热风炉优化燃烧设计与研究

高亚东 周林

摘  要：针对热风炉燃烧过程中存在的问题，提出优化控制策略，根据不同燃烧阶段，控制空燃比和煤气量给定，以达到优化燃烧，节约能源的目的。

关键词：优化;空燃比;目标温度;优先

中图分类号：TP273  文献标识码：A    文章编号：1671-2064（2020）03-0000-00

0 引言

热风炉由耐火材料砌筑而成，可承受极高的温度和温度变化，在热风炉燃烧期，高炉煤气和助燃空气在燃烧室内燃烧。燃烧废气通过拱顶后进入蓄热室格子砖，热量传递给格子砖，当拱侧温度和废气温度达到规定值后，燃烧期停止，废气由烟囱排入大气。热风炉准备向高炉提供热风，即进入送风期。在送风期，冷风以相反的方向吹入格子砖。空气被加热，离开热风炉成为热风，热风经热风主管、支管、围管进入高炉。

热风炉作为高炉辅助设备，其煤气消耗约占高炉煤气的40%，其技术水平的高低对钢铁生产综合能耗影响很大，提高高炉热风炉本身的燃烧效率，可降低燃料消耗，也可获得很大的直接经济效益。所以，提高热风炉燃烧效率及送风温度已经被视为降低高炉炼铁能耗、提高高炉炼铁产量的主要措施之一。

1 控制方法概述

热风炉优化算法将燃烧分为三个阶段：加热升温管理期，拱顶温度管理期和废气温度管理期。

以1780M 高炉热风炉为研究对象，热风系统包含3个热风炉，一送两烧，送风温度一般为1260度，尾气温度一般为390度，全部采用高炉煤气，热值3400kJ/Nm3以上，燃烧时间一般设定为108分钟。烧炉时间分为两个阶段，前一阶段一般设定为20分钟，在20（根据实际热风炉情况可调节）分钟内将拱顶温度烧到目标温度。剩余时间在保持拱顶温度波动不大的情况下以尾气温度上升速度为目标，使尾气温度稳步上升。尾气温度到达目标温度后降低煤气，空气量。在整个燃烧过程中如拱顶温度或尾气温度超过高报警值则加大空气量，实时检测温度变化率，当拱温度开始下降时，降低空气量。当温度到达目标温度附近时（可设定具体值，根据炉子工况调节）冷风量停止下降，保持当时值。当温度在报警值以下稳步上升时，根据煤气量计算空气量，通过尾气氧含量对空气量进行修正，以达到在控制拱顶温度和尾氣温度的前提下达到最佳燃烧效果。

1.1 加热升温管理期

1.1.1 温度上升曲线的设定

加热升温管理期以升温速度为目标量，通过PID调节控制煤气的给定。分为两个阶段，第一阶段以 △t =1.5*（T2-T1）/t1 的速度升温。

T1：热风炉送完风开始燃烧时拱顶温度。

T2：拱顶目标温度。

t1：烧到拱顶温度的时间设定。

当温度升到 T1+（T2-T1）/2 时，记下此时所经历的时间t2，此时升温目标曲线改为 T=（T2-T1）*（t-t1）2/（t1-t2）2 +T2。

T：从换炉开始燃烧所经历的时间。

T：拱顶温度在t时的理论值。

此时以 △t={（T2-T1）*[（t+1）-t1）]2/（t1-t2）2+T2  }-[（T2-T1）*（t-t1）2/（t1-t2）2 +T2]。的升温速度为目标量控制煤气量。如果在t1之前达到目标温度，则按 2.2 拱顶温度管理期的控制方法控制，如在t1时还未达到拱顶设定温度则将t1延长5分钟（可设定），形成新的升温曲线。T=（T2-T1）*[t-（t1+5）]2/（t1-t2）2 +T2  如在5分钟内达到设定温度则按 2.2 拱顶温度管理期的控制方法控制，如还未达到则t1继续延长。

1.1.2 煤气的流量的计算

以拱顶温度理论上升速度△t为目标值，以实际温度上升速度△t'为温度上升速度反馈值对煤气流量的需求量通过PID模块进行计算，由于温度上升到T=T1+（T2-T1）/2 时，温度上升曲线改为抛物线，△t的值越来越小，此时需改变增大P值以适应调节需要。由于温度越高在同样煤气量的情况下温度上升也越来越慢，可与△t的值越来越小相抵消，P值的增大量需现场测试决定。

1.1.3 空气流量的计算

在温度上升器使空燃比最佳，使得合理的利用燃料，节省时间与燃料成本。根据高炉煤气中一氧化碳含量和一氧化碳和氧气化学反应公式2CO+O2=2C02 ，空气中的氧含量，通过PID计算出煤气的给定量计算空气的给定量。如高炉煤气一氧化碳含量为a%，流量为f;空气氧含量为21%，则空气需求量为：F=2×f×a%/21%，计算出的空气流量。开始燃烧时以公式F=2×f×a%/21%计算的空气量进行燃烧，3分钟后（可手动改变），可选择通过氧化锆反馈氧含量调节空燃比还是按固定比例燃烧。

烟气中氧含量如果偏低，说明热风炉内的氧气已基本耗尽，煤气过剩，燃烧可能不够充分，可适当提高空燃比加大助燃空气的供给量。如果氧含量偏高，说明炉内氧气过剩，多余的空气会带走大量的热量，燃烧效率不高，可适当降低空燃比，减少助燃空气的供给量，以提高燃烧效率。如选择自动调节，按尾气氧含量改变空燃比。取烟气氧含量0.6%作为控制目标，并把0.4%～0.8%作为稳态控制区间，在此区间内不进行控制调节。当烟气残氧体积含量大于0.8%时，用下式调节空燃比：

bk=[Vk-（x-0.6）×Vy/0.21]/Vm

bk：空燃比;x废气中氧含量;Vy烟气流量（m3/h）;Vm：煤气流量（m3/h），Vk：空气流量（m3/h）

当当烟气残氧体积含量小于0.4%时，用下式调节空燃比：

bk=[Vk+（0.6-x）×Vy/0.21]/Vm。

1.2  拱顶温度管理期

在这一时期拱顶温度已达到工艺要求，主要关注废气的温度，通过PID控制煤气给定（控制原理如下图1）调节实际溫度上升值和理论温度上升值得偏差，废弃温度上升速度小于设定值时，煤气流量空气流量按照空燃比增加;废气温度上升速度大于理论值时，按空燃比减小煤气、空气量。

在加热炉升温管理期内，记录拱顶温度上升率为零时的煤气流量Q，作为此过程中煤气流量上限，在此过程中以废气温度上升率△t目标值，控制煤气流量给定。

△t=（T2-T1）/（t2-t1）

T2为尾气目标温度，T1为拱顶温度到达目标温度时尾气温度，t2为热风炉整个燃烧时间，t1为拱顶温度达到设定值时所经历的时间。在废气温度到达废气管理温度后，转入废气温度管理期。

1.2.1 拱顶温度超过设定时的控制方法

在燃烧过程中，如果拱顶温度超过设定温度，空气的流量控制不受空然比的限制，根据测的温度和设定温度的差值△t1计算空气的增量，以达到稳步降温的目的。

温度增长值每30秒测一次。[△t1'，△t2'，△t3'，△t4'，△t5'，△t6'，△t7'，△t8'，△t9'，△t10']，△Q为△t对应的空气流量增量， [△Q1'，△Q2'，△Q3'，△Q3'，△Q4'，△Q5'，△Q6'，△Q7'，△Q8'，△Q9'，△Q10']。以拱顶温度超过设定值时的空气流量值为基数，加△Q'作为空气阀门调节给定，当拱顶温度降到T+△t1'，过1分钟后投入氧化锆空燃比闭环控制。

1.2.2 当拱顶温度低于设定值时的控制方法

如果温度下降幅度大，可切换为手动操作，按固定空燃比加大煤气空气量，接近目标温度后切换为自动燃烧。当拱顶温度下降不大时，以拱顶设定温度为目标值对煤气流量进行调节。

1.2.3 拱顶温度在设定范围内尾气氧含量的调节

拱顶温度波动在 [T-△t1' ，T+△t1'] 范围内时，以尾气上升速度△t为目标控制煤气流量。在投入氧化锆自动控制空燃比的情况下将烟气氧含量控制在0.4%～1.0%，以0.6%为目标值。加大空气量以利于尾气温度上升。

助燃风量调节方法：

当烟气残氧体积含量大于0.6%时，用下式调节空燃比：

bk=[Vk-（x-0.6）*Vy/0.21]/Vm

bk：空燃比;x废气中氧含量;Vy烟气流量（m3/h）;Vm：煤气流量（m3/h），Vk：空气流量（m3/h）

当当烟气残氧体积含量小于0.6%时，用下式调节空燃比：

bk=[Vk+（0.6 -x）*Vy/0.21]/Vm

当拱顶温度低于T-△t1'时转为拱顶温度T为目标值控制煤气流量，如T大于T-△t1'时用1.2.1 中方法对拱顶温度进行降温。

1.3 废气温度管理期

在保证拱顶温度的前提下，应尽量加大空气流量，获取更多的烟气，增大热风炉的蓄热量;尾气温度、拱顶温度同时控制，当拱顶温度有波动时优先控制拱顶温度，只有保证拱顶温度，蓄热量才有保证。

当在设定的烧炉时间前达到尾气的设定温度，并有上升趋势则发出报警，提醒操作工关闭煤气，空气阀门，进入闷炉状态;如刚好达到尾气设定温度或低于设定温度则关闭空气，煤气阀门等待送风。

2 送入高炉热风的温度控制

为保证送入高炉热风温度，由高炉本体控制热风炉混风阀。采用两支热偶采集热风温度，取其高值做为目标值，控制混风调节阀，混入冷风，来控制热风温度。以热风温度、混风调节阀共同组成PID调节系统。

3 结论

根据蓄热式热风炉的特点，以控制拱顶温度为主，在不同阶段用不同的控制策略，兼顾能源节约和工艺设备要求，控制思路清晰，方法简单可靠，可实现高炉热风炉的烧炉全自动优化控制，在实现提高送风温度的同时可降低煤气消耗，可以为企业带来可观的经济效益和良好的社会效益，具有很好的推广价值。

收稿日期：2019-12-22

作者简介：高亚东（1982—），男，山东济宁人，本科，机电工程师，研究方向：冶金自动化。