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干熄焦现在是焦炉的标准配套设备。在运行过程中，为了保证生产安全，通常要引入空气，将循环气体中的可燃成分烧掉，远离爆炸极限，但也造成了焦炭的燃烧损失，同时也增加了碳排放。如果能实时进行烧损率的监测，在保证安全的前提下优化干熄焦的操作参数^[1]，降低烧损，不但能给企业带来可观的效益，还能降低碳排放量。

1干熄焦碳烧损的原因

干熄焦生产过程中，除了导入一些空气外，气体循环系统的负压段也会吸入一定量的空气，而空气会与红热焦炭发生各种化学反应。首先空气中的O₂与高温焦炭发生氧化反应，生成CO和CO₂；其次空气中的水分与红焦发生反应生成H₂、CO、CO₂和CH₄等。在干熄炉预存段，红焦本身残留的一部分挥发分进一步热解生成H₂和CH₄。因此，干熄焦的循环气体中存在H₂、CH₄和CO等可燃成分，而CH₄经过高温焦炭时会重新分解成C和H₂，所以循环气体中最终主要的可燃成分是H₂和CO。

循环气体冷却焦炭的过程中，H₂和CO等可燃成分浓度不断升高，达到一定程度后，在气体循环系统负压段，与漏入的空气混合容易产生爆炸，因此需要调整干熄炉环形烟道处空气导入量，将焦炭冷却过程中产生的可燃成分烧掉。这个过程会使一部分焦粉在循环风中燃烧形成焦炭烧损。另外，循环风中的H₂O、H₂和CO₂等成分与炽热的红焦会发生CO₂＋C＝2CO、C＋H₂O＝CO＋H₂、C＋2H₂O＝CO₂＋2H₂、C＋2H₂＝CH₄等溶碳反应^[2]，也会造成焦炭的损失。由此可见干熄焦工艺本身不可避免地会造成焦炭的部分损失，只有优化操作参数[，才能将这种损失降到最小。在干熄焦系统设计的国家标准里，规定焦炭烧损率要小于1%，但是大部分干熄焦系统实际运行的焦炭烧损率往往比这个规定数值大很多。

焦炭的烧损包括块焦烧损与粉焦烧损两部分，其中块焦烧损多在干熄焦冷却室上部的高温区域内，而粉焦烧损主要发生在环型烟道、一次除尘器和锅炉的高温段。影响干熄炉焦炭烧损率的因素很多，过程也很复杂，主要的影响因素和相互关系见图1。由于涉及到众多的设备及各种传热传质过程，因此对这些设备建立物理模型联立计算求解干熄焦的实时烧损率非常困难。

图 1 焦炭烧损率主要影响因素和相互关系

2降低干熄焦烧损率的利弊

烧损率降低后，对干熄焦会产生各种利弊。

利：干熄炉内焦炭高温部分减少，冷却速度加快，有利于焦炭的冷却；焦炭的排出量会增加，增加效益；干熄焦碳排放量必然降低，有利于减少企业的碳排放。

弊：减少干熄焦的产汽量；循环风动力消耗增加；对生产调度的要求提高。

是否降低烧损率，需要根据国家政策、产品及能源价格和企业自身要求等综合考虑。

3国内烧损率计算方法的进展

目前国内大部分焦化厂对干熄焦碳烧损率的计算都不是实时的，而是根据一段时间内的生产数据计算的平均值，数据精度不高、统计周期较长，对降低干熄焦烧损率生产操作不具备指导意义，只能当作一个长期生产的参考指标。

现在常用的干熄焦烧损率计算方法有^[3]：

①     根据质量守恒计算烧损率

质量守恒为最简单统计计算法，通过当班操作运行装焦量、排焦量和焦粉量记录粗略计算烧损率，同时与碳平衡计算的烧损率进行相互验证，分析焦炭质量变化，计算方式为焦炭烧损率=(装焦量-排焦量-焦粉量)/装焦量×100%。

②     根据吨焦耗煤计算烧损率

焦炉采用湿法熄焦时，烧损率为零；采用干法熄焦时，因焦炭存在烧损，故焦炭产量下降，对应的吨焦耗煤增加。其计算方法是：焦炭烧损率=(干熄焦吨焦耗煤量-湿熄焦吨焦耗煤量)/干熄焦吨焦耗煤量×100%。

③     根据碳平衡计算烧损率

假设干熄焦循环系统密封，正常生产时导入的空气与炉内碳元素发生完全反应，处于一个平衡的状态，则根据导入的空气量可以计算出干熄焦的烧损率。其计算方式为：焦炭烧损率=每小时排放碳元素质量÷每小时焦炭装入量×100%。

④     根据热平衡计算烧损率

  干熄焦通过循环气体吸收红焦显热及焦炭燃烧热后通过锅炉来产生蒸汽。正常生产时，红焦装入量一定，排焦温度一定时，红焦的显热就可确定，而锅炉蒸发量同烧损率成一次线性关系。用蒸发量推算烧损率的方法是：

式中：G_m为排出1t冷焦时烧损掉的焦炭量，t。

式中：φ_sj是实际蒸发量，kg/t；φ_ws是无焦炭烧损时的蒸发量，kg/t；q_zq是蒸汽焓值，kJ/kg；q_gs是给水焓值，kJ/kg；q_rs是焦炭燃烧热值，kJ/kg；q_fs是放散气体热量。

⑤     以干熄焦收集焦粉含灰量计算烧损率

焦炭在炉内气化后产生的灰分进入焦粉，焦粉含灰大幅度上升，通过焦粉含灰量可计算出烧损率。灰分平衡计算方法为：焦炭烧损率=焦粉量×（焦粉含灰率-焦炭含灰率）÷（焦炭量×焦炭含灰率）×100%。

⑥     人工智能神经网络计算烧损率

人工智能神经网络是人工智能领域一种重要的方法，是具有统计性、自适应性的一类算法模型。处理复杂信息时，这种方法通过调整网络内部大量节点之间相互连接的关系，从而达到处理信息的目的。采用人工智能神经网络技术，在大量统计数据基础上，对神经网络进行训练，最终得到各个输入变量与烧损率对应的非线性映射关系，从而利用较少的基准输入数据快速计算出对应的焦炭烧损率^[4]。

目前国内对干熄炉焦炭烧损实时计算的研究和实践非常少，2009年南方某焦化厂根据循环气体成分来进行焦炭烧损率实时计算，为国内首次对干熄焦烧损率实时计算的尝试。由于测量设备精度变化和修正系数的影响，需要定期用实际统计平均值进行修正，其实时计算结果只能参考，近年来，国内少数采用烧损率实时计算的企业，其计算方法依然以碳平衡法为主。

4烧损率实时计算方法

以现有的技术水平和条件，碳平衡法、热平衡法和人工智能神经网络法可以实时计算烧损率。只有在实时计算烧损率的基础上，才有可能及时调整干熄焦的操作，真正实现烧损率的降低。

4.1碳平衡计算法

以干熄炉为对象，进入其中的碳元素应该等于离开的碳元素质量^[5]。

进入干熄炉的碳元素包括：红焦含碳量M_C1，循环风带入碳量M_C2。

离开干熄炉的碳元素包括：排焦含碳量M_C1^'，干熄炉存焦减少量M_C2^'，排风含碳元量M_C3^'，循环风带走碳量M_C4^'，焦粉含碳量M_C5^'。

由于进出干熄炉时，循环风的成分变化不大，所以认为M_C2=M_C4^'，不用考虑，这样M_C1=M_C1^'+M_C2^'+M_C3^'+M_C5^'。因为M_C3^'是焦炭烧损，所以烧损率可通过公式（3）计算。

以一组数据为例，排风量37140Nm³/h，循环风中CO含量6.4%，CO₂含量12.7%，排焦量166t，除尘灰（焦粉）3.3t，存焦减少量7.1t，利用公式（3）可计算得到烧损率为2.1%。

气体成分和流量参数是瞬时的，反应很快，所以碳平衡法实时计算烧损率是所有方法里响应速度最快的，当然这种方法的准确程度很大程度依赖排焦量和排风量测量的准确度。尽管利用碳平衡法可实时计算瞬时烧损率的变化，但无法根据这种变化去指导干熄焦操作，从而降低烧损率。

4.2热平衡计算法

干熄焦是利用循环风冷却焦炭，然后再利用循环风加热锅炉产生蒸汽的过程。通过热平衡分析，可以估算出干熄焦的烧损率^[6]。

进入干熄焦系统热量包括：红焦释放的显热Q₁，红焦燃烧释放的化学热Q₂。离开干熄焦系统的热量包括：蒸发吸热Q₁^'，排污散热Q₂^'，干熄炉散热Q₃^'，锅炉散热Q₄^'，排风显热Q₅^'。排风一般都有热回收，排放温度不太高，因此排风显热较小可以忽略不计，这样烧损率η可通过公式（4）计算。

将实际测试数据带入公式（4）可得到干熄焦烧损率为2.2%。

用热平衡计算法计算的烧损率，可以对其它的烧损率计算方法进行定性的判断：散热量和排污量都为定值时，当烧损率为零时，热平衡计算法可以得到吨焦最小理论蒸发量；吨焦实际蒸发量为已知的条件下，当散热量和排污量都为零时，热平衡计算法可以得到最小烧损率。以实际数据为例，当温1010℃、质量1吨的红焦被冷却到110℃时，其显热可获得的理论蒸发量为460kg，实际的蒸发量不可能小于这个数值。当每吨焦实际蒸发量为550kg时，理论最小烧损率为0.9%，真实的烧损率也必然大于此值。

由于大系统存在热延迟现象，干熄焦烧损率的瞬时变化，不能立刻反映到蒸发量的变化，因此热平衡法实时计算烧损率的结果比实际的烧损率变化滞后。而且由于散热率无法精确测量，所以热平衡法实时计算烧损率的结果准确率要比另外两个方法差。对于降低烧损率的操作指导，它只能给出一个大概的调节原则：即正常生产的情况下，蒸发量减小，则烧损率降低。

4.3人工智能神经网络计算

人工智能神经网络需要对生产数据进行统计^[7]，然后进行训练拟合。训练的输出变量是烧损率，也可以是其它感兴趣的变量。神经网络训练用的目标烧损率可以用干熄炉物料平衡进行计算，也可以用碳平衡或热平衡计算。通过数万次对神经网络的训练，神经网络建立起了各生产参数与目标烧损率的非线性映射关系，可以对符合训练样本范围内的生产参数进行烧损率的拟合预测。

以碳平衡计算的烧损率为目标、经过训练后的神经网络对检验数据的验证拟合^[8]，平均值的相对误差小于5%，余弦相似度（形状相似程度，形状完全相同时为1）约0.85。以干熄炉物料平衡计算的烧损率为目标、经过训练后的神经网络对检验数据的拟合，平均值相对误差小于10%，余弦相似度约0.8。所以将碳平衡法计算的烧损率做为神经网络训练目标效果更好。

神经网络可以通过调整生产参数预测烧损率，并给出干熄焦的循环风成分、蒸发量等参数的变化，指导干熄焦操作^[9]。举例来说，对某干熄焦的生产数据对神经网络训练后，发现将循环风量加大10%，神经网络预测出的烧损率将比原来降低6.1%，可以判断适当加大循环风量是降低烧损率的手段之一。另外神经网络训练好之后，即使其中一个参数精度下降对计算结果准确度影响比较小，容错性比较强。

4.4三种烧损率实时计算方法的特点和比较

前述的三种烧损率实时计算方法各有不同，又互相补充，实践中应该综合运用。

各烧损率实时计算方法的共同点：均可实时计算烧损率；均可对干熄焦生产调节降低烧损率提供参考；均可对干熄炉发生棚料或塌料做出一定判断。

各方法的特点：碳平衡法响应速度快，当各参数测量准确时可作为其它两种方法的校准；热平衡法响应速度慢，但当蒸发量测量比较准时，可以确定理论最小烧损率作为其它两种方法的补充判断依据；人工智能神经网络法可给出优化操作的效果预测。三种方法的比较见表1。

表1 三种实时计算方法不同维度的综合评价

5结语

①    在实际运行中，干熄焦烧损率通常达到2%甚至更多，不但造成能源浪费，而且增加了碳排放，所以降低烧损率有利于节能减排。

②    降低烧损率可以增加焦炭产出量，目前焦炭价格比较高，焦炭增产的利润还是十分可观的。

③    将人工智能应用在干熄焦的生产流程，符合当今技术发展方向，可以促进干熄焦智能生产的快速发展。