新一代軋鋼加熱爐燃燒監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用

周勁軍 翟 煒 黃 敏 張 停 胡玉暢 曹曲泉 劉自民

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司)

加熱爐是軋鋼工序的主要用能及污染物排放設(shè)備。在滿足軋制工藝要求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保、降低氧化燒損是加熱爐追求的目標(biāo)。

通過對某公司現(xiàn)有的20多座軋鋼加熱爐測試調(diào)研表明，加熱爐空燃比失控不僅使能耗增加，而且造成氧化燒損偏高和煙氣污染物排放超標(biāo)，直接影響軋鋼成材率和表面質(zhì)量。有效解決以上問題，是當(dāng)下滿足“碳達(dá)峰、碳中和”及“鋼鐵企業(yè)超低排放”等綠色低碳發(fā)展要求的現(xiàn)實(shí)需要。

1 新一代軋鋼加熱爐燃燒監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)路線

新一代軋鋼加熱爐燃燒監(jiān)控系統(tǒng)采用“煤氣成分動(dòng)態(tài)監(jiān)測指導(dǎo)+分段煙氣監(jiān)測修正+NOx分段監(jiān)測預(yù)警控制”技術(shù)路線，旨在通過提升燃燒氣氛監(jiān)控手段、指導(dǎo)現(xiàn)場操作，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、降低燒損。

(1)煤氣成分動(dòng)態(tài)監(jiān)測指導(dǎo)(前反饋)

通過對煤氣成分動(dòng)態(tài)監(jiān)測，實(shí)時(shí)精確給出相應(yīng)理論空氣系數(shù)，指導(dǎo)空燃比控制。

(2)分段煙氣監(jiān)測修正(后反饋)

通過對各燃燒段煙氣成分(O2、CO等)監(jiān)測反饋，修正各燃燒段空氣系數(shù)，保證各燃燒段處于最佳燃燒狀態(tài)。

(3)NOx分段監(jiān)測預(yù)警控制(環(huán)保)

基于軋鋼加熱爐內(nèi)NOx生成機(jī)理及源頭控制技術(shù)路線，即加熱爐內(nèi)NOx主要為熱力型，除燃料組成及加熱溫度外，與助燃風(fēng)配比成正相關(guān)。通過監(jiān)測各燃燒段煙氣中NOx的反饋、指導(dǎo)調(diào)整各燃燒段空燃比，可從源頭抑制NOx生成、實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。

就自動(dòng)控制角度而言，前反饋(指導(dǎo))+后反饋(修正)的雙反饋控制模式可有效克服單項(xiàng)前反饋存在的控制精度低及單項(xiàng)后反饋存在的波動(dòng)性大等問題，但對測量系統(tǒng)準(zhǔn)確性及可靠性有更高要求。

2 新一代軋鋼加熱爐燃燒監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)方案

新一代軋鋼加熱爐燃燒監(jiān)控系統(tǒng)主要包括在線煤氣成分法燃燒監(jiān)控系統(tǒng)、爐頂取氣式分段燃燒監(jiān)控系統(tǒng)和NOx分段監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)三項(xiàng)核心技術(shù)。

2.1 在線煤氣成分法燃燒監(jiān)控系統(tǒng)

2 250熱軋加熱爐現(xiàn)用煤氣由高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣、解析氣、天然氣等諸多不同氣源混合組成，成分及熱值波動(dòng)均較大，詳見表1。由于燃燒法熱值儀(華白指數(shù)儀)存在檢測范圍窄的局限性且使用維護(hù)條件要求較苛刻，測量準(zhǔn)確性難以保證，加之利用經(jīng)驗(yàn)公式法推算理論空氣量所帶來的適用性誤差(詳見表2)，導(dǎo)致基于燃燒法熱值儀的空燃比控制方式難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)指導(dǎo)燃燒控制目標(biāo)。

煤氣成分是燃燒法熱值儀測量準(zhǔn)確性的溯源依據(jù)，基于在線煤氣成分法的燃燒監(jiān)控系統(tǒng)更精準(zhǔn)性，即依據(jù)煤氣成分，通過燃燒物料平衡理論精確計(jì)算得出相應(yīng)的理論空氣量，在線指導(dǎo)加熱爐空燃比控制。在線監(jiān)測煤氣成分→動(dòng)態(tài)提供熱值及燃燒空氣系數(shù)→指導(dǎo)加熱爐現(xiàn)場操作。

成分法在線煤氣分析儀主要特點(diǎn)：(1)采用可調(diào)諧波光譜分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)碳?xì)浣M分檢測。不僅能檢測CH4、CO、CO2，還能精確識別測量焦?fàn)t煤氣中C2H6、C2H4、C2H2、C3H8等不飽和烴組分，具有測試結(jié)果精確、高線性度、穩(wěn)定可靠，且不受進(jìn)氣壓力、流量波動(dòng)影響等優(yōu)點(diǎn)；(2)采用多相吸附捕捉、逆流冷卻干燥等凈化處理技術(shù)，有效解決了煤氣中機(jī)械水、粉塵、萘及焦油等雜質(zhì)造成管路堵塞問題；(3)采用催化燃燒技術(shù)對排放煤氣進(jìn)行凈化處理，實(shí)現(xiàn)安全環(huán)保排放，保證了在線煤氣分析儀的長期、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。

表1 混合煤氣成分及熱值變化情況匯總

表2 熱值法與成分法理論空氣量計(jì)算公式對比

煤氣分析儀主要技術(shù)性能：精度/重現(xiàn)性≤0.2%；線性誤差≤1% FS；零位漂移每月不超過0.2%；更新速度5 s (默認(rèn))，軟件可選1～120 s；樣品壓力0.689 5～13.79 kPa；流量0.1～2 L/min。

2.2 爐頂取氣式分段燃燒監(jiān)控系統(tǒng)

爐頂取氣監(jiān)測方式，即通過在加熱爐各燃燒段爐頂布置的監(jiān)測孔，直接抽取各段煙氣，送入氣體分析系統(tǒng)進(jìn)行分析；根據(jù)各段煙氣中O2、CO等成分變化情況，在線指導(dǎo)各加熱段優(yōu)化操作，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、降低燒損的目標(biāo)。其特點(diǎn)是：

(1)安裝簡單、適用范圍廣，僅加熱段爐頂設(shè)置一個(gè)取樣孔，氣體分析系統(tǒng)可靈活布置；

(2)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，冷熱分開布置，有效解決了高溫烘烤導(dǎo)致設(shè)備故障率高的問題；

(3)測量參數(shù)多且準(zhǔn)確性高，可同時(shí)檢測一種樣氣的多個(gè)組分；

(4)運(yùn)行維護(hù)量少，可在線標(biāo)定。

采用耐高溫防滲漏取氣裝置、長壽命精確測量、流量精確控制、異常狀態(tài)自診斷、系統(tǒng)自維護(hù)、系統(tǒng)自標(biāo)定反吹等創(chuàng)新性技術(shù)，保證了精確、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。目前已平穩(wěn)運(yùn)行超過1 000 d。

煙氣分析儀主要技術(shù)性能：零點(diǎn)漂移≤1% FS/周；量程漂移≤1% FS/周；重復(fù)性≤1%；線性誤差≤1% FS；預(yù)熱時(shí)間≤5 min；響應(yīng)時(shí)間<5 s。

2.3 NOx分段監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

該系統(tǒng)是在爐頂取氣式分段燃燒監(jiān)控平臺成 功應(yīng)用基礎(chǔ)上衍生而來，旨在對加熱爐各燃燒段燃燒產(chǎn)生的NOx進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警，其特點(diǎn)是：

(1)采用分段監(jiān)控的控制思路，即對各獨(dú)立燃燒段產(chǎn)生NOx進(jìn)行監(jiān)控，做到有的放矢；

(2)采用爐頂取氣式取樣，即在各獨(dú)立燃燒控制的加熱段爐頂布置監(jiān)測孔，簡單可靠；

(3)采用直接抽取式測量方式，滿足國標(biāo)要求的同時(shí)，系統(tǒng)簡單可靠；

(4)NOx采用與國標(biāo)一致的8%基準(zhǔn)氧下折算數(shù)據(jù)，更具直觀性和可比性。

該技術(shù)思路為業(yè)內(nèi)首次提出并實(shí)現(xiàn)，在目前《鋼鐵企業(yè)超低排放改造工作方案》實(shí)施要求的大背景下，具有降低企業(yè)環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。

3 現(xiàn)場應(yīng)用效果及分析

2019年以來，新一代軋鋼加熱爐燃燒監(jiān)控系統(tǒng)陸續(xù)在2 250熱軋產(chǎn)線三座加熱爐上投用。

3.1在線煤氣成分法燃燒監(jiān)控系統(tǒng)使用效果分析

(1)煤氣成分法替換熱值法理論空氣量

成分法較熱值法，理論空氣量降低10%以上，具體數(shù)據(jù)見表3。同時(shí)加熱爐煙道殘氧由約7%左右下降至約3%，預(yù)熱器入口排煙溫度下降約40 ℃。

(2)成分法在線煤氣分析儀精準(zhǔn)性驗(yàn)證

現(xiàn)場連續(xù)運(yùn)行10個(gè)多月以上，在線成分法煤氣分析系統(tǒng)測試精度仍保持在1%FS以內(nèi)，詳見表4。

3.2 氧化燒損變化效果分析

為驗(yàn)證利用爐頂取氣式分段燃燒監(jiān)測系統(tǒng)、指導(dǎo)空燃比控制，實(shí)現(xiàn)降低氧化燒損的效果，在2 250產(chǎn)線加熱爐進(jìn)行了相同工況下的燒損對比測試實(shí)驗(yàn)。

表3 同一煤氣熱值法與成分法理論空氣量計(jì)算差異對比

表4 在線成分法煤氣分析系統(tǒng)精準(zhǔn)性驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)

實(shí)驗(yàn)方案：

(1)保持三爐正常生產(chǎn)狀態(tài)，選擇爐況較差的2號加熱爐進(jìn)行爐頂取氣式分段燃燒監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控指導(dǎo)操作，1號、3號保持原有操作狀態(tài)；3塊試驗(yàn)鋼坯上各擺放3塊標(biāo)準(zhǔn)小試樣塊，同時(shí)進(jìn)入3座加熱爐與生產(chǎn)樣一并加熱，加熱完成后，3塊試驗(yàn)鋼坯同時(shí)出爐，測量各爐試驗(yàn)鋼坯上的標(biāo)準(zhǔn)小試樣單位面積燒損量，折算出標(biāo)準(zhǔn)鋼坯下燒損數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

(2)2號加熱爐爐內(nèi)各段氣氛控制范圍： 均熱段O2<0.5%、二加段O2<0.5%、三加段O2<1.0%，預(yù)熱段空氣系數(shù)1.2～1.5，同時(shí)CO<500×10-6，爐頭、爐尾不冒火。

經(jīng)過取氣式分段燃燒監(jiān)控系統(tǒng)操作指導(dǎo)后，鋼坯燒損率平均下降17%以上，具體數(shù)據(jù)見表5。

表5 相對工況下燒損對比測試分析

3.3 能耗變化效果分析

2020年4月，新一代軋鋼加熱爐燃燒監(jiān)控系統(tǒng)開始投用，對比分析投用前的三個(gè)月(1-3月)及投用后的三個(gè)月(5-7月)2 250熱軋產(chǎn)線生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明，新一代軋鋼加熱爐燃燒監(jiān)控系統(tǒng)投用后，2 250加熱爐燃耗下降了4.83%，具體數(shù)據(jù)見表6。

3.4 NOx分段監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)效果驗(yàn)證

采用NOx分段監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)后，各段殘氧從11%以上降低到2.5%以內(nèi)，各段煙氣NOx將由300 mg/m3左右下降到150 mg/m3以內(nèi)，具體數(shù)據(jù)見表7。驗(yàn)證了通過控制空燃比(適當(dāng)降低空氣配比)有效抑制 NOx生成量及加熱爐配備NOx分段監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的必要性。

4 經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益分析

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

該系統(tǒng)在2 250熱軋加熱爐上投用以來，鋼坯燒損率下降17%以上，節(jié)約燃耗4.83%。

表6 2020年1-7月2 250熱軋產(chǎn)線生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)對比

表7 2 250熱軋3號加熱爐空燃比調(diào)整前后分段煙氣中O2及NOx變化

按2 250加熱爐年產(chǎn)量500萬t、噸鋼燃耗1.45 GJ/t、節(jié)約煤氣4%、氧化燒損率下降0.1%、煤氣價(jià)格42元/GJ、板材成品價(jià)格5 500元/t、氧化鐵皮價(jià)格700元/t計(jì)算，年綜合經(jīng)濟(jì)效益約3 618萬元。

4.2 社會(huì)效益

通過降低氧化燒損，年增材約5 000 t?？紤]到氧化鐵皮返回?zé)Y(jié)循環(huán)利用，噸鋼綜合能耗按300 kgce測算，年節(jié)約1 500 tce，加上節(jié)約燃耗折合約9 907 tce，合計(jì)年節(jié)約約11 407 tce，折合減排CO2約29 887 t。

5 結(jié)論

通過新一代軋鋼加熱爐燃燒監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)及應(yīng)用，取得預(yù)期的效果。

在線煤氣成分法燃燒監(jiān)控系統(tǒng)替代原燃燒熱值法燃燒監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)理論空氣量降低10%以上效果。

在爐頂取氣式分段燃燒監(jiān)控系統(tǒng)的指導(dǎo)下，加熱爐內(nèi)氣氛得到優(yōu)化，取得了氧化燒損下降17%以上效果。

從能耗角度分析，新一代軋鋼加熱爐燃燒監(jiān)控系統(tǒng)投用后，產(chǎn)線燃耗下降4.83%。

在NOx分段監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)指導(dǎo)下，通過調(diào)整空燃比等燃燒優(yōu)化控制手段，可有效抑制燃燒過程中NOx生成，實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放目標(biāo)。

馬鋼自主研發(fā)及應(yīng)用的新一代軋鋼加熱爐燃燒監(jiān)控系統(tǒng)屬于行業(yè)內(nèi)首創(chuàng)，具有馬鋼自主知識產(chǎn)權(quán)。目前，已在馬鋼2 250、大H型鋼、長材小棒三條產(chǎn)線、5座熱軋加熱爐上得到產(chǎn)品化應(yīng)用并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，覆蓋產(chǎn)能700萬t以上。通過兩年多的現(xiàn)場使用，充分驗(yàn)證了其精確、可靠、適用廣、安裝簡單、低維護(hù)、自動(dòng)化程度高、投資省等諸多優(yōu)勢。