帶式燒結(jié)機(jī)雙預(yù)熱點(diǎn)火爐能耗尋優(yōu)與溫度調(diào)節(jié)技術(shù)探索與研究

周 丹，王業(yè)峰1，，劉 前1，，陳思墨1，，周浩宇1，

（1.國家燒結(jié)球團(tuán)裝備系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410205；2.中冶長天國際工程有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410205）

在冶金生產(chǎn)中燒結(jié)是將金屬礦粉原料在高溫下燒結(jié)成塊的過程，有助于提高原料的冶金性能，降低后續(xù)冶煉工序能耗。帶式燒結(jié)機(jī)是冶金燒結(jié)領(lǐng)域應(yīng)用最廣的裝備，在有色行業(yè)的硫化銅燒結(jié)與黑色行業(yè)的鐵礦燒結(jié)工藝中均有應(yīng)用。點(diǎn)火是帶式燒結(jié)機(jī)燒結(jié)過程的起始點(diǎn)，也是燒結(jié)工藝的核心關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其能耗與點(diǎn)火質(zhì)量直接影響燒結(jié)全工藝系統(tǒng)的能耗水平與成品率。點(diǎn)火設(shè)備通過爐內(nèi)燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔饧訜釤Y(jié)混合料表層，將其中的固體燃料點(diǎn)燃形成初始燃燒帶，點(diǎn)火爐高溫?zé)煔馀c固體燃料燃燒放熱為表層混合料燒結(jié)提供熱量。同時在抽風(fēng)作用下，表層混合料熱量向下傳遞，點(diǎn)燃下部固體燃料，使得初始燃燒帶向下移動貫穿整個料層，進(jìn)而完成燒結(jié)過程[1]。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，點(diǎn)火能耗約占燒結(jié)能耗10%[2]，在我國目前“碳達(dá)峰碳中和”戰(zhàn)略方針下，燒結(jié)點(diǎn)火的節(jié)能降耗是燒結(jié)乃至整個冶金行業(yè)實(shí)現(xiàn)“雙碳”的關(guān)鍵因素之一，眾多學(xué)者圍繞此領(lǐng)域均開展了大量研究。宋新義等[3]將環(huán)冷機(jī)除塵后約320℃的熱風(fēng)作為助燃風(fēng)通入點(diǎn)火爐，明顯提高了焦?fàn)t煤氣的理論燃燒溫度，降低了系統(tǒng)能耗和燒結(jié)礦中FeO含量，相比于冷風(fēng)助燃，此方法可約10%。周浩宇等[4]提出了一種超低負(fù)壓點(diǎn)火技術(shù)，通過仿真模擬研究發(fā)現(xiàn)，點(diǎn)火爐底部負(fù)壓降低后，系統(tǒng)漏風(fēng)量線性減少，點(diǎn)火爐從邊部吸入的常溫空氣減少，從而料層邊緣溫度下降現(xiàn)象得到緩解、燒結(jié)料面溫度均勻性也得到提升，整體煤氣消耗量減小、燒結(jié)礦質(zhì)量提升。李國良等[5]將點(diǎn)火爐對應(yīng)的1#風(fēng)箱、2#風(fēng)箱和3#風(fēng)箱負(fù)壓由-14kPa分別降低至-8.23kPa、-8.44kPa、-10.22kPa后，點(diǎn)火煤氣單耗降低了15.2%。劉前等[6]發(fā)現(xiàn)，助燃風(fēng)富氧后可降低點(diǎn)火能耗約13.5%，這是富氧后煤氣燃燒效率提高的原因[7]。

另一方面，在燒結(jié)點(diǎn)火的節(jié)能降耗的研究與探索中，點(diǎn)火效果必須達(dá)到一定強(qiáng)度以保證燒結(jié)的正常進(jìn)行，這對點(diǎn)火的供熱強(qiáng)度提出了嚴(yán)格要求。從燒結(jié)點(diǎn)火原理的角度分析，燒結(jié)點(diǎn)火具有點(diǎn)燃料面固體燃料和向料面提供熱量、促進(jìn)表面原料燒結(jié)的作用，因此需要保證點(diǎn)火提供給料面的溫度與時間達(dá)到要求。李謙等[8]通過燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)得出，料面點(diǎn)火溫度達(dá)到1050℃以上、點(diǎn)火時間超過1min可以保證燒結(jié)的正常進(jìn)行和較優(yōu)的燒結(jié)礦質(zhì)量。程崢明等[2]對550m2燒結(jié)機(jī)生產(chǎn)時的點(diǎn)火狀態(tài)及燒結(jié)質(zhì)量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)提高空燃比可延長燒結(jié)料面1000℃的高溫區(qū)持續(xù)時間，改善點(diǎn)火效果。一般來說，點(diǎn)火時間通過點(diǎn)火爐結(jié)構(gòu)與臺車運(yùn)行速度確定，因此對于既定燒結(jié)機(jī)點(diǎn)火爐而言，點(diǎn)火溫度的快速精準(zhǔn)控制是保證點(diǎn)火質(zhì)量的關(guān)鍵。

為實(shí)現(xiàn)燒結(jié)的低耗點(diǎn)火和溫度快速精準(zhǔn)控制，本文將以低熱值燃?xì)庥秒p預(yù)熱點(diǎn)火爐為研究對象，開展點(diǎn)火系統(tǒng)能耗尋優(yōu)與溫度快速調(diào)節(jié)的研究，提出雙爐協(xié)同能耗尋優(yōu)算法與二元燃燒系統(tǒng)溫度快速調(diào)節(jié)手段，以此為燒結(jié)高質(zhì)低耗生產(chǎn)提供技術(shù)支持。

1 帶式燒結(jié)機(jī)雙預(yù)熱點(diǎn)火爐

1.1 工藝流程

燒結(jié)生產(chǎn)中，燒結(jié)點(diǎn)火使用的煤氣種類以高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣等中低熱值煤氣居多，這類煤氣熱值普遍低于3000kcal/Nm3，在點(diǎn)火爐內(nèi)燃燒強(qiáng)度難保證料面點(diǎn)火溫度要求。低熱值燃?xì)庥秒p預(yù)熱點(diǎn)火爐是將低熱值煤氣與空氣通過間接換熱預(yù)熱、使其具備一定物理顯熱后再進(jìn)入點(diǎn)火爐燃燒，由于物理顯熱提高，點(diǎn)火爐膛內(nèi)燃燒強(qiáng)度隨之提升，從而解決料面點(diǎn)火溫度不足的問題，其基本原理如圖1所示。預(yù)熱煤氣、預(yù)熱空氣通入煤氣預(yù)熱爐、空氣預(yù)熱爐，經(jīng)各自燒嘴后在預(yù)熱爐內(nèi)燃燒，使預(yù)熱爐內(nèi)溫度升高。通向點(diǎn)火爐的點(diǎn)火冷煤氣、點(diǎn)火冷空氣經(jīng)過預(yù)熱爐內(nèi)被加熱的換熱裝置后被加熱到一定的溫度，攜帶一定的顯熱進(jìn)入點(diǎn)火爐爐膛燃燒。相比于未得到預(yù)熱的點(diǎn)火煤氣和空氣，經(jīng)過雙預(yù)熱的煤氣與空氣進(jìn)入點(diǎn)火爐后，一方面自身攜帶的顯熱在點(diǎn)火爐內(nèi)釋放，可提高點(diǎn)火爐溫度，另一方面，較高的煤氣與空氣溫度可加快燃燒速度和熱量釋放速率，從而進(jìn)一步提高爐內(nèi)熱效率和點(diǎn)火爐溫度。

圖1 帶式燒結(jié)機(jī)雙預(yù)熱點(diǎn)火爐技術(shù)原理圖

1.2 現(xiàn)有控制手段及方法

從雙預(yù)熱點(diǎn)火爐工藝流程可知，煤氣預(yù)熱、空氣預(yù)熱和點(diǎn)火爐空煤氣燃燒之間在控制程序上互不干擾，可單獨(dú)控制。而點(diǎn)火爐溫度與煤氣/空氣預(yù)熱爐溫度、點(diǎn)火煤氣/空氣流量直接相關(guān)，因此實(shí)際生產(chǎn)中需分別對預(yù)熱爐、點(diǎn)火爐溫度進(jìn)行控制，通過調(diào)節(jié)預(yù)熱爐煤氣/空氣流量調(diào)節(jié)預(yù)熱爐對點(diǎn)火煤氣/空氣預(yù)熱溫度，再通過調(diào)節(jié)點(diǎn)火煤氣/空氣流量調(diào)節(jié)點(diǎn)火爐溫度，預(yù)熱爐與點(diǎn)火爐之間的控制調(diào)節(jié)應(yīng)相互匹配、互相配合。

預(yù)熱爐與點(diǎn)火爐的溫度自動控制的原理圖如圖2、圖3所示。在運(yùn)行過程中，先分別設(shè)定預(yù)熱爐與點(diǎn)火爐溫度，通過調(diào)節(jié)器比較和調(diào)節(jié)實(shí)際溫度與目標(biāo)溫度的差值、實(shí)際流量與目標(biāo)流量的差值對預(yù)熱爐、點(diǎn)火爐溫度形成閉環(huán)反饋控制。

圖2 預(yù)熱爐溫度自動控制原理

圖3 點(diǎn)火爐溫度自動控制原理

這種常規(guī)的控制手段容易出現(xiàn)以下問題：

（1）點(diǎn)火爐溫度受眾多因素控制，雙預(yù)熱點(diǎn)火爐的預(yù)熱爐煤氣流量與點(diǎn)火爐煤氣流量直接影響輸入點(diǎn)火爐的氣體顯熱量和化學(xué)能，理論上點(diǎn)火爐溫度達(dá)到目標(biāo)溫度時可對應(yīng)無數(shù)組預(yù)熱爐煤氣流量和點(diǎn)火爐煤氣流量的組合，但常規(guī)控制手段僅對流量和溫度進(jìn)行監(jiān)測，無法保證所消耗的煤氣總量為最小，從而導(dǎo)致不必要的煤氣浪費(fèi)。打個比方，某時刻系統(tǒng)需要提升點(diǎn)火爐溫度，可以有兩種手段——提高預(yù)熱爐煤氣耗量來升高點(diǎn)火煤氣被預(yù)熱溫度或是直接提高點(diǎn)火爐煤氣耗量，但不管是提高預(yù)熱爐煤氣耗量還是提高點(diǎn)火爐煤氣耗量，兩者之間必然存在一個最優(yōu)控制值，即點(diǎn)火爐煤氣耗量+預(yù)熱爐煤氣耗量的和值最低，現(xiàn)有技術(shù)控制手段無法實(shí)時捕捉到這個最優(yōu)控制值，導(dǎo)致系統(tǒng)能耗浪費(fèi)；

（2）控制系統(tǒng)通過控制煤氣/空氣量調(diào)節(jié)點(diǎn)火爐溫度，因此調(diào)節(jié)過程中需通過實(shí)測溫度與目標(biāo)溫度反復(fù)比對后反復(fù)調(diào)節(jié)各工序煤氣流量，而由于預(yù)熱爐、點(diǎn)火爐自身的熱容量導(dǎo)致的熱慣性，流量調(diào)節(jié)反饋至溫度變化存在一定的之后，因此調(diào)節(jié)過程需要經(jīng)過一定時間后才可達(dá)到新的熱平衡，這在系統(tǒng)上則表現(xiàn)出點(diǎn)火爐爐膛溫度達(dá)到設(shè)定溫度的響應(yīng)時間長、系統(tǒng)滯后性大；

（3）調(diào)節(jié)過程中系統(tǒng)需要頻繁的調(diào)整煤氣/空氣流量，一方面閥門頻繁動作會縮短設(shè)備壽命，另一方面采用人工調(diào)節(jié)時會增大操作人員的勞動強(qiáng)度，增加生產(chǎn)質(zhì)量與安全事故風(fēng)險。

1.3 工序能耗尋優(yōu)與溫度快速調(diào)節(jié)技術(shù)的提出

由于雙預(yù)熱點(diǎn)火爐的常規(guī)調(diào)節(jié)存在以上問題，影響燒結(jié)點(diǎn)火的產(chǎn)質(zhì)量指標(biāo)，出于燒結(jié)點(diǎn)火能耗尋優(yōu)與溫度快速調(diào)節(jié)的目標(biāo)，本文提出一種工藝能耗尋優(yōu)與溫度快速調(diào)節(jié)技術(shù)，根據(jù)熱量平衡建立一種熱工數(shù)學(xué)模型，對雙預(yù)熱點(diǎn)火爐煤氣消耗開展尋優(yōu)，以期在達(dá)到點(diǎn)火爐爐膛內(nèi)溫度控制為目標(biāo)溫度時煤氣消耗總量最小、縮短達(dá)到目標(biāo)溫度所需時間的技術(shù)效果。

2 雙預(yù)熱點(diǎn)火系統(tǒng)工序能耗尋優(yōu)技術(shù)

本技術(shù)通過對預(yù)熱爐與點(diǎn)火爐系統(tǒng)進(jìn)行分步及整體的能量平衡計(jì)算，得到預(yù)熱爐煤氣流量Vpre,fuel與點(diǎn)火爐煤氣流量Vig,fuel的數(shù)學(xué)關(guān)系后確定Vpre,fuel+Vig,fuel的最小時的預(yù)熱爐煤氣流量與點(diǎn)火爐煤氣流量，從而得到雙預(yù)熱點(diǎn)火系統(tǒng)工序能耗最低工況。

對預(yù)熱爐與點(diǎn)火爐進(jìn)行熱工計(jì)算時，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況作出如下假設(shè)：

（1）雙預(yù)熱點(diǎn)火系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)，忽略煤氣、環(huán)境溫度等波動對單一預(yù)熱點(diǎn)火工況的影響；

（2）輸入空氣過剩，進(jìn)入預(yù)熱爐與點(diǎn)火爐的煤氣完全燃燒，尾氣中無殘余煤氣；

（3）預(yù)熱爐煤氣與點(diǎn)火爐煤氣為同一種煤氣。

預(yù)熱爐內(nèi)煤氣燃燒放熱，通過換熱器加熱點(diǎn)火爐煤氣與點(diǎn)火爐空氣，根據(jù)熱交換原理可得：

其中kfuel為煤氣預(yù)熱爐換熱效率，kair為空氣預(yù)熱爐換熱效率；Vpre,fuel為預(yù)熱爐煤氣流量，m3/s；rpre,fuel為煤氣預(yù)熱爐燃燒煤氣占預(yù)熱爐消耗煤氣比例，rpre,air為空氣預(yù)熱爐燃燒煤氣占預(yù)熱爐消耗煤氣比例，rpre,fuel+rpre,air=1；qfuel為煤氣熱值，kJ/m3；Cfuel為煤氣平均比熱，kJ/(m3·℃)；Cair為空氣平均比熱，kJ/(m3·℃)；Tig,fuel為點(diǎn)火爐煤氣被預(yù)熱后的溫度，℃；T0,fuel為點(diǎn)火爐煤氣初始溫度，℃；；Tig,air為點(diǎn)火爐空氣被預(yù)熱后的溫度，℃；T0,air為點(diǎn)火爐空氣初始溫度；Vig,fuel為點(diǎn)火爐煤氣流量，m3/s；Vig,air為點(diǎn)火爐煤氣流量，m3/s。

換熱效率kfuel與kair與換熱器換熱系數(shù)、被預(yù)熱氣體流速有 關(guān)，kfuel=ξfuel·Vig,fuel/Spre，fuel，kair=ξair·Vig,air/Spre，air，ξfuel與ξair分別為煤氣換熱器換熱系數(shù)、空氣換熱器換熱系數(shù)，s/m ；Spre，fuel與Spre，air分別為煤氣預(yù)熱爐換熱器與空氣預(yù)熱爐換熱器管道橫截面積，m2；

其中β為一定溫度下點(diǎn)火爐單位體積的供熱強(qiáng)度，kJ/(m3·℃)，Taim為設(shè)定爐膛點(diǎn)火溫度，℃；Sig為點(diǎn)火爐爐膛面積，m2；h0為燒結(jié)及臺車底部至點(diǎn)火爐爐膛頂部高度，m；h為燒結(jié)上料高度，m。

取A1=β(Taim-T∞)Sig·(h0-h)/qfuel，對于確定煤氣使用種類的燒結(jié)點(diǎn)火爐，A1為定值 ；A2=ξfuel/Spre，fuel·rpre,fuel，對于給定的煤氣預(yù)熱爐，A2為定值；A3=ξair/Spre，air·rpre,air，對于給點(diǎn)的空氣預(yù)熱爐，A3為定值；A4=Cfuel(T0,fuel-T∞)，A5=Cair(T0,air-T∞)，分別與燃料和空氣的初始狀態(tài)有關(guān)。

預(yù)熱爐煤氣消耗量Vpre,fuel與點(diǎn)火爐煤氣消耗量Vig,fuel呈反比例函數(shù)關(guān)系，基于此，求解Vfuel=Vpre,fuel+Vig,fuel的最小值。

由數(shù)學(xué)關(guān)系可知：

當(dāng)且僅當(dāng)A1/[Vig,fuel(A2+αA3)]=Vig,fuel，即Vig,fuel=[A1/(A2+αA3)]1/2時取等號。

因此基于以上模型，對于已定的預(yù)熱爐結(jié)構(gòu)、點(diǎn)火爐結(jié)構(gòu)及工藝要求、煤氣種類，可確定達(dá)到設(shè)定點(diǎn)火溫度時煤氣消耗量最小的配置為點(diǎn)火煤氣流量Vig,fuel=[A1/(A2+αA3)]1/2，Vpre,fuel=[A1/(A2+αA3)]1/2-(1+A4+A5)/(A2+αA3)。

3 雙預(yù)熱系統(tǒng)溫度快速調(diào)節(jié)技術(shù)

在生產(chǎn)運(yùn)行中，點(diǎn)火爐爐膛溫度受到外部諸多因素影響，如環(huán)境溫度、燒結(jié)原料種類、主抽風(fēng)機(jī)風(fēng)量、臺車速度等。若檢測到的點(diǎn)火爐爐膛溫度超出允許誤差范圍，則需要控制系統(tǒng)介入，通過調(diào)節(jié)預(yù)熱爐煤氣流量或點(diǎn)火爐煤氣流量，從對點(diǎn)火爐爐膛實(shí)際溫度進(jìn)行微調(diào)。

從上文對工序能耗尋優(yōu)的熱工模型可知，當(dāng)點(diǎn)火爐爐膛溫度為T1、爐膛目標(biāo)溫度為T’aim、且T1≠Taim時，模型中僅參數(shù)A1發(fā)生變化，此時A’1=β(T’aim-T∞)Sig·(h0-h)/qfuel，點(diǎn)火爐溫度調(diào)整到T’aim時，雙預(yù)熱點(diǎn)火爐煤氣消耗量最小的流量配置為點(diǎn)火煤氣流量V’ig,fuel=[A’1/(A2+αA3)]1/2，預(yù)熱爐煤氣流量V’pre,fuel=[A’1/(A2+αA3)]1/2-(1+A4+A5)/(A2+αA3)。此時點(diǎn)火爐煤氣流量變化ΔVig,fuel=(A11/2-A’11/2)/(A2+αA3)1/2，預(yù)熱爐煤氣流量變化ΔVpre,fuel=(A11/2-A’11/2)/(A2+αA3)1/2。

相應(yīng)的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)流程圖及程序執(zhí)行步驟如圖4所示。

圖4 溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)流程圖及程序執(zhí)行步驟

通過以上熱工模型計(jì)算及溫度調(diào)節(jié)算法，系統(tǒng)可精準(zhǔn)快速的將預(yù)熱爐煤氣流量、點(diǎn)火爐煤氣流量調(diào)整至符合點(diǎn)火溫度要求下、煤氣消耗總量最小狀態(tài)，有效避免了常規(guī)調(diào)節(jié)中所出現(xiàn)的閥門反復(fù)動作、系統(tǒng)響應(yīng)時間長等系列問題。

4 結(jié)論

針對帶式燒結(jié)機(jī)雙預(yù)熱點(diǎn)火爐在生產(chǎn)中存在的煤氣消耗量難最優(yōu)控制、溫度調(diào)節(jié)難快速調(diào)節(jié)的問題，本文建立了雙爐煤氣消耗尋優(yōu)數(shù)學(xué)模型，計(jì)算了通入預(yù)熱爐和點(diǎn)火爐的所需煤氣目標(biāo)流量，保證點(diǎn)火爐溫度合格前提下以煤氣目標(biāo)流量值總和最低。同時基于熱工模型提出一種二元燃燒系統(tǒng)溫度快速調(diào)節(jié)技術(shù)，即通過熱工模型直接計(jì)算需要調(diào)節(jié)的煤氣量，采用先粗調(diào)再細(xì)調(diào)的兩步法方式實(shí)現(xiàn)目標(biāo)溫度的快速調(diào)節(jié)到位，縮短了調(diào)控周期。通過雙爐煤氣尋優(yōu)控制與二元系統(tǒng)溫度快速調(diào)節(jié)，有效減少了燒結(jié)點(diǎn)火系統(tǒng)的整體煤氣耗量、降低了帶式燒結(jié)機(jī)點(diǎn)火環(huán)節(jié)的碳排放污染，對于我國冶金行業(yè)低碳生產(chǎn)具有重大意義。