基于煤气配比和残氧量的加热炉燃烧控制实践

2020-10-21杨迎君章光杲

河南冶金 2020年4期

杨迎君章光杲

（河钢宣化钢铁集团有限责任公司）

0 引言

目前，我国的资源和环境问题日益突出，迫切要求高能耗行业全面推行节能减排技术[1]。冶金行业轧钢系统中的能耗大户是加热炉，其能耗约占轧钢生产能耗的70%[2]。加热炉作为轧钢生产的一个环节，也有很多技术亟待改进和提升，如加热炉中的燃烧控制。燃烧控制是加热炉自动化控制中的重要部分，而燃烧控制的关键是准确的空燃比控制[3]。选用准确合理的空燃比[4-5]（空气流量和煤气流量之比值）组织燃料燃烧，对于提高烧嘴火焰温度，保证钢坯加热质量良好，降低煤气消耗，减少钢坯氧化烧损有着重要的意义。

河钢宣钢新棒材生产线（通常称为三棒）于2014 年 9 月建成投产，主要生产Φ10 mm ～Φ40 mm热轧带肋钢筋及Φ16 mm ～Φ70 mm 的优质精品圆钢。三棒加热炉设计中，使用发热值为1 800×4.18 kJ/m3（标况）的焦炉 /转炉混合煤气为燃料，投产以来吨钢煤气消耗较高，钢坯氧化烧损较多，对钢材的生产成本影响较大。

1 原加热炉混合煤气燃烧控制方法及存在问题

河钢宣钢三棒加热炉使用的焦炉/转炉混合煤气由煤气加压（混气）站将焦炉煤气、转炉煤气混合加压以后供给。原三棒正常生产中，为了保证加热炉的温度稳定，各段燃料燃烧的操作采用半自动操作，即通过给定某一段的燃料流量和空燃比数值，电脑系统自动调节该段助燃空气阀门的开度来控制该段炉温。混合煤气燃烧过程中空燃比这一关键参数的选用依靠的是人工，根据焦炉/转炉混合煤气热值m（单位：kcal）的变化，采用m×（1.05 ～ 1.1）/1 000 的空燃比[6]。

焦炉/转炉混合煤气热值m由煤气热值仪给出。热值仪中的煤气管道非常细，直径约5 mm，而混合煤气受上道工序的影响，存在很多冶炼粉尘和焦油，在热值仪燃烧的高温环境下，这些杂质非常容易凝结成块，造成热值仪煤气管道堵塞，取样管道一旦堵塞，就会出现热值仪信号检测失真的问题，造成煤气热值仪给出的混合煤气热值数据与实际偏差较大。因此，解决热值仪故障就成了加热炉温度控制中一个附加的难题。即使在煤气取样管道上加装净化装置，使进入热值仪燃烧室的煤气尽可能纯净，但在长时间的运行过程中仍会出现过滤装置堵塞的问题，使热值仪检测失真的问题不能得到彻底解决[7]。煤气热值仪显示的煤气热值时常不能作为参考依据。因此，空燃比这一关键参数的选用多数时候只能由操作人员依靠经验来确定，难以保证燃料充分合理燃烧。

经过对其他钢轧厂轧钢生产线加热炉的实践考察，采用引入煤气配比和烟气残氧量的混合煤气燃烧自动控制技术，自动确定准确合理的空燃比参数，实现煤气自动燃烧，可以进一步降低加热炉煤气消耗，从而带来较好的经济效益和社会效益。

2 引入煤气配比和烟气残氧量的混合煤气燃烧自动控制技术

河钢宣钢煤气加压（混气）站距三棒加热炉较远，经测算，当煤气加压（混气）站后的煤气压力在（10±1） kPa 时，煤气加压站供给三棒加热炉的焦炉/转炉混合煤气一般情况下需要18 min左右到达。因此，预先将煤气加压站输出给三棒加热炉的焦炉煤气和转炉煤气配比数据传送到三棒加热炉控制系统，系统根据大约18 min 前预知的焦炉/转炉煤气配比数据和焦炉、转炉煤气成分，分析计算出合理的空燃比，提供给植入的自动调节空气流量程序，调节各段空气流量助煤气燃烧。

当烟气中含氧量在1%～3%时，燃烧正常；含氧量超过3%为过氧燃烧，即供入空气量过多；含氧量小于1%时，说明空气量不足，是欠氧燃烧[8]。因此，结合煤气燃烧后的烟气残氧量对计算得出的空燃比进行修正，形成一个混合煤气自动燃烧系统，实现供给加热炉各段的混合煤气合理充分燃烧（如图1 所示，图中FF 为煤气流量、FA为空气流量）。

图1 混合煤气燃烧自动控制过程

2.1 加热炉控制系统预知焦炉/转炉煤气配比数据

将焦炉煤气先通过焦炉煤气加压机变频和机前调节阀来控制混合站前的焦炉煤气压力，使混合站前的焦炉煤气压力控制在（11±1） kPa；转炉煤气通过转炉煤气加压机变频和总出口调节阀联合调节，使得混合站前的转炉煤气压力控制在（12±1.2） kPa 或（15±1.5） kPa。混合站混气控制系统再根据转炉煤气和焦炉煤气成分计算出不同热值下煤气的混合比，并据此混合比调节传送给三棒加热炉的焦炉煤气流量和转炉煤气流量，同时混合阀调节混合站后的煤气压力在（10±1） kPa。最后，稳定煤气加压站再将焦炉/转炉煤气配比数据传送到三棒加热炉，使加热炉控制系统预知将要到达的焦炉/转炉混合煤气成分，以便确定合理的空燃比（如图2 所示）。

图2 焦炉转炉煤气混合、传送、燃烧流程

2.2 参数空燃比的确定

根据煤气加压站传输来的焦炉/转炉混合煤气配比、混合煤气成份等数据以及各段煤气用量，计算出烟气含氧1%～2.5%理论空气量（空气中氧含量定为20.9%）及单组分可燃气体所生成烟气量（单组分可燃气体所生成的烟气量包括反应生成物及空气中未参与反应的N2），计算依据见表1。

表1 中所需空气体积之和为混合煤气燃烧理论空气量V理（理论空燃比），燃烧产物体积之和为混合煤气燃烧的理论烟气量W理，设实际空气量为V实（实际空燃比），则增加的空气量为V实-V理，增加的氧气量为（V实-V理）×20.9%，实际烟气量W实=W理+（V实-V理）。

烟道含氧量为：

依据式（1）和式（2）可以计算出烟气中含氧1%～2.5%时的实际空气量，但实际生产中由于各控制仪表等存在误差，所以乘以修正系数K（根据实际生产运行状况，收集不同运行状况修正系数，并在今后生产中不断进行修正，以达到最佳的一系列修正系数，并建立数据库），最终达到烟气含氧1%～2.5%。这样的话，只要混合煤气流量和煤气配比没有发生变化，烟气残氧量在1%～2.5%以内，各段空气流量调节阀即可不动作，可以避免设备频繁动作，既有利于保护设备，又能保证燃料充分燃烧。

3 混合煤气燃烧自动控制技术的应用

3.1 调节加热炉炉温时空燃比调节采用“自动”模式

三棒加热炉正常生产中，调节加热炉炉温时采用“自动”模式调节空燃比。调节加热炉各段炉温时，根据生产轧制节奏的快慢、炉温的高低及煤气热值情况调节各段的煤气流量，系统自动选择准确的空燃比数值，自行调节相应的空气流量调节阀，使该段总的助燃空气流量和总的煤气流量相适应。

3.2 合理设定炉膛压力

在加热炉运行中，炉膛压力控制效果的好坏直接关系到整体的节能环保效果，当炉内为负压时，会从炉门及各种孔洞吸入大量的冷空气，这部分冷空气相当于增加了空气消耗系数，导致烟气量增加，多带走炉内的热量。据计算，当炉温为1 300 ℃，炉膛压力为-10 Pa 时，直径为 100 mm 的孔吸入的冷风可造成 130 000 kJ/h 的热损失[9]。为保证炉膛压力始终处于一个相对较稳定的微正压区间，以避免冷空气的吸入与高温炉气的外泄，合理设定炉膛压力十分必要。

工艺技术规程要求“炉压控制在0 ～50 Pa” ，三棒加热炉炉压检测点不在炉顶，而在钢坯上表面位置，实际应用中优化为“炉压控制在2 ～10 Pa”，炉压自动调节设定炉膛压力为6 ～8 Pa，以钢坯出炉口稍许冒火为宜，可操作性更强。这样既减少了炉口的热损失，又保证了钢坯通条的温度均匀。

3.3 系统保护优化措施

在PLC 系统中，对其煤气总管与空气总管作出相应设定，即假如煤气总管压力值小于2.0 kPa，或空气总管压力值小于2.0 kPa 时，该PLC 控制系统就会自动将其煤气总管的快速切断阀切断，加热炉自动停炉。而且该控制系统还有配套的UPS供电系统，即使是在缺乏动力电源的情况下，该系统也可以保证加热炉安全运行，满足安全生产保护的需求。

4 混合煤气燃烧自动控制技术使用效果

加热炉引入煤气配比和烟气残氧量的混合煤气燃烧自动控制技术改造并投入使用以后，该控制系统整体运行平稳，降低了煤气消耗，节能率达到8.20%～11.56%。加热炉的排烟温度及氧含量能够达到预期目的，炉内的钢坯整体受热也比较均匀，其加热的能力有所提高，提高了加热炉的利用率，延长了其使用寿命，减少了钢坯的氧化烧损，大大提升了成品钢材的质量与产量。