攀钢钒炼铁厂
摘要：高炉喷煤是降低焦比的重要手段，大幅度提高喷煤量是降低吨铁成本的重要措施。用烟煤代替无烟煤又是制粉成本根本措施，提高烟煤配比，制粉安全是重中之重。
关键词：喷煤；控制；分析
1、前言
近年来，国内外高炉喷煤技术发展很快，个别钢铁企业采用氧煤混喷实现了吨铁喷煤300kg/tp。由于无烟煤在资源、价格，更重要的是大喷煤量时燃烧率的限制，国内外很多钢铁企业逐步以喷吹烟煤代替无烟煤，改善了高炉喷煤效果，缓解无烟煤供需矛盾，降低了喷煤成本，节焦效果明显，小时喷煤量明显提高。
高炉喷煤是通过高炉风口直接喷入磨细的无烟煤、烟煤或两种煤的混合煤粉，替代部分焦碳提供高炉冶炼热量和还原剂，既缓解焦煤利用，又降低生铁冶炼成本，喷煤获得“以煤代焦”效益。
2、问题的提出
3#磨机系统为2009年初正式投入生产，分为排粉风机、布袋除尘器、给煤机、烟气炉、液压站系统、磨机本体、煤粉仓及磨机安全装置几大部分。磨机工作之前，排粉风机启动，给煤机和磨机迷宫送入空气，清扫给煤机和磨机，整个磨机系统对外成为一个封闭式负压系统，自给煤机装入磨机的煤经一定温度的烟气干燥后才能磨成一定颗粒的煤粉，磨机内的煤粉经过分离器送入除尘器，风粉分离后，风经过排粉风机送入大气，煤粉经过布袋除尘器回收，送入煤粉仓储存待用。排粉风机主要用于抽取磨机的烟气送入大气，使整个磨机系统处于负压工作状态，便于控制磨机正常工作。
攀钢五座高炉喷煤平均煤比130kg/t.Fe，烟煤配比50-55%的混合煤生产已保证不了高炉煤量的需求。烟煤的着火点为370℃左右，无烟煤为400℃左右，烟煤的挥发分为15%左右，烟煤与无烟煤的价差为70-80元/吨，这样进一步提高烟煤的配比就对制粉系统的安全控制提出了更高的要求。
烟煤具有高挥发份成份，在制粉生产中原煤10-12%的水分需要排除，使用的是烟气炉提供的高温烟气，当挥发份含量达到一定量，遇明火和有氧条件，煤粉会发生爆炸，因此混合煤安全制粉、喷吹生产必须严格控制各工序操作参数，并有相应的检测监控设施才能实现高配比混合煤生产，因此在完善工艺、操作后逐步提高混合煤配比。虽然钢研院和炼铁厂所做的混合煤喷吹实验表明，无烟煤配加50%的瘦煤爆炸性较弱，在采取防范措施后，可以实现安全喷吹，但混合煤的着火点降低，燃烧性提高10—20%。煤粉仓、布袋除尘器的布袋箱是储存制粉系统生产的煤粉的常压容器，煤粉在其中要存留几小时，煤粉很容易自燃，若一旦发生自燃，就有可能将火种带到喷吹系统的高压罐内，这是非常危险的。另外，粉仓和布袋箱内煤粉发生自燃，会产生CO气体，若粉仓和布袋箱内氧气浓度大于14%（体积百分数），则可能发生燃烧爆炸事故。
综上所述，可以得出这些的结论：
1、煤粉仓、输粉管道、磨机、布袋除尘器内必须用氮气惰化，并要求将煤粉仓、磨机出口、布袋箱中气氛的含氧浓度控制在小于14%（体积百分数），使含氧浓度低于爆炸氧浓度的临界值14%（体积百分数），这是安全生产的必要保证。
2、磨机分离器出口温度、布袋入口温度，粉仓温度必须控制在安全范围。
3、粉仓一氧化碳含量控制在安全范围。
3、控制策略
3.1 控制设备
为保证混合煤喷吹的顺利实现，在布袋除尘器、煤粉仓、输粉管道及磨机相应位置安装了氮气管道，加装电动切断阀，送入氮气以惰化煤粉仓、布袋箱、输粉管道及磨机。一套含氧量和CO分析仪，检测磨机入口、磨机出口、A粉仓及B粉仓处的氧气及一氧化碳。我们要实现的
图1 安全检测及控制工艺图
是依靠现有检测手段，完成整个制粉工艺的安全控制。其工艺图见图1。
我们采用浙大中控公司的ECS-100 DCS系统，ECS-100DCS采用新型的WEB 化体系结构，突破了传统控制系统的层次模型，实现了多种总线兼容和异构系统综合集成的“网络化控制系统”。
SUPCON WebField 控制系统基于Web On Field 结构的公共通讯环境和信息流传送，简化了工业自动化的体系结构，增强了过程控制的功能和效率。
系统由工程师站、操作站、控制站、过程控制网络等组成。
控制站是系统中直接与工业现场进行信息交互的I/O 处理单元，完成整个工业过程的实时监控功能。控制站内部各部件可按用户要求冗余配置。在同一系统中，任何信号均可按冗余或不冗余连接（详见系统卡件描述），对于系统中重要的公用部件，建议采用100%冗余，如主控制卡、数据转发卡和电源箱。
过程控制网络实现工程师站、操作站、控制站的连接，完成信息、控制命令的传输与发送，双重化的冗余设计，使得信息传输安全、高速。
最上层为信息管理网，中间层为过程控制网（名称为SCnet Ⅱ），底层网络为控制站内部网络（名称为SBUS）。基本结构如图2 所示。
主控制卡（FW243/FW245）是控制站的软硬件核心，负责协调控制站内的所有软硬件关系和各项控制任务，如完成控制站中的I/O 信号处理、控制计算、与上下网络通信控制处理、冗余诊断等功能。控制周期从100 ms 到5s 可选；控制软件和算法模块采用模块化设计，核心程序固化在CPU 卡的EPROM 中；具有4Mbit 的用户可组态（编程）的控制程序和4Mbit 的数据区，为用户设计的复杂控制程序和数据区准备了充足的内存空间；带算术、逻辑、控制算法库。
图2：ECS-100系统结构图
控制回路可达128 个；具有双重化10Mbps/100Mbps 以太网标准通讯控制器和驱动接口（两片独立的通讯控制器和相关的驱动芯片），互为冗余，使系统数据传输实时性、可靠性、网络开放性有了充分的保证，构成了双重化、热冗余的SCnet Ⅱ；支持冗余或非冗余配置，冗余方式为1∶1 热备用。
为了保证氧气、一氧化碳的分析值的及时反应，以及氮气阀动作的快速响应，我们把所有安全控制程序和处理放在主空卡的100ms处理区。
3.2 残氧量和CO浓度计算机显示策略
前面已经提及煤粉仓和磨机的氧气和一氧化碳浓度超过一定浓度范围，可能发生爆炸，严重的可能危及生命。氧气和一氧化碳浓度分析仪，其主要目的检测A、B煤粉仓（2点）和磨机入口、磨机出口（2点）的氧气和一氧化碳浓度，送入计算机控制系统显示并参与自动控制，以达到操作人员及时掌握氧气和一氧化碳的浓度，根据其浓度变化，改变工艺操作指令；并达到计算机控制系统实时分析其数据变化和按工艺所要求的控制逻辑控制气氛惰化氮气电动切断阀的开关。
氧气和一氧化碳分析仪有2组标准的4—20mADC信号输出（一个为氧气体积百分浓度，另一个为一氧化碳PPM浓度）。其中O2分析仪和CO分析仪为间断工作，即在巡回检测磨机入口、磨机出口、A粉仓、B粉仓的氧气及一氧化碳浓度分析信号，当其中1点分析时，其余3点停止检测，O2浓度量程为0—21%，CO浓度量程为0—2000PPM。
氧气和一氧化碳分析仪不仅提供2组标准的4—20mADC信号输出，而且还提供了4组开关量输出信号（TO、TCO、T1—T4），其具体含义如下：当TO与T1两点导通时表示第1检测点正在进行分析，TO与T2导通时表示第2点正在分析，其余类推，每点分析时间为6分钟。计算机控制系统在采集处理氧气及一氧化碳分析信号之后，根据TO与T1—T4是否导通，再结合4个氧气分析点在画面上的相应位置显示该点当前分析值，如果该点不是当前分析点，就显示其停止分析前的保留值。
再次，设计逻辑控制程序。按上述O2、CO浓度分析仪分析顺序和显示实现原理，设计逻辑控制程序时充分考虑了氧气和一氧化碳浓度分析信号与八个开关量信号之间的逻辑关系，并制定了控制原则。控制流程图如图3。
3.3 氮气电动阀自动控制策略及实现
煤粉仓和布袋除尘器的粉斗因为要长期积粉，混合煤的着火点低且燃烧性降低了10—20%，一旦煤粉在这两处积粉时间过长（积粉时间高于4小时），煤粉将自燃；或者磨机分离器出口温度未控制在煤粉允许温度范围内而造成的煤粉仓和布袋除尘器粉斗煤粉温度高于一定值，煤粉也将自燃。另外，煤粉仓和布袋除尘器粉斗内氧气浓度太高（高于14%），再综合上述两种之一种情况同时并存，煤粉燃烧加剧，同时产生大量的CO气体，这时煤粉仓和布袋除尘器粉斗内同时并存氧气及CO气体，可能发生爆炸，这不但危及设备安全，而且危及人身安全。因此，我们在设计氮气电动阀的自动控制程序时，必须首先考虑上述四种情况并将其作为手自动开关氮气电动阀的必要条件。安全控制流程图如图四。
磨机和输粉控制系统是具有键盘操作、WINDOWS平台、FIX监控界面、数据库标签联系、实时数据采集、仪控和电控等功能且相互独立的集成控制系统。
磨机系统所有外围设备的动作主要包括机旁手动、半自动和自动等
操作方式，除机旁手动外其他操作方式完全通过键盘操作完成。因此，首先给氮气电动阀设定三种通过键盘实现的操作方式----手动、半自动和自动。
4、结语
本课题解决了煤粉仓和布袋除尘器等设备气氛惰化控制功能。通过对磨机入口、出口、煤粉仓和布袋除尘器内氧气和一氧化碳浓度信号进行计算机采集、处理和控制，达到了使操作人员及时掌握氧气和一氧化碳的浓度，根据其浓度变化，改变工艺操作指令，并且利用计算机技术分析其数据变化特性，充分结合煤粉仓和布袋除尘器积粉时间长，煤粉自燃引起设备爆炸这种特殊现象，以及氧气、一氧化碳浓度和煤粉温度等四种情况，制定了逻辑控制策略，达到气氛惰化的功能。
虽然，无烟煤配加一定比例的烟煤从爆炸性的角度来讲，喷吹安全还是可以保证的，但正如上面叙述的，其着火点降低且燃烧性高，一旦煤粉储存时间过长，煤粉容易自燃，将产生大量的一氧化碳，造成氧气和一氧化碳同时并存，进而发生爆炸，这不但危及设备安全，而且危及人身安全。
参考文献：
[1]刘元扬，《自动检测和过程控制》。北京：冶金工业出版社，1998。
[2]浙大中控，《ECS-100系统说明书》。浙江：浙江浙大中控技术有限公司，2003年9月1日。
[3]周传典，《高炉炼铁生产技术手册》。北京：冶金工业出版社，2002。
论文作者:杨万雄
论文发表刊物:《防护工程》2019年15期
论文发表时间:2019/12/3
标签：氧化碳论文; 煤粉论文; 浓度论文; 氧气论文; 烟煤论文; 系统论文; 冗余论文; 《防护工程》2019年15期论文;