针状焦是制备炼钢用超高功率电极的优质原料。煤系针状焦工艺是以高温煤焦油中的软沥青为原料，经沥青原料预处理、延迟焦化及回转窑煅烧等工序得到非常终产品针状焦的过程。在针状焦工艺中，延迟焦化工序是其中的一个重要环节，而在延迟焦化工序中，非常核心的设备是焦化加热炉和焦化塔。焦化塔的料位检测在指导生产操作、保证设备安全运行及降低能耗等方面都起着重要的作用。

 

1、延迟焦化工艺流程

       延迟焦化工序一般按“1炉2塔”配置，即1台焦化加热炉对应2台焦化塔，工艺流程见图1。原料精制沥青经原料预处理后，在分馏塔内与焦化塔顶来的高温油汽进行热交换，闪蒸、凝缩后形成的混合油从分馏塔底排出，混合油经焦化加热炉装料泵送至焦化加热炉加热后，通过四通阀从塔底进入焦化塔。进入焦化塔内的高温混合油在塔内分解、缩聚，生成延迟焦和油汽。

       焦化塔设计为2台，一般拟定48h或72h为1个生产周期，两塔每隔24h或36h交换1次。当A塔在进料及成焦时，B塔在进行吹蒸汽、水冷及水力除焦等操作。

 

2焦化塔的料位检测

2．1焦化塔的工作条件

       正常生产时，焦化塔的操作温度和压力呈循环周期性变化。在每个操作周期内，温度由常温变化到非常高工作温度(约490℃)，压力由常压到非常高工作压力(约0．6MPa)。此外，在水力除焦期间，塔内壁还要承受几十兆帕的高压水冲击。焦化塔除了操作条件呈循环周期性变化以外，在不同的操作周期内，塔内的物料形态、种类和特性均有不同的变化。在进料成焦阶段，塔内自下而上，介质依次为混合油(焦炭)、浓泡沫、稀泡沫、油汽;而在水冷除焦阶段，塔内介质自下而上依次为焦炭、水、水汽等。

 

2．2、焦化塔的料位测量方式

       根据生产需要，在焦化塔上设置温度、压力、料位等仪表测量项目，都是为了更直观地反映焦化塔的生产状况，其中以料位测量非常为重要，设置料位测量的主要目的如下。

       (1)在进料成焦过程中，观察焦化塔内油层、泡沫层和焦层所处的位置，以指导焦化工艺操作，有助于及时注入消泡剂和停止工艺进料，对提高焦化塔的利用率、节约能耗和消泡剂的用量非常有利。

       (2)在水冷除焦过程中，观察水位高度，有助于指导送水冷焦操作。因为焦化塔内复杂的操作环境及物料特性，要判断塔内各物料所处位置，使用传统的非接触式料位仪表(如雷达、超声波料位计等)均不能满足要求。截至目前，国内外此处采用的测量方式有温度测量方式及放射性料位仪表测量方式。

 

       其中温度测量方式是在焦化塔外壁多处埋置热电偶，根据塔内的反应模式，泡沫层温度非常高，焦层由于焦炭的隔热作用，塔壁温度比进料温度低，气相层由于气体的温度低且传热效果较差，导致塔壁温度比反应区温度低。根据不同的塔壁温度判断出各物料所处的位置［1］。但温度测量方式得到的结果误差较大、信号滞后，作为参与控制塔进料、连锁切换等操作的指标不够准确。而采用放射性料位仪表测量能直接反映实际物料的位置且响应速度快，可以更好地实现安全操作，并参与控制以提高生产自动化水平。目前，测量焦化塔料位的常用仪表有γ射线料位计和中子料位计。

 

3、γ射线/中子料位计的比较

3．1、工作原理

3．1．1、γ射线料位计

       γ射线料位计是利用放射源产生的γ射线，在穿过被测容器及容器中的介质时，射线被不同高度上的介质所吸收，测得衰减的射线强度而得到相应的料位。γ射线料位计一般由放射源、检测器和变送器3部分构成，见图2。γ射线料位计的放射源按照形式可分为点源、多点源或棒源;检测器可分为点状检测器或棒状检测器。根据不同的组合，可实现开关量测量及连续量测量［2］。

3．1．2、中子料位计

       中子料位计的工作原理是利用中子在含氢介质中的散射、慢化原理实现对物料中含氢、碳密度的测量，以此判断全部物料的动态分布规律，非常终反映出各物料层的高度。中子料位计一般由中子源、探测器及变送器3部分组成，见图3。

       中子源发出的快中子在穿过焦化塔塔壁和塔内介质时，由于塔内介质中的气体、泡沫层、焦炭的碳氢比不同，对中子的吸收慢化不同，探测器接收到的中子通量也不同。根据此处中子通量及其随时间的变化，可以确定塔内物料相对密度的大小及变化情况，由此判定塔内物料状态是油汽、泡沫、水还是焦炭。

 

3．2技术特点

3．2．1、γ射线料位计

       γ射线料位计可直观、准确地反映出被测介质的料位，通常可采用多个点源式料位计或单个棒源式料位计测量料位。其针对单一介质的料位测量应用效果较好，但当介质成分较多，介质特性(如密度、吸收特性等)差距很小时，可能导致射线衰减偏差引起料位判断不准。γ射线料位计受存储设备材料、形状、规格等影响较大，因此选型前须根据详细设备资料进行计算。

3．2．2、中子料位计

       中子料位计适用于含氢介质的界面测量，每达到一种介质界面时即有接点信号输出。焦化塔的不同料位变化都能够反映到中子料位计慢中子的数量变化上，从而能够得到焦化塔料位的变化，但这种检测方式是通过慢中子数量的跳变而得出的料位界面变化，其物料本身的真实高度却无法实时检测，所以中子料位计实质上是一个料位开关，只能检测中子料位计安装点的料位突变情况，而无法得知焦化塔内各个料位的真实数值，如需要检测连续料位值则可通过密度值折算成4～20mA信号得出。

       要满足焦化塔的生产要求，每台焦化塔至少需 要设置 3 台中子料位计。底部测点用于进料过程中

的进油及水冷过程中的排水时机判定; 中部测点用 于消泡剂注入时机判定及观察消泡效果; 上部测点 用于进料过程中防止泡沫过高而冒塔的信号判定以 及注水过程中停止进水的时机判定。 通过中子料位计信号的输入，在控制系统中可 以记录不同阶段塔内的界面，从而生成历史趋势图。 这种历史趋势图不但可以检验过去时间内焦化塔的 生产情况，还可以估算出塔内未来的物料变化速度 等，更加安全、准确的进行生产控制。

 

3． 3 、安装要求

3． 3． 1、 γ 射线料位计 

       γ 射线料位计安装时，放射源及检测器可分别固定于支架上，位于焦化塔的两侧( 与焦化塔不直接接触) ，不但能防止介质温度变化导致设备形变 而影响料位测量，同时也可以避免温度过高对电缆 等材料造成影响。

3． 3． 2 、中子料位计 

       中子料位计安装时固定于焦化塔外壁上，发射 端与接收端处于同一位置。由于焦化塔温度变化会引起设备变形，所以对固定装置的安装要求比较高， 须考虑后期维护问题。此外，对于安装元件及电缆 材料等耐温要求也较高。 γ 射线料位计与中子料位计的技术性能简要对 比见表 1

 

4 危害及防护措施

       γ 射线料位计与中子料位计的放射源对人体均 具有危害性，长期工作在其附近的人员易患放射性疾病，因此使用过程中必须采取有效的防护措施。

        ( 1) 使用剂量的非常优化。在放射源使用剂量的 计算上应严格按照工艺参数详细计，用量应在满 足工艺测量要求的前提下尽量减小剂量。

       ( 2) 实现多重防护，如距离防护、屏蔽防护及时 间防护等。

        ( 3) 设计、施工、检修及运输等必须严格按照政 府的放射仪表管理规定执行。办理放射源的使用、 储存、变更及废弃的手续，并让专门从事放射仪表工 作人员持证上岗，配发反射剂量片，建立个人剂量档 案。对于放射料位计的安装现场要设置辐射防护护栏、悬挂辐射标志，防止人员误入造成辐射伤害。

        ( 4) 对相关人员进行培训，告知其危害性，并制定作业管理机制及相关应急预案等。

 

5 结语

       ( 1) 焦化塔的料位测量在延迟焦化中具有重要 意义，焦化塔特有的物料及生产特性决定了传统的 物位仪表无法胜任，须采用放射性仪表才能满足测 量要求。

       ( 2) 目前，仪表原理及工程项目运行实例表明， 选用中子料位计更适合测量要求。

        ( 3) γ 射线料位计和中子料位计在使用过程中都须通过有效的防护措施来提高使用安全性，并用于更广泛的领域。

       ( 4) 不同的料位计在选择时须结合工艺特性、安 全性、经济性等因素综合考虑。在延迟焦化工序焦化塔的料位测量中，使用低辐射放射性料位计及其他形 式的料位计还有待于进一步的研究和实践检验。