楊迎君 章光杲

（河鋼宣化鋼鐵集團有限責任公司）

0 引言

目前，我國的資源和環(huán)境問題日益突出，迫切要求高能耗行業(yè)全面推行節(jié)能減排技術[1]。冶金行業(yè)軋鋼系統(tǒng)中的能耗大戶是加熱爐，其能耗約占軋鋼生產能耗的70%[2]。加熱爐作為軋鋼生產的一個環(huán)節(jié)，也有很多技術亟待改進和提升，如加熱爐中的燃燒控制。燃燒控制是加熱爐自動化控制中的重要部分，而燃燒控制的關鍵是準確的空燃比控制[3]。選用準確合理的空燃比[4-5]（空氣流量和煤氣流量之比值）組織燃料燃燒，對于提高燒嘴火焰溫度，保證鋼坯加熱質量良好，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線（通常稱為三棒）于2014 年 9 月建成投產，主要生產Φ10 mm ～Φ40 mm熱軋帶肋鋼筋及Φ16 mm ～Φ70 mm 的優(yōu)質精品圓鋼。三棒加熱爐設計中，使用發(fā)熱值為1 800×4.18 kJ/m3（標況）的焦爐 /轉爐混合煤氣為燃料，投產以來噸鋼煤氣消耗較高，鋼坯氧化燒損較多，對鋼材的生產成本影響較大。

1 原加熱爐混合煤氣燃燒控制方法及存在問題

河鋼宣鋼三棒加熱爐使用的焦爐/轉爐混合煤氣由煤氣加壓（混氣）站將焦爐煤氣、轉爐煤氣混合加壓以后供給。原三棒正常生產中，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操作，即通過給定某一段的燃料流量和空燃比數(shù)值，電腦系統(tǒng)自動調節(jié)該段助燃空氣閥門的開度來控制該段爐溫?；旌厦簹馊紵^程中空燃比這一關鍵參數(shù)的選用依靠的是人工，根據(jù)焦爐/轉爐混合煤氣熱值m（單位：kcal）的變化，采用m×（1.05 ～ 1.1）/1 000 的空燃比[6]。

焦爐/轉爐混合煤氣熱值m由煤氣熱值儀給出。熱值儀中的煤氣管道非常細，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，這些雜質非常容易凝結成塊，造成熱值儀煤氣管道堵塞，取樣管道一旦堵塞，就會出現(xiàn)熱值儀信號檢測失真的問題，造成煤氣熱值儀給出的混合煤氣熱值數(shù)據(jù)與實際偏差較大。因此，解決熱值儀故障就成了加熱爐溫度控制中一個附加的難題。即使在煤氣取樣管道上加裝凈化裝置，使進入熱值儀燃燒室的煤氣盡可能純凈，但在長時間的運行過程中仍會出現(xiàn)過濾裝置堵塞的問題，使熱值儀檢測失真的問題不能得到徹底解決[7]。煤氣熱值儀顯示的煤氣熱值時常不能作為參考依據(jù)。因此，空燃比這一關鍵參數(shù)的選用多數(shù)時候只能由操作人員依靠經(jīng)驗來確定，難以保證燃料充分合理燃燒。

經(jīng)過對其他鋼軋廠軋鋼生產線加熱爐的實踐考察，采用引入煤氣配比和煙氣殘氧量的混合煤氣燃燒自動控制技術，自動確定準確合理的空燃比參數(shù)，實現(xiàn)煤氣自動燃燒，可以進一步降低加熱爐煤氣消耗，從而帶來較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

2 引入煤氣配比和煙氣殘氧量的混合煤氣燃燒自動控制技術

河鋼宣鋼煤氣加壓（混氣）站距三棒加熱爐較遠，經(jīng)測算，當煤氣加壓（混氣）站后的煤氣壓力在（10±1） kPa 時，煤氣加壓站供給三棒加熱爐的焦爐/轉爐混合煤氣一般情況下需要18 min左右到達。因此，預先將煤氣加壓站輸出給三棒加熱爐的焦爐煤氣和轉爐煤氣配比數(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 前預知的焦爐/轉爐煤氣配比數(shù)據(jù)和焦爐、轉爐煤氣成分，分析計算出合理的空燃比，提供給植入的自動調節(jié)空氣流量程序，調節(jié)各段空氣流量助煤氣燃燒。

當煙氣中含氧量在1%～3%時，燃燒正常；含氧量超過3%為過氧燃燒，即供入空氣量過多；含氧量小于1%時，說明空氣量不足，是欠氧燃燒[8]。因此，結合煤氣燃燒后的煙氣殘氧量對計算得出的空燃比進行修正，形成一個混合煤氣自動燃燒系統(tǒng)，實現(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 混合煤氣燃燒自動控制過程

2.1 加熱爐控制系統(tǒng)預知焦爐/轉爐煤氣配比數(shù)據(jù)

將焦爐煤氣先通過焦爐煤氣加壓機變頻和機前調節(jié)閥來控制混合站前的焦爐煤氣壓力，使混合站前的焦爐煤氣壓力控制在（11±1） kPa；轉爐煤氣通過轉爐煤氣加壓機變頻和總出口調節(jié)閥聯(lián)合調節(jié)，使得混合站前的轉爐煤氣壓力控制在（12±1.2） kPa 或（15±1.5） kPa。混合站混氣控制系統(tǒng)再根據(jù)轉爐煤氣和焦爐煤氣成分計算出不同熱值下煤氣的混合比，并據(jù)此混合比調節(jié)傳送給三棒加熱爐的焦爐煤氣流量和轉爐煤氣流量，同時混合閥調節(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爐/轉爐煤氣配比數(shù)據(jù)傳送到三棒加熱爐，使加熱爐控制系統(tǒng)預知將要到達的焦爐/轉爐混合煤氣成分，以便確定合理的空燃比（如圖2 所示）。

圖2 焦爐轉爐煤氣混合、傳送、燃燒流程

2.2 參數(shù)空燃比的確定

根據(jù)煤氣加壓站傳輸來的焦爐/轉爐混合煤氣配比、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%）及單組分可燃氣體所生成煙氣量（單組分可燃氣體所生成的煙氣量包括反應生成物及空氣中未參與反應的N2），計算依據(jù)見表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），燃燒產物體積之和為混合煤氣燃燒的理論煙氣量W理，設實際空氣量為V實（實際空燃比），則增加的空氣量為V實-V理，增加的氧氣量為（V實-V理）×20.9%，實際煙氣量W實=W理+（V實-V理）。

煙道含氧量為：

依據(jù)式（1）和式（2）可以計算出煙氣中含氧1%～2.5%時的實際空氣量，但實際生產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)實際生產運行狀況，收集不同運行狀況修正系數(shù)，并在今后生產中不斷進行修正，以達到最佳的一系列修正系數(shù)，并建立數(shù)據(jù)庫），最終達到煙氣含氧1%～2.5%。這樣的話，只要混合煤氣流量和煤氣配比沒有發(fā)生變化，煙氣殘氧量在1%～2.5%以內，各段空氣流量調節(jié)閥即可不動作，可以避免設備頻繁動作，既有利于保護設備，又能保證燃料充分燃燒。

3 混合煤氣燃燒自動控制技術的應用

3.1 調節(jié)加熱爐爐溫時空燃比調節(jié)采用“自動”模式

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

3.2 合理設定爐膛壓力

在加熱爐運行中，爐膛壓力控制效果的好壞直接關系到整體的節(jié)能環(huán)保效果，當爐內為負壓時，會從爐門及各種孔洞吸入大量的冷空氣，這部分冷空氣相當于增加了空氣消耗系數(shù)，導致煙氣量增加，多帶走爐內的熱量。據(jù)計算，當爐溫為1 300 ℃，爐膛壓力為-10 Pa 時，直徑為 100 mm 的孔吸入的冷風可造成 130 000 kJ/h 的熱損失[9]。為保證爐膛壓力始終處于一個相對較穩(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，合理設定爐膛壓力十分必要。

工藝技術規(guī)程要求“爐壓控制在0 ～50 Pa” ，三棒加熱爐爐壓檢測點不在爐頂，而在鋼坯上表面位置，實際應用中優(yōu)化為“爐壓控制在2 ～10 Pa”，爐壓自動調節(jié)設定爐膛壓力為6 ～8 Pa，以鋼坯出爐口稍許冒火為宜，可操作性更強。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)保護優(yōu)化措施

在PLC 系統(tǒng)中，對其煤氣總管與空氣總管作出相應設定，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，該PLC 控制系統(tǒng)就會自動將其煤氣總管的快速切斷閥切斷，加熱爐自動停爐。而且該控制系統(tǒng)還有配套的UPS供電系統(tǒng)，即使是在缺乏動力電源的情況下，該系統(tǒng)也可以保證加熱爐安全運行，滿足安全生產保護的需求。

4 混合煤氣燃燒自動控制技術使用效果

加熱爐引入煤氣配比和煙氣殘氧量的混合煤氣燃燒自動控制技術改造并投入使用以后，該控制系統(tǒng)整體運行平穩(wěn)，降低了煤氣消耗，節(jié)能率達到8.20%～11.56%。加熱爐的排煙溫度及氧含量能夠達到預期目的，爐內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量與產量。

5 結語

加熱爐引入煤氣配比和煙氣殘氧量的混合煤氣燃燒自動控制技術既實現(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)境保護和空氣質量的改善。