針狀焦是制備煉鋼用超高功率電極的優質原料。煤系針狀焦工藝是以高溫煤焦油中的軟瀝青為原料，經瀝青原料預處理、延遲焦化及回轉窯煅燒等工序得到非常終產品針狀焦的過程。在針狀焦工藝中，延遲焦化工序是其中的一個重要環節，而在延遲焦化工序中，非常核心的設備是焦化加熱爐和焦化塔。焦化塔的料位檢測在指導生產操作、保證設備安全運行及降低能耗等方面都起著重要的作用。

 

1、延遲焦化工藝流程

       延遲焦化工序一般按“1爐2塔”配置，即1臺焦化加熱爐對應2臺焦化塔，工藝流程見圖1。原料精制瀝青經原料預處理后，在分餾塔內與焦化塔頂來的高溫油汽進行熱交換，閃蒸、凝縮后形成的混合油從分餾塔底排出，混合油經焦化加熱爐裝料泵送至焦化加熱爐加熱后，通過四通閥從塔底進入焦化塔。進入焦化塔內的高溫混合油在塔內分解、縮聚，生成延遲焦和油汽。

       焦化塔設計為2臺，一般擬定48h或72h為1個生產周期，兩塔每隔24h或36h交換1次。當A塔在進料及成焦時，B塔在進行吹蒸汽、水冷及水力除焦等操作。

 

2焦化塔的料位檢測

2．1焦化塔的工作條件

       正常生產時，焦化塔的操作溫度和壓力呈循環周期性變化。在每個操作周期內，溫度由常溫變化到非常高工作溫度(約490℃)，壓力由常壓到非常高工作壓力(約0．6MPa)。此外，在水力除焦期間，塔內壁還要承受幾十兆帕的高壓水沖擊。焦化塔除了操作條件呈循環周期性變化以外，在不同的操作周期內，塔內的物料形態、種類和特性均有不同的變化。在進料成焦階段，塔內自下而上，介質依次為混合油(焦炭)、濃泡沫、稀泡沫、油汽;而在水冷除焦階段，塔內介質自下而上依次為焦炭、水、水汽等。

 

2．2、焦化塔的料位測量方式

       根據生產需要，在焦化塔上設置溫度、壓力、料位等儀表測量項目，都是為了更直觀地反映焦化塔的生產狀況，其中以料位測量非常為重要，設置料位測量的主要目的如下。

       (1)在進料成焦過程中，觀察焦化塔內油層、泡沫層和焦層所處的位置，以指導焦化工藝操作，有助于及時注入消泡劑和停止工藝進料，對提高焦化塔的利用率、節約能耗和消泡劑的用量非常有利。

       (2)在水冷除焦過程中，觀察水位高度，有助于指導送水冷焦操作。因為焦化塔內復雜的操作環境及物料特性，要判斷塔內各物料所處位置，使用傳統的非接觸式料位儀表(如雷達、超聲波料位計等)均不能滿足要求。截至目前，國內外此處采用的測量方式有溫度測量方式及放射性料位儀表測量方式。

 

       其中溫度測量方式是在焦化塔外壁多處埋置熱電偶，根據塔內的反應模式，泡沫層溫度非常高，焦層由于焦炭的隔熱作用，塔壁溫度比進料溫度低，氣相層由于氣體的溫度低且傳熱效果較差，導致塔壁溫度比反應區溫度低。根據不同的塔壁溫度判斷出各物料所處的位置［1］。但溫度測量方式得到的結果誤差較大、信號滯后，作為參與控制塔進料、連鎖切換等操作的指標不夠準確。而采用放射性料位儀表測量能直接反映實際物料的位置且響應速度快，可以更好地實現安全操作，并參與控制以提高生產自動化水平。目前，測量焦化塔料位的常用儀表有γ射線料位計和中子料位計。

 

3、γ射線/中子料位計的比較

3．1、工作原理

3．1．1、γ射線料位計

       γ射線料位計是利用放射源產生的γ射線，在穿過被測容器及容器中的介質時，射線被不同高度上的介質所吸收，測得衰減的射線強度而得到相應的料位。γ射線料位計一般由放射源、檢測器和變送器3部分構成，見圖2。γ射線料位計的放射源按照形式可分為點源、多點源或棒源;檢測器可分為點狀檢測器或棒狀檢測器。根據不同的組合，可實現開關量測量及連續量測量［2］。

3．1．2、中子料位計

       中子料位計的工作原理是利用中子在含氫介質中的散射、慢化原理實現對物料中含氫、碳密度的測量，以此判斷全部物料的動態分布規律，非常終反映出各物料層的高度。中子料位計一般由中子源、探測器及變送器3部分組成，見圖3。

       中子源發出的快中子在穿過焦化塔塔壁和塔內介質時，由于塔內介質中的氣體、泡沫層、焦炭的碳氫比不同，對中子的吸收慢化不同，探測器接收到的中子通量也不同。根據此處中子通量及其隨時間的變化，可以確定塔內物料相對密度的大小及變化情況，由此判定塔內物料狀態是油汽、泡沫、水還是焦炭。

 

3．2技術特點

3．2．1、γ射線料位計

       γ射線料位計可直觀、準確地反映出被測介質的料位，通常可采用多個點源式料位計或單個棒源式料位計測量料位。其針對單一介質的料位測量應用效果較好，但當介質成分較多，介質特性(如密度、吸收特性等)差距很小時，可能導致射線衰減偏差引起料位判斷不準。γ射線料位計受存儲設備材料、形狀、規格等影響較大，因此選型前須根據詳細設備資料進行計算。

3．2．2、中子料位計

       中子料位計適用于含氫介質的界面測量，每達到一種介質界面時即有接點信號輸出。焦化塔的不同料位變化都能夠反映到中子料位計慢中子的數量變化上，從而能夠得到焦化塔料位的變化，但這種檢測方式是通過慢中子數量的跳變而得出的料位界面變化，其物料本身的真實高度卻無法實時檢測，所以中子料位計實質上是一個料位開關，只能檢測中子料位計安裝點的料位突變情況，而無法得知焦化塔內各個料位的真實數值，如需要檢測連續料位值則可通過密度值折算成4～20mA信號得出。

       要滿足焦化塔的生產要求，每臺焦化塔至少需 要設置 3 臺中子料位計。底部測點用于進料過程中

的進油及水冷過程中的排水時機判定; 中部測點用 于消泡劑注入時機判定及觀察消泡效果; 上部測點 用于進料過程中防止泡沫過高而冒塔的信號判定以 及注水過程中停止進水的時機判定。 通過中子料位計信號的輸入，在控制系統中可 以記錄不同階段塔內的界面，從而生成歷史趨勢圖。 這種歷史趨勢圖不但可以檢驗過去時間內焦化塔的 生產情況，還可以估算出塔內未來的物料變化速度 等，更加安全、準確的進行生產控制。

 

3． 3 、安裝要求

3． 3． 1、 γ 射線料位計 

       γ 射線料位計安裝時，放射源及檢測器可分別固定于支架上，位于焦化塔的兩側( 與焦化塔不直接接觸) ，不但能防止介質溫度變化導致設備形變 而影響料位測量，同時也可以避免溫度過高對電纜 等材料造成影響。

3． 3． 2 、中子料位計 

       中子料位計安裝時固定于焦化塔外壁上，發射 端與接收端處于同一位置。由于焦化塔溫度變化會引起設備變形，所以對固定裝置的安裝要求比較高， 須考慮后期維護問題。此外，對于安裝元件及電纜 材料等耐溫要求也較高。 γ 射線料位計與中子料位計的技術性能簡要對 比見表 1

 

4 危害及防護措施

       γ 射線料位計與中子料位計的放射源對人體均 具有危害性，長期工作在其附近的人員易患放射性疾病，因此使用過程中必須采取有效的防護措施。

        ( 1) 使用劑量的非常優化。在放射源使用劑量的 計算上應嚴格按照工藝參數詳細計，用量應在滿 足工藝測量要求的前提下盡量減小劑量。

       ( 2) 實現多重防護，如距離防護、屏蔽防護及時 間防護等。

        ( 3) 設計、施工、檢修及運輸等必須嚴格按照政 府的放射儀表管理規定執行。辦理放射源的使用、 儲存、變更及廢棄的手續，并讓專門從事放射儀表工 作人員持證上崗，配發反射劑量片，建立個人劑量檔 案。對于放射料位計的安裝現場要設置輻射防護護欄、懸掛輻射標志，防止人員誤入造成輻射傷害。

        ( 4) 對相關人員進行培訓，告知其危害性，并制定作業管理機制及相關應急預案等。

 

5 結語

       ( 1) 焦化塔的料位測量在延遲焦化中具有重要 意義，焦化塔特有的物料及生產特性決定了傳統的 物位儀表無法勝任，須采用放射性儀表才能滿足測 量要求。

       ( 2) 目前，儀表原理及工程項目運行實例表明， 選用中子料位計更適合測量要求。

        ( 3) γ 射線料位計和中子料位計在使用過程中都須通過有效的防護措施來提高使用安全性，并用于更廣泛的領域。

       ( 4) 不同的料位計在選擇時須結合工藝特性、安 全性、經濟性等因素綜合考慮。在延遲焦化工序焦化塔的料位測量中，使用低輻射放射性料位計及其他形 式的料位計還有待于進一步的研究和實踐檢驗。