CN112521955B

CN112521955B - 一种焦饼中心温度检测方法及系统

Info

Publication number: CN112521955B
Application number: CN202011217054.5A
Authority: CN
Inventors: 蒋朝辉; 蒋劲松; 潘冬; 桂卫华; 黄�良
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2020-11-04
Filing date: 2020-11-04
Publication date: 2021-08-31
Anticipated expiration: 2040-11-04
Also published as: CN112521955A

Abstract

本发明公开了一种焦饼中心温度检测方法及系统，通过获取火道底部温度，基于火道底部温度，根据标准火道内的燃烧气体与炭化室‑燃烧室隔墙间的辐射传热关系，构建燃烧室标准立火道隔墙壁面纵向温度分布模型以及基于燃烧室标准立火道隔墙壁面纵向温度分布模型，根据炭化室‑燃烧室隔墙导热方程，获得焦饼中心温度，解决了现有技术无法实时精准检测焦饼中心温度的技术问题，从焦炉热工过程中存在的多变量耦合关系出发，以标准火道的底部温度作为焦饼中心温度的耦合变量，结合焦炭生产具有的多因素耦合、多变量参与的特点，从炭化室、燃烧室之间的温度耦合关系出发，经火道底部温度间接得到焦饼中心温度，实现了对焦饼中心温度的实时准确检测。

Description

一种焦饼中心温度检测方法及系统

技术领域

本发明主要涉及炼焦技术领域，特指一种焦饼中心温度检测方法及系统。

背景技术

焦炉是生产焦炭的核心设备。现代炼焦炉由炭化室、燃烧室、蓄热室、斜道区、炉顶、基础、烟道等组成。一座焦炉由几十个炭化室和燃烧室交替配置，燃烧室由横向排布的若干个立火道组成，这些立火道通过其正下方的斜道区与蓄热室相连，炭化室位于两相邻蓄热室之间位置的正上方。焦炭生产过程是单个燃烧室间歇、全炉连续、受多种因素干扰，且具有大时滞、大惯性、强非线性、多因素耦合、变参数等特征的复杂工业过程。焦炭的生产原理是煤炭在1000℃以上的密闭环境下发生干馏反应，利用煤炭中各组分性质上的差异生成以焦炭为主的一系列煤化学产物。生产时，装煤车由炉顶装煤孔向炭化室注入经物理预处理的煤炭，在此之前煤气和空气已经蓄热室预热并进入燃烧室扩散、燃烧，产生的热量即可经炉墙导入炭化室。煤炭在炭化室两侧炉墙处受到来自燃烧室的高温而发生干馏反应，经脱水、热解等变化后，由煤饼的炉墙侧向其中心成层结焦，当炭化室中心断面处的焦炭平均温度达1000±50℃时即认为焦炭成熟。显然整个炼焦过程中燃烧室、炭化室的温度将影响焦炭的成熟状态。

焦饼中心温度是焦炭是否成熟的关键指标之一，该温度通常由炭化室中心断面处的焦炭平均温度(1000±50℃)来表征。焦饼中心温度过高会带来焦化生产能耗的大量浪费，过低则会导致焦炭生产质量的下降并进而影响后续的冶炼出铁质量。焦饼中心温度也是考察生产过程中炉体结构是否合理、判断加热制度是否完善、加热控制方案是否科学的重要依据，此外变更结焦时间、改变煤种配比、更换加热煤气种类同样需参考焦饼中心温度。因此准确、及时地获取焦饼中心温度对于节能减排、优化焦炭生产过程具有重要的意义。受限于焦炭生产时高温、高压、强粉尘的恶劣环境，焦饼中心温度的直接检测存在巨大困难。如何运用可行的检测方法获取其温度，达到优化焦炉加热过程控制、提高焦炭产出质量、降低生产能耗、减少环境污染的目的，是焦化产业亟需研究与解决的重要课题。

结焦末期焦炭成熟程度由焦饼中心温度来表征。作为调整焦炉加热制度、调节关键生产参数、制定合理加热控制策略的重要依据，焦饼中心温度的准确检测与获取具有重要的实际价值。

已有的工程实践包括饼心温度间歇式检测以及饼心温度的关联变量检测。间歇式测量以“插管”法为代表，根据热平衡原理，将装有热电偶的测温管从炉顶装煤孔插入焦饼中心，待热平衡后读取热电偶的温度值。由于测温管较长，操作工人进行现场操作时需站在距离炉顶地面有一定高度的装煤车上进行插管，同时炭化室内部是一个高温高压环境，故上述情况给测温工人带来了安全隐患。此外，测温管对5m以上高度焦炉进行测量时，无法触及饼心部位，即便某些测温管足够长，也因焦炭硬度关系无法正常测温；关联变量法将难以直接测量的焦饼中心温度转换为可直接检测的耦合变量，如加热煤气流量、荒煤气温度、结焦周期、火落时间等，通过数学关系间接获取焦饼中心温度。已进行的测温实践对焦饼中心温度的测量多为“事后检测”，实时性不佳。焦炉热工过程中，依据实时获取的焦饼温度进行煤种配比及加热煤气流量的调节、结焦时间的变更、加热控制策略的调整显然对于提高焦炭生产质量与效率具有突出的应用价值。

专利公开号CN 204924461 U公开的是一种基于测温管检测的大型焦炉焦饼中心温度检测装置。该专利采用从装煤孔插入的纵向测温管检测焦饼中心上部与中部的温度，以从两侧烘炉门插入的横向测温管检测焦饼中心下部温度，检测数据准确可靠。然而该专利采用的检测方法属间歇检测，效率偏低，无法实时、连续地反映焦炭生产过程中的温度信息与生产状态，且该方法受限于人工操作经验的差异以及检测点位置选取的是否准确，检测过程中对检测设备的损耗大，加大了检测成本。

专利公开号CN 101067828 A发明专利公开的是一种基于线性回归与神经网络集成软测量模型的焦炉火道温度检测方法。该专利通过安装在蓄热室顶部对应于标准火道底部的热电偶获取大量样本数据，并据此建立火道-蓄顶温度多元线性回归模型。接着，分别建立有监督学习下焦炉机侧与焦侧蓄热室顶部温度的BP神经网络模型。最后，采用专家协调器将线性回归模型与BP模型组合，得到焦炉火道温度集成软测量模型。该专利采用经验模型进行火道温度检测，缺乏良好的泛化性能与动态稳定性能，对更复杂的炉况异常情况处理能力存在局限性，无法保证检测精度。

专利公开号CN 104357065 A发明专利公开的是一种在不同干熄率下基于温度分段调节控制策略的煤炭成焦温度检测及控制方法。该方法的思路是：首先在预设时间段内采集多组实测焦饼分段中心温度数据；其次，测量同一炭化室焦饼表面分段温度与焦饼中心分段温度之间的差值，用焦饼表面温度代替中心温度；再次，由获得的焦饼表面温度制定对应的燃烧室标准温度；然后，根据所得燃烧室标准温度设置焦炉加热控制参数；最后，依据焦炉控制参数进行焦饼表面温度检测，进而判断焦饼成熟程度。显然，该专利所提出的方法存在操作过程繁琐、检测精度有限、检测效率低的缺陷，无法满足对焦饼温度的实时、高效检测。

发明内容

本发明提供的焦饼中心温度检测方法及系统，解决了现有技术无法实时精准检测焦饼中心温度的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提出的焦饼中心温度检测方法包括：

获取火道底部温度；

基于火道底部温度，根据标准火道内的燃烧气体与炭化室-燃烧室隔墙间的辐射传热关系，构建燃烧室标准立火道隔墙壁面纵向温度分布模型；

基于燃烧室标准立火道隔墙壁面纵向温度分布模型，根据炭化室-燃烧室隔墙导热方程，获得焦饼中心温度。

进一步地，获取火道底部温度包括：

于焦炉机侧、焦侧选择燃烧室标准立火道的炉顶看火孔作为检测点，获取标准火道红外图像；

根据标准火道红外图像，获得火道底部温度。

进一步地，基于火道底部温度，根据标准火道内的燃烧气体与炭化室-燃烧室隔墙间的辐射传热关系，构建燃烧室标准立火道隔墙壁面纵向温度分布模型包括：

计算标准立火道内的火焰燃烧高度；

根据火道底部温度、火焰燃烧高度以及标准火道内的燃烧气体与炭化室-燃烧室隔墙间的辐射传热关系，构建燃烧室标准立火道隔墙壁面纵向温度分布模型。

进一步地，根据火道底部温度、火焰燃烧高度以及标准火道内的燃烧气体与炭化室-燃烧室隔墙间的辐射传热关系，构建燃烧室标准立火道隔墙壁面纵向温度分布模型的具体公式为：

其中，T_W(△x)表示燃烧室侧的隔墙壁面任意点处的温度，T表示火道底部温度，T_max表示火焰顶部温度，根据经验数据T_max通常高于T约120～140℃，T_min表示燃烧室内的立火道顶部温度，根据经验数据T_min通常低于T_max约200℃，△x表示火道内任一点距离火道底部的距离，且△x取值范围为0≤△x≤x，h表示标准立火道内火焰燃烧高度，x表示燃烧室内的立火道高度，λ_r和λ_g和分别表示用于采集标准火道红外图像的红外热成像仪的红色光和绿色光的波长，r(T)、g(T)分别表示红外CCD探测器检测到的红、绿基色值，K_r、K_g为利用中值定理求红、绿基色值所得结果的比例系数，C₂表示普朗克常数且

Q_W表示炉墙表面热流量，ε表示有效辐射系数，δ表示玻尔兹曼常数，A表示有效辐射面积。

进一步地，基于燃烧室标准立火道隔墙壁面纵向温度分布模型，根据炭化室-燃烧室隔墙导热方程，获得焦饼中心温度包括：

根据燃烧室标准立火道隔墙壁面纵向温度分布模型，获得燃烧室标准立火道隔墙壁面纵向温度；

将燃烧室标准立火道隔墙壁面纵向温度作为炭化室-燃烧室导热方程的边界条件，获得焦饼中心温度。

进一步地，将燃烧室标准立火道隔墙壁面纵向温度作为炭化室-燃烧室导热方程的边界条件，获得焦饼中心温度包括：

将燃烧室标准立火道隔墙壁面纵向温度作为第一导热方程的边界条件，第一导热方程为炭化室-燃烧室隔墙导热方程；

根据第一导热方程，获得炭化室侧炉墙表面温度；

将炭化室侧炉墙表面温度，作为第二导热方程的边界条件，第二导热方程为煤-焦导热方程；

根据第二导热方程，获得焦饼中心温度。

进一步地，根据第二导热方程，获得焦饼中心温度包括：

根据第二导热方程，获得焦饼表面温度，其中焦饼表面温度的计算公式为：

T_central＝T_C+△T，

其中，T_central表示焦饼中心温度，T_C表示焦饼表面温度，△T表示焦饼表面温度与焦饼中心温度的差值，且20℃<△T<40℃；

根据焦饼表面温度，获得焦饼中心温度。

进一步地，根据标准火道红外图像，获得火道底部温度包括：

对标准火道红外图像进行图像分割，获得看火孔区域图像；

根据看火孔区域图像，获得火道底部温度。

本发明提供的焦饼中心温度检测系统包括：

存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现本发明提供的焦饼中心温度检测方法的步骤。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明提供的焦饼中心温度检测方法及系统，通过获取火道底部温度，基于火道底部温度，根据标准火道内的燃烧气体与炭化室-燃烧室隔墙间的辐射传热关系，构建燃烧室标准立火道隔墙壁面纵向温度分布模型以及基于燃烧室标准立火道隔墙壁面纵向温度分布模型，根据炭化室-燃烧室隔墙导热方程，获得焦饼中心温度，解决了现有技术无法实时精准检测焦饼中心温度的技术问题，从焦炉热工过程中存在的多变量耦合关系出发，以标准火道的底部温度作为焦饼中心温度的耦合变量，结合焦炭生产具有的多因素耦合、多变量参与的特点，从炭化室、燃烧室之间的温度耦合关系以及焦饼表面与中心温度之间的固有温差出发，经火道底部温度间接得到焦饼中心温度，实现了对焦饼中心温度的实时准确检测。

附图说明

图1为本发明实施例一的焦饼中心温度检测方法的流程图；

图2为本发明实施例二的焦饼中心温度检测方法的流程图；

图3为本发明实施例二的部分炉顶检测点分布示意图；

图4为本发明实施例三的火道温度计算值与实测值对比示意图；

图5为本发明实施例三的机侧燃烧室-炭化室隔墙热传导示意图；

图6为本发明实施例三的焦侧燃烧室-炭化室隔墙热传导示意图；

图7为本发明实施例三的炭化室内的煤-焦导热示意图；

图8为本发明的焦饼中心温度检测系统的结构框图。

附图标记：

10、存储器；20、处理器。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例一

参照图1，本发明实施例一提供的焦饼中心温度检测方法，包括：

步骤S101，获取火道底部温度；

步骤S102，基于火道底部温度，根据标准火道内的燃烧气体与炭化室-燃烧室隔墙间的辐射传热关系，构建燃烧室标准立火道隔墙壁面纵向温度分布模型；

步骤S103，基于燃烧室标准立火道隔墙壁面纵向温度分布模型，根据炭化室-燃烧室隔墙导热方程，获得焦饼中心温度。

本发明实施例提供的焦饼中心温度检测方法，通过获取火道底部温度，基于火道底部温度，根据标准火道内的燃烧气体与炭化室-燃烧室隔墙间的辐射传热关系，构建燃烧室标准立火道隔墙壁面纵向温度分布模型以及基于燃烧室标准立火道隔墙壁面纵向温度分布模型，根据炭化室-燃烧室隔墙导热方程，获得焦饼中心温度，解决了现有技术无法实时精准检测焦饼中心温度的技术问题，从焦炉热工过程中存在的多变量耦合关系出发，以标准火道的底部温度作为焦饼中心温度的耦合变量，结合焦炭生产具有的多因素耦合、多变量参与的特点，从炭化室、燃烧室之间的温度耦合关系以及焦饼表面与中心温度之间的固有温差出发，经火道底部温度间接得到焦饼中心温度，实现了对焦饼中心温度的实时准确检测。

根据现有技术不难获知，受限于焦炉复杂独特的物理结构，焦炭所处的高温、高压、空间密闭、强粉尘、强辐射、强对流的特殊生产环境，以及某些焦化副产物所具有的毒性、腐蚀性、污染性的客观现状，使得实现焦饼中心温度的准确检测存在诸多困难。

已有的焦饼中心温度检测方法多为接触式测温，最具代表性的为“插管法”。这种方法虽然简单易行，但是存在检测部位失准、检测装置易损、检测效率低、人工经验差异等不可抑制的因素。此外，某些钢铁厂尝试过在炭化室导焦栅两侧不同高度处等间隔安装红外线扫描仪，实现在推焦过程中对焦饼表面温度的检测。这种方法的优点是自动检测、非接触式测温，缺点是无法反映结焦过程中的焦饼中心温度，无法做到及时反馈。

基于上述方法的优缺点，业界开发出了基于关联耦合性的焦饼中心温度间接检测方法，已有的耦合方法所选择的耦合变量为结焦末期炭化室内的粗煤气温度、焦炉加热煤气流量及温度、煤气压力，但这些耦合变量属于结焦末期的变量，存在滞后性，且不能准确反映结焦过程中的焦饼中心温度。故本发明实施例从焦饼中心温度与其他生产参数间存在的耦合关系出发，提出了一种有别于此前方法的检测思路，具体为选取燃烧室标准立火道的底部温度作为焦饼中心温度的耦合变量，并基于火道底部温度，根据标准火道内的燃烧气体与炭化室-燃烧室隔墙间的辐射传热关系，构建燃烧室标准立火道隔墙壁面纵向温度分布模型，以及基于燃烧室标准立火道隔墙壁面纵向温度分布模型，根据炭化室-燃烧室隔墙导热方程，获得焦饼中心温度。

由此可见，本发明实施例一方面打破了现有技术以“插管法”为代表的接触式测温惯常手段，另一方面克服了现有技术利用红外线扫描仪采集红外图像检测焦饼表面温度或利用加热煤气流量、结焦末期荒煤气温度获取焦饼中心温度存在的滞后和不精准问题，因此本发明实施例通过选取火道底部温度作为耦合变量，不仅能实时高效地对焦饼中心温度进行检测，而且检测精度高。

实施例二

参照图2，本发明实施例二提供的焦饼中心温度检测方法，包括：

步骤S201，于焦炉机侧、焦侧选择燃烧室标准立火道的炉顶看火孔作为检测点，获取包含标准火道底部区域的看火孔红外图像。

步骤S202，根据标准火道看火孔红外图像，获得火道底部温度。

具体地，本发明实施例从焦饼中心温度与其他生产参数间存在的耦合关系出发，提出了一种有别于此前方法的检测思路。具体步骤如下：

Step1：确定焦饼中心温度的耦合变量：

焦炭的生产过程是单个燃烧室间歇、全炉连续、受多种因素干扰，兼具大时滞、大惯性、强非线性、多因素耦合、变参数等特征的复杂工业过程。影响焦饼中心温度的因素很多，包括炭化室宽度及高度、燃烧室的立火道高度、结焦周期、焖炉时间、火落时间、加热煤气流量、加热煤气热值、混合煤气配比、入炉煤种类、入炉煤种配比、孔板直径、煤气压力、蓄热室温度、燃烧室立火道温度、结焦末期粗煤气温度、炭化室的室内压强等。

在焦饼中心温度的众多关联耦合变量中，各变量与焦饼中心温度的耦合性有强弱之分。结焦末期炭化室粗煤气温度具有与焦饼中心温度直接关联的强耦合性，但是对这一温度的检测无法反映结焦周期内焦饼中心温度的实时变化。燃烧室立火道温度与焦饼中心温度存在强耦合性，目前对立火道温度的获取是通过检测加热煤气流量与煤气温度，这种检测方法成本高、操作便捷性不佳。

在综合考虑了变量耦合性强弱，检测方法的便捷性、实时性因素之后，本发明提出以燃烧室标准立火道的底部温度作为焦饼中心温度的耦合变量。立火道底部温度属于立火道温度的一部分，因而具有与焦饼中心温度的强耦合性。立火道底部与蓄热室顶部相连通，加热煤气、预热空气从此处扩散到立火道其他部位。结合立火道纵向温度分布规律，通过获取立火道底部温度即可获得整个立火道的温度分布情况，再结合隔墙、煤-焦导热方程就可测得焦饼中心温度。

Step2：耦合变量检测位置的选取：

结合焦炉物理结构的特点以及相关变量的耦合性，本发明实施例于焦炉机侧、焦侧选择燃烧室标准立火道的炉顶看火孔作为检测位置。标准立火道具有焦炉纵向、横向温度的代表性。看火孔是燃烧室立火道与外界连通的通道，选择看火孔作为焦饼中心温度的检测点依据如下：

①看火孔是焦炉看火工获悉结焦周期内燃烧室立火道加热情况的重要渠道；

②立火道温度是焦饼中心温度的重要耦合变量，经看火孔检测立火道温度进而得出焦饼中心温度具备技术上的可行性；

③看火孔与之所对应的整个立火道直接连通；

④立火道底部温度可以经看火孔反映；

⑤看火孔位于焦炉炉顶，检测环境好，不存在高温、高压、强辐射、强对流、强粉尘、产物毒性这样的恶劣检测条件，便于检测工作的开展；

⑥看火孔数量众多，通过检测可获得多个立火道的温度状态，进而有利于获取全炉焦饼中心温度，为焦炉的全炉温度控制提供重要信息。

Step3：耦合变量检测方法的选择：

红外测温具有非接触、直观、高效、准确、适用面广泛、易于同计算机系统结合等特点，在工业检测领域有着广泛的应用。

本发明实施例选择焦炉燃烧室标准立火道底部温度作为焦饼中心温度的耦合变量，以标准立火道的炉顶看火孔作为检测位置，为使检测流程简化、提高检测效率、直观显示立火道温度分布状态，本发明选择红外测温作为对耦合变量的检测方法，目的是获取包含标准立火道底部区域的炉顶看火孔红外图像。

在检测过程中，将红外热成像仪经三脚架安装在待检测看火孔上方，将发射率设置为0.95，通过架设的红外热成像仪即可拍摄到看火孔红外图像。这些图像中包含了立火道底部区域，使得对目标温度的获取不再需要通过安装热电偶并结合复杂的中间处理过程，所需的只是在计算机端对红外图像进行处理，从而在保证检测精度的基础上简化了检测流程，提高了检测效率。

炉顶是焦炉系统的重要组成部分，炭化室、燃烧室分别通过装煤孔、看火孔经炉顶与外界相通。装煤孔、看火孔呈横向交替分布，均从焦炉的机侧延伸至焦侧，相邻横排的装煤孔之间为横排分布的看火孔。看火孔数量远多于装煤孔，一座焦炉可有上千个看火孔。装煤孔与看火孔均覆有炉盖，未进行生产操作时炉盖不打开。装煤车是炉顶区的核心设备，负责从装煤塔运送配煤，并依照推焦串序在已推焦炭化室的装煤孔处将煤炭送入炭化室中。

由于各个炭化室处在结焦周期的不同区间，故装煤车在一个完整的结焦周期内需进行若干次装煤操作，操作的次数由推焦串序与炭化室数量确定。两轮装煤操作的间隔即为现场操作工人进行“插管”测温的可利用时间。

本发明实施例选取炉顶机侧、焦侧的各40组标准火道看火孔作为检测点，如图3所示，采用非制冷焦平面红外热成像仪获取标准火道看火孔红外图像。图像采集卡将处理后的图像的模拟信号转换为三基色数字信号，这些信号被导入计算机端进行处理，获取图像中的立火道底部温度信息并存储温度数据。

具体地，本实施例的立火道底部温度获取的具体步骤如下：

Step1：含立火道底部区域的标准火道看火孔红外热图像采集：

根据某钢铁厂焦化部门JN60型焦炉5-2推焦串序的编排，平均每隔30分钟即进行一次推焦操作，在炉顶则每隔30-40分钟进行一次装煤操作。在炉顶相邻装煤操作的间隔时间内，即可进行标准火道看火孔的红外图像采集。

Step2：区分看火孔区域与炉顶表面区域：

在炉顶标准火道看火孔处采集到的红外图像包含看火孔、炉顶表面两种区域。由于两者发射率不同，而测温时红外热像仪只设置了火焰发射率，使得红外热像仪测得的不同区域的温度存在巨大的差异，看火孔所表现的温度明显大于炉顶表面。

阈值分割是一种简单而有效的图像分割方法。在本发明中，根据图像中火孔与炉顶表面温度之间存在的差异，设置一个合理的温度阈值T_h用于区分二者。满足阈值的区域视为看火孔，不满足的部分则视为炉顶表面区域。

阈值分割公式如(1)所示：

式中，I(i,j)为横坐标是i，纵坐标是j的像素灰度值；T(i,j)为横坐标是i，纵坐标是j的像素温度值。

值得说明的是，温度阈值需高于所有可能的炉顶表面温度值。根据生产现场的实测数据，选择1200℃作为温度阈值，即仅保留看火孔区域，看火孔区域即被视为图像中的ROI。在后续的处理中将不考虑图像中其他非看火孔区域。

Step3：处理所获取的ROI：

根据黑体辐射理论，物体时刻都在向外围空间发出红外辐射。辐射的出射度M(λ,T)随着波长λ与温度T，按一定规律变化，绝对黑体的辐射出射度与波长及温度的关系如(2)所示：

C₁,C₂均为普朗克常数，取值分别为C₁＝2πh²＝3.74177×10^-16W·m²，

现实世界中不存在绝对黑体，物体的实际发射率不可能为1，故实际辐射出射度与波长及温度的关系为：

式中ε(λ,T)为物体的发射率，这是一个小于1的常数。

当λT＜＜1时，(3)式可用维恩公式近似代替：

根据Step2提取的含标准火道底部区域的看火孔ROI，获取其中的温度信息。

设标准火道底部的实际温度为T，在波长λ₁条件下的单色辐射度为E₁(λ₁,T)，在波长λ₂条件下的单色辐射度为E₂(λ₂,T)，于是有：

进一步可得：

由于绝大多数实际物体的发射率在窄波段范围内随波长变化极小，即

因此式(7)可简化为：

高温物体向外辐射能量时可在CCD上形成清晰的红外热像。非制冷焦平面红外热成像仪内彩色CCD共有R、G、B三路输出，在温度为T的条件下，彩色CCD探测器接收到的三基色值r(T)、g(T)、b(T)可表示为：

其中，E(λ,T)表示辐射出射度，r_R(λ)、g_G(λ)、b_B(λ)分别为实际检测过程中三基色的光谱响应函数。

为简化处理，将三基色的波段响应视为3种单色响应，于是就得到3个波长的图像。由于现实中不存在绝对黑体，因此可将实际中的高温物体视为灰体，且发射率不随波长变化。令ε(λ,T)＝ε(T)，结合中值定理有：

根据已有的研究结论，蓝色光输出信号小且易受噪声干扰，故通常选择R、G作为比色测温变量。设λ_r、λ_g为红色光、绿色光的波长，结合(8)式可得：

其中，

当K值被唯一确定之后，被测对象的比色温度T的值即被唯一确定。

色光三原色波长分别为：λ_r＝700nm，λ_g＝546.1nm，λ_b＝435.8nm，在实际的看火孔图像采集中，红外热成像仪的发射率设定为0.95。本发明实施例采用比色测温于标准火道看火孔处检测对应的火道底部温度，排除了物体发射率对检测结果的影响，并将所得到的火道底部温度作为立火道纵向温度分布模型的初始条件。

步骤S203，计算标准立火道内的火焰燃烧高度。

步骤S204，根据火道底部温度、火焰燃烧高度以及标准火道内的燃烧气体与炭化室-燃烧室隔墙间的辐射传热关系，构建燃烧室标准立火道隔墙壁面纵向温度分布模型。

燃烧室由从机侧至焦侧分布的若干个立火道组成，负责在结焦周期内为炭化室提供热量。燃烧室通过其内部各个立火道内的气体燃烧反应生成热量，这些热量经过炉墙传递给炭化室。立火道内的反应气体来自位于其正下方的蓄热室，主要包括高炉煤气、焦炉煤气、预热空气、循环废气。由于反应气体从燃烧室底部进入并纵向扩散，且在火道内燃烧形成的火焰具有一定高度，故燃烧室立火道存在纵向温度分布差异。

Step1：标准立火道火焰高度的计算：

焦炉燃烧室立火道内的煤气燃烧属于典型的同轴流扩散燃烧，煤气与空气按比例混合进入燃烧室，在对流扩散的作用下混合与燃烧同时进行。这种燃烧方式具有火焰长、温度均匀的优点，有利于维持焦饼高度方向上的温度均匀性，同时也能够降低焦化生产能耗。

设H为火焰高度，c₁为煤气中可燃成分的初始浓度，c₂为空气氧气的初始浓度，i为单位可燃气体的需氧量，r为煤气入口半径，R₀为立火道半径，W为气体流速，K为扩散系数，c₀＝c₁+(c₂/i)。扩散燃烧火焰高度的计算公式为：

据此可以计算出燃烧室火道内的火焰高度。外焰为火焰温度最高的部分，故立火道内温度的最高点应位于火焰高度的最高点。

根据已有的仿真研究，立火道内的火焰高度占燃烧室高度的1/3，且立火道高度方向上的温度最高点与最低点之间的变化呈近似的线性规律。

Step2：标准立火道两侧隔墙表面温度的求取：

火道内的热流量将通过对流传热与辐射传热的方式将热量发散，事实上燃烧室立火道内的对流传热量仅占总辐射热量的6％-10％，绝大多数气体热量通过辐射传热传递给左右炉墙。设燃烧室左右炉墙的温度分别为T_Wr,T_Wl，Q_Wl为左侧炉墙辐射热量，Q_Wr为右侧炉墙辐射热量，立火道内的气体燃烧温度为T_i，两侧炉墙吸收的热量相等。

两式中的ε,δ,A分别为有效辐射系数、玻尔兹曼常数、有效辐射面积。

在已知炉墙表面热流量Q_W、立火道内的气体燃烧温度T_i的前提下即可计算出燃烧室侧炉墙壁面温度，具体的：

Step3：标准火道壁面纵向温度计算模型：

反应气体由立火道底部进入，在火道内燃烧生成具有一定高度的火焰，故立火道内纵向温度变化趋势为先逐渐升高，后逐渐降低，且火道顶部温度最低。根据焦化厂的生产数据，燃烧过程中，火道内温度最高点处的温度值高于火道顶部约180-200℃，高于火道底部约120-140℃。

目前对于焦炉炭化室-燃烧室隔墙壁面温度的获取采用的是推焦杆热传感器检测法，具体的：在某个炭化室结焦末期的推焦操作结束之后，将安装有热传感器的推焦杆伸入此已出焦的炭化室内，直接检测该炭化室两侧隔墙上部、中部、下部的温度。此方法具有操作简单、数据获取直接的特点，所得结果无需经过复杂的处理过程，可直接反映炭化室隔墙的温度。但该方法的缺陷也是显而易见的，具体的：首先，该方法采取在推焦结束之后测量炭化室隔墙温度，属于对炭化室隔墙温度的“事后检测”，所得温度并不能反映加热过程中炭化室隔墙的温度，而是与加热过程中的隔墙温度存在温度差。这种温度差源于炭化室隔墙在推焦结束后的散热过程中不可避免的热量损耗，且这种热量损耗不易计算；其次，该方法所得的炭化室隔墙壁面温度并不能直接用于计算加热过程中的焦饼表面及中心温度，否则将产生较大误差。

结合焦炉的结构特征，焦炭生产环境具有的高温、高压、强粉尘，某些焦化副产品具有毒性的特点，考虑生产过程中检测的实时性、准确性需求，需要采取间接检测方法获取炭化室-燃烧室隔墙壁面不同高度处的温度，再经导热微分方程得出生产过程中的焦饼表面温度，最终获得焦饼中心温度。

根据某钢铁厂JN60型焦炉的生产数据以及对成焦机理的研究结论，整个火道纵向温度变化呈现出先单调稳定递增，后单调稳定递减的规律。虽然在单调增减的过程中立火道纵向温度会由于煤气流量与炉内压强的变化而发生轻微波动，但是整个立火道纵向温度的变化趋势是近似线性的，故可用分段线性模型近似描述火道纵向温度变化。

相较于推焦杆法检测炭化室壁面温度，采用基于立火道纵向温度分段线性模型进行燃烧室与炭化室的纵向温度检测具有如下优势：

①立火道纵向温度分段线性模型便于与计算机结合，使得模型参数的修改更为便捷，便于生产控制；

②应用立火道纵向温度分段线性模型研究火道纵向壁面温度分布进而检测焦饼中心温度，是从温度变化机理的角度研究焦饼温度检测。相较于推焦杆法检测炭化室壁面温度，该方法所得检测结果无需考虑推焦结束打开炉门之后的炭化室散热，因而更具有准确性；

③在生产过程中，受煤气流量、炉内压强变化等因素的影响，焦饼温度在结焦周期内是不断变化的。推焦杆法能够获得推焦结束之后炭化室隔墙的温度，但该温度不能反映加热过程中焦饼温度的实时变化情况。而立火道纵向温度分段线性模型以变化的火道温度为变量，结合炉墙、煤料的不稳定导热方程，通过对燃烧室、炭化室温度的间接获取，实现生产过程中对焦饼温度的实时检测，具有良好的实时性；

④以立火道纵向温度分段线性模型为基础，结合红外测温所得的鼻梁砖温度、气体-炉墙辐射传热理论，能够获取立火道壁面纵向任意高度处的温度值，再结合隔墙、煤-焦导热方程，最终可得到数量众多的焦饼中心温度值，更有利于对焦炭成熟情况的判断；

⑤相较于推焦杆法，采用立火道纵向温度分段线性模型间接获取焦饼温度能够有效降低检测成本，提高检测效率，同时该方法受到来自生产环境的制约因素更少。

根据某钢铁厂焦化部门从2019年6月至9月的生产数据，结合生产现场所提供的JN60型焦炉物理结构参数，可计算出该厂焦炉在生产过程中其标准立火道内的火焰燃烧高度。设标准火道内燃烧火焰高度为h，燃烧室内的立火道高度为x，△x为火道内任一点距离火道底部的距离且△x取值范围为0≤△x≤x，火焰顶部温度为T_max，燃烧室内的立火道顶部温度为T_min，燃烧室内的立火道底部温度为T，火道纵向空间任意点处的温度为T_x。

其中，T_max高于T约130℃，T_max高于T_min约200℃，燃烧室火道底部温度T即为红外图像上立火道底部的鼻梁砖温度。

燃烧时，火道底部至火焰最高点处的温度随火道高度变化呈近似线性递增趋势：

联立(9)、(10)、(11)、(15)、(16)式，当0≤△x≤h时，燃烧室侧的隔墙壁面任意点处的温度为：

燃烧时，火焰最高点至火焰道顶部的温度随火道高度变化呈近似线性递减趋势：

联立(15)、(18)式，得出h<△x≤x时，燃烧室侧的隔墙壁面任意点处的温度为：

本发明实施例通过标准火道看火孔红外图像结合比色测温得出标准立火道底部温度，将该温度作为立火道纵向温度计算模型的初始条件，得出火道不同高度处的温度数值。再依据辐射传热原理得出火道壁面相应位置处的温度，将火道壁面温度作为平壁不稳定导热模型的边界条件。

步骤S205，基于燃烧室标准立火道隔墙壁面纵向温度分布模型，根据炭化室-燃烧室隔墙导热方程，获得焦饼中心温度。

具体地，本实施例基于燃烧室标准立火道隔墙壁面纵向温度分布模型，根据炭化室-燃烧室隔墙导热方程，获得焦饼中心温度包括：

Step1：炉墙导热：

炭化室-燃烧室隔墙的导热方式为热传导。这种传导方式基于一个必要前提：热传导过程中仅考虑辐射传热。

焦炉炉墙导热的理论依据是平壁不稳定导热原理。设单个导热体热增量为△Q，传入导热体的热量为Q₁，散出热量为Q₂，于是△Q＝Q₁-Q₂。根据傅里叶定律有：

联立(20)、(21)、(22)三式可得：

为简化处理，设定全过程中炉墙与炉料的热导率(λ)、密度(ρ)、比热容(C_p)等热物理参数为常数，于是可得导热体温度(T)、结焦时间(τ)、炉墙与炭化室或燃烧室之间距离(x_i)三者的不稳定导热微分方程：

式中

为热扩散率，m²/h。

炉墙内的传热过程为热传导传热，结合(24)式可得：

ρ_W——炉墙密度，kg·m^-3；

C_p,W——隔墙比热容，J·kg^-1·K^-1；

T_W——燃烧室侧的隔墙温度，℃；

k_W——炭化室-燃烧室隔墙传热系数，W·m^-2·K^-1；

τ——结焦时间，h；

由(17)、(19)、(25)式可得结焦周期内燃烧室侧隔墙壁面不同高度不同时刻的温度，由燃烧室侧隔墙温度结合炉墙热传导规律可得出炭化室侧隔墙壁面不同高度处的温度。

为便于处理，本发明设炉墙与炉料交界面处无空隙，该边界上的传热过程仅考虑热传导：

T_C0——炭化室侧的隔墙表面温度，℃；

k_C——煤料传热系数，W·m^-2·K^-1；

T_W——燃烧室侧的隔墙温度，℃；

k_W——炭化室-燃烧室隔墙传热系数，W·m^-2·K^-1；

隔墙燃烧室侧初始温度T_W由标准立火道隔墙壁面纵向温度提供；以T_W为边界条件，以立火道内的火焰燃烧高度为前提，结合立火道纵向温度分布模型，联立(17)、(19)、(25)、(26)四式可求取隔墙的炭化室侧温度T_C0，并将其作为煤-焦导热的初始条件，进而求出结焦末期焦饼表面及中心温度。

整个炉墙导热过程中，炉墙热导率、密度、比热容等热物理参数均视为常数。

Step2：煤-焦导热

根据Step1所得炭化室-燃烧室隔墙导热方程的边界条件，结合煤-焦导热偏微分方程，进行有限差分数值求解，得出焦饼中心温度。煤-焦热量传导规律为：热辐射从隔墙进入煤炭表面，结合边界条件、煤炭成层结焦原理以及结焦过程中的热效应，通过求解煤-焦导热方程，最终得到焦饼中心温度。这一传导过程同样基于一个必要的前提：热传导过程中仅考虑辐射传导。

在煤-焦导热过程中，隔墙的炭化室侧壁面温度T_C即为紧贴炉墙的煤料表面温度，根据平壁不稳定导热理论，煤料温度计算所依据的传热规律如(27)式所示：

式中，煤料温度的初始条件为T_C＝T_C0

各变量的含义如下所示：

ρ_C——煤料密度，kg·m^-3；

C_p,C——煤料比热容，J·kg^-1·K^-1；

T_C——煤料外表面温度，℃；

λ_C——煤料热导率，W·kg^-1·K^-1；

τ——结焦时间，h；

Q——结焦过程中的热效应，J；

x_i——导热方向上某点距离炭化室或燃烧室中心点的距离，m。

Step3：水分蒸发潜热的处理

煤炭成层结焦过程中，除煤-焦导热之外，还包水分蒸发潜热，具体如下：

设炭化室内炉料在某一温度范围之内的水分蒸发质量为m，其中水分蒸发过程中的温度上限为120℃，令此范围的温度差为△t，在一个结焦周期内，△t为装炉煤初始温度与结焦末期焦饼中心温度之差。此温度范围内，煤焦所含水分蒸发所需要的相变潜热Q_W为：

式中各变量含义为：

C_p,C——煤料比热容，J·kg^-1·K^-1；

L——水分在120℃下的蒸发潜热，kJ/kg；

P_W——装炉煤水分，％；

ρ_C——煤堆密度，kg/m³；

H——煤层厚度，m。

上述水分蒸发潜热方程可直接求解，并作为煤-焦导热方程的常数项；煤-焦导热方程可通过有限差分法结合边界条件求解，最终得到炭化室中心温度，即焦饼中心温度。在整个煤焦导热过程中，炉料的热导率、密度、比热容等热物理参数均视为常数。

Step4：焦饼中心温度的求解

本发明的焦饼中心温度指的是结焦末期焦饼中心温度，用于为判定焦炭成熟状态提供可靠依据。焦饼中心温度难以直接测量，所采用的基本测量思路是通过获取焦饼表面温度间接推知对应的焦饼中心温度，而焦饼表面温度通常比中心温度高出约20～40℃。本发明中最终求得的T_C即为焦饼表面温度。

设焦饼中心温度为T_central，则：

T_central＝T_C+△T (29)

△T——焦饼的表面与中心存在的20～40℃温差。

具体的，在已知煤料与炉墙密度ρ、炉墙与煤料的传热系数k、导热系数λ、炉墙与煤料的比热容C、立火道煤气消耗量M_c、煤气热值h_c、火道内燃烧火焰高度h的前提下，焦饼中心温度T_central可由下列方程组求得：

本发明实施例提供的焦饼中心温度检测方法，通过获取火道底部温度，基于火道底部温度，根据标准火道内的燃烧气体与炭化室-燃烧室隔墙间的辐射传热关系，构建燃烧室标准立火道隔墙壁面纵向温度分布模型以及基于燃烧室标准立火道隔墙壁面纵向温度分布模型，根据炭化室-燃烧室隔墙导热方程，获得焦饼中心温度，解决了现有技术无法实时精准检测焦饼中心温度的技术问题，从焦炉热工过程中存在的多变量耦合关系出发，以标准火道的底部温度作为焦饼中心温度的耦合变量，结合焦炭生产具有的多因素耦合、多变量参与的特点，从炭化室、燃烧室之间的温度耦合关系以及焦饼表面与中心温度之间的固有温差出发，经火道底部温度间接得到焦饼中心温度，实现了对焦饼中心温度的实时、准确检测。

此外，本发明实施例的关键点包括：

(1)本发明实施例从焦炉热工过程中存在的多变量耦合关系出发，选择焦炉炉顶标准火道的看火孔为检测点，以标准火道的底部温度作为焦饼中心温度的耦合变量，结合焦炭生产具有的多因素耦合、多变量参与的特点，从炭化室、燃烧室之间的温度耦合关系以及焦饼表面与中心温度之间的固有温差出发，经火道底部温度间接得到焦饼中心温度。

(2)本发明实施例采用红外热成像技术经标准火道看火孔获取火道底部区域温度，以直观的红外热图像反映待测区域的温度分布，最后结合图像处理与比色测温得出待测区域的温度。同时，依据红外热图像可直观地判断焦炉热工状态。

(3)本发明实施例采用比色测温间接检测焦饼中心温度，排除了工业现场的粉尘、烟雾、空气悬浮颗粒对测温结果的影响，使获得的焦饼中心温度更具准确性。

(4)本发明实施例结合火焰燃烧高度与立火道纵向温度的近似线性变化规律，建立了更加切合实际的火道纵向温度分布模型。该模型用以表征实际燃烧过程中的火道温度分布，并将获取的标准立火道底部鼻梁砖温度作为火道纵向温度模型初始条件，结合辐射传热得出火道壁面不同高度处的温度值，作为炉墙导热方程边界条件。

且本发明实施例的效果包括：

(1)本发明实施例以焦炉燃烧室标准立火道与炭化室内的焦饼为研究对象，利用非制冷焦平面红外热成像仪获取焦炉炉顶标准立火道看火孔处的红外图像，基于看火孔与炉顶表面存在的红外辐射特性差异，区分图像视场内看火孔区域与炉顶表面区域，从而获取图像中的看火孔区域温度分布情况，据此得到位于该区域内的立火道底部温度。考虑到标准立火道内的火焰高度导致火道温度存在高度方向上的差异，本发明从火道纵向温度变化规律出发，结合火道辐射传热，建立标准立火道壁面纵向温度分布模型。根据炭化室-燃烧室隔墙导热与煤-焦导热方程，以立火道壁面温度为边界条件，最终得出焦饼中心温度。

(2)本发明实施例解决了焦饼中心温度难以直接检测的问题，实现了对焦饼中心温度的准确检测，并为焦炉火道温度的优化控制、合理制定焦炉加热策略提供了可行方案。

(3)本发明实施例提出的焦饼中心温度检测方法所得结果可同时反映多组燃烧室、炭化室的温度状态，有利于生产过程中对全炉生产状态的更精准控制。

(4)本发明实施例所提出的方法提高了焦饼中心温度检测效率、降低了检测过程的繁琐程度、减少了测温设备损耗、降低了检测成本、降低了现场生产环境对检测结果的影响。

实施例三

下面结合具体实施例对本发明的具体实施方案做进一步说明，本实施例三以某钢铁厂JN60型焦炉为实验平台，将所提检测方法应用于焦饼中心温度检测。本案例获取了该厂JN60型焦炉在2019年6月至2019年9月期间的生产数据，包括机侧与焦侧的实测温度、结焦时间、分烟道吸力、空气过剩系数、焦炉煤气流量、高炉煤气流量。这些数据可用来验证检测结果。

由于目前焦饼中心温度的主要检测方法依然是“插管法”，缺少其他高效检测手段，且受限于检测成本、检测周期的制约，以及出于对推焦串序、炉体维护等方面的考虑，焦炉生产现场对于焦饼中心温度的数据记录量很少，难以直接验证测温方法的有效性。为此，从两个角度说明测温结果的有效性：

①焦炉机侧与焦侧的标准立火道温度

JN60型焦炉由多个炭化室和燃烧室交替配置而成，燃烧室通过其正下方的斜道区与蓄热室相连，每个燃烧室由从机侧到焦侧横向分布的若干个立火道组成。立火道是气体发生燃烧反应并释放大量热量的场所，这些热量经过炭化室与燃烧室之间的隔墙传递给炭化室内的煤料，用于成焦过程。正常工况下，当立火道温度出现一定幅度的改变时，焦饼温度必将出现相应的幅度变化。将红外热成像测温所得到的机、焦侧标准火道温度与现场实侧温度对比，若相关性符合要求，则可说明测温方法的有效性。附图4为对比结果。

②行业规定的结焦末期焦饼中心温度与炭化室隔墙温度

通过文献查阅以及在生产现场与焦炉操作工人的实际交流，得出行业规定的结焦末期焦饼中心温度变化范围为1000±50℃，而焦饼靠近炉墙的侧表面温度高于焦饼中心温度平均值20～40℃，炭化室隔墙温度范围则为1000～1150℃。如附图5-7所示，图5和图6中，热流方向为燃烧室→炭化室，图7中，炭化室中心面视为绝热面；热流方向为从外侧至内侧，炭化室侧隔墙的温度约1100℃，焦饼中心区域的纵向平均温度约1020℃，故本发明实施例所提出方法的检测结果符合实际经验。

参照图8，本发明实施例提出的焦饼中心温度检测系统，包括：

存储器10、处理器20以及存储在存储器10上并可在处理器20上运行的计算机程序，其中，处理器20执行计算机程序时实现本实施例提出的焦饼中心温度检测方法的步骤。

本实施例的焦饼中心温度检测系统的具体工作过程和工作原理可参照本实施例中的焦饼中心温度检测方法的工作过程和工作原理。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。