楊昌峰

（中天鋼鐵集團(tuán)有限公司，江蘇常州 213011）

激光氣體分析儀在加熱爐燃燒控制中的應(yīng)用

楊昌峰

（中天鋼鐵集團(tuán)有限公司，江蘇常州 213011）

重點(diǎn)介紹激光氣體分析儀在加熱爐燃燒工藝控制中的應(yīng)用。根據(jù)氣體濃度的數(shù)值，結(jié)合模型計(jì)算及工藝要求實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱爐的煤氣和控制流量的精準(zhǔn)控制，從而確保煤氣的節(jié)約化和鋼坯表面氧化燒損的最小化，實(shí)現(xiàn)減少環(huán)境污染、提高成材率的目的。中鋼公司在加熱爐控制中首次使用激光氣體分析儀，并對(duì)使用前后作了詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析，通過(guò)數(shù)據(jù)比較證明了激光氣體分析系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。

加熱爐 優(yōu)化燃燒激 光氣體分析儀 CO 氧氣 氧化燒損

隨著國(guó)內(nèi)鋼鐵市場(chǎng)的嚴(yán)重飽和與鋼鐵企業(yè)虧損面的加大，史上最嚴(yán)的環(huán)保指標(biāo)相繼出臺(tái)，因而如何既能提高經(jīng)濟(jì)效益又能減少環(huán)境污染就成為鋼鐵企業(yè)面臨的一個(gè)難題。對(duì)于軋鋼企業(yè)來(lái)說(shuō)，加熱爐的能耗占總工序能耗的比例＞70%，且加熱燒損嚴(yán)重制約了成材率的提高，另外加熱爐是軋鋼廠唯一的空氣污染源，因此如何實(shí)現(xiàn)減少因加熱爐帶來(lái)的環(huán)境污染和降低生產(chǎn)成本是各個(gè)鋼鐵企業(yè)目前關(guān)注的重點(diǎn)。激光氣體分析法是目前最先進(jìn)的氣體含量分析方法[1-3]，激光氣體分析儀能夠準(zhǔn)確測(cè)量出爐膛內(nèi)各種氣體的具體濃度，將其運(yùn)用在加熱爐燃燒工藝控制中，能夠?yàn)檐堜搹S控制污染提供技術(shù)支撐。

1 系統(tǒng)分析

要達(dá)到節(jié)能減排和提高經(jīng)濟(jì)效益的目的，可以從降低煤氣消耗、確保煤氣充分燃燒、降低氧化燒損三個(gè)方面進(jìn)行控制，這三個(gè)方面是一個(gè)有機(jī)的整體。

在軋鋼生產(chǎn)過(guò)程中，加熱爐將鋼坯加熱，再經(jīng)軋機(jī)軋制成所需規(guī)格的產(chǎn)品。在加熱爐加熱過(guò)程中，高溫下鋼坯不可避免地要與進(jìn)爐空氣中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生氧化鐵皮造成燒損，而且降低成材率，氧氣越多，產(chǎn)生的燒損就越多。當(dāng)氧氣濃度偏低時(shí)，煤氣濃度偏大，這時(shí)煤氣無(wú)法充分燃燒，造成煤氣浪費(fèi)并且使得沒(méi)有燃燒充分的煤氣直接排放造成了空氣污染。

根據(jù)加熱爐工藝，鋼坯主要是在加熱段和均熱段得到加熱，兩段雖然結(jié)構(gòu)類(lèi)似，但空氣過(guò)剩系數(shù)不同。加熱段空氣過(guò)剩系數(shù)要適當(dāng)大一些，使加熱段處于弱氧化氣氛中；均熱段空氣過(guò)剩系數(shù)要適當(dāng)小一些，使均熱段處在還原氣氛中。因此，保持爐內(nèi)氣氛為最優(yōu)的空燃比狀態(tài)，既可保證煤氣充分燃燒，又可確保氧化燒損達(dá)到最低程度。

中天鋼鐵集團(tuán)有限公司（全文簡(jiǎn)稱(chēng)中鋼公司）軋鋼廠主要采用高爐煤氣作為燃料，高爐煤氣的主要成分是CO、CO2、N2、H2、CH4，其中CO是主要的可燃成分。若實(shí)現(xiàn)減排和增效的目標(biāo)，前提是掌握這些成分的量，以往的經(jīng)驗(yàn)是根據(jù)空氣和燃?xì)獾牧髁?，采用一個(gè)合適的空燃比予以調(diào)節(jié)，但是由于條件有限，很多孔板流量計(jì)的前后直管距離達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，同時(shí)孔板流量計(jì)經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間使用后出現(xiàn)銹蝕、堵塞、泄漏等情況導(dǎo)致對(duì)流量的計(jì)量不準(zhǔn)確，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒的準(zhǔn)確控制。

1.1 氣體檢測(cè)方法的選擇

如何才能掌握爐內(nèi)氣氛的組成，成為燃燒精準(zhǔn)控制的關(guān)鍵。通過(guò)實(shí)時(shí)掌握爐內(nèi)氧氣和CO的含量以及二者合適的比值，對(duì)爐內(nèi)氣氛進(jìn)行嚴(yán)格的控制。根據(jù)目前掌握的知識(shí)，對(duì)于爐內(nèi)的氣氛控制主要通過(guò)觀察爐火的顏色、氧化鋯檢測(cè)、激光檢測(cè)等手段。其中爐火觀察需要經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)人員完成，個(gè)人主觀的因素較多，并且無(wú)法做到實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。氧化鋯和激光檢測(cè)比較如下頁(yè)表1所示。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)比較，中鋼公司選擇了激光氣體分析儀進(jìn)行氣體檢測(cè)。

1.2 激光氣體分析儀的安裝

此加熱爐為180 t/h的推鋼式加熱爐，主要產(chǎn)品為螺紋鋼，爐齡超過(guò)10年。中鋼公司利用加熱爐大修機(jī)會(huì)布設(shè)并安裝了各類(lèi)管路。在這個(gè)加熱爐上面安裝了三套氧氣和CO含量激光氣體分析儀，分別安裝在一加熱段、二加熱段及均熱段用于檢測(cè)爐內(nèi)的氣體成分，具體安裝位置如圖1所示。單個(gè)氣體檢測(cè)元器件安裝示意圖如2所示。

表1 氧化鋯和激光檢測(cè)比較

圖1 激光氣體分析儀安裝位置

圖2 單個(gè)氣體檢測(cè)元器件安裝示意圖

1.3 激光氣體分析儀工作原理

如圖3所示，每一套檢測(cè)器由發(fā)射端、接收端以及數(shù)據(jù)處理變送器組成，發(fā)射端發(fā)射出分別能被CO和氧氣分子“選頻”吸收的特定波長(zhǎng)的激光束，當(dāng)激光束穿過(guò)被測(cè)氣體時(shí)，激光強(qiáng)度由于氣體吸收而衰減，此衰減值與被測(cè)氣體的濃度成一定的函數(shù)關(guān)系，因此通過(guò)對(duì)衰減后的激光強(qiáng)度信息進(jìn)行檢測(cè)就可以獲得爐內(nèi)被測(cè)氣體的濃度。

圖3 激光氣體分析儀工作原理示意圖

1.4 激光氣體分析儀必須滿(mǎn)足的幾個(gè)特點(diǎn)

1）不受背景氣體交叉干擾。由于爐內(nèi)氣體比較復(fù)雜并且有很大的不穩(wěn)定性，所以必須保證激光氣體分析儀頻率調(diào)制掃描范圍僅包含被測(cè)氣體單吸收譜線(xiàn)。

2）不受儀表視窗污染及爐內(nèi)粉塵濃度變化干擾。在換向時(shí)，容易導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)氣體粉塵濃度變化；長(zhǎng)時(shí)間使用后，也會(huì)導(dǎo)致儀表視窗的污染。因此，激光氣體分析儀應(yīng)該具有過(guò)濾由于粉塵及透光率變化導(dǎo)致的誤差檢測(cè)數(shù)據(jù)的功能。此套檢測(cè)裝置過(guò)濾此類(lèi)干擾的方法是通過(guò)另外一組光束對(duì)此類(lèi)干擾源的檢測(cè)，通過(guò)特定的運(yùn)算過(guò)濾干擾源對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。

3）不受被測(cè)氣體環(huán)境參數(shù)變化干擾。檢測(cè)的結(jié)果必須能夠直觀體現(xiàn)實(shí)際的爐內(nèi)氣氛含量，與爐內(nèi)所處的溫度無(wú)關(guān)，即使檢測(cè)結(jié)果受溫度影響，也能通過(guò)計(jì)算補(bǔ)償。

2 控制思路

爐內(nèi)燃燒狀態(tài)受煤氣熱值波動(dòng)、流量計(jì)量誤差、閥門(mén)開(kāi)度誤差、氣體的泄漏、排煙速度以及操作工技術(shù)水平等因素影響而發(fā)生偏離，尤其是對(duì)于使用年限較長(zhǎng)、現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境比較惡劣的推鋼式加熱爐。在沒(méi)有氣體濃度檢測(cè)的前提下對(duì)爐內(nèi)的氣氛控制主要是通過(guò)調(diào)節(jié)每一段的空氣和煤氣流量比值實(shí)現(xiàn)，這個(gè)比值的理論最優(yōu)化數(shù)值是0.7～0.8。此數(shù)值是基于各類(lèi)流量監(jiān)測(cè)儀表測(cè)量準(zhǔn)確的前提下的，若以上各類(lèi)前提條件發(fā)生變化后，此經(jīng)驗(yàn)數(shù)值就不存在意義。同時(shí)有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員能夠通過(guò)觀察爐內(nèi)的火焰顏色來(lái)確定爐內(nèi)空煤氣含量。例如：火焰顏色略為渾濁，表明爐內(nèi)氣氛比較好；若火焰顏色太清晰，則表明爐內(nèi)過(guò)氧。只有爐內(nèi)氣氛處于略缺氧的狀態(tài)下，才能減少燒損。沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的操作工僅僅通過(guò)爐溫來(lái)調(diào)節(jié)，最終造成的結(jié)果可能就是加重空氣污染及燒損增加。通過(guò)對(duì)爐內(nèi)氣氛監(jiān)控、燃燒狀態(tài)檢測(cè)、動(dòng)態(tài)尋優(yōu)、優(yōu)化調(diào)整，可以提高最佳燃燒狀態(tài)命中率，達(dá)到節(jié)省煤氣和減少鋼坯表面的氧化燒損的目的。

利用氣體分析儀對(duì)爐內(nèi)氣氛進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)于檢測(cè)結(jié)果通過(guò)PLC進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的效果。具體的控制思路如圖4所示。

圖4 激光氣體分析儀控制思路

加熱爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)根據(jù)激光燃料分析儀反饋的當(dāng)前氧氣和CO含量判斷燃燒偏離狀態(tài)。將當(dāng)前反饋的氧氣、CO含量與設(shè)定的氧氣、CO含量進(jìn)行比較，并通過(guò)PID增量調(diào)節(jié)方式調(diào)整空氣流量（即優(yōu)化空燃比），使得爐內(nèi)殘氧濃度達(dá)到目標(biāo)值并趨于穩(wěn)定。對(duì)煤氣的控制仍然按照原先的思路調(diào)節(jié)，根據(jù)要求對(duì)爐內(nèi)溫度需要進(jìn)行自動(dòng)或手動(dòng)控制。在通過(guò)煤氣流量控制加熱溫度的基礎(chǔ)上，增加殘氧自動(dòng)控制系統(tǒng)。

3 實(shí)際控制方法

經(jīng)過(guò)對(duì)加熱爐狀況數(shù)據(jù)具體分析以及對(duì)相關(guān)加熱爐調(diào)控?cái)?shù)據(jù)綜合比較，初步制定爐內(nèi)氣氛比較合理的一個(gè)數(shù)據(jù)，即O2及CO的體積分?jǐn)?shù)分別為：一加熱段2.50%與4 000×10-6，二加熱段1.80%與4 500×10-6，均熱段0.50%與7 800×10-6。通過(guò)對(duì)爐內(nèi)氣氛的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，對(duì)不在有效范圍的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整的方法是調(diào)節(jié)煤氣和空氣的調(diào)節(jié)閥的開(kāi)口度，實(shí)現(xiàn)對(duì)其流量的控制。為了避免因震蕩及頻繁動(dòng)作造成的閥門(mén)損壞，結(jié)合理論計(jì)算預(yù)留了開(kāi)口度閾值空間：一加熱段1.8%～3.5%、二加熱段1.0%～2.6%、均熱段0.3%～0.8%。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的摸索及對(duì)加熱爐火焰的觀察，最終確定了合理的開(kāi)口度閾值區(qū)間范圍：一加熱段1.0%～2.5%、二加熱段0.5%～1.5%、均熱段0.3%～0.5%。對(duì)此系統(tǒng)投入前和投入后的鋼坯表面的氧化燒損進(jìn)行了測(cè)試，經(jīng)過(guò)測(cè)試得到的結(jié)果是效果比較明顯。

4 實(shí)際控制過(guò)程

激光分析儀檢測(cè)出實(shí)際氧濃度，PLC根據(jù)預(yù)先設(shè)定的每段最優(yōu)氧含量與此數(shù)值進(jìn)行比較，同時(shí)參考當(dāng)前CO濃度的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化控制運(yùn)算，最終的結(jié)果直接作用到每一段的煤氣和空氣調(diào)節(jié)閥。若此時(shí)加熱爐燃燒控制處于自動(dòng)模式，則將此計(jì)算的調(diào)節(jié)值作為附加值給定到主控系統(tǒng)；若加熱爐燃燒控制處于手動(dòng)模式，則直接操作調(diào)節(jié)閥，同時(shí)為了確保爐壓穩(wěn)定，在對(duì)調(diào)節(jié)閥操作的同時(shí)也要對(duì)引風(fēng)機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)的閥門(mén)進(jìn)行調(diào)節(jié)。在此調(diào)節(jié)過(guò)程中，主要以調(diào)節(jié)空氣流量為主，為了避免調(diào)節(jié)過(guò)程中出現(xiàn)段內(nèi)甚至是三段間相互干擾震蕩，必須對(duì)比例值和調(diào)節(jié)周期進(jìn)行多次調(diào)試從而達(dá)到理想的效果。在對(duì)空氣流量調(diào)節(jié)控制的前提下，對(duì)煤氣流量也要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，但是此調(diào)節(jié)范圍應(yīng)較小，避免和空氣調(diào)節(jié)發(fā)生共震反應(yīng)。

上位機(jī)畫(huà)面可以對(duì)每一段的CO和氧氣的控制方式進(jìn)行選擇，可以分別選擇自動(dòng)和手動(dòng)模式，以便在檢修、待溫、快速升溫等情況下進(jìn)行人工干預(yù)。

5 性能測(cè)試方法及數(shù)據(jù)

采用規(guī)格為150 mm×150 mm×50 mm的標(biāo)準(zhǔn)試塊，中間開(kāi)Φ40 mm的圓孔，鋼種為400C。對(duì)測(cè)試時(shí)機(jī)的選擇需注意幾點(diǎn)：同一組操作工；生產(chǎn)節(jié)奏穩(wěn)定；軋制規(guī)格為Φ16 mm的螺紋鋼且鋼種為400C；入爐鋼坯為熱送狀態(tài)。

對(duì)每一塊試塊分別編號(hào)，并記錄其測(cè)試前后的體積和質(zhì)量、在爐時(shí)間、每一段溫度、CO和O2的濃度，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。共計(jì)測(cè)試了3次，每次測(cè)試100塊試塊。第一次測(cè)試作為試驗(yàn)處理，第二次測(cè)試為按照常規(guī)方法對(duì)加熱爐進(jìn)行工藝控制，第三次測(cè)試為采用激光氣體分析儀的優(yōu)化燃燒。每次測(cè)試分為10個(gè)批次，每個(gè)批次為10個(gè)試塊。由于過(guò)程中分別有一個(gè)批次數(shù)據(jù)不具有普遍性，因此最終分別比較了9組數(shù)據(jù)，最終比較的結(jié)果如圖5所示。

圖5 激光氣體分析儀系統(tǒng)投入前后的燒損數(shù)據(jù)比較

結(jié)合圖5可知，雖然前后的燒損都有超過(guò)0.4%的波動(dòng)，但是從整體上來(lái)說(shuō)，投入激光氣體分析儀系統(tǒng)對(duì)優(yōu)化燃燒起到了一定的作用。

6 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)分析可知，儀表投入前試塊平均燒損率為1.246%，投入后試塊平均燒損率為0.982%，燒損降低超過(guò)0.2%。在不考慮節(jié)省煤氣產(chǎn)生的效益和不增加原材料的情況下，對(duì)于年產(chǎn)量超過(guò)100萬(wàn)t的生產(chǎn)線(xiàn)，一年可以多生產(chǎn)近2 000 t的成品，效益非?？捎^，同時(shí)由于煤氣的充分燃燒減輕了對(duì)大氣的污染。

[1]王海峰，徐東亮.激光式氣體分析儀在轉(zhuǎn)爐煤氣回收中的應(yīng)用[J].冶金動(dòng)力，2009（1）：21-22.

[2]李思宏，張偉，張振峰，等.激光氣體分析儀的特點(diǎn)和應(yīng)用[J].水泥，2009（9）：43-44.

[3]胡青龍.分布式半導(dǎo)體激光在線(xiàn)氣體分析儀在安全生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].可編程控制器與工廠自動(dòng)化，2008（9）：92-94.

（編輯：胡玉香）

Application of Laser Gas Analyzer in Combustion Control of Heating Furnace

YANG Changfeng
（Zenith Steel Group Co.,Ltd.,Changzhou Jiangsu 213011）

This paper introduces the application of laser gas analyzer in the control of combustion process of heating furnace.According to the gas concentration,with model calculation and process requirement,the precise control of gas and flow control of heating furnace are realized,so as to ensure gas saving and the minimum scale loss of billet surface,and reduce environmental pollution and improve the yield.The laser gas analyzer is first used in the control of heating furnace of Zenith Steel Group Company,and a detailed data analysis before and after using of it is conducted. And the advantages of the laser gas analysis system are proved by comparing the data.

heating furnace,optimized combustion,laser gas analyzer,CO,oxygen,scale loss

TG155.1

A

1672-1152（2016）06-0104-04

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.06.37

2016-11-21

楊昌峰（1978—），男，工程師，于中天鋼鐵集團(tuán)有限公司特鋼設(shè)備處從事電氣設(shè)備管理及項(xiàng)目技改管理工作。