基于煤氣配比和殘氧量的加熱爐燃燒控制實(shí)踐

楊迎君 章光杲

（河鋼宣化鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司）

0 引言

目前，我國(guó)的資源和環(huán)境問(wèn)題日益突出，迫切要求高能耗行業(yè)全面推行節(jié)能減排技術(shù)[1]。冶金行業(yè)軋鋼系統(tǒng)中的能耗大戶(hù)是加熱爐，其能耗約占軋鋼生產(chǎn)能耗的70%[2]。加熱爐作為軋鋼生產(chǎn)的一個(gè)環(huán)節(jié)，也有很多技術(shù)亟待改進(jìn)和提升，如加熱爐中的燃燒控制。燃燒控制是加熱爐自動(dòng)化控制中的重要部分，而燃燒控制的關(guān)鍵是準(zhǔn)確的空燃比控制[3]。選用準(zhǔn)確合理的空燃比[4-5]（空氣流量和煤氣流量之比值）組織燃料燃燒，對(duì)于提高燒嘴火焰溫度，保證鋼坯加熱質(zhì)量良好，降低煤氣消耗，減少鋼坯氧化燒損有著重要的意義。

河鋼宣鋼新棒材生產(chǎn)線（通常稱(chēng)為三棒）于2014 年 9 月建成投產(chǎn)，主要生產(chǎn)Φ10 mm ～Φ40 mm熱軋帶肋鋼筋及Φ16 mm ～Φ70 mm 的優(yōu)質(zhì)精品圓鋼。三棒加熱爐設(shè)計(jì)中，使用發(fā)熱值為1 800×4.18 kJ/m3（標(biāo)況）的焦?fàn)t /轉(zhuǎn)爐混合煤氣為燃料，投產(chǎn)以來(lái)噸鋼煤氣消耗較高，鋼坯氧化燒損較多，對(duì)鋼材的生產(chǎn)成本影響較大。

1 原加熱爐混合煤氣燃燒控制方法及存在問(wèn)題

河鋼宣鋼三棒加熱爐使用的焦?fàn)t/轉(zhuǎn)爐混合煤氣由煤氣加壓（混氣）站將焦?fàn)t煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣混合加壓以后供給。原三棒正常生產(chǎn)中，為了保證加熱爐的溫度穩(wěn)定，各段燃料燃燒的操作采用半自動(dòng)操作，即通過(guò)給定某一段的燃料流量和空燃比數(shù)值，電腦系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)該段助燃空氣閥門(mén)的開(kāi)度來(lái)控制該段爐溫?；旌厦簹馊紵^(guò)程中空燃比這一關(guān)鍵參數(shù)的選用依靠的是人工，根據(jù)焦?fàn)t/轉(zhuǎn)爐混合煤氣熱值m（單位：kcal）的變化，采用m×（1.05 ～ 1.1）/1 000 的空燃比[6]。

焦?fàn)t/轉(zhuǎn)爐混合煤氣熱值m由煤氣熱值儀給出。熱值儀中的煤氣管道非常細(xì)，直徑約5 mm，而混合煤氣受上道工序的影響，存在很多冶煉粉塵和焦油，在熱值儀燃燒的高溫環(huán)境下，這些雜質(zhì)非常容易凝結(jié)成塊，造成熱值儀煤氣管道堵塞，取樣管道一旦堵塞，就會(huì)出現(xiàn)熱值儀信號(hào)檢測(cè)失真的問(wèn)題，造成煤氣熱值儀給出的混合煤氣熱值數(shù)據(jù)與實(shí)際偏差較大。因此，解決熱值儀故障就成了加熱爐溫度控制中一個(gè)附加的難題。即使在煤氣取樣管道上加裝凈化裝置，使進(jìn)入熱值儀燃燒室的煤氣盡可能純凈，但在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行過(guò)程中仍會(huì)出現(xiàn)過(guò)濾裝置堵塞的問(wèn)題，使熱值儀檢測(cè)失真的問(wèn)題不能得到徹底解決[7]。煤氣熱值儀顯示的煤氣熱值時(shí)常不能作為參考依據(jù)。因此，空燃比這一關(guān)鍵參數(shù)的選用多數(shù)時(shí)候只能由操作人員依靠經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定，難以保證燃料充分合理燃燒。

經(jīng)過(guò)對(duì)其他鋼軋廠軋鋼生產(chǎn)線加熱爐的實(shí)踐考察，采用引入煤氣配比和煙氣殘氧量的混合煤氣燃燒自動(dòng)控制技術(shù)，自動(dòng)確定準(zhǔn)確合理的空燃比參數(shù)，實(shí)現(xiàn)煤氣自動(dòng)燃燒，可以進(jìn)一步降低加熱爐煤氣消耗，從而帶來(lái)較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2 引入煤氣配比和煙氣殘氧量的混合煤氣燃燒自動(dòng)控制技術(shù)

河鋼宣鋼煤氣加壓（混氣）站距三棒加熱爐較遠(yuǎn)，經(jīng)測(cè)算，當(dāng)煤氣加壓（混氣）站后的煤氣壓力在（10±1） kPa 時(shí)，煤氣加壓站供給三棒加熱爐的焦?fàn)t/轉(zhuǎn)爐混合煤氣一般情況下需要18 min左右到達(dá)。因此，預(yù)先將煤氣加壓站輸出給三棒加熱爐的焦?fàn)t煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣配比數(shù)據(jù)傳送到三棒加熱爐控制系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)大約18 min 前預(yù)知的焦?fàn)t/轉(zhuǎn)爐煤氣配比數(shù)據(jù)和焦?fàn)t、轉(zhuǎn)爐煤氣成分，分析計(jì)算出合理的空燃比，提供給植入的自動(dòng)調(diào)節(jié)空氣流量程序，調(diào)節(jié)各段空氣流量助煤氣燃燒。

當(dāng)煙氣中含氧量在1%～3%時(shí)，燃燒正常；含氧量超過(guò)3%為過(guò)氧燃燒，即供入空氣量過(guò)多；含氧量小于1%時(shí)，說(shuō)明空氣量不足，是欠氧燃燒[8]。因此，結(jié)合煤氣燃燒后的煙氣殘氧量對(duì)計(jì)算得出的空燃比進(jìn)行修正，形成一個(gè)混合煤氣自動(dòng)燃燒系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)供給加熱爐各段的混合煤氣合理充分燃燒（如圖1 所示，圖中FF 為煤氣流量、FA為空氣流量）。

圖1 混合煤氣燃燒自動(dòng)控制過(guò)程

2.1 加熱爐控制系統(tǒng)預(yù)知焦?fàn)t/轉(zhuǎn)爐煤氣配比數(shù)據(jù)

將焦?fàn)t煤氣先通過(guò)焦?fàn)t煤氣加壓機(jī)變頻和機(jī)前調(diào)節(jié)閥來(lái)控制混合站前的焦?fàn)t煤氣壓力，使混合站前的焦?fàn)t煤氣壓力控制在（11±1） kPa；轉(zhuǎn)爐煤氣通過(guò)轉(zhuǎn)爐煤氣加壓機(jī)變頻和總出口調(diào)節(jié)閥聯(lián)合調(diào)節(jié)，使得混合站前的轉(zhuǎn)爐煤氣壓力控制在（12±1.2） kPa 或（15±1.5） kPa。混合站混氣控制系統(tǒng)再根據(jù)轉(zhuǎn)爐煤氣和焦?fàn)t煤氣成分計(jì)算出不同熱值下煤氣的混合比，并據(jù)此混合比調(diào)節(jié)傳送給三棒加熱爐的焦?fàn)t煤氣流量和轉(zhuǎn)爐煤氣流量，同時(shí)混合閥調(diào)節(jié)混合站后的煤氣壓力在（10±1） kPa。最后，穩(wěn)定煤氣加壓站再將焦?fàn)t/轉(zhuǎn)爐煤氣配比數(shù)據(jù)傳送到三棒加熱爐，使加熱爐控制系統(tǒng)預(yù)知將要到達(dá)的焦?fàn)t/轉(zhuǎn)爐混合煤氣成分，以便確定合理的空燃比（如圖2 所示）。

圖2 焦?fàn)t轉(zhuǎn)爐煤氣混合、傳送、燃燒流程

2.2 參數(shù)空燃比的確定

根據(jù)煤氣加壓站傳輸來(lái)的焦?fàn)t/轉(zhuǎn)爐混合煤氣配比、混合煤氣成份等數(shù)據(jù)以及各段煤氣用量，計(jì)算出煙氣含氧1%～2.5%理論空氣量（空氣中氧含量定為20.9%）及單組分可燃?xì)怏w所生成煙氣量（單組分可燃?xì)怏w所生成的煙氣量包括反應(yīng)生成物及空氣中未參與反應(yīng)的N2），計(jì)算依據(jù)見(jiàn)表1。

表1 中所需空氣體積之和為混合煤氣燃燒理論空氣量V理（理論空燃比），燃燒產(chǎn)物體積之和為混合煤氣燃燒的理論煙氣量W理，設(shè)實(shí)際空氣量為V實(shí)（實(shí)際空燃比），則增加的空氣量為V實(shí)-V理，增加的氧氣量為（V實(shí)-V理）×20.9%，實(shí)際煙氣量W實(shí)=W理+（V實(shí)-V理）。

煙道含氧量為：

依據(jù)式（1）和式（2）可以計(jì)算出煙氣中含氧1%～2.5%時(shí)的實(shí)際空氣量，但實(shí)際生產(chǎn)中由于各控制儀表等存在誤差，所以乘以修正系數(shù)K（根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行狀況，收集不同運(yùn)行狀況修正系數(shù)，并在今后生產(chǎn)中不斷進(jìn)行修正，以達(dá)到最佳的一系列修正系數(shù)，并建立數(shù)據(jù)庫(kù)），最終達(dá)到煙氣含氧1%～2.5%。這樣的話，只要混合煤氣流量和煤氣配比沒(méi)有發(fā)生變化，煙氣殘氧量在1%～2.5%以?xún)?nèi)，各段空氣流量調(diào)節(jié)閥即可不動(dòng)作，可以避免設(shè)備頻繁動(dòng)作，既有利于保護(hù)設(shè)備，又能保證燃料充分燃燒。

3 混合煤氣燃燒自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用

3.1 調(diào)節(jié)加熱爐爐溫時(shí)空燃比調(diào)節(jié)采用“自動(dòng)”模式

三棒加熱爐正常生產(chǎn)中，調(diào)節(jié)加熱爐爐溫時(shí)采用“自動(dòng)”模式調(diào)節(jié)空燃比。調(diào)節(jié)加熱爐各段爐溫時(shí)，根據(jù)生產(chǎn)軋制節(jié)奏的快慢、爐溫的高低及煤氣熱值情況調(diào)節(jié)各段的煤氣流量，系統(tǒng)自動(dòng)選擇準(zhǔn)確的空燃比數(shù)值，自行調(diào)節(jié)相應(yīng)的空氣流量調(diào)節(jié)閥，使該段總的助燃空氣流量和總的煤氣流量相適應(yīng)。

3.2 合理設(shè)定爐膛壓力

在加熱爐運(yùn)行中，爐膛壓力控制效果的好壞直接關(guān)系到整體的節(jié)能環(huán)保效果，當(dāng)爐內(nèi)為負(fù)壓時(shí)，會(huì)從爐門(mén)及各種孔洞吸入大量的冷空氣，這部分冷空氣相當(dāng)于增加了空氣消耗系數(shù)，導(dǎo)致煙氣量增加，多帶走爐內(nèi)的熱量。據(jù)計(jì)算，當(dāng)爐溫為1 300 ℃，爐膛壓力為-10 Pa 時(shí)，直徑為 100 mm 的孔吸入的冷風(fēng)可造成 130 000 kJ/h 的熱損失[9]。為保證爐膛壓力始終處于一個(gè)相對(duì)較穩(wěn)定的微正壓區(qū)間，以避免冷空氣的吸入與高溫爐氣的外泄，合理設(shè)定爐膛壓力十分必要。

工藝技術(shù)規(guī)程要求“爐壓控制在0 ～50 Pa” ，三棒加熱爐爐壓檢測(cè)點(diǎn)不在爐頂，而在鋼坯上表面位置，實(shí)際應(yīng)用中優(yōu)化為“爐壓控制在2 ～10 Pa”，爐壓自動(dòng)調(diào)節(jié)設(shè)定爐膛壓力為6 ～8 Pa，以鋼坯出爐口稍許冒火為宜，可操作性更強(qiáng)。這樣既減少了爐口的熱損失，又保證了鋼坯通條的溫度均勻。

3.3 系統(tǒng)保護(hù)優(yōu)化措施

在PLC 系統(tǒng)中，對(duì)其煤氣總管與空氣總管作出相應(yīng)設(shè)定，即假如煤氣總管壓力值小于2.0 kPa，或空氣總管壓力值小于2.0 kPa 時(shí)，該P(yáng)LC 控制系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)將其煤氣總管的快速切斷閥切斷，加熱爐自動(dòng)停爐。而且該控制系統(tǒng)還有配套的UPS供電系統(tǒng)，即使是在缺乏動(dòng)力電源的情況下，該系統(tǒng)也可以保證加熱爐安全運(yùn)行，滿足安全生產(chǎn)保護(hù)的需求。

4 混合煤氣燃燒自動(dòng)控制技術(shù)使用效果

加熱爐引入煤氣配比和煙氣殘氧量的混合煤氣燃燒自動(dòng)控制技術(shù)改造并投入使用以后，該控制系統(tǒng)整體運(yùn)行平穩(wěn)，降低了煤氣消耗，節(jié)能率達(dá)到8.20%～11.56%。加熱爐的排煙溫度及氧含量能夠達(dá)到預(yù)期目的，爐內(nèi)的鋼坯整體受熱也比較均勻，其加熱的能力有所提高，提高了加熱爐的利用率，延長(zhǎng)了其使用壽命，減少了鋼坯的氧化燒損，大大提升了成品鋼材的質(zhì)量與產(chǎn)量。

5 結(jié)語(yǔ)

加熱爐引入煤氣配比和煙氣殘氧量的混合煤氣燃燒自動(dòng)控制技術(shù)既實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗，又可以減少加熱爐操作人員的工作量，減少了廢氣排放，有利于環(huán)境保護(hù)和空氣質(zhì)量的改善。