2#干熄焦及发电综合自动化系统设计方案

L A I G A N G D I A N Z I
莱钢焦化厂2#干熄焦及发电
综合自动化系统设计方案
山东莱芜钢铁集团电子有限公司
2008年2月30
莱钢焦化厂2#干熄焦及发电综合自动化系统设计方案
自动化系统设计方案
一、概述
干熄焦技术起源于瑞士，从20世纪20年代到40年代开始研究开发干熄焦，进入60年代，实现了连续稳定生产，并逐步向大型化、自动化和低能耗方向发展。

干熄焦技术是回收炼焦余热和改善操作环境的有效措施，是国家重点支持和推广的一项新技术，它具有提高焦炭质量、改善环境、回收能源三大优点。

由于干熄焦工艺可以大大提高焦炭品质，又可以进行能源的二次利用，因此，近年来干熄焦方式得到了广泛的认可，并有迅速在国内推广使用的趋势。

焦化厂7#、8#焦炉为JN60-6 型60孔焦炉，年产焦炭约110万吨，每小时焦炭产量约126吨。

本设计为莱钢股份有限公司焦化厂2#干熄焦及发电工程自动控制系统，本系统为7#、8#焦炉配套工程。

二、工艺简介
2#焦炉干熄焦工艺包括红焦装入、干熄焦炉、冷焦排出、气体循环、干熄焦锅炉、地面除尘站、除氧水泵房、锅炉给水及蒸汽发电系统。

装满红焦（950℃~1050℃）的焦罐车由电机车牵引至提升井架底部，由提升机将焦罐提升到干熄炉顶，通过装入装置将焦炭装入到干熄炉内，在干熄炉内焦炭与惰性气体直接进行热交换，焦炭被冷却至180℃，经排焦装置卸到带式输送机D101上，然后送往已有焦炭输送系统。

图一：干熄焦总工艺流程图
惰性气体由循环风机鼓入干熄炉底部，与红热焦炭逆流换热，从干熄炉顶出来的循环气体约900~980℃，经一次除尘器、锅炉冷却、二次除尘器、循环风机加压、热管换热器后，约135℃进入干熄炉。

由锅炉产生压力3.82Mpa，T=450℃的中压蒸汽约80+5t/h并入莱钢公司的蒸汽管网。

一、二次除尘器分离出的焦粉，由专门的输送设备将其收集在贮槽内，以备外运。

干熄焦装置的装料、排料、预存室放散及风机后放散等处的烟尘均进入干熄焦地面除尘站除尘系统，进行除尘后放散。

2．1红焦装入系统
红焦装入系统其作用是将从焦炉接收的炽热红焦运送至干熄炉炉顶，与装入装置相配合，将焦炭装入干熄炉内。

其受控设备包括电机车、焦罐车、旋转焦罐、APS定位装置、提升机、装入装置等。

电机车用于牵引、制动焦罐台车，控制圆形旋转焦罐的旋转和完成接送红焦。

旋转焦罐用于装送红焦，并在接焦过程中绕中心线旋转，提高焦罐的装载系数，解决焦炭在焦罐中分布不均。

焦罐车由电机车牵引沿熄焦轨道运行，往返于焦炉和提升架之间运输红焦。

为确保焦罐车在提升机井架下准确定位及操作安全，在提升机井架下设液压强制驱动的自动对位装置即APS对位装置。

提升机设置在提升机井架及干熄炉构架的顶部，负责提升和搬运焦罐。

装入装置按指令开闭炉盖和红焦经装入料斗装入干熄炉，主要有料斗、台车、炉盖、驱动装置、集尘管道等部分组成。

其工艺结构图如下:
红焦运输控制图
电机车与焦罐车采用定点接焦的方式接焦。

为缩短电机车的操作周期，一台电机车拖带两台焦罐车，平均7~8分钟就要完成一次作业。

电机车牵引焦罐台车与拦焦车对位后，旋转焦罐开始旋转，旋转平稳后相推焦车发出推焦指令。

接焦完毕后，旋转焦罐减速后停止在初始位置。

完全停稳后电机车向提升机行走，对位后接空焦罐，随即满罐对位后，提升机在提升塔下将满罐红焦罩上挡火盖后，按设定的提升与横移速度曲线图沿提升导轨，快速提升到塔顶，然后横移对准需要装入焦炭的干熄焦槽的入料口。

当设置在干熄槽上部的装焦装置，将干熄炉炉盖打开并把装入料斗对准入料口后，提升机将焦罐缓慢放下并自动打开焦罐底阀，焦炭经料斗、分料板和料钟布料均匀装入干熄槽。

完成装焦动作后，提升机提起空罐并横移到提升塔井架处，将空罐快速放下，停止于待机位。

当电机车发出接焦罐指令后，提升机卷下空焦罐，并脱开挡火盖，完成一次工作循环。

待机时炉盖扣在干熄炉口上，当提升机发出装入指令时，电动缸开始牵引通过驱动装置低速提起炉盖。

提起炉盖后，行走台车开始行走至装入料斗对准炉口为止，提升机开始卷下焦罐，焦罐将落在料斗的滑动支架上，与滑动支架一起下降
落在固定支座上。

提升机继续卷下焦罐，焦罐底部闸阀开始打开放焦，焦罐底门完全打开时，发出底门开信号。

在装入装置打开炉盖时，集尘管道上蝶阀自动打开，开始集尘。

完成装焦动作后，提升机按上述相反动作卷上空罐，装入装置开始相反动作，移开料斗，将炉盖扣在炉口，完成一次装入动作。

集尘管道上蝶阀自动关闭，停止集尘。

2.2 干熄焦系统
干熄焦系统的主体设备是干熄炉。

干熄炉为圆形截面的竖式槽体、外壳用钢板制作，内衬耐磨粘土砖及断热砖等。

顶部设有环形水封槽。

在干熄炉内，从顶部装入的红热焦炭与从底部鼓入的冷循环气体逆向换热，将焦炭温度从1000±50℃降至180℃左右。

干熄炉上部为预存室，中间是斜道区，下部为冷却室。

设置在预存室外的环形气道通过36个斜道与冷却室相通，环形气道沿圆周方向分二半汇合后与一次除尘器的进口相连。

预存室设有料位、压力、温度测量及放散装置。

环形气道设有空气导入装置、循环气体旁路装置、气流调整装置。

冷却段设有温度测量孔、排水汽孔、人孔及烘炉孔。

壳体由进气孔。

冷却段底部有供气装置。

供气装置有中央送风帽、十字风道、上锥斗、下锥斗、调节棒装置组成，给水预热器后的循环气体经百叶式手动调节档板分别进入上下气室，上气室沿上下锥斗间的周边送风，下气室沿中央送风帽送风。

在干熄炉内循环气体与焦炭的逆流换热过程中，高温焦炭与循环气体发生化学反应造成焦炭烧损，预存室中的焦炭析出残余挥发份，都使得循环气体中的可燃组分的浓度不断增加。

当可燃成分的浓度超过爆炸极限就有爆炸的危险。

为保证干熄焦装置的生产操作的安全性，必须有效控制循环气体中可燃组分的浓度。

现采用补充空气的方法，将循环气体的可燃组分完全燃烧以保证系统的安全并可提高蒸汽产率。

因不断的向系统内补充空气，使得循环气量不断增加，通过循环风机后的常用放散管可将多余气体放散。

循环气体成分在线分析系统检测H2、O2、C0、C02含量,一旦氢气含量达到上限，立即启动放散装置来补充氮气。

在斜烟道处安装空气吸入管，使可燃气体充分燃烧，维持气体成分均衡。

2.3冷焦排出系统
冷焦排出系统由排焦装置及运焦皮带组成。

排焦装置包括检修用平板闸门、电磁振动给料器、台车、旋转密封阀、吹扫风机、自动润滑装置、排焦流槽、除尘管道等设备。

平板闸门安装在干熄焦的底部出口。

正常生产时，平板闸门完全打开，在年修或排焦装置需要检修时，关闭平板阀。

电磁振动给料器是焦炭定量排焦装置。

通过改变励磁电流的大小，可改变振幅从而改变排焦量。

电磁振动给料器壳体设焦粉排出口和集尘口。

集尘管通常是关闭的，只有检修时才打开集尘管抽出壳体内粉尘和循环气体确保安全。

焦粉排出阀按最大开度常开使用。

旋转密封阀安装在可移动台车上，检修时推出至检修平台。

吹扫风机向振动给料器、旋转密封阀不间断的吹入空气，保证设备壳体内部正压，防止灰尘进入，降低振动体线圈温度。

当吹扫风机出现故障时，三通电磁切换阀自动切换到氮气管道，继续送风。

冷却后的焦炭由电磁振动给料器定量排出，送入旋转密封阀，通过旋转密封阀的旋转在封住干熄炉内循环气体不向炉外泄漏，把焦炭连续排除，通过排焦流槽送到带式输送机输出。

D101带式输送机设有皮带秤、红外线辐射温度仪及超温洒水装置。

皮带机头、机尾落料点设吸尘点。

2.4循环气体系统
气体循环系统有循环风机、给水预热器、干熄炉、一次除尘器、锅炉和二次除尘器组成。

循环风机入口设电动百叶调节风门。

一次除尘器利用重力除尘原理将循环气体中的大颗粒焦粉进行分离，减少对锅炉炉管（主要是二次过热器管道）产生的冲刷磨损。

一次除尘器顶部气体紧急放散装置以备锅炉爆管时紧急放散蒸汽，另外在温风干燥时可导入空气，锅炉内部检修时通风，在锅炉降温做为冷却风出口。

二次除尘器采用立式多管旋风分离除尘，将循环气体系统中的小颗粒焦粉分离。

一二次除尘器储灰斗经格式排灰阀排出的焦粉有刮板输送机收集，经斗式提升机送入焦粉储仓。

焦粉经格式排灰阀及排灰闸板到加湿搅拌机处理后由汽车运走。

气体循环系统置在干熄炉中部环形气道出口（即热循环气体出口）与干熄炉下部冷循环气体入口之间。

从干熄炉环形气道排出的900~980℃循环气体经一次除尘器重力沉降除去粗粒焦粉或焦块后，进入锅炉换热，温度降至160~180℃。

由锅炉出来的冷循环气体，经二次除尘器除去颗粒更小的粉尘后，由循环风机送入干熄
炉内循环使用。

在循环风机与干熄炉供气装置之间设置热管换热器，由锅炉的低温给水将进入干熄炉的循环气体降至130℃。

在干熄炉与一次除尘器之间以及一次除尘器与干熄焦锅炉之间设有高温补偿器，并内衬耐火材料。

在锅炉后的循环气体管路的直管段也设有多个低温补偿器和防爆装置。

风机前的循环气体管路上设有温度、压力、流量测量以及补充氮气装置。

风机后的循环气体管路上也设有压力测量及补充氮气装置，还设有循环气体成分的自动分析仪。

在干熄炉入口的循环气体管路上，和设有带涡轮减速装置的手动翻板，以调节供气装置中周边风环和中央风帽的送风比例。

2.5 干熄焦锅炉系统
光管焦锅炉系统是整个干熄焦系统中的一个重要组成部分，其作用是降低干熄焦系统循环冷却气体的温度并吸收其热量加以有效利用。

为了与干熄炉相匹配，有效利用所回收的能源，干熄焦炉配置1台干熄焦锅炉，锅炉的额定参数为P=3.82Mpa；t=450℃，额定蒸发量为80+5t/h。

干熄焦锅炉按其循环方式分为自然循环、以及自然循环与强制循环相结合三种水循环方式，本
系统自然循环与强制循环相结合的循环方式；此种循环方式具有适应热负荷变化较强，锅炉结构尺寸较小的优点。

循环烟气从锅炉入口进入垂直往下先后流经二次过热器、一次过热器、光管蒸发器、鳍片管蒸发器、省煤器，最后从锅炉底部引出。

锅炉给水先进入省煤器加热后进入汽包，炉水分两路进行循环，一路是自然循环，由下降管进入膜式水冷壁的下集箱（循环气体所带热量在炉膛内通过辐射和对流等传热形式由水冷壁吸收）进一步加热，形成汽水混合物回到上集箱。

经上升管返回到汽包内进行汽水分离。

另一路为强制循环，循环水经下降管由强制循环水泵打入光管、鳍片管蒸发器继续加热。

分离出的水继续参与水循环，产生的饱和蒸汽通过汇流管引入一级过热器，与高温循环气体换热，使蒸汽温度上升到一定温度，在送入减温器喷水减温后送入二级过热器，再与高温循环气体换热升温后生成满足工艺要求的过热蒸汽(3.82MPa,450℃)经减温减压后与莱钢蒸汽并网。

2.6地面站除尘系统
2.6.1干熄焦过程的主要尘源点及特性：
◎顶部的装焦口(包括焦罐上部吸气点和侧面吸气点)。

烟尘的特点是温度高，气量较大(约占一座熄焦炉总除尘风量的二分之一)，且为周期振发性烟尘。

◎熄焦炉预存段的放散烟气和熄焦循环风机后的放散烟气，烟气的特点是温度高，不稳定，烟气量也经常变化，但含尘浓度较低，且连续放散。

◎炉下部的连续排焦点，尘源的特点是粉尘浓度高(最高可达50g/m3)，吸气温度约60℃,连续运行。

采用预除尘装置，先将较大颗粒粉尘除掉，降低进入滤袋除尘器的粉尘浓度，减少大颗粒粉尘对滤袋的磨损，从而延长滤袋的使用寿命。

由于入口浓度的降低，可以带来排出口浓度的下降。

干熄焦除尘流程图
2.6.2地面站除尘系统工艺简介
干熄焦地面站除尘系统将干熄炉顶盖装焦处、顶部预存区放散口、惰性气体循环风机放散口产生的高温且含易燃易爆气体成分及火星的烟气导入烟气预处理装置的管式冷却器冷却并分离火星；将干熄炉底部（排焦溜槽、振动给料器、回转密封阀入口及排焦胶带机落料点）排焦处产生的含高浓度焦粉尘烟气导入烟气预处理装置的预除尘段进行粗分离处理，然后两部分烟气在烟气预处理装置中汇合，汇合后的烟气温度低于110℃，一并进入布袋除尘器净化。

干熄炉炉顶装焦口设置了环行水封座，装焦时接焦漏斗的升降式密封罩插入水封座中形成水封，防止粉尘外逸。

同时，接焦漏斗接通活动式抽尘管，斗内被抽
成负压，将装焦时瞬间产生的大量烟气抽入除尘干管，以减少粉尘的扩散污染。

为尽量减少水封盖与接焦漏斗替换过程中的粉尘扩散，炉顶压力在水封盖揭开前保持在-30Pa~-0Pa，而且料斗与炉盖采用联动机构，缩短了替换时间，使炉内气体尽可能不外逸。

排焦装置采用的格式密封阀式连续排焦装置，气密性好，能够封住排焦时产生的烟尘；同时向排焦装置的壳体内充入空气，顶住炉内气体的压力，避免循环气体向外窜漏。

此外，排焦溜槽及带式输送机的落料点上方均设置了抽尘管，将排焦产生的烟尘吸入抽尘管而不外逸污染操作环境。

除尘系统采用1#~8#布袋式除尘器，1#~8#布袋除尘器采用离线式2205m3脉冲袋式除尘器。

由烟气预处理装置送来的烟气粉尘在脉冲袋式除尘器被吸收，由1#~8#脉冲控制仪反吹后，螺旋排灰器和排尘格式阀动作把粉尘排到刮板输送机。

另外，烟气预处理装置收集的粉尘也由1#刮板输送机输送到2#总刮板输送机与除尘后的粉尘汇集后送入粉尘贮仓，再经加湿搅拌机加湿后采用专用自卸式汽车手动定期外运。

由脉冲袋式除尘器净化后的气体经除尘风机及消音器排至大气，净化后气体的粉尘排放浓度低于现行国家排放标准。

除尘风机采用电机带动液力耦合器调速。

正常情况下，耦合器勺管处于低位，风机低速运转，当干熄炉装焦装置送来装焦信号时，装焦罐排灰装置与烟气管道连接，除尘电动阀打开，液力耦合器勺管移到高位，风机进入高速运行。

装焦结束后延时DN1500除尘电动阀关闭，风机由高速转入低速。

当手动除尘、定时已到、差压到设定值，DN1500除尘电动阀关闭，离线阀动作，脉冲控制仪开始反吹,螺旋排灰器、排尘格式阀依次动作进行排灰。

风机入口电动阀在风机开始运行时打开，并一直处于打开状态，风机停止后入口阀关闭。

2.7 除盐水站系统
化学除盐水站将工业用水经过自动过滤装置、自动除铁器、阳离子交换器、除二氧化碳器、阴离子交换器被软化处理后送到除盐水箱，然后由水泵送至除氧泵房进行除氧，其水处理量为90t/h。

◇除盐水流程：
水道专业管道送来的工业水一部分进1#、2#、3#全自动过滤器进行过滤处理，
另一部分进酸雾吸收器和氨吸收器，剩余的水通过中和池排水泵外排。

过滤水经过滤后，经过中间水箱由加压泵送到全自动除铁装置除铁。

除铁水通过除铁后中间水箱由加压泵送到1#、2#、3#无顶压逆流再生阳离子交换器，交换后的水进入除二氧化碳器除去水中二氧化碳。

除二氧化碳后的水到中间水箱由中间水泵送入1#、2#、3#无顶压逆流再生阴离子交换器进行交换处理。

交换后除盐水进入除盐水箱由除盐水泵送到除氧泵房。

◇反洗液流程：
除盐水箱的一部分水由反洗水泵送入无顶压逆流再生阳离子交换器和无顶压逆流再生阴离子交换器，作为反洗液使用。

◇稀氨水流程：
外来氨气由接氨瓶吸收后由氨气管送到氨溶液箱，氨溶液箱顶部溢出的氨气由氨吸收器吸收，被水道专业送来的水吸收后排至排水沟。

氨溶液箱的稀氨液由
氨计量泵送到除盐水管道与出无顶压逆流再生阴离子交换器的除盐水混合后送入除盐水箱，目的是使除盐水PH值保持在8.5~9.2之间。

◇酸再生液流程：
由酸车送来的盐酸溶液由盐酸贮罐的接卸酸车口引入，再由酸液泵送入盐酸贮槽储存。

盐酸储槽的酸液一部分到中和池作废水校正处理，一部分送到酸计量箱计量后由酸喷射器把酸再生液送入无顶压逆流再生阳离子交换器进行再生。

盐酸贮罐和酸计量箱顶部溢出的酸雾由酸雾吸收器吸收后排至排水沟。

酸计量箱和酸喷射器排除的部分酸液被送到除氧泵房。

盐酸贮罐上部装有电测液位接口，进行液位测量。

◇酸再生液流程：
由酸送来的酸溶液由酸贮罐的接卸酸车口引入，再由酸液泵送入酸贮槽储存。

酸贮槽的酸液一部分到中和池作废水校正处理，一部分送到酸计量箱计量后由酸喷射器把酸再生液送入无顶压逆流再生阴离子交换器进行再生。

酸贮罐和酸计量箱顶部溢出的酸雾直接排入大气。

酸计量箱和酸喷射器排除的部分酸液被送到除氧泵房。

酸贮罐上部装有电测液位接口，进行液位测量。

◇废水流程：
排水沟的污水在中和池由送来的酸液、酸液校正处理，使其PH值控制在7~9范围内后由废水泵外排，中和池设有液位显示和PH值显示。

2.8除氧给水系统
为了保证干熄焦锅炉正常、安全运行，新建除氧给水泵房一座。

内设有锅炉给水泵2台（一开一备）、除氧器1台（附除氧水箱）、磷酸三钠加药装置、联氨加药装置等设备。

来自热管换热器的除盐水经检测温度、压力、流量后，经过除盐水总管，根据除氧器水位调节流量后送至除氧器；对除氧水进行加热除氧处理。

处理好的除氧水送至低压给水管道，然后通过给水泵通过高压给水管送至锅炉。

除氧给水系统的控制任务：保证除氧水位和除氧压力在工艺范围内，实现给水泵的自动联锁控制。

为合理利用干熄焦系统的热能，设置了干熄焦热管换热器，除盐水经换热器后加热到66℃左右进入除氧器，除氧器的工作压力为0.02MPa，经除氧后的锅炉给水温度为104℃。

除氧后锅炉给水含氧量≤15μg/L。

干熄焦锅炉的主给水管道
采用双母管制。

为了使炉水保持一定浓度的PO
4，防止CaSO
4
，CaSiO
3
等水垢形成，在除氧给水
泵房内设置了1套磷酸三钠加药装置。

通过该装置配备的2台计量泵（一开一备）将磷酸三钠溶液加入锅炉给水中，使之与炉水中的钙离子反应生成一种松软的水渣（酸性磷酸钙），通过锅炉排污系统排除；为防止如除氧器运行不当等原因可能将给水中的溶解氧带入锅炉系统的情况出现，本设计中采用了在炉外加联氨的方法，作为大气式热力除氧的补充除氧措施。

在除氧给水泵房内设置了1套加联氨药装置。

通过该装置配备的2台计量泵（一开一备）将联氨溶液注入除氧给水管路中，以确保锅炉及其汽水系统不出现氧化腐蚀现象。

三、系统规划
3.1硬件配置
在干熄焦综合电气室和干熄焦除尘系统电气室各设置有“三电一体化”的工业控制计算机系统（PLC系统）一套，干熄焦综合电气室设置8套监控站，除尘电气室设置2套监控站，分别实现对干熄焦生产过程（干熄焦装置、干熄焦提升机、干熄焦锅炉、除氧泵房及锅炉给水系统）和干熄焦除尘系统生产过程的集中控制、监视和管理，并在综合电气室设置打印机，实现报表打印功能。

操作站通过工业交换机（冷备份）与控制站相连。

采用工业因太网通讯方式。

根据工艺要求，综合电气室控制站选择冗余结构的西门子PCS7系列的AS417-4H(电源、CPU、底板、通讯卡、电池)，除尘系统控制站选择S7-400。

除盐水站选择一套单独的PLC系统进行监视、控制，选用S7-400系统。

工业以太网作为连接操作员站、工程师站和自动化系统站的系统总线。

工业以太网在物理层上采用高防护等级的通讯线缆或光纤传输，工业以太网的卡件上带有CPU可以独立处理通讯信号，为工业用户提供高水平的通讯方案。

SIMATIC NET 中的高速以太网采用了全双工并行(FDX)通讯模式。

操作站通过工业交换机与控制站相连。

采用工业以太网通讯方式。

网络采用光纤双环自愈环网结构，采用的是西门子OSM工业以太网光缆信号交换机模块，通过4个OSM模块将除尘、除盐水站和中央控制室连接起来。

中央控制室的冗余控制器和除尘、除盐水站控制器都分别连接在环网的OSM模块上。

中央控制室有双入快速智能以太网交换机也分别并行连接到室内的OSM模块上，而所有的
操作员站、工程师站都分别连接到智能交换机上。

1）干熄焦综合电气室现场控制站
干熄焦综合电气室控制系统采用西门子PLC系统。

硬件配置包括一个主控站现场控制单元CPU AS417-4H，具有冗余容错功能，现场控制单元的CPU、底板、电源、通讯重要模件冗余。

通过PROFIBUS-DP网络联接10个EM200M远程分站，RIO接口模板ET200M IM153-2冗余。

I/O模板不冗余，具有带电插拔功能。

ET200分布式I/O用于采集现场信号，并将中央处理的指令传输给执行机构。

应用PROFIBUS 现场总线技术将中央控制器和I/O 单元，连接在一起大大提高了I/O 部件的智能化水平，支持热插拔，可以实现在线维护、扩展或更改配置。

S7-REDOCONNECT软件包通过容错的AS-400H系统连接到操作站中，可监视控制S7-400H的冗余状态，CPU之间自动进行事件驱动同步。

冗余的两个控制器分别安装在同一个相互独立备板总线的紧凑机架上，使电源、通讯卡件及CPU被分成二个独立部分。

2）除尘地面站现场控制站
除尘地面站控制系统采用西门子PLC S7-400系统。

硬件配置包括一个主控站现场控制单元CPU 414-2DP，通过IM460/461联接2个分站。

不冗余结构，模板具有带电插拔功能。

3）除盐水站现场控制站
采用西门子PLC S7-400系统。

硬件配置包括一个主控站现场控制单元CPU 414-2DP，通过IM460/461联接2个分站。

不冗余结构，模板具有带电插拔功能。

4)提升机系统（该系统有厂家成套）
提升机本身设独立的PLC系统，与综合电气室PLC系统连接成为一个大系统，以便在正常情况下及事故状态下各种信息共享。

选用S7-400,。