京唐中厚板加熱爐脈沖燃燒技術(shù)及應(yīng)用

高 亮，江 波，陳迪安，汪小龍，陳國海，李 浩

（1.北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司，北京100043；2.北京市冶金三維仿真設(shè)計工程技術(shù)研究中心，北京100043）

隨著市場對產(chǎn)品差異化需求的增大， 大型中厚板加熱爐生產(chǎn)的特點是產(chǎn)品種類多、規(guī)格跨度大，傳統(tǒng)燃燒加熱爐常常由于分區(qū)大而無法對同一區(qū)的不同板坯進行差異化精確加熱控制， 往往為了滿足最高的板坯加熱溫度而導(dǎo)致加熱爐運行能耗和NOx生成明顯升高。脈沖燃燒控制對于高能耗、高污染的鋼鐵工業(yè)來說，是提高能源效率，減少燃料消耗和削減污染物排放的最佳途徑之一， 在國內(nèi)外的軋鋼加熱爐及熱處理爐上得到了越來越多的應(yīng)用。

2019年10 月， 首鋼國際工程公司向首鋼京唐公司提出關(guān)于首鋼4300 mm 中厚板加熱爐采用脈沖燃燒技術(shù)的建議，并于2020年1 月完成首鋼公司加熱爐脈沖燃燒的方案設(shè)計，4 月份中修完成項目實施工作，并一次性成功投入使用。這次常規(guī)燃燒改脈沖燃燒技改項目順利實施，經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益顯著，為首鋼京唐公司節(jié)能、減排、低耗的綠色生產(chǎn)做出了貢獻。

1 脈沖燃燒技術(shù)理論基礎(chǔ)

1.1 分區(qū)分段控制

精細化分區(qū)分段控制，在一個控制段內(nèi)，空氣、燃氣段管設(shè)置流量檢測儀表和調(diào)節(jié)閥， 根據(jù)溫壓補償后的段管煤氣流量， 乘以空燃比系數(shù)后作為空氣流量調(diào)節(jié)的設(shè)定值， 通過調(diào)節(jié)段管空氣流量調(diào)節(jié)閥開度，保證空氣、燃氣流量在設(shè)定的空燃比。 在一個控制區(qū)空、燃氣脈沖閥成對打開和關(guān)閉：打開時先開空氣脈沖閥，再開燃氣脈沖閥；關(guān)閉時先關(guān)燃氣脈沖閥，再關(guān)空氣脈沖閥。 通過分段分區(qū)控制，更加靈活地保證了板坯加熱質(zhì)量，提高了加熱均勻性。

1.2 脈沖燒嘴時序控制

單個燒嘴供熱的時序原理如圖1 所示。 按照時序進行燒鋼，經(jīng)過一段時間后，在裝/出鋼平衡的情況下，爐內(nèi)溫度會達到一個穩(wěn)定的狀態(tài)。 但是當(dāng)裝/出鋼失衡后，即要求熱負荷發(fā)生變化，只要在一定的脈沖周期下，調(diào)整燒嘴控制脈沖的ON/OFF 時間，就可以起到調(diào)整熱負荷的目的。

圖1 燒嘴供熱的時序原理圖

在圖1 中，當(dāng)溫度調(diào)節(jié)器（PID）輸出信號MV 在0～100%范圍變化時，經(jīng)過系統(tǒng)的離散化，輸出脈沖的開時間“t”也隨著線性的在“0～T”中間變化。然后，經(jīng)過脈沖時序分配器， 將控制脈沖發(fā)到相應(yīng)的空/煤氣的閥門控制執(zhí)行機構(gòu)，最終完成閥門的開/閉，從而達到控制爐溫的目的。 本變換過程通過自動化系統(tǒng)PLC 來實現(xiàn)。

1.3 爐溫量化控制

在額定的燃氣壓力、熱值下，在脈沖燃燒狀態(tài)，噴出熱氣流的熱焓、 速度以及熱氣流的長度都是一個定值，如果對多個燒嘴進行適當(dāng)?shù)慕M合、合理的布置，就會獲得滿意的處理爐內(nèi)溫度場的分布，保證極高的板坯加熱質(zhì)量。

對于在小流量的保溫狀態(tài)下， 也就是在低負荷燃燒狀態(tài)下，每個燒嘴打開期間，噴出的燃料和空氣量和大流量狀態(tài)下是相同的， 僅僅是打開的時間不同， 所以火焰長度不受到常規(guī)控制下的小流量影響的問題，容易對爐溫進行量化控制。

1.4 雙交叉限幅+脈沖燃燒控制

大部分公司在應(yīng)用脈沖燃燒控制時， 對脈沖過程中流量控制空燃比的調(diào)整不夠重視， 主要表現(xiàn)為空燃比控制不精確、對燃氣熱值波動適應(yīng)性差、不能差異化控制各爐段的空燃比等。

在各段采用流量比例控制后， 流量控制和檢測與脈沖控制系統(tǒng)相結(jié)合， 對脈沖控制系統(tǒng)參數(shù)進行修正和調(diào)整，從而達到精確控制空燃比的目的。

2 首鋼京唐4300 mm 中厚板加熱爐脈沖燃燒改造技術(shù)方案

2.1 加熱爐概況

首鋼京唐公司4300 mm 產(chǎn)線新建的兩座空煤氣雙預(yù)熱步進梁式加熱爐，設(shè)計產(chǎn)能230 t/h。全爐分為八段控制，一加上、下，二加上、下，三加上、下及均熱上、下。其中一加上、下，二加上、下，三加下及均熱下采用調(diào)焰燒嘴，三加上及均熱上采用平焰燒嘴。一加上、下嘴前管道配備手動蝶閥，二加上、下，三加下，均熱下嘴前空煤氣管道配備氣動蝶閥。

加熱爐從建成運行到現(xiàn)在存在以下幾個方面的問題：

（1）隨著鋼鐵行業(yè)市場競爭的加劇，加熱的鋼種主要是高附加值的品種鋼， 出鋼溫度高， 在爐時間長，同時2200×4.18 kJ/m3熱值混合煤氣的理論燃燒溫度不是很高（＜1900 ℃），不能快速加熱。爐子工況差，NOx排放高，不能滿足當(dāng)?shù)丨h(huán)保排放要求；

（2）溫度均勻性差，板坯溫度中心和兩邊偏差在30～50 ℃；

（3）單位燃耗高：145 m3/t（即1.4 GJ/t），成本：41.18 元/t。

2.2 加熱爐脈沖燃燒改造的可行性分析

隨著首鋼京唐4300 mm 中厚板加熱爐加熱鋼坯品種增多， 常規(guī)比例燃燒已經(jīng)無法滿足高質(zhì)量加熱要求，在考慮投資和評估技術(shù)成熟性后，目前最佳的解決方法就是改為脈沖燃燒。

兩座4300 mm 中厚板加熱爐各段均有溫度、流量檢測儀表和調(diào)節(jié)控制閥，無需再增加檢測儀表。自動化燃燒控制系統(tǒng)采用兩套西門子S7-1500 系列，上位機采用WINCC7.4 組態(tài)系統(tǒng)。 CPU 處理數(shù)據(jù)能力和組態(tài)變量點數(shù)完全滿足改為脈沖燃燒系統(tǒng)要求。目前主要問題是這兩座加熱爐一加上、下段燒嘴前空、煤氣閥門均為手閥（表1 為改造前燒嘴空煤氣管道閥門配置），無法滿足改脈沖燃燒要求（脈沖燃燒嘴前閥門配置要求見圖2）。

2020年中修時將一加上、下段燒嘴前空、煤氣手閥改為氣動快速切斷閥（表2 為改造后燒嘴空煤氣管道閥門配置），為投用脈沖燃燒提供了必要條件。

2.3 脈沖燃燒技術(shù)方案確定

脈沖燃燒共分6 個流量控制段，12 個脈沖燃燒區(qū)。 采用雙交叉限幅+脈沖燃燒組合式燃燒控制技術(shù)。對于每個供熱段，自動選擇該段內(nèi)兩支熱電偶中的一支所測溫度值或者若干熱電偶所測溫度的平均值，作為本段溫度控制的PV 值，一旦有一支熱電偶故障， 此電偶將不參與爐溫控制， 同時發(fā)出故障報警。對于性能優(yōu)良的燃燒系統(tǒng)，一定要保證燃料充分燃燒，同時也不能有過量的空氣加入，以保證合理的空燃配比。 根據(jù)每個供熱段殘氧分析儀測得燃燒后的殘氧量來反饋實際的燃燒情況， 從而做到動態(tài)調(diào)整空燃比。

表1 改造前燒嘴空煤氣管道閥門配置

圖2 典型脈沖燃燒系統(tǒng)管路簡圖

2.4 采用脈沖燃燒對加熱爐帶來的變化

投用脈沖燃燒后， 加熱爐的燃燒主要有以下幾個方面的變化。

表2 改造后燒嘴空煤氣管道閥門配置

（1）NOx下降明顯，滿足當(dāng)?shù)丨h(huán)保要求。表3、表4分別是脈沖燃燒投用前后NOx檢測數(shù)值。

（2）有效提高了板坯溫度均勻性。圖3 為脈沖燃燒投用后溫度偏差值。

（3）降低了能耗。表5 為脈沖燃燒投用前后煤氣消耗量班次統(tǒng)計表。

3 經(jīng)濟、環(huán)境、社會效益分析

3.1 經(jīng)濟效益

脈沖燃燒投入率提升，煤氣單耗預(yù)計可降低6.6 m3/t。

單耗降低幅度×年產(chǎn)量×煤氣單價=6.6×180×0.35=415.8 萬元/年。

脈沖燃燒控制投入后，爐內(nèi)氣氛控制精度提升，氧化燒損減少0.1%。

氧化燒損降幅×年產(chǎn)量×成品與鐵皮差價=0.1%×180×3000=540 萬元/年。

合計經(jīng)濟效益為：415.8+540=955.8 萬元/年。

經(jīng)濟效益十分顯著。

表3 脈沖燃燒投用前NOx 折算值

表4 脈沖燃燒投用后NOx 折算值

圖3 脈沖燃燒投用后溫度偏差12 ℃左右

表5 脈沖燃燒投用前后煤氣消耗量班次統(tǒng)計表

3.2 環(huán)境效益

環(huán)境效益：煤氣用量減少，煙氣排放量減少。

采用自動燃燒控制后每年節(jié)約1188 萬m3煤氣，在取得顯著經(jīng)濟效益的同時，CO2、SO2、NOx等燃燒污染物的排放量大大減少。 每年減少排放：

公式中的數(shù)值來源是查手冊、 國標(biāo)NOx、SO2排放標(biāo)準(zhǔn)，以及現(xiàn)場加熱爐運行數(shù)據(jù)。

3.3 社會效益

項目投產(chǎn)能夠提高加熱爐的控制精度指標(biāo)，直接提高產(chǎn)品質(zhì)量。

項目投產(chǎn)能夠提升模燃燒控制系統(tǒng)的投入率，提高自動化控制水平，節(jié)省人力資源。

提高熱軋板產(chǎn)品質(zhì)量， 使質(zhì)量控制水平躍上一個新的臺階，有利于提高企業(yè)的整體市場競爭能力。

脈沖燃燒控制技術(shù)無論對于高或低熱值的煤氣在國內(nèi)都有廣泛的應(yīng)用前景，值得大力推廣。這項新技術(shù)必將顯著提高中國鋼鐵工業(yè)的裝備和控制水平， 達到節(jié)能環(huán)保的綜合指標(biāo)， 使鋼材質(zhì)量明顯上升，也符合從鋼鐵大國向鋼鐵強國發(fā)展的基本戰(zhàn)略。

4 結(jié)語

脈沖燃燒對小批量、多規(guī)格、多品種的鋼坯加熱適應(yīng)性強，可以提高溫度場的均勻性，精確控制燃燒氣氛，低消耗和低污染，滿足特鋼加熱的需求，中厚板加熱爐采用脈沖燃燒技術(shù)， 既節(jié)能減排又降低生產(chǎn)成本。 隨著國內(nèi)鋼鐵企業(yè)節(jié)能挖潛的深入以及大氣污染物超低排放標(biāo)準(zhǔn)的實施， 脈沖燃燒是軋鋼生產(chǎn)節(jié)能和減排的一個有利途徑。