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

（中天鋼鐵集團有限公司，江蘇常州 213011）

重點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)合模型計算及工藝要求實現(xiàn)對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，并對使用前后作了詳細的數(shù)據(jù)分析，通過數(shù)據(jù)比較證明了激光氣體分析系統(tǒng)的優(yōu)勢。

加熱爐 優(yōu)化燃燒激 光氣體分析儀 CO 氧氣 氧化燒損

隨著國內(nèi)鋼鐵市場的嚴重飽和與鋼鐵企業(yè)虧損面的加大，史上最嚴的環(huán)保指標(biāo)相繼出臺，因而如何既能提高經(jīng)濟效益又能減少環(huán)境污染就成為鋼鐵企業(yè)面臨的一個難題。對于軋鋼企業(yè)來說，加熱爐的能耗占總工序能耗的比例＞70%，且加熱燒損嚴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，因此如何實現(xiàn)減少因加熱爐帶來的環(huán)境污染和降低生產(chǎn)成本是各個鋼鐵企業(yè)目前關(guān)注的重點。激光氣體分析法是目前最先進的氣體含量分析方法[1-3]，激光氣體分析儀能夠準(zhǔn)確測量出爐膛內(nèi)各種氣體的具體濃度，將其運用在加熱爐燃燒工藝控制中，能夠為軋鋼廠控制污染提供技術(shù)支撐。

1 系統(tǒng)分析

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

在軋鋼生產(chǎn)過程中，加熱爐將鋼坯加熱，再經(jīng)軋機軋制成所需規(guī)格的產(chǎn)品。在加熱爐加熱過程中，高溫下鋼坯不可避免地要與進爐空氣中的氧氣發(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，煤氣濃度偏大，這時煤氣無法充分燃燒，造成煤氣浪費并且使得沒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)類似，但空氣過剩系數(shù)不同。加熱段空氣過剩系數(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到最低程度。

中天鋼鐵集團有限公司（全文簡稱中鋼公司）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)驗是根據(jù)空氣和燃氣的流量，采用一個合適的空燃比予以調(diào)節(jié)，但是由于條件有限，很多孔板流量計的前后直管距離達不到設(shè)計要求，同時孔板流量計經(jīng)長時間使用后出現(xiàn)銹蝕、堵塞、泄漏等情況導(dǎo)致對流量的計量不準(zhǔn)確，無法實現(xiàn)對燃燒的準(zhǔn)確控制。

1.1 氣體檢測方法的選擇

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。通過實時掌握爐內(nèi)氧氣和CO的含量以及二者合適的比值，對爐內(nèi)氣氛進行嚴格的控制。根據(jù)目前掌握的知識，對于爐內(nèi)的氣氛控制主要通過觀察爐火的顏色、氧化鋯檢測、激光檢測等手段。其中爐火觀察需要經(jīng)驗豐富的技術(shù)人員完成，個人主觀的因素較多，并且無法做到實時調(diào)節(jié)。氧化鋯和激光檢測比較如下頁表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行氣體檢測。

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10年。中鋼公司利用加熱爐大修機會布設(shè)并安裝了各類管路。在這個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爐內(nèi)的氣體成分，具體安裝位置如圖1所示。單個氣體檢測元器件安裝示意圖如2所示。

表1 氧化鋯和激光檢測比較

圖1 激光氣體分析儀安裝位置

圖2 單個氣體檢測元器件安裝示意圖

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”吸收的特定波長的激光束，當(dāng)激光束穿過被測氣體時，激光強度由于氣體吸收而衰減，此衰減值與被測氣體的濃度成一定的函數(shù)關(guān)系，因此通過對衰減后的激光強度信息進行檢測就可以獲得爐內(nèi)被測氣體的濃度。

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足的幾個特點

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氣體單吸收譜線。

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，容易導(dǎo)致爐內(nèi)氣體粉塵濃度變化；長時間使用后，也會導(dǎo)致儀表視窗的污染。因此，激光氣體分析儀應(yīng)該具有過濾由于粉塵及透光率變化導(dǎo)致的誤差檢測數(shù)據(jù)的功能。此套檢測裝置過濾此類干擾的方法是通過另外一組光束對此類干擾源的檢測，通過特定的運算過濾干擾源對檢測結(jié)果的影響。

3）不受被測氣體環(huán)境參數(shù)變化干擾。檢測的結(jié)果必須能夠直觀體現(xiàn)實際的爐內(nèi)氣氛含量，與爐內(nèi)所處的溫度無關(guān)，即使檢測結(jié)果受溫度影響，也能通過計算補償。

2 控制思路

爐內(nèi)燃燒狀態(tài)受煤氣熱值波動、流量計量誤差、閥門開度誤差、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，尤其是對于使用年限較長、現(xiàn)場工作環(huán)境比較惡劣的推鋼式加熱爐。在沒有氣體濃度檢測的前提下對爐內(nèi)的氣氛控制主要是通過調(diào)節(jié)每一段的空氣和煤氣流量比值實現(xiàn)，這個比值的理論最優(yōu)化數(shù)值是0.7～0.8。此數(shù)值是基于各類流量監(jiān)測儀表測量準(zhǔn)確的前提下的，若以上各類前提條件發(fā)生變化后，此經(jīng)驗數(shù)值就不存在意義。同時有經(jīng)驗的技術(shù)人員能夠通過觀察爐內(nèi)的火焰顏色來確定爐內(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。沒有經(jīng)驗的操作工僅僅通過爐溫來調(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。通過對爐內(nèi)氣氛監(jiān)控、燃燒狀態(tài)檢測、動態(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。

利用氣體分析儀對爐內(nèi)氣氛進行檢測，對于檢測結(jié)果通過PLC進行調(diào)節(jié)，同時通過上位機進行監(jiān)測和控制，實現(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含量進行比較，并通過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)殘氧濃度達到目標(biāo)值并趨于穩(wěn)定。對煤氣的控制仍然按照原先的思路調(diào)節(jié)，根據(jù)要求對爐內(nèi)溫度需要進行自動或手動控制。在通過煤氣流量控制加熱溫度的基礎(chǔ)上，增加殘氧自動控制系統(tǒng)。

3 實際控制方法

經(jīng)過對加熱爐狀況數(shù)據(jù)具體分析以及對相關(guān)加熱爐調(diào)控數(shù)據(jù)綜合比較，初步制定爐內(nèi)氣氛比較合理的一個數(shù)據(jù)，即O2及CO的體積分數(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。通過對爐內(nèi)氣氛的在線監(jiān)測，對不在有效范圍的數(shù)據(jù)進行調(diào)整。調(diào)整的方法是調(diào)節(jié)煤氣和空氣的調(diào)節(jié)閥的開口度，實現(xiàn)對其流量的控制。為了避免因震蕩及頻繁動作造成的閥門損壞，結(jié)合理論計算預(yù)留了開口度閾值空間：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)過一段時間的摸索及對加熱爐火焰的觀察，最終確定了合理的開口度閾值區(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%。對此系統(tǒng)投入前和投入后的鋼坯表面的氧化燒損進行了測試，經(jīng)過測試得到的結(jié)果是效果比較明顯。

4 實際控制過程

激光分析儀檢測出實際氧濃度，PLC根據(jù)預(yù)先設(shè)定的每段最優(yōu)氧含量與此數(shù)值進行比較，同時參考當(dāng)前CO濃度的檢測數(shù)據(jù)進行優(yōu)化控制運算，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。若此時加熱爐燃燒控制處于自動模式，則將此計算的調(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模式，則直接操作調(diào)節(jié)閥，同時為了確保爐壓穩(wěn)定，在對調(diào)節(jié)閥操作的同時也要對引風(fēng)機和鼓風(fēng)機的閥門進行調(diào)節(jié)。在此調(diào)節(jié)過程中，主要以調(diào)節(jié)空氣流量為主，為了避免調(diào)節(jié)過程中出現(xiàn)段內(nèi)甚至是三段間相互干擾震蕩，必須對比例值和調(diào)節(jié)周期進行多次調(diào)試從而達到理想的效果。在對空氣流量調(diào)節(jié)控制的前提下，對煤氣流量也要進行相應(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)。

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

5 性能測試方法及數(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Φ40 mm的圓孔，鋼種為400C。對測試時機的選擇需注意幾點：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)。

對每一塊試塊分別編號，并記錄其測試前后的體積和質(zhì)量、在爐時間、每一段溫度、CO和O2的濃度，并對這些數(shù)據(jù)進行分析。共計測試了3次，每次測試100塊試塊。第一次測試作為試驗處理，第二次測試為按照常規(guī)方法對加熱爐進行工藝控制，第三次測試為采用激光氣體分析儀的優(yōu)化燃燒。每次測試分為10個批次，每個批次為10個試塊。由于過程中分別有一個批次數(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0.4%的波動，但是從整體上來說，投入激光氣體分析儀系統(tǒng)對優(yōu)化燃燒起到了一定的作用。

6 結(jié)語

經(jīng)過對數(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，對于年產(chǎn)量超過100萬t的生產(chǎn)線，一年可以多生產(chǎn)近2 000 t的成品，效益非?？捎^，同時由于煤氣的充分燃燒減輕了對大氣的污染。

[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，于中天鋼鐵集團有限公司特鋼設(shè)備處從事電氣設(shè)備管理及項目技改管理工作。