一種空燃比可調的蓄熱式單燒嘴熔鋁爐燃燒控制系統(tǒng)*

唐光麒 李翼 王永機 田鵬

（1.佛山市通潤熱能科技有限公司，廣東 佛山528137 2.佛山市百步梯醫(yī)療科技有限公司，廣東 佛山528137）

0 引言

鋁合金熔煉鑄造是鋁加工工業(yè)主要的能耗工序，其能耗約占鋁材生產過程總能耗的60%。通過改進現有生產工藝和設備實現節(jié)能減排具有重要意義[1]。

目前熔鋁爐常見的節(jié)能措施有：工藝改進[1]、余熱資源回收[2-4]、增大熱交換面積并減少散熱損失[5]等。其中，采用空氣與燃氣流量比（簡稱為空燃比）可調的方式，可控制熔鋁爐的過?？諝獗壤?，減少因空氣量過多引起的排煙熱損失或因空氣量過少引起的燃料不完全燃燒熱損失。這種控制方式直接關系到熔鋁爐的熱效率，也代表了一個鋁加工企業(yè)的自動化水平[2]。

目前，在鋁型材擠壓成型制品行業(yè)的熔煉設備中，傳統(tǒng)的燃燒控制系統(tǒng)通常采用壓力平衡（均壓）方式，其燃燒器空燃比的可調范圍有限，且使用預熱空氣時無法調節(jié)空燃比；更為突出的問題是未利用空氣和燃料的實際流量調節(jié)閥門開度，故本質上屬于空燃比的開環(huán)控制，一旦熔鋁爐燃燒特性發(fā)生變化，無法實現精確控制。

為克服上述問題，本文開發(fā)一種空燃比可調的蓄熱式單燒嘴燃燒控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可測量空氣和燃料的實際流量，并根據實際流量與設定流量的偏差調節(jié)閥門開度，從而實現熔鋁爐空燃比的精確控制。

1 蓄熱式單燒嘴燃燒器工作原理

蓄熱式單燒嘴熔鋁爐的蓄熱結構體與鋼結構換向器結構如圖1所示。其工作原理為[6-7]：燃料自燒嘴噴入熔鋁爐；當常溫空氣經過蓄熱室A時，耐火球的熱量傳給空氣，使其達到1000℃以上的高溫，高速噴出后給燃料助燃；燃燒產物（高溫煙氣）進入蓄熱室B，并將熱量傳給蓄熱室B中的陶瓷球，溫度下降到150℃左右進入引風機；換向后，蓄熱室B供熱空氣給燃料助燃，蓄熱室A排煙氣給陶瓷球蓄熱。A、B兩蓄熱室助燃、排煙反復更換，陶瓷球放熱、蓄熱也隨之變化，助燃空氣溫度始終保持在1000℃左右，排煙溫度在150℃左右。常溫空氣經過蓄熱室中的蓄熱球預熱而達到節(jié)能的目的。

圖1 蓄熱結構體與鋼結構換向器結構圖

2 空燃比可調的燃燒控制

熔鋁爐爐溫控制的重點是空燃比控制。空燃比是加熱設備的一個重要參數，它對尾氣排放、熱效率和經濟性能都有較大影響。為使熔鋁爐獲得更大的燃燒效率，需將空燃比控制在合理范圍內。

由于熔鋁爐具有多耦合、強非線性的特點，且包括燃氣壓力、熱值等影響熔鋁爐燃燒特性的不確定因素眾多，致使固定空燃比的控制方式無法在燃燒全過程中保證較高的熱效率[8]。

為此，本系統(tǒng)將單次循環(huán)分為點火、加熱和保溫3個階段，允許用戶根據各階段現場工藝設置調整空燃比。設定空燃比的經驗包括：1） 在熔鋁爐常設定的工作區(qū)間，以溫度上升最快為目標或者根據爐膛火焰特點確定最優(yōu)空燃比；2） 以最優(yōu)空燃比進行燃燒控制，當溫度達到上限設定值時，逐步改變空燃比使控制溫度不超過工藝要求的設定值[9]。本系統(tǒng)中，低溫段空燃比可設為1.0～1.3左右；保溫段不同的模式對應的空燃比可設為1.1～2.2不等，共有5種可供選擇模式。正常模式保溫段空燃比為 1.1，但有些工藝需要較大的空燃比，此時火焰?zhèn)魉退俣容^快，帶走熱量也較大（其中空氣基數為10.95，即1 m3天然氣燃燒需要10.95 m3空氣）。

根據工藝要求給出燃料流量給定值，并根據所設定的空燃比以及預先設置的功率百分比，按一定的比例聯動控制天然氣、助燃空氣和排煙調節(jié)閥的開度。在傳統(tǒng)控制方式中，為保持空燃比恒定于設定值，天然氣和助燃空氣調節(jié)閥開度保持固定比例。受生產過程中眾多干擾因素的影響，天然氣和助燃空氣閥門開度比例恒定并不能保證天然氣和助燃空氣流量比恒定。

為保證控制精度，本系統(tǒng)分別在助燃空氣調節(jié)閥和天然氣調節(jié)閥出入口處安裝壓力傳感器，并根據各閥出入口壓力差計算助燃空氣和天然氣的流量；再利用該實測流量與期望流量的差值反饋微調天然氣、助燃空氣和排煙調節(jié)閥的開度，以實現天然氣和助燃空氣流量的精確控制。系統(tǒng)控制原理圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)控制原理圖

考慮到可靠性及成本，本系統(tǒng)基于可編程控制器PLC實現空燃比可調的蓄熱式單燒嘴燃燒控制方法。與流量及空燃比控制直接相關的硬件構成如圖3所示，其中控制器為PLC；傳感器包括測量爐溫、助燃空氣溫度、燃氣溫度的熱電偶，測量助燃空氣流量調節(jié)閥前、后壓力的壓力傳感器以及測量燃氣流量調節(jié)閥前、后壓力的壓力傳感器；執(zhí)行器分別為控制助燃空氣流量和燃氣流量的助燃空氣流量調節(jié)閥和燃氣流量調節(jié)閥。

圖3 與流量及空燃比控制直接相關的硬件構成示意圖

3 結語

本文針對熔鋁爐均壓控制方式的缺點，開發(fā)空燃比可調的蓄熱式單燒嘴燃燒控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)允許操作人員自由設定空燃比，并引入燃料和空氣的實際流量反饋調節(jié)燃料和空氣調節(jié)閥的開度，從而實現熔鋁爐空燃比的閉環(huán)控制。

后續(xù)研究將考慮如何根據爐膛溫度、排煙溫度、助燃風溫度和燃料溫度自動調節(jié)空燃比，以期在整個燃燒范圍內實現更精確的燃燒控制，提高熔鋁品質，在實現節(jié)能的同時減少氧化氮排放，保護環(huán)境。