熱風(fēng)爐優(yōu)化燃燒設(shè)計(jì)與研究

高亞東 周林

摘? 要：針對熱風(fēng)爐燃燒過程中存在的問題，提出優(yōu)化控制策略，根據(jù)不同燃燒階段，控制空燃比和煤氣量給定，以達(dá)到優(yōu)化燃燒，節(jié)約能源的目的。

關(guān)鍵詞：優(yōu)化;空燃比;目標(biāo)溫度;優(yōu)先

中圖分類號(hào)：TP273? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1671-2064（2020）03-0000-00

0 引言

熱風(fēng)爐由耐火材料砌筑而成，可承受極高的溫度和溫度變化，在熱風(fēng)爐燃燒期，高爐煤氣和助燃空氣在燃燒室內(nèi)燃燒。燃燒廢氣通過拱頂后進(jìn)入蓄熱室格子磚，熱量傳遞給格子磚，當(dāng)拱側(cè)溫度和廢氣溫度達(dá)到規(guī)定值后，燃燒期停止，廢氣由煙囪排入大氣。熱風(fēng)爐準(zhǔn)備向高爐提供熱風(fēng)，即進(jìn)入送風(fēng)期。在送風(fēng)期，冷風(fēng)以相反的方向吹入格子磚?？諝獗患訜?，離開熱風(fēng)爐成為熱風(fēng)，熱風(fēng)經(jīng)熱風(fēng)主管、支管、圍管進(jìn)入高爐。

熱風(fēng)爐作為高爐輔助設(shè)備，其煤氣消耗約占高爐煤氣的40%，其技術(shù)水平的高低對鋼鐵生產(chǎn)綜合能耗影響很大，提高高爐熱風(fēng)爐本身的燃燒效率，可降低燃料消耗，也可獲得很大的直接經(jīng)濟(jì)效益。所以，提高熱風(fēng)爐燃燒效率及送風(fēng)溫度已經(jīng)被視為降低高爐煉鐵能耗、提高高爐煉鐵產(chǎn)量的主要措施之一。

1 控制方法概述

熱風(fēng)爐優(yōu)化算法將燃燒分為三個(gè)階段：加熱升溫管理期，拱頂溫度管理期和廢氣溫度管理期。

以1780M 高爐熱風(fēng)爐為研究對象，熱風(fēng)系統(tǒng)包含3個(gè)熱風(fēng)爐，一送兩燒，送風(fēng)溫度一般為1260度，尾氣溫度一般為390度，全部采用高爐煤氣，熱值3400kJ/Nm3以上，燃燒時(shí)間一般設(shè)定為108分鐘。燒爐時(shí)間分為兩個(gè)階段，前一階段一般設(shè)定為20分鐘，在20（根據(jù)實(shí)際熱風(fēng)爐情況可調(diào)節(jié)）分鐘內(nèi)將拱頂溫度燒到目標(biāo)溫度。剩余時(shí)間在保持拱頂溫度波動(dòng)不大的情況下以尾氣溫度上升速度為目標(biāo)，使尾氣溫度穩(wěn)步上升。尾氣溫度到達(dá)目標(biāo)溫度后降低煤氣，空氣量。在整個(gè)燃燒過程中如拱頂溫度或尾氣溫度超過高報(bào)警值則加大空氣量，實(shí)時(shí)檢測溫度變化率，當(dāng)拱溫度開始下降時(shí)，降低空氣量。當(dāng)溫度到達(dá)目標(biāo)溫度附近時(shí)（可設(shè)定具體值，根據(jù)爐子工況調(diào)節(jié)）冷風(fēng)量停止下降，保持當(dāng)時(shí)值。當(dāng)溫度在報(bào)警值以下穩(wěn)步上升時(shí)，根據(jù)煤氣量計(jì)算空氣量，通過尾氣氧含量對空氣量進(jìn)行修正，以達(dá)到在控制拱頂溫度和尾氣溫度的前提下達(dá)到最佳燃燒效果。

1.1 加熱升溫管理期

1.1.1 溫度上升曲線的設(shè)定

加熱升溫管理期以升溫速度為目標(biāo)量，通過PID調(diào)節(jié)控制煤氣的給定。分為兩個(gè)階段，第一階段以 △t =1.5*（T2-T1）/t1 的速度升溫。

T1：熱風(fēng)爐送完風(fēng)開始燃燒時(shí)拱頂溫度。

T2：拱頂目標(biāo)溫度。

t1：燒到拱頂溫度的時(shí)間設(shè)定。

當(dāng)溫度升到 T1+（T2-T1）/2 時(shí)，記下此時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間t2，此時(shí)升溫目標(biāo)曲線改為 T=（T2-T1）*（t-t1）2/（t1-t2）2 +T2。

T：從換爐開始燃燒所經(jīng)歷的時(shí)間。

T：拱頂溫度在t時(shí)的理論值。

此時(shí)以 △t={（T2-T1）*[（t+1）-t1）]2/（t1-t2）2+T2? }-[（T2-T1）*（t-t1）2/（t1-t2）2 +T2]。的升溫速度為目標(biāo)量控制煤氣量。如果在t1之前達(dá)到目標(biāo)溫度，則按 2.2 拱頂溫度管理期的控制方法控制，如在t1時(shí)還未達(dá)到拱頂設(shè)定溫度則將t1延長5分鐘（可設(shè)定），形成新的升溫曲線。T=（T2-T1）*[t-（t1+5）]2/（t1-t2）2 +T2? 如在5分鐘內(nèi)達(dá)到設(shè)定溫度則按 2.2 拱頂溫度管理期的控制方法控制，如還未達(dá)到則t1繼續(xù)延長。

1.1.2 煤氣的流量的計(jì)算

以拱頂溫度理論上升速度△t為目標(biāo)值，以實(shí)際溫度上升速度△t'為溫度上升速度反饋值對煤氣流量的需求量通過PID模塊進(jìn)行計(jì)算，由于溫度上升到T=T1+（T2-T1）/2 時(shí)，溫度上升曲線改為拋物線，△t的值越來越小，此時(shí)需改變增大P值以適應(yīng)調(diào)節(jié)需要。由于溫度越高在同樣煤氣量的情況下溫度上升也越來越慢，可與△t的值越來越小相抵消，P值的增大量需現(xiàn)場測試決定。

1.1.3 空氣流量的計(jì)算

在溫度上升器使空燃比最佳，使得合理的利用燃料，節(jié)省時(shí)間與燃料成本。根據(jù)高爐煤氣中一氧化碳含量和一氧化碳和氧氣化學(xué)反應(yīng)公式2CO+O2=2C02 ，空氣中的氧含量，通過PID計(jì)算出煤氣的給定量計(jì)算空氣的給定量。如高爐煤氣一氧化碳含量為a%，流量為f;空氣氧含量為21%，則空氣需求量為：F=2×f×a%/21%，計(jì)算出的空氣流量。開始燃燒時(shí)以公式F=2×f×a%/21%計(jì)算的空氣量進(jìn)行燃燒，3分鐘后（可手動(dòng)改變），可選擇通過氧化鋯反饋氧含量調(diào)節(jié)空燃比還是按固定比例燃燒。

煙氣中氧含量如果偏低，說明熱風(fēng)爐內(nèi)的氧氣已基本耗盡，煤氣過剩，燃燒可能不夠充分，可適當(dāng)提高空燃比加大助燃空氣的供給量。如果氧含量偏高，說明爐內(nèi)氧氣過剩，多余的空氣會(huì)帶走大量的熱量，燃燒效率不高，可適當(dāng)降低空燃比，減少助燃空氣的供給量，以提高燃燒效率。如選擇自動(dòng)調(diào)節(jié)，按尾氣氧含量改變空燃比。取煙氣氧含量0.6%作為控制目標(biāo)，并把0.4%～0.8%作為穩(wěn)態(tài)控制區(qū)間，在此區(qū)間內(nèi)不進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。當(dāng)煙氣殘氧體積含量大于0.8%時(shí)，用下式調(diào)節(jié)空燃比：

bk=[Vk-（x-0.6）×Vy/0.21]/Vm

bk：空燃比;x廢氣中氧含量;Vy煙氣流量（m3/h）;Vm：煤氣流量（m3/h），Vk：空氣流量（m3/h）

當(dāng)當(dāng)煙氣殘氧體積含量小于0.4%時(shí)，用下式調(diào)節(jié)空燃比：

bk=[Vk+（0.6-x）×Vy/0.21]/Vm。

1.2? 拱頂溫度管理期

在這一時(shí)期拱頂溫度已達(dá)到工藝要求，主要關(guān)注廢氣的溫度，通過PID控制煤氣給定（控制原理如下圖1）調(diào)節(jié)實(shí)際溫度上升值和理論溫度上升值得偏差，廢棄溫度上升速度小于設(shè)定值時(shí)，煤氣流量空氣流量按照空燃比增加;廢氣溫度上升速度大于理論值時(shí)，按空燃比減小煤氣、空氣量。

在加熱爐升溫管理期內(nèi)，記錄拱頂溫度上升率為零時(shí)的煤氣流量Q，作為此過程中煤氣流量上限，在此過程中以廢氣溫度上升率△t目標(biāo)值，控制煤氣流量給定。

△t=（T2-T1）/（t2-t1）

T2為尾氣目標(biāo)溫度，T1為拱頂溫度到達(dá)目標(biāo)溫度時(shí)尾氣溫度，t2為熱風(fēng)爐整個(gè)燃燒時(shí)間，t1為拱頂溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間。在廢氣溫度到達(dá)廢氣管理溫度后，轉(zhuǎn)入廢氣溫度管理期。

1.2.1 拱頂溫度超過設(shè)定時(shí)的控制方法

在燃燒過程中，如果拱頂溫度超過設(shè)定溫度，空氣的流量控制不受空然比的限制，根據(jù)測的溫度和設(shè)定溫度的差值△t1計(jì)算空氣的增量，以達(dá)到穩(wěn)步降溫的目的。

溫度增長值每30秒測一次。[△t1'，△t2'，△t3'，△t4'，△t5'，△t6'，△t7'，△t8'，△t9'，△t10']，△Q為△t對應(yīng)的空氣流量增量， [△Q1'，△Q2'，△Q3'，△Q3'，△Q4'，△Q5'，△Q6'，△Q7'，△Q8'，△Q9'，△Q10']。以拱頂溫度超過設(shè)定值時(shí)的空氣流量值為基數(shù)，加△Q'作為空氣閥門調(diào)節(jié)給定，當(dāng)拱頂溫度降到T+△t1'，過1分鐘后投入氧化鋯空燃比閉環(huán)控制。

1.2.2 當(dāng)拱頂溫度低于設(shè)定值時(shí)的控制方法

如果溫度下降幅度大，可切換為手動(dòng)操作，按固定空燃比加大煤氣空氣量，接近目標(biāo)溫度后切換為自動(dòng)燃燒。當(dāng)拱頂溫度下降不大時(shí)，以拱頂設(shè)定溫度為目標(biāo)值對煤氣流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1.2.3 拱頂溫度在設(shè)定范圍內(nèi)尾氣氧含量的調(diào)節(jié)

拱頂溫度波動(dòng)在 [T-△t1' ，T+△t1'] 范圍內(nèi)時(shí)，以尾氣上升速度△t為目標(biāo)控制煤氣流量。在投入氧化鋯自動(dòng)控制空燃比的情況下將煙氣氧含量控制在0.4%～1.0%，以0.6%為目標(biāo)值。加大空氣量以利于尾氣溫度上升。

助燃風(fēng)量調(diào)節(jié)方法：

當(dāng)煙氣殘氧體積含量大于0.6%時(shí)，用下式調(diào)節(jié)空燃比：

bk=[Vk-（x-0.6）*Vy/0.21]/Vm

bk：空燃比;x廢氣中氧含量;Vy煙氣流量（m3/h）;Vm：煤氣流量（m3/h），Vk：空氣流量（m3/h）

當(dāng)當(dāng)煙氣殘氧體積含量小于0.6%時(shí)，用下式調(diào)節(jié)空燃比：

bk=[Vk+（0.6 -x）*Vy/0.21]/Vm

當(dāng)拱頂溫度低于T-△t1'時(shí)轉(zhuǎn)為拱頂溫度T為目標(biāo)值控制煤氣流量，如T大于T-△t1'時(shí)用1.2.1 中方法對拱頂溫度進(jìn)行降溫。

1.3 廢氣溫度管理期

在保證拱頂溫度的前提下，應(yīng)盡量加大空氣流量，獲取更多的煙氣，增大熱風(fēng)爐的蓄熱量;尾氣溫度、拱頂溫度同時(shí)控制，當(dāng)拱頂溫度有波動(dòng)時(shí)優(yōu)先控制拱頂溫度，只有保證拱頂溫度，蓄熱量才有保證。

當(dāng)在設(shè)定的燒爐時(shí)間前達(dá)到尾氣的設(shè)定溫度，并有上升趨勢則發(fā)出報(bào)警，提醒操作工關(guān)閉煤氣，空氣閥門，進(jìn)入悶爐狀態(tài);如剛好達(dá)到尾氣設(shè)定溫度或低于設(shè)定溫度則關(guān)閉空氣，煤氣閥門等待送風(fēng)。

2 送入高爐熱風(fēng)的溫度控制

為保證送入高爐熱風(fēng)溫度，由高爐本體控制熱風(fēng)爐混風(fēng)閥。采用兩支熱偶采集熱風(fēng)溫度，取其高值做為目標(biāo)值，控制混風(fēng)調(diào)節(jié)閥，混入冷風(fēng)，來控制熱風(fēng)溫度。以熱風(fēng)溫度、混風(fēng)調(diào)節(jié)閥共同組成PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

3 結(jié)論

根據(jù)蓄熱式熱風(fēng)爐的特點(diǎn)，以控制拱頂溫度為主，在不同階段用不同的控制策略，兼顧能源節(jié)約和工藝設(shè)備要求，控制思路清晰，方法簡單可靠，可實(shí)現(xiàn)高爐熱風(fēng)爐的燒爐全自動(dòng)優(yōu)化控制，在實(shí)現(xiàn)提高送風(fēng)溫度的同時(shí)可降低煤氣消耗，可以為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會(huì)效益，具有很好的推廣價(jià)值。

收稿日期：2019-12-22

作者簡介：高亞東（1982—），男，山東濟(jì)寧人，本科，機(jī)電工程師，研究方向：冶金自動(dòng)化。