1、99建筑科技2023 年 第 3 期干熄焦炉内衬智能拆除的研究及应用前景Research and Application Prospects of Intelligent Removal of Dry Quenching Coke Oven Lining谭德灯,熊寿春,谭春华,吴鹏民,马富强,杨林敏（五冶集团上海有限公司,上海 201900）摘要：现有的干熄焦炉内衬人工拆除技术存在施工难度大、施工环境差、施工成本高和安全隐患等一系列问题,需要提出一种合理的智能拆除技术,有效地保障施工安全、改善作业环境、节约工期和成本。采用机器人代替人工作业、组合钢平台代替传统脚手架平台,通过远程控制系统进行操
2、控是干熄焦炉内衬拆除技术优化的新方向。关键词：干熄焦炉;内衬;智能拆除;优化中图分类号：TU733 文献标识码：A 文章编号：2096-3815（2023）03-0099-040引言干法熄焦是一种焦化熄焦工艺,相比于湿法熄焦具有减少水的浪费、有效利用焦炭的热能、改善焦炭的质量和保护环境、创造循环经济等优点,因此得到国内各大焦化厂的青睐1。干熄焦炉是干法熄焦工艺中的核心设备之一,但其受常年高负荷、非均衡性操作以及耐火材料、生产管理等因素影响,耐火内衬会受到不同程度的损害2,因此需每隔一段时间对内衬进行检修以保证设备的正常运作。干熄焦炉内衬检修一般分为小修、中修、大修,大多数干熄焦炉一般间隔1年小
3、修,3年中修(需停产4550 d),5年大修(需停产6070 d)3。大修时需要将内衬逐块解体运至炉外处理,然后再重新砌筑耐火内衬。干熄焦炉内衬由耐火材料沿炉壳砌筑成竖窑式结构,如图1所示,从上至下依次命名为预存区、环形风道、斜道区、冷却室4。其主要材料包括硅藻土隔热砖、黏土砖、莫来石砖、高强耐磨的碳化硅砖等。一座干熄焦炉耐材量约1 000 t左右,单块耐火砖重达50 kg。干熄焦炉内衬随着生产能力的大小不同各项尺寸也不同,高度从1823 m不等,炉口区一般半径为1.5 m,环形风道区最大半径68 m不等。图1干熄焦炉内衬示意图现有的内衬拆除施工作业工艺是人工拆除。在干熄焦炉内搭设满堂脚手架平
4、台,从上至下逐块拆除耐火砖,将拆除下来的耐火砖放置在料框内,使用吊运装置将吊框吊运至冷却室底,通过检修人孔运出炉外。人工拆除技术存在施工难度大、安全隐患大、劳动强度大、拆除速度慢等问题,并且由于施工环境恶劣导致年轻一代不太愿意从事此类作业,目前作业人员老龄化问题已经非常严重。在未来检修市场持续扩大时,作业人员紧缺的情况将进一步凸显,因此将干熄焦内衬施工工艺智能化非常必要。通过施工工艺的创新、使用100建筑科技2023 年 第 3 期智能机器人代替作业人员、使用智能升降平台代替脚手架平台、采用智能5G控制系统远程控制,使拆除作业智能化、机械化、装配化,从而减少劳动力的投入、规避作业环境对人体的伤
5、害,提高安全性、缩短施工工期、降低施工成本,确保安全快速地完成拆除施工作业。本文对现有的人工拆除施工工艺进行了分析,并对干熄焦炉内衬拆除施工工序提出新的工艺。1人工拆除工艺及存在的具体问题1.1干熄焦炉熄焦过程干熄焦炉熄焦过程中红焦通过提升系统从干熄焦炉顶部装入,依次经过预存区、环形风道、斜道区、冷却室,低温惰性气体（N2）从下部供气室进入冷却室,二者在冷却室中进行热交换。冷却后的焦炭经排出装置输送至炉外,热惰性气体由斜风道汇聚,经过一次除尘器净化除尘,再经余热锅炉回收热量后温度降至160200,由锅炉排出后经过二次除尘器进一步分离细颗粒焦粉,后由循环风机送入给水预热器冷却至约130,再继续供
6、入干熄焦炉循环使用5。在干熄焦炉的熄焦过程中,内衬各部位都会有不同程度的受损。1.2人工拆除工艺流程现有的干熄焦炉内衬拆除施工工艺如图2所示,在停炉后通过鼓风等措施做降温处理,降温结束后打开检修人孔,一般以排出装置为基础开始搭设满堂脚手架,一直到预存区作为干熄焦拆除施工的操作平台。操作平台中间留2 m2 m的吊运通道和人员通行的旋转楼梯;在炉顶设置保护棚及吊运装置,在冷却室底部平面设置运料通道。拆除作业时作业人员在操作平台上使用风镐、撬棍等工具,将耐火内衬从上至下逐块解体后放置在料框内;通过炉口吊运装置将料框从操作平台上吊运至炉底运料小车上,经过检修人孔送出炉外;再通过炉外的吊运装置将废砖吊运
7、至地面进行处理。每拆一定高度的耐火内衬后,降低平台高度继续作业,每步平台降低高度约1.5 m,直至完成全部的耐火内衬拆除。1.3人工拆除工艺难点及不足1.3.1施工难度问题人工拆除工艺需要将耐火内衬逐块或多块分解形成重量低于10 kg的块体,以便作业人员较为容易抱起。料框一般为1.2 m1.0 m1.0 m（长宽高）,对耐火内衬的尺寸有一定的限制。干熄焦炉经过多年的生产,内衬的耐火砖与耐火泥浆受到多年高温的烘烤后,耐火泥浆将耐火砖黏结形成一个整体。耐火砖的强度比较高,如莫来石砖的常温耐压强度一般在65 MPa以上,因此一般从砖缝处将其解体。莫来石火泥的黏结强度一般在4 MPa,干熄焦炉的设计砖
8、缝一般为37 mm。当使用手持式电动工具或者撬棍等对耐火砖进行解体时,因为耐火砖之间的黏结度较强、砖缝较小等原因,不仅使一次性解体为适宜块体的难度大,而且分解出的耐火砖块体大小也不尽如人意。1.3.2施工环境问题干熄焦炉内衬检修时间紧迫,为了节约时间,干熄焦炉内衬的拆除工作在停炉排焦完成后经过简单的降温后就要开始入炉作业。由于干熄焦罐体相对密闭通风散热速度慢,作业人员刚入炉施工时炉内温度一般在40 左右,此时耐火内衬温度仍然比较高,会持续不断地对炉内散发热量,导致在拆除的周期内干熄焦炉内空间处于一个温度比较高的状态,作业人员在高温且气流交换相对受阻的环境中从事重体力劳动,容易发生中暑和窒息等情
9、况。此外,干熄焦炉内耐火砖表面附着大量的焦粉尘,导致空气中焦、粉尘浓度较大,在拆除的过程中,耐火砖表面附着的焦、粉尘受到工具的冲击会进一步地脱落,导致炉内粉尘浓度上升,作业人员长期在此种环境中作业有可能会引发职业病。1.3.3安全问题干熄焦炉内施工属于有限空间作业,局部易积聚高浓度有害物质,施工时容易发生中毒、缺氧危害。干熄焦炉内衬的高度约20 m,环形风道的最大半径达到8 m,人工拆除工艺施工时以排出装置为基础开始搭设满堂脚手架一直到预存区作为干熄焦拆除施工的操作平台。将焦炭全部排空后,依托风帽与下锥体开始搭设脚手架。上部荷载可能会造成风帽的变形,加之下锥体斜面受力性不佳,对脚手架搭设要求很
10、高,存在一定的安全隐患。1.3.4工期成本问题干熄焦炉内衬耐火砖总重量约1 000 t,采用人工拆除工图2人工拆除工艺原理图(1)炉口保护棚;(2)炉内吊运装置;(3)操作平台;(4)人孔保护板;(5)炉外吊运装置;(6)运料小车;(7)运料通道;(8)料框。101建筑科技2023 年 第 3 期艺,一是需要通过作业人员将耐火砖逐块解体后放在料框内运出炉外,人工拆除搬运的速度慢;二是需要搭设脚手架平台,操作平台工程量大、搭设时间长,整个拆除工序的作业时间在允许破坏性拆除时仍需占用整个检修主线工期的1/5。总之,由于人工拆除施工作业人员的操作需求多、操作平台需要租赁钢管脚手架,且使用周期长,造成
11、施工成本较高。2智能拆除工艺研究及应用前景2.1智能拆除工艺的研究内容干熄焦炉内衬智能拆除工艺,如图3所示,包括一种智能机器人和一种智能升降平台,由智能5G控制系统远程控制。通过在外部控制智能机器人对耐火内衬进行冲击性碰撞后,使废旧耐火砖自由落体在冷却室底部,停炉排焦时在干熄焦炉冷却室预留一定高度的焦炭,在焦炭上铺设钢板作为承受耐材下落的冲击力。钢板的高度应当与检修人孔下部持平,以便落至冷却室底部的废旧耐火砖通过行走机器人从检修人孔处将其扒出炉外,通过溜管输送至地面进行处理。每完成一定高度的耐材解体后,通过智能5G系统控制智能操作平台下降,智能机器人继续进行拆除作业。图3智能拆除工艺原理图(1
12、)炉口保护棚;(2)智能平台支架;(3)升降装置;(4)钢平台;(5)智能机器人;(6)照明装置;(7)废砖;(8)行走机器人;(9)钢板;(10)焦炭;(11)废砖溜管。2.1.1智能机器人的研究内容智能机器人固定在智能升降平台中心处。智能机器人分集成部和机械手2个部分,集成部设置动力装置及控制集成系统,机械手端部搭载拆除施工作业的工具头。通过操作人员在外部操控5G智能系统控制机器人的旋转、机械手自由伸缩,对耐火内衬进行冲击使其脱落。智能机器人的核心是能实现在不损伤炉壳的前提下拆除炉墙砖,为达到此目的需对以下内容进行研究。（1）智能机器人与平台的连接须安全可靠,需要对机器人与平台的连接方式以
13、及固定点位进行研究,保证其作业时的安全与稳定。（2）集成部和机械手2个部位采用的设备和材质尽可能地轻量化,以便减少平台升降的动力需求。（3）机械手终端配置特制的工具头,以适配拆除时的耐材内衬材质不同时的工况,必要时应当考虑搭载多个工具头或具备自动转换工具头的能力。（4）为有利于设备的连续性运行,计划以电能为主要能源,但由于耐火材料强度较大,需要机械手具备足够的冲击能力,因此需要对机器人的动力能源进行计算评估。（5）干熄焦炉壳壁厚仅10 mm,受到冲击容易变形。智能机器人将耐火材料解体时,为避免冲击砌体的过程中对炉壳造成影响,除了要设计符合现场施工作业的工具头外,还需对内衬破除的冲击或扒除的方式
14、进行分析选择。（6）干熄焦炉内衬最小半径为1 500 mm,最大半径达到7 000 mm,为保证机械手满足半径变化的施工需求,需对机械手的结构及伸缩动作进行设计。（7）智干熄焦炉内衬是竖窑式,为了将内衬全方位拆除,机器人需能够360旋转或设置多个机械使机器人能够全方位覆盖的拆除。（8）智能拆除机器人通过远程操作施工。为了保证外部遥控操作的有效、精准,智能机器人须搭载照明系统以及实时图像采集设备。2.1.2智能升降平台的研究内容采用预制装配组合式钢平台作为智能升降平台主体,以便节约组装时间。智能升降平台一是要承担智能机器人荷载并将其升降到指定位置,二是抵抗机器人在施工作业中的冲击荷载。为达到此目
15、的需对以下内容进行研究。（1）平台没有固定的支撑点,需要对智能升降平台提升及下降过程的升降方式进行研究,同时要避免耐材掉落时对平台或者平台支撑结构的碰撞。（2）要保证升降过程的稳定和抵消智能机器人拆除耐材时产生的反作用力,要对平台应防倾倒的功能进行研究。（3）智能升降平台要保证拆装方便快速,需要对平台的结构设计、节点分解以及连接方式进行研究。（4）干熄焦炉耐材拆除时,当耐材下落会自下而上产生大量的焦、粉尘,为了保护作业环境,拟在平台下设置雾化喷淋除尘设备。（5）为了保证炉内采光,需在平台上设置照明设备,需要对炉内环境进行识别,以便选择合理的照明设备及布置方式。2.1.3智能5G系统的研究内容智
16、能5G系统的核心是要求对智能5G远程控制功能进行102建筑科技2023 年 第 3 期集成,对升降平台进行一键升降的控制,对智能机器人控制其旋转及机械手的各种伸缩冲击动作,对炉内辅助装置如除尘装置、照明装置等进行控制等功能,同时能直观地反映干熄焦炉内的实时图像。除此之外,应当能够对耐材及炉壳进行识别,具备预警及保护功能,以防止拆除过程中炉壳受到破坏。2.2应用前景干熄焦炉耐火内衬的拆除作业智能化能降低劳动强度、改善作业环境、保证作业安全、节约工期、降低成本。施工作业的机械化可以有效缓解当前炉窑检修施工工人紧缺的难题,成本的降低能进一步提升施工企业的市场竞争力,并且在干熄焦炉检修中干熄焦耐火内衬的拆除施工是主线工作之一,工期减少将更容易获得业主方的青睐。到目前为止,我国已投产和在建的干熄焦约350座6,以每10年为一个大修周期计算,国内每年约有35座干熄焦需要进行大修,且随着焦化行业的进一步发展,旧有的湿熄焦除尘装置将逐步被干熄焦装置取代。干熄焦检修市场将进一步扩大,市场的应用前景较为广阔。3结语随着科技的发展和社会的进步,炉窑检修技术智能化、机械化、装配化是大趋势。本文所述干熄焦炉智能