[发明专利]使用高级的控制和最佳化技术的综合焦化设备自动化和最佳化

说明书

本发明技术一般涉及焦化设备中对焦炉的综合控制以便最佳化焦化速率、产品回收率、副产品和/或单位石灰消耗量。通过操控经受约束的可用处理量(被称作操控变量)和影响受控变量的系统扰动控制某些变量(被称作控制变量)来实现最佳化目标。

相关申请案的交叉参考

本申请案要求2015年1月2日提交的美国临时专利申请案第62/099,383号的优先权益，所述临时专利申请案的公开内容以其全文引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明技术一般涉及焦化设备中焦炉的综合控制以便最佳化焦化速率、产物回收率、副产品和/或单位石灰消耗量。

背景技术

铁和钢是全球经济的重要部分。世界钢铁协会报告2013年全球通过鼓风炉生产11亿吨的生铁。此工艺使用焦炭和铁矿石作为其主要原材料。焦炭是在钢的生产中用于熔化并还原铁矿石的固体碳燃料和碳源。通过在不存在空气的情况下，将恰当选择和制备的沥青煤掺合物暴露于焦炉的高温下足够时间段来生产焦炭。在整个转化期间，从炉料中排出挥发性气体、蒸气和焦油。随着炉料在还原性焦炉气氛中的温度增加，焦化煤经过塑性或软化阶段，放出气体和焦油，煤颗粒膨胀并收缩，并且然后粘结或粘附在一起，再固化成半焦炭，并且最后在约1830华氏度下固化成焦炭。在焦化煤在加热时此不寻常的表现方式方面，焦化煤是独特的。在装载时煤是固体的，在不同程度上变为流体，然后随着温度进一步增加，变为被称为焦炭的固体硬多孔物质。焦炭是黑色到银灰色多孔物质。其碳含量高，非碳杂质如硫和灰分含量低。物理地，生产的焦炭对研磨具有强抗性，并且大小设定为跨越窄大小范围。

在加热过程期间煤颗粒经受的熔化和融合过程是焦化的重要部分。熔化程度和煤颗粒同化成熔体的程度确定生产的焦炭的特性。为了从具体的煤或煤掺合物生产最强的焦炭，在煤中存在反应性实体与惰性实体的最佳比率。焦炭的孔隙度和强度对于矿石精炼工艺是重要的，并且由煤源和/或焦化方法确定。

将煤颗粒或煤颗粒的掺合物装载到热炉中，并且在炉中加热煤以便从所得焦炭中去除挥发性物质(“VM”)。焦化过程高度取决于炉设计、煤的类型和使用的转化温度。通常，在焦化过程期间调节炉，使得每次装载的煤在大致相同的时间量内炼成焦炭。一旦煤“炼成焦炭”或完全焦化，则将焦炭从炉中移出，并用水骤冷以将其冷却到其着火点以下。可替代地，焦炭用惰性气体进行干式骤冷。还必须谨慎地控制骤冷操作使得焦炭不吸收太多的水分。一旦焦炭被骤冷，则筛选焦炭并将其加载到轨道车、卡车中或加载到皮带输送机上，用于运送。

由于适合于形成冶金煤(“焦化煤”)的煤源已经减少，所以已经尝试将弱或较低品质煤(“非焦化煤”)与焦化煤掺合以提供合适的炉煤料。一种组合非焦化煤和焦化煤的方式是使用压实煤或捣固煤。煤可以在其处于炉中之前或之后压实。在一些实施例中，将非焦化煤和焦化煤的混合物压实到大于50磅/立方英尺以便在炼焦工艺中使用非焦化煤。随着煤混合物中非焦化煤的百分比增大，需要更高的煤压实水平(例如，高达约65磅/立方英尺到75磅/立方英尺)。商业上，煤通常压实到约1.15比重到1.2比重(sg)或约70磅/立方英尺到75磅/立方英尺。

选择、制备和组合煤的方式极大地影响生产的焦炭的特性。必须通过研磨将煤的大小降低到最佳水平，并且然后充分地混合以确保煤颗粒的良好分布，所述良好分布将促成从可用煤中可实现的最大焦炭品质。在北美，焦炭制造商一般将他们的煤或掺合物粉碎到75％到95％-1/8″大小。经压碎的煤的大小表示为％-1/8″，其通常被称为粉碎水平。除大小控制以外，堆积密度必须受到控制。高堆积密度可导致难以推动并且在副产品焦炉中破坏焦炉壁。低堆积密度可降低生产的焦炭的强度。