板坯加熱爐燃燒控制系統(tǒng)優(yōu)化

周勁軍，史德明，范滿倉，翟 煒，劉自民

(馬鋼（集團）控股有限公司，安徽馬鞍山 243000）

引言

加熱爐是軋鋼工序的主要耗能設(shè)備。在滿足軋制工藝要求的同時，做到爐膛氣氛、加熱時間、加熱溫度的最優(yōu)控制，降低氧化燒損和能耗是軋鋼加熱爐生產(chǎn)工藝追求的目標。

目前，國內(nèi)鋼鐵企業(yè)噸鋼綜合能耗約600 kg標煤。作為鋼鐵生產(chǎn)末端的軋鋼工序，氧化燒損偏高將帶來如下問題：①大量能源浪費，增加溫室氣體排放；②軋鋼成材率降低，直接影響企業(yè)的經(jīng)濟效益；③氧化鐵皮需要定期停產(chǎn)清理，影響作業(yè)率、增加工人勞動強度；④在某些情況下，氧化鐵皮難以去除導致軋鋼產(chǎn)品表面出現(xiàn)壓氧缺陷問題，影響產(chǎn)品質(zhì)量。⑤大量氧化鐵皮需要進行再利用處理，浪費社會資源、增加企業(yè)成本。目前，鋼鐵行業(yè)面臨產(chǎn)能嚴重過剩、節(jié)能環(huán)保壓力日趨加大局面，為節(jié)能降耗、降本增效，國內(nèi)外鋼鐵企業(yè)一直致力于降低軋鋼加熱爐燃耗及氧化燒損應(yīng)用技術(shù)研究。

研究表明[1]，目前國內(nèi)中小型鋼鐵企業(yè)軋鋼加熱爐爐內(nèi)氧含量范圍大部分為2%～3%，且波動較大，氧化燒損大部分為0.8%～1.5%。國外大型鋼鐵企業(yè)軋鋼加熱爐氧化燒損一般≤0.5%。有效降低氧化燒損意義重大。

1 板坯加熱爐燃燒現(xiàn)狀測試結(jié)果及存在問題分析

1.1 測試結(jié)果

板坯加熱爐長約56 m、寬約10 m。燃燒系統(tǒng)布有長焰、平焰、蓄熱等形式燒嘴，采用基于在線熱值儀檢測確定空燃比的間接燃燒控制方式。燃燒情況及燒損情況現(xiàn)場測試結(jié)果見表1。

相關(guān)理論及實踐表明[2]，加熱爐中煙氣殘氧量及加熱溫度控制對燃耗及氧化燒損影響較大。對燃耗而言，煙氣殘氧每減少1%，節(jié)省燃料約4%；出鋼溫度每下降5%，節(jié)省燃料約17%。對氧化燒損而言，煙氣殘氧從3%降至1%，氧化燒損可降低約78.89%。

表1 加熱爐爐內(nèi)氣氛及氧化鐵皮厚度

由表1可以看出，一加、二加、三加、均熱等各燃燒段均處于偏氧化性氣氛狀態(tài)且氣氛濃度波動較大，與氧化燒損較高現(xiàn)象一致。在燃耗及燒損方面，存在較大的下降空間，預計燃耗可降低3%以上，鋼坯單位面積燒損率可降低8%～15%。

1.2 問題分析

（1）空燃比控制方式

該加熱爐采用在線燃燒法熱值儀的間接控制方式，即通過燃燒法熱值儀，推算出空燃比，控制爐內(nèi)燃燒氣氛，但在實際使用過程中，存在的主要問題如下：①熱值儀的準確性受使用煤氣與標定氣體偏差影響，熱值的準確性難以保證；②燃燒法熱值儀不能檢測出煤氣成分組成，精確空燃比無法給出；③空燃比精確控制的受到是空氣、煤氣流量計的準確性影響，就煤氣流量計而言，由于受到水分、粉塵、焦油、萘等雜質(zhì)影響，準確性難以保證；④當前燃燒段空燃比失真時，失真煙氣后移導致誤差傳導。

（2）加熱爐內(nèi)鋼坯溫度控制

該加熱爐內(nèi)鋼坯溫度主要依靠熱電偶測量爐內(nèi)各段煙氣溫度，經(jīng)過數(shù)學模型計算得出。由于采用間接測量方式，存在鋼坯出爐溫度偏高且波動較大、能耗提升、燒損加劇的問題。

2 優(yōu)化加熱爐燃燒控制系統(tǒng)方案

針對板坯加熱爐燃燒控制上存在的問題，本項目采用基于各加熱段煙氣成分監(jiān)測的燃燒控制系統(tǒng)對其進行優(yōu)化，其主要由加熱爐分段燃燒控制技術(shù)及爐內(nèi)鋼坯在線紅外精確測溫技術(shù)組成。

2.1 加熱爐燃燒控制優(yōu)化原理

傳熱值儀法間接控制方式受煤氣熱值波動、流量計量誤差、閥門開度誤差、氣體泄漏、排煙速度等因素影響而發(fā)生偏離。該控制方式與之同，在滿足加熱制度的前提下，依據(jù)O2和CO檢測結(jié)果及控制范圍，自動控制煤氣、空氣閥開度，不受熱值儀、空氣及煤氣流量計準確性等因素影響，通過燃燒狀態(tài)檢測、動態(tài)尋優(yōu)、優(yōu)化調(diào)整實現(xiàn)提高最佳燃燒狀態(tài)、節(jié)省煤氣的目的，見圖1。鋼坯爐內(nèi)溫度參照鋼坯表面溫度確定。

圖1 燃燒控制優(yōu)化原理

2.2 加熱爐分段燃燒控制系統(tǒng)設(shè)計

直接對加熱爐各主要加熱段煙氣成分（O2、CO等）進行在線檢測，根據(jù)各段煙氣成分數(shù)據(jù)，及時調(diào)整各段的空氣配比，使各段煙氣成分控制在合理范圍，，最終達到降低氧化燒損，提高板坯表面質(zhì)量，降低能耗的目的。

具體技術(shù)方案是：在各燃燒段（加熱、均熱、預熱）安裝激光法探頭式過程氣體分析系統(tǒng)（見圖2）。每座加熱爐7個測量點。測量點布置方式為：均熱、三加熱段與二加熱各布置一套O2和一套CO激光檢測單元，一加末端布置一套CO激光檢測單元與現(xiàn)有的氧化鋯探頭配合使用。

激光法探頭式過程氣體分析系統(tǒng)除了具有技術(shù)針對性強、測試精度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)快、安裝方便、維護成本低等特點外，還具有如下優(yōu)勢①直接以加熱爐爐膛為檢測單元，克服高溫輻射影響，實現(xiàn)對1200℃工況下煙氣進行原位在線檢測；②檢測結(jié)果反映穿過整個爐膛的激光束線的檢測的結(jié)果，更能準確代表爐內(nèi)氣氛；③與傳統(tǒng)單純檢測O2不同，該技術(shù)方案加入CO檢測參數(shù)，通過O2及CO檢測數(shù)據(jù)的相關(guān)性綜合判斷實際燃燒情況，確定控制范圍，克服了煙氣均勻性差等不確定因素影響。

圖2 爐內(nèi)氣氛溫度、測量探頭布置圖

在爐內(nèi)加裝紅外精確測溫儀表，真實反映鋼坯表面溫度，克服鋼坯出爐溫度偏高且波動較大、能耗提升、燒損加劇的問題。

具體技術(shù)方案是：每座加熱爐布置5個測量點。測量點布置方式為：二加熱段與三加熱段中間位置1個點（偏二加熱段），三加熱段出口1個點，均熱段出口3個點,見圖2。

該紅外測溫系統(tǒng)的特點是能夠?qū)Χ秳印⒀趸⑺?、蒸汽等干擾因素做出正確補償，保證測試結(jié)果的準確性。

2.3 優(yōu)化控制邏輯

動態(tài)檢測對比爐膛內(nèi)O2和CO含量，判斷燃燒偏離狀態(tài)（當O2超過設(shè)定范圍時空氣過量，當CO超過設(shè)定范圍時煤氣過量）。

（1）控制溫度在設(shè)定范圍內(nèi)：O2過量，減小空氣流量；CO過量，降低煤氣流量。

（2）控制溫度高于設(shè)定最大值：逐級降低煤氣流量和空氣流量，再通過（1）和（2）優(yōu)化燃燒狀態(tài)。

（3）控制溫度低于設(shè)定最小值：逐級增加空氣流量和煤氣流量，再通過（1）和（2）優(yōu)化燃燒狀態(tài)。

（4）通過（1）～（4）循環(huán)優(yōu)化調(diào)節(jié)空氣流量和煤氣流量使得爐膛內(nèi)O2和CO含量在含量控制范圍內(nèi)，爐內(nèi)燃燒處于最佳燃燒狀態(tài)，熱效率最高。

3 實施效果及分析

3.1 爐膛內(nèi)O2和CO含量改善效果分析

3.1.1 優(yōu)化前加熱爐燃燒狀態(tài)檢測分析

加熱爐優(yōu)化前燃燒狀態(tài)檢測分析結(jié)果見表2。

表2 優(yōu)化前加熱爐燃燒狀態(tài)

3.1.2 優(yōu)化后加熱爐燃燒狀態(tài)檢測分析

加熱爐優(yōu)化后燃燒狀態(tài)檢測分析結(jié)果見表3。

3.1.3 各加熱段O2和CO優(yōu)化前后對比

該加熱爐均熱段采用平焰燒嘴，加熱二段、加熱三段采用蓄熱式燒嘴，由于控制溫度、燒嘴布置方式及燃燒方式的不同，燃燒效果存在差異。但經(jīng)過優(yōu)化，各段煙氣成分均出現(xiàn)O2降低、CO升高現(xiàn)象，具體變化趨勢見圖3、圖4和圖5。

通過現(xiàn)場多次對比實驗，在相同工況下，二加O2均值由4.04%下降到1.85%、三加O2均值由3.78%下降到1.85%、均熱段O2均值由4.53%下降到2.79%。

表3 優(yōu)化后加熱爐燃燒狀態(tài)

圖3 加熱二段優(yōu)化前后對比

圖4 加熱三段優(yōu)化前后對比

圖5 均熱段優(yōu)化前后對比

3.2 氧化燒損降低效果分析

通過激光法探頭式過程氣體分析系統(tǒng)檢測控制優(yōu)化前后各段燃燒狀態(tài)，利用試樣檢測方法進行對比實驗，篩選出相近工況下各7個批次有效數(shù)據(jù)對比分析，檢測數(shù)據(jù)見表4、表5。

通過多次對比分析得出，本次檢測優(yōu)化前后單位面積燒損率降低平均值為16.75%。

表4 優(yōu)化前氧化燒損試樣檢測數(shù)據(jù)

表5 優(yōu)化后氧化燒損試樣檢測數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

通過采用激光法分段燃燒控制技術(shù)及爐內(nèi)鋼坯在線紅外精確測溫技術(shù)對加熱爐燃燒控制系統(tǒng)進行優(yōu)化：

（1）可以實現(xiàn)對加熱爐各段煙氣中O2和CO及鋼坯爐內(nèi)溫度的在線監(jiān)測，使得加熱爐各段空氣過剩系數(shù)優(yōu)化做到有的放矢，從而保持加熱爐各段最佳燃燒狀態(tài)。

（2）通過在板坯加熱爐上的成功實踐，相對單位面積燒損率減少15%以上，年綜合經(jīng)濟效益1000萬元以上，經(jīng)濟效益顯著。

（3）該系統(tǒng)還可以對不同鋼種加熱及燃燒控制進行針對性優(yōu)化，有助于提高產(chǎn)品質(zhì)量，進一步增加企業(yè)效益。