦炉火道温度；
Tf：目标焦炉火道温度经验值；
F1：目标焦炉火道温度的火落时间修正值；
F2：目标焦炉火道温度的配煤水分修正值；
F3：目标焦炉火道温度的结焦周期修正值。

一种降低焦炉废气中氮氧化物的控制系统及其控制方法
技术领域
本发明属于焦炉炼焦自动化技术领域，具体地说，涉及一种降低氮氧化物的控制系统及其控制方法。
背景技术
氮氧化物作为污染排放物，对人类健康以及生态环境都产生了巨大的影响。在人类健康方面，氮氧化物对人的眼睛和呼吸道都会产生强烈地刺激作用，严重时会引起支气管炎并对肺部产生腐烛。在生态环境方面，氮氧化物是造成酸雨、温室效应以及破坏臭氧层的主要物质之一，同时氮氧化物也是当前我国雾霾天气的主要成分。
几十年来我国钢铁冶金工业的高速发展，使得为高炉炼铁提供重要原料的炼焦工业得到了快速发展，目前我国已成为世界最大的焦炭生产国和出口国。炼焦是一个复杂的工艺过程，既是冶金工业中的能耗大户，同时也是废气排放，尤其是氮氧化物(NOx)排放的重要来源之一。在炼焦生产过程中，燃气在焦炉立火道燃烧时所生成的氮氧化物，主要是一氧化氮(NO)占95％，二氧化氮(NO₂)为5％左右。为了控制大气环境的进一步恶化，国家对炼焦行业制定的严格的环保标准：即焦炉烟囱排放的NOx必须小于500mg/m³，并且在2015年要强制执行这一标准。
专利号为ZL200710120484.3的中国专利公开了一种焦炉加热自动控制方法，该方法通过测量焦炉温度，并使用焦炉加热煤气流量模型和分烟道吸力模型，计算出加热煤气流量Q和分烟道吸力a，并且分别对这两者进行控制而实现对焦炉温度的控制。专利号为ZL201210107382.9的中国专利公开了一种焦炭成熟度的判断方法，该方法将焦炭成熟度K定义为(τc-τm)/τc，τc：结焦周期，从装煤开始到推焦结束的时间，单位为分钟；τm：火落时间，是指从装煤开始到粗煤气温度达到最高点的时间，单位为分钟；(τc–τm)表示闷炉时间，单位为分钟，从粗煤气温度达到最高点到推焦的时间；焦炭成熟度控制在20％附近比较适合，若K＝20％±2％，则焦炭成熟度适中。这些专利技术均不能降低焦炉废气中的氮氧化物。
对炼焦行业氮氧化物的控制方法，根据燃烧过程可以分为二种途径：一、燃烧中控制，二、燃烧后控制。燃烧后控制主要的技术手段是烟气脱硝，即把焦炉烟道气抽出来，加热至400-500℃，然后在催化剂的作用下与氨发生化学反应，进而脱去烟气中的NOx，这种方法一次性投资非常大，大约需要3000万元以上，而且运行成本也非常高，大约年运行费用不低于500万元，对于目前挣扎在盈/亏线上的焦化企业是一个难以承受的费用。
发明内容
本发明的目的就是要解决现有技术的不足，提供一种可显著降低氮氧化物排放的降低焦 炉废气中氮氧化物的控制系统及其控制方法，通过稀释助燃气体(空气)中氧的浓度以达到降低立火道火焰高温区温度而降低焦炉废气中氮氧化物，易于推广应用、投资成本和运行成本低。
本发明的技术方案是这样得以实现的：一种降低焦炉废气中氮氧化物的控制系统，包括焦炉1、温度检测系统2、加热自动控制系统3、火落时间自动判断模型4、焦煤成熟度模型5、目标焦炉火道温度模型6、煤气流量控制单元8，其特点是：还包括分烟道吸力控制系统7；其中：
所述的温度检测系统2包括感温探头、热电偶、光纤和红外光纤仪表；
所述的加热自动控制系统3包括焦炉内粗煤气温度检测、焦炉内在线火道温度检测和焦饼温度检测；
火落时间自动判断模型4：在炼焦过程，要产生大量的粗煤气，粗煤气在炼焦周期的不同时间段是按照一定规律变化的，通过测量粗煤气温度变化可得出火落时间自动判断模型；
CI＝Tc/Tm
CI-火落时间
Tc-结焦周期，min
Tm-从装煤开始到粗煤气温度达到最大值的时间，min
焦煤成熟度模型5：
K＝(T_c-T_m)/T_c
K：焦煤成熟度
所述的分烟道吸力控制系统7是通过检测加热煤气流量、火道温度、系统阻力、进风门开度、空气系数等因素以达到对分烟道吸力进行控制。
进一步的，所述的风机和分烟道设置有两个。
进一步的，所述的温度检测系统(2)采用红外测温装置进行测温。
一种降低焦炉废气中氮氧化物的控制系统的控制方法，其特点是：其步骤为：温度检测系统2通过感温探头检查焦炉1内粗煤气(包含氢气、一氧化碳、甲烷等)的温度、在线火道温度和焦饼温度，将粗煤气温度反馈给火落时间自动判断模型4和焦煤成熟度模型5，得出火落时间CI和焦煤成熟度K；火落时间自动判断模型4和焦煤成熟度模型5将CI和K值反馈给目标焦炉火道温度模型6，结合配煤水分和结焦周期进行修正，得到目标焦炉火道温度Ts；目标焦炉火道温度模型6将目标焦炉火道温度Ts反馈给加热自动控制系统3；加热自动控制系统3控制煤气流量控制单元8和分烟道吸力控制系统7向焦炉1中输送煤气和分烟道废气；
根据所述的温度检测系统2中焦炉内粗煤气温度的检测和在结焦周期确定的情况下，得到所述的火落时间CI和焦煤成熟度模型K；根据温度检测系统2中焦炉内在线火道温度检测和焦饼温度检测，以及配煤水分和结焦周期，确定目标焦炉火道温度模型6：Ts＝Tf+F1+F2+F3；
Ts：目标焦炉火道温度；
Tf：目标焦炉火道温度经验值；
F1：目标焦炉火道温度的火落时间修正值；
F2：目标焦炉火道温度的配煤水分修正值；
F3：目标焦炉火道温度的结焦周期修正值。
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
1)显著降低氮氧化物的排放。
2)一次投资成本低。
3)零运行成本。
4)设计合理，易于推广应用。
附图说明
图1是本发明的降低焦炉废气中氮氧化物的控制系统原理示意图。
图2是本发明的控制系统示意框图。
图中：1——焦炉；2——温度检测系统；3——加热自动控制系统；4——火落时间自动判断模型；5——焦煤成熟度模型；6——目标焦炉火道温度模型；7——分烟道吸力控制系统；8——煤气流量控制单元。
具体实施方案
降低焦炉废气中氮氧化物最有效的方法是在燃烧过程中对NOx进行控制。在炼焦生产过程中，燃气在焦炉立火道燃烧时所生成的氮氧化物，主要是一氧化氮(NO)，占95％，二氧化氮(NO2)为5％左右。
根据我们研究表明，炼焦生产过程中的氮氧化物产生大部分多是由于高温引起的。控制火焰温度的方法有两种，第一种是稀释燃料中可燃成分的浓度，第二种是稀释助燃气体(空气)中氧的浓度，让燃料在火道中缓慢燃烧，这样既可降低NOx的浓度，又可改善焦炉高向加热均匀性。煤气和空气在燃烧室中混合、燃烧，产生的热量通过炉墙传递到炭化室中，火道的温度是周期性变化的，上升气流的火焰温度高，而下降气流的温度低，推焦装煤前后温度高，而装煤后4-6小时温度低，温差可达60℃左右。本发明就是通过稀释助燃气体(空气)中氧的浓度以达到降低立火道火焰高温区温度的目的。
本发明一种降低焦炉废气中氮氧化物的控制系统，包括焦炉1、温度检测系统2、加热自动控制系统3、火落时间自动判断模型4、焦煤成熟度模型5、目标焦炉火道温度模型6、煤气流量控制单元8，还包括分烟道吸力控制系统7；其中：
所述的温度检测系统2包括感温探头、热电偶、光纤和红外光纤仪表；
所述的加热自动控制系统3包括焦炉内粗煤气温度检测、焦炉内在线火道温度检测和焦饼温度检测；
火落时间自动判断模型4：在炼焦过程，要产生大量的粗煤气，粗煤气在炼焦周期的不同时间段是按照一定规律变化的，通过测量粗煤气温度变化可得出火落时间自动判断模型；
CI＝Tc/Tm
CI-火落时间
Tc-结焦周期，min
Tm-从装煤开始到粗煤气温度达到最大值的时间，min
焦煤成熟度模型5：
K＝(T_c-T_m)/T_c
K：焦煤成熟度
所述的分烟道吸力控制系统7是通过检测加热煤气流量、火道温度、系统阻力、进风门开度、空气系数等因素以达到对分烟道吸力进行控制。
所述的风机和分烟道设置有两个。
所述的温度检测系统(2)采用红外测温装置进行测温。
一种降低焦炉废气中氮氧化物的控制系统的控制方法，其步骤为：温度检测系统2通过感温探头检查焦炉1内粗煤气(包含氢气、一氧化碳、甲烷等)的温度、在线火道温度和焦饼温度，将粗煤气温度反馈给火落时间自动判断模型4和焦煤成熟度模型5，得出火落时间CI和焦煤成熟度K；火落时间自动判断模型4和焦煤成熟度模型5将CI和K值反馈给目标焦炉火道温度模型6，结合配煤水分和结焦周期进行修正，得到目标焦炉火道温度Ts；目标焦炉火道温度模型6将目标焦炉火道温度Ts反馈给加热自动控制系统3；加热自动控制系统3控制煤气流量控制单元8和分烟道吸力控制系统7向焦炉1中输送煤气和分烟道废气；
根据所述的温度检测系统2中焦炉内粗煤气温度的检测和在结焦周期确定的情况下，得到所述的火落时间CI和焦煤成熟度模型K；根据温度检测系统2中焦炉内在线火道温度检测和焦饼温度检测，以及配煤水分和结焦周期，确定目标焦炉火道温度模型6：Ts＝Tf+F1+F2+F3；
Ts：目标焦炉火道温度；
Tf：目标焦炉火道温度经验值；
F1：目标焦炉火道温度的火落时间修正值；
F2：目标焦炉火道温度的配煤水分修正值；
F3：目标焦炉火道温度的结焦周期修正值。