双段式煤气发生炉的自动控制系统设计

I 目 录 摘 要 . . V 第一章 绪 论 . 1 题的来源 . 1 国煤气发生炉控制现状概述 . 1 段式煤气发生炉的优越性 . 2 题研究的目的和意义 . 3 题的主要工作内容 . 4 章小结 . 5 第二章 煤气发生炉生产工艺概述 . 7 气发生炉系统的设备构成 . 7 气发生炉系统的工艺流程 . 7 内进行的化学反应 . 9 响产气质量的主要技术参数 . 9 气发生炉运行中存在的问题 .章小结 .三章 . 19 统拓扑结构图 .统硬件配置 . 工程师站 . 操作员站 . 现场控制站 . 控制机柜 . 其它设备 .统软件配置 . 上位机 . 下位机 . 点号表 . 接线图 .章小结 .四章 控制系统实施 . 31 水循环利用 .火检测系统 .动加煤出灰系统 .和温度 制 .包液位控制系统 .史曲线 .锁保护 .章小结 .五章 现场工作和所遇问题 . 45 查与准备工作 . 接地和供电系统检查 . 系统上电 . I/O 检查与外部信号接线 .讯设置 . 局域网建设 . 太网与 连接 . 威纶触摸屏通讯 . 口设置 .遇问题 .章小结 .六章 总结与展望 . 59 参考文献 . 61 致 谢 . 63 附 录 . 65 要 煤气发生炉生产的煤气是陶瓷工业生产中的重要环节，其生产效率的高低和产出质量的好坏直接影响陶瓷生产的成本和品质。因此，提高煤气发生炉的效率和产出煤气的质量对降低陶瓷的生产成本、提高陶瓷的品质以及对整个陶瓷工艺生产水平的提高，具有十分重要的价值与意义。 与此同时， 我国目前煤气发生炉大多采用旧式电气控制方式，具有操作不方便，控制不严密等缺点，与国外先进技术相比，我国煤气发生炉生产的稳定性和连续性差。因此，采取有效的控制方式提高煤气发生炉的稳定性，保证煤气发生炉生产的连续性， 对提高陶瓷企业生产效率， 降低企业生产成本将产生十分重要的影响。 双段式煤气发生炉与单段式煤气发生炉相比具有产热量高、对环境污染小、煤炭利用率高等特点， 但双段式煤气发生炉在实际生产中仍存在诸多问题， 如煤层厚度的控制、汽包液位的控制、饱和温度的控制、炉内偏火的检测等，现场往往采用工人凭借经验的方式进行控制，这样就造成了控制精度不准确、工况不稳定、产出煤气质量时好时坏、甚至出现安全隐患等问题。这些问题严重影响了双段式煤气发生炉正常的、稳定的、连续的进行煤气生产，降低了企业的效率，这些问题都是亟待解决的。 本文通过对双段式煤气发生炉生产工艺的分析，并结合现场运行中存在的问题，指出了影响煤气化的各工艺参数和所需的工艺控制要求，并提出了自动控制系统方案，有效避免了继电器逻辑控制和简单 制所带来的问题。 在深入研究双段式煤气发生炉工艺的基础上，结合工厂实际情况，以安全性、稳定性和先进性为目的，设计开发了双段式煤气发生炉的自动控制系统，实现了自动上煤出灰、炉内偏火检测、酚水循环利用、饱和温度与汽包液位的 制。根据实际要求，确定了自控系统的软硬件配置，通过对炉况的监控，保证了工艺参数的稳定，系统经现场调试成功运行，且减少了工人的劳动强度 ,并为公司提高了效益。 关键词： 煤气发生炉；饱和温度；汽包液位；自动控制； V he is an in of a on of So it to of At It is So it is to in th e of of to be on of of to a of as a a by LC at of of is to It of ID on is of s to 1 第一章 绪 论 煤气的生产是陶瓷工业生产中的重要环节，其煤气发生炉生产煤气效率的高低和产出煤气质量的好坏直接影响陶瓷生产的成本和品质。因此，提高煤气发生炉的效率和产出煤气的质量对降低陶瓷的生产成本、提高陶瓷的品质以及对整个陶瓷工艺生产水平的提高，具有十分重要的价值与意义。与此同时，我国目前煤气发生炉大多采用旧式电气控制方式，具有操作不方便，控制不严密等缺点，与国外先进技术相比，我国煤气发生炉生产的稳定性和连续性差。因此，采取有效的控制方式提高煤气发生炉的稳定性，保证煤气发生炉生产的连续性，对提高陶瓷企业生产效率，降低企业生产成本将产生十分重要的影响。 题的来源 本课题来源于山东省淄博市金德燃气有限公司和山西省孝义市天章铝业有限公司。 山东省淄博市金德燃气有限公司工程实践 阶段主要完成双段式煤气发生炉的控制方式转变。 由老式的单一的电气控制转变为： 由威纶触摸屏做上位机实现现场实时监控，下位机实现煤气生产的安全性、连续性与稳定性，再结合原有的控制方式，达到共同控制的目的。 山西省孝义市天章铝业有限公司工程实践 阶段主要完成双段式煤气发生炉控制方式的进一步转变：实现了用 威纶触摸屏共同作为上位机，实现了分别在中控和现场进行两地实时监控， 为下位机进一步完善与优化煤气发生炉控制，保证系统更加的可靠与稳定。 国煤气发生炉控制现状概述 全球性的能源资源匮乏以及世界范围内各国和地区强制性的环保政策实施，驱使各国迫切寻求一种干净、廉价、长效的能源来取代天然气和石油，因此煤炭的洁净化利用，尤其是煤炭的气化利用逐渐提到各国的行事章程上来1,2,3。伴随着煤气发生炉工业要求的提高和科技的进步，煤炭气化的应用技术得到了发展。虽然在我国煤碳气化技术拥有将近百年的发展历史，但是工艺设备仍然比较落后、控制方法发展比较缓慢，总而言之，我国的煤气发生炉气化技术仍然以传统技术为主，具有工艺落后，结构复杂，设备庞大， 2 环保等配套设施不健全，煤炭的利用率低，容易造成污染等问题。我国煤气发生炉的控制机发展，基本可以分为三个阶段4,5。 （ 1）初期的第 1 代控制方法通常采取传统老式的机械控制方式，如大家所知，它具有体积庞大、操作不方便、控制不严密等缺点。 （ 2）第 2 代的控制方法通常采取以单片机或单板机为核心控制器的微机控制器，它在控制性能方面与初期的控制方式相比有了较大的提升。 （ 3）最近几年来，随着可编程控制器 品的高速发展， 其性价比高、使用方便、可靠性高、且可以经受一定恶劣复杂环境的考验等诸多优点，逐步占据了造气控制市场6,7。 以目前情况来看 ,第 3 代控制方法大多采用的是 期产品，硬件的整体性能只可以满足煤气发生炉生产最基本的控制要求。由于近年来 品性价比飞速提升，因此为了提高造气控制方式，采用最新一代的 品，对于生产厂家提高管理水平和改进控制方式，提升市场竞争力和降低企业成本，都具有切实可行的实际意义8。 段式煤气发生炉的优越性 （ 1）双段式煤气发生炉的炉内煤炭从上到下依照煤炭的干燥、干馏、还原、氧化四个反应区逐渐升温，炉内反应完全，工况稳定，层次分明。然而单段式煤气发生炉炉内煤炭的干燥、干馏、还原、氧化四个区的反应过程几乎是在同一时间内同时进行的，炉内反应层次不分明，炉况比较容易产生波动，反应不充分9,10,11。因此： 当双段炉和单段炉同时气化同一种煤炭的时候，双段炉产生的煤气热值要比单段炉产生的煤气热值高 400 650kJ/ 双段式煤气发生炉造气的产热值和气化率比单段式煤气发生炉造气的产热值和气化率提高大约 5%。 双段式煤气发生炉提高了煤炭利用率，其生产产生出的灰渣含碳量基本维持在12%左右，而单段式煤气发生炉气化程度较低，其灰渣含碳量基本维持在 20%左右。双段式煤气发生炉在气化层的基础上增高了干馏层，从而使煤炭在进入气化层的时候已经成为了半焦状态，让煤炭气化反应更加充分完全。 （ 2）双段式煤气发生炉造气产生的煤气便于操作管理、污染小、更加干净不污染环境。双段炉由于炉内存在干馏段，使得煤炭在 400 600低温的干馏条件下产生的轻质焦油，具有容易利用，流动性好等特点，而且双段炉的煤气中灰尘含量比单段炉明显降 3 低，进入气化段的煤焦炭在气化过程中基本没有焦油产生，煤气经过较厚的煤层从而有效的过滤了上行煤气中所含的灰尘。因此，在双段式煤气发生炉煤气净化系统中产生的具有良好流动性的轻质焦油，一般被贮运起来进行再利用，这样一来便不会产生大量的含酚废水，对于在煤气生成过程中产生的的少量酚水，一般将其制成水煤浆或者采用焚烧炉焚烧处理，同时也解决了煤气发生炉含酚废水对环境污染的问题。单段炉由于没有明确的干馏段，因此在气化反应的过程中产生的重质焦油，一般具有流动性较差，不便于贮运和再利用等特点16,17。 （ 3）双段式煤气发生炉安全性较好。单段炉煤层与双段炉煤层相比较薄，在日常工业生产中较容易产生空洞，空洞可致使产生煤气中的氧含量升高，当氧含量达到爆炸临界点的时候，一旦遇到火源则会发生爆炸。根据资料显示大部分煤气发生炉事故都发生在单段炉，且单段炉容易烧偏或凝结，严重影响产气数量和质量，不利操作，容易造成煤气成分波动不稳，导致生成的煤气质量不稳定12。 （ 4）双段式煤气发生炉对环境的污染较轻13。单段炉的煤气出口温度普遍较高，一般在冷却过程中直接用水来降温洗涤，因此净化冷却过程中产生酚水量较大，而且酚水处理比较困难；双段炉的净化冷却一般采用间接冷却，冷却水与煤气一般不直接接处，从而避免了对水的直接污染， 只有煤气冷凝时期产生的少量含酚污水， 处理也比较方便。 根据资料显示，由于单段炉危险大，污染大等原因，目前许多地区已经开始废弃使用单段炉，单段炉目前已呈现逐步由双段炉替代淘汰的趋势14,15。 综上所述，双段炉与单段炉相比虽然价格较高，但是双段炉炉内造气相对稳定，且煤气气化效率与热值较高，对环境污染较小，利于环保。有的工厂对煤气产生的质量要求不高，从经济角度出发使用单段炉，产生的煤气仅作简单的除尘处理便直接用做燃料输送到窑炉进行燃烧，从表面上看似乎没有酚水产生，实际上则是把污染移至炉内，通过燃烧排放到大气中去。 题研究的目的和意义 近几年陶瓷行业的能源结构产生了明显改变，越来越多的企业采用煤气作为燃料烧制陶瓷。而早期燃料大部分是取自炼油厂的重油，由于石油短缺和炼油技术提高，重油的热值日益降低，但重油的价格却日渐升高，同时焚烧重油会造成严重的环境污染，不符合国家发展要求。由于双段炉具有的诸多优点，从而广泛应用在陶瓷、冶金、化工等行业，成为了陶瓷行业中一个非常重要的环节，但煤气同样是一种有毒易爆的气体，安 4 全生产是非常重要的。因此安全地、稳定地、高效率地为窑炉供气，设计适合的控制系统是十分关键的18,19。 （ 1）开发煤气发生炉自动控制系统能提高我国的能源利用率。 我国是煤炭生产大国，但煤炭能源利用率不高。以前生产煤气都是人工加煤出灰和监视炉况，工人们凭借经验进行操作，由于个人的因素存在很多的不确定性，从而造成煤炭燃烧不充分等一系列问题，造成能源浪费。开发煤气发生炉的自动控制系统可以在很大程度上消除人为因素的影响，避免不必要的浪费，符合节能减排的倡导20,21,22。 （ 2）开发煤气发生炉自动控制系统能降低成本和提高工作效率23,24。 在实际生产中，自动化程度低的工业生产线由于人为因素常常造成资源浪费和工作效率低下等问题，对煤气发生炉进行自动化改造可以有效地避免上述问题，不仅节约人力资源和自然资源，还能提高工作效率，从而降低成本，让企业更有竞争力。 （ 3）开发煤气发生炉自动控制系统能增加企业生产的安全性25。 在企业生产过程中，由于工作人员疏忽或突发紧急事故等原因，常伴随着生产安全的隐患，例如在煤气生产中突发紧急事件，司炉工应尽快打开通入各台炉底的蒸汽阀，以防止煤气倒流造成爆炸，但实际中无法保证工人能及时做出反映。利用自动化的手段代替人工应急处理，提高企业生产的安全性是十分必要的26,27。 综上所述：煤气发生炉的自动化改造，不仅一定程度上可以改善我国能源结构，提高能源利用率，也可以改善环境，增强企业竞争力和提高生产的安全性。同时，煤气产业还将成为我国国民经济新的增长点，开发煤气生产路的自动控制系统在我国具有特殊的紧迫性和重要性。 一言以蔽之， 开发双段式煤气发生炉自动控制系统有百利而无一害，功在当代，利在千秋。 题的主要工作内容 （ 1）根据现场工艺实际需求，完成满足实际工业要求的 I/O 点号统计并留有 20%的 I/O 点号富余。 （ 2）根据实际统计的 I/O 点号数目与类型，完成满足实际需求控制器和 I/O 模块配型并列出详细的配置清单。 （ 3）根据配置清单设计控制柜布局与内部接线，并完成控制柜的接线工作。 （ 4）编写上位机和下位机程序，并测试完毕。 （ 5）现场调试，建立整个系统的现场站、操作员站、工程师站。 5 （ 6）实现中控室能够操作并控制现场设备，满足工艺控制要求。 章小结 本章首先总结了双段式煤气发生炉的自动控制发展现状和本身具有的发展优越性，提出了当前控制现状的不足以及应用先进控制的必要性。最后结合课题来源山东淄博金德燃气和山西孝义天章铝业的实际需要，总结了工程中所做的工作。 6 7 第二章 煤气发生炉生产工艺概述 项目采用 双段式煤气发生炉， 煤气发生炉具有用煤少，煤气产生量多，污染少，不易造成资源浪费等特点，而广泛应用于陶瓷、冶金和化工等行业，是国产煤气发生炉型号中较为先进的一种。 气发生炉系统的设备构成 双段式煤气发生炉系统主要由双段式煤气发生炉、旋风除尘器、强制风冷器、洗涤间冷器、电捕焦油器、电捕轻油器和加压风机组成如图 示28。 图 气发生炉工艺流程图 气发生炉系统的工艺流程 经过筛选的合格原料煤炭，经过电动葫芦提升到双段式煤气发生炉上的储煤仓，再通过双滚筒液压加煤机加入到双段炉内，煤炭在气化段经过加热干馏，半焦状态下的煤炭加热干馏后在气化段与气化剂（空气、蒸气）进行气化反应生成煤气，气化段产生的煤气主要分为两部分29,30：上段煤气和下段煤气。下段出口的煤气首先经过旋风除尘器除尘降温，再进入强制风冷器经过风冷继续除尘降温，然后进入洗涤间冷器与冷却水换热进一步降温。上段出口的煤气则进入电捕焦油器捕捉重焦油后，再进入洗涤间冷器与下段煤气混合，在混合中与冷却水进行热交换完成降温，混合后煤气进入电捕轻油器捕除轻焦油，净化后的煤气经加压风机加压后送往需要的用户31,32,33。 下段煤气 上段煤气 用户 加煤 煤气发生炉 电动葫芦 旋风除尘器强制风冷器洗涤间冷器电捕焦油器电捕轻油器 加压风机 8 双段炉从上到下主要由干馏段和气化段构成， 首先煤炭在炉顶储煤仓经过两组下煤阀依次动作后进入炉内，煤炭在干馏段经过长时间的低温干馏和干燥，慢慢变成半焦状态，进入气化段后，炽热的半焦状态煤炭与从炉底鼓入的气化剂进行充分气化反应，然后经过还原层和氧化层形成灰渣， 由炉栅转动从灰盘排出34。 在煤炭的低温干馏过程中，干馏煤气为两段炉的上段煤气，约占总煤气量的 40%，其具有较低温度 (120左右 )和较高热值 (6700KJ/并含有大量低温干馏产物具有 较好流动性的焦油，可以用电捕焦油器收集起来，作为化工燃料和原料。炽热的半焦状态煤炭在气化段，经过还原、氧化等化学反应生成气化煤气，成为双段炉的下段煤气，约占总煤气量的 60%，具有较高温度 (450左右 )和较低的热值 (6400KJ/由于下段煤气离炉栅灰层较近，所以煤气中含有部分飞灰，且煤炭在干馏段进行了充足的低温干馏，所以气化段的煤炭已成为半焦状态，生成的煤气不含有焦油。因此下段煤气可经过旋风除尘器和洗涤风冷器等设备来降温除尘，不用采取水洗法就可以使用上洁净化煤气，从而避免了大量酚水无法处理的缺陷，双段式煤气发生炉结构如图 示35,36。 图 段式煤气发生炉结构图 9 内进行的化学反应 炉内进行化学反应总结来说一般是 C 夺取 H 和 利用高温下 C 所具有的高活性夺取周围的 H 元素和 7。 (1)C 与2O 的反应 22 （ 2（ 22 （ 2（ (2)C 与 22 （ 222 （ 222 （ (3)产生4反应 42 （ （ （ 242 （ 最后在炉内产生的煤气中，主要的煤气成分为：空气中没有进行化学反应的大量氮气，十分稀少的二氧化碳，以及水蒸气分解所产生的氢气，与碳反应还原生成的一氧化碳，以及少量的水蒸气和甲烷38,39。 响产气质量的主要技术参数 煤炭的气化就是一个固态到气态的转化过程，如何保证高质量的、安全的、稳定的产生煤气是煤气发生炉控制系统的关键所在，再对双段式煤气发生炉工艺进行深入研究 10 后，得出影响产生煤气质量的几个关键性技术参数， 双段式煤气发生炉的主要技术参数如表 示： 表 Q型双段式煤气发生炉的主要技术参数 型号 QQQ 炉膛内径 000 2600 3000 3200 炉膛截面积 套受热面积 4 16 17 适用煤种 不粘结或弱粘结烟煤 煤的粒度 2040； 2550； 3060 耗煤量 kg/h 750850 11001270 18002000 20002200 空气消耗量 m3/ 汽消耗量 m3/ 气产量 m3/h 25002800 36004200 50006500 63007500 煤气热值 kJ/270 60606270 60606270 60606270 上段 下段 10004000 10005000 煤气出口压力 上段下段 大炉底鼓风压力和温度 4560 4560 4560 4560 探火孔汽封压力 50300 水套蒸汽产量 kg/h 300 450 500 550 11 水套蒸汽压力 294 70（ 294） 70（ 294） 70（ 294）加煤方式 自动 加煤机驱动装置 气压或液压驱动 灰盘最大转速 r/h 煤液压站电机功率 盘转动功率 1 11 11 排渣形式 自动 煤气出口公称直径 上段下段 00400 66766 66866 66866 炉底鼓风管公称直径 功率 0 70 100 150 其中以煤层的厚度、汽包液位的稳定、饱和温度的稳定最为重要，其控制精度的高低直接影响煤气的产气质量。 （ 1）煤层厚度 在生产煤气的过程中，煤层具有相对合理的厚度是保证煤气质量的重要参数。在实际操作的过程中，操作工人往往由于个体差异与经验的不同，人工控制加煤和出灰的速度不合理，导致煤层忽高忽低，影响产气质量40。 当煤层厚度低于合理值时，干燥、干馏和气化反应也相应的缩短，致使煤气化不能反应完全，影响煤气质量。干燥层相应变薄，致使出炉温度升高；气化层相应变薄，致使气化不充分，煤气质量降低；灰层相应变薄，致使炉蓖和炉裙容易损坏；相对的空层高度增加，致使煤炭进入炉内的时候，下落时间变长，由于炉内高温破碎成小颗粒或者粉末的比例也相应增加，这些都对产生的煤气质量有严重影响41,42。 当煤层厚度高于合理值时，就会导致炉内气流不通畅分布不均匀等现象，容易致使炉内局部温度升高，严重的甚至造成结渣现象损坏炉体。由于煤层厚度过高，所以产生 12 的煤气中容易带有大量的粉尘，造成煤气成分浑浊甚至堵塞流通管道，增加设备负荷压力，造成安全隐患。 综上所述，把煤层厚度维持在一个合理的区间内是保质保量生产煤气的前提，不仅关系到生产的安全性，也同样关系到企业生产的效率。煤气发生炉内煤层的高度、分布、位置等由加煤出灰操作直接影响，是煤气炉生产煤气日常操作中的主要内容，加煤量和出灰量分别控制煤层和灰层的厚度。但我国大多数煤气发生炉站操作岗位采用倒班运行方式，容易导致炉子运行状况产生波动，因此开发煤气发生炉的自动上煤和出灰系统是势在必行的。 （ 2）汽包水位 省煤器、汽包、水冷壁、过热器等组成了煤气发生炉的汽水系统，如图 示。除氧软化后的洁净水被输送到蓄水装置，由供水泵通过调节阀门大小把处理后的水输送到省煤器，饱和水在省煤器加热到沸点后被送进汽包，在汽包外围的水冷壁中吸收炉内煤炭燃烧产生的热量，气化成水蒸气又重新返回到汽包。饱和蒸汽经过旋分器分离后被输送到过热器，继续汲取热量成为过热蒸汽43。 汽包是煤气发生炉系统中重要的组成部分，汽包的主要功能是保证煤气发生炉正常的水循环，维持汽包的供水量和煤气发生炉的使用量之间的平衡，保证汽包水位在合理的范围内是煤气发生炉安全生产、保证煤气质量的关键所在，是煤气发生炉生产中十分重要的一个监控参数44。 当汽包液位低于正常值时，可能导致气体进入下降管，阻碍汽包的汽水循环，甚至导致水冷壁管道损坏等问题，严重影响煤气发生炉的安全生产。当汽包液位高于正常值时，会造成汽包汽水分离的阻碍，无法正常工作，导致出口的蒸汽中含有过多的水分，容易造成过热器管道出现水垢，严重的会导致过热器受热不均匀而烧坏过热器，造成煤气生产过程中的安全隐患45,46。 13 图 水系统结构图 因此，作为汽化炉炉体水套与集汽容器的汽包，其水位的高低直接影响着煤气发生炉的安全和生产。 （ 3）偏火的影响 偏火是指炉内底火一边底火层高，一边底火层低的现象，造成底火分布不均匀，高低位置出现位差。由于工作人员操作不当或者炉底通风不均匀等原因造成料位高度不同，温度不同进而影响煤气的生产。而传统偏火的解决方法是人工操作，当发现偏火问题的时候，偏火现象已经十分严重，再采用压煤、引风、补火等措施不仅仅费时费力，还影响煤气的正常生产。 因此，要取得优质高产低耗的经济效果 ,在煤气发生炉内一定位置必须具有一个均匀、稳定、达到一定温度的底火。这就需要一个及时的检测措施来实时反应炉内情况，以便于操作人员及时对发生的情况进行预先处理。 （ 4）酚水的循环处理 煤气在生产过程中会产生有害的含酚废水 , 含酚废水中含有一定浓度的酚类、硫化物、氰化物等有害物质，含酚废水是有毒的不能直接排放到自然环境中，虽然今年来从事煤气发生设计研究的专家提 出了很多处理含酚废水的方 法，但大多处理起来比较复杂，且成本较高不利于生产。又由于双段式煤气发生炉工艺的先进性，而且所产生的煤气与冷却水接触较少，所以产生的含酚废水量比较小。含酚废水进行热交换后，大都具有 8090 摄氏度的温度，可以进行有效利用，所以建立一个酚水循环使用控制系统是势在必行的，不仅节约成本还不污染环境，一举两得47。 （ 5）饱和温度 在双段式煤气发生炉生产煤气的过程中，饱和温度是一个很重要的参数，其温度的 14 高低与稳定直接影响着产生煤气质量。通常情况下饱和温度用来调节炉温，饱和温度不仅体现了气化剂（催化剂）中空气与蒸汽的含量，也同样体现了单位体积内水蒸汽的比例大小48。水蒸气含量和饱和温度成正比关系，饱和温度升高，水蒸汽比例则升高，饱和温度降低，水蒸汽比例则降低，如表 示。 表 蒸气含量与饱和温度的关系 饱和温度 水蒸气含量 g/ 水蒸气含量 g/5 6 6 7 7 8 8 9 9 0 0 1 1 2 2 催化剂鼓入煤气发生炉炉内时，如果饱和温度升高超过合理值，水蒸气的比例就会增大，从而带走炉内大量热量，致使炉内温度快速降低，煤炭的气化反应就