先進的蓄熱式燃燒系統的控制原理分析及應用研究

王文兵

（廣西柳州銀海鋁業股份有限公司，柳州 545006）

廣西柳州銀海鋁業股份有限公司的熔鋁爐機組采用了先進的環保型蓄熱式燃燒系統，連續穩定生產已超過三年，綜合效益顯著。本文對蓄熱式燃燒系統的原理進行分析，研究在實踐應用中出現的設備故障和處理方法，以期為實際生產中設備的優化提供科學根據。

1 蓄熱式燃燒系統的構成

燃燒系統由蓄熱燒嘴、燃料供應系統、助燃及排煙系統、點火系統、火焰檢測系統等構成。

1.1 蓄熱燒嘴

兩對蓄熱式燃氣燒嘴可以有效覆蓋熔池的空間。燒嘴與以氧化鋁球為蓄熱介質的蓄熱箱相連。當主燒嘴處于燃燒狀態時，助燃風機向爐內鼓風，蓄熱箱實現對助燃風的預熱作用；當燒嘴處于排煙狀態時，高溫煙氣在排煙風機的作用下被高速抽出，蓄熱箱實現對煙氣的蓄熱作用。燒嘴燃燒狀態的切換由PLC系統控制自動調節。由于蓄熱箱的作用，排煙溫度一般在250℃以下。

1.2 燃料供應系統

燃料供應系統由球閥、過濾器、流量計、減壓閥、壓力開關和安全切斷閥等組成，為燒嘴提供符合燒嘴正常燃燒參數的天然氣，以確保燒嘴的正常工作。

1.3 供風及排煙系統

供風和排煙系統由助燃風機、排煙風機、氣動切換閥和調節裝置等組成。每對燒嘴對應一套助燃風機和排煙風機。排煙風機可長時間在高溫煙氣狀態下運轉。風機葉輪設計具有良好的平衡性能，以防止在不同氣流情況下的顫動，由耐腐蝕的不銹鋼厚板制成。風機轉軸由高強度碳鋼制成，磨削至高精度公差并經精確平衡，軸承采用冷卻水冷卻。助燃風機選擇全天不間斷工作的長壽命結構（直連離心風機）。葉輪設計具有良好的平衡性，可將振動降低至最低程度。為便于維修，葉輪經錐形鎖定襯套組件直接安在電機轉軸上。

1.4 點火系統

點火系統由點火程序控制器、點火變壓器和點火槍（包括噴頭、混合器、空氣和燃氣調節閥等）組成。PLC首先檢測諸如爐子是否超溫，爐壓是否超高限，助燃風壓和燃氣壓力是否超低限等安全限制，并據此判斷是否可以點火。若滿足條件則啟動自動點火程序。首先對爐膛進行吹掃，吹掃結束后自動啟動點火控制器，由點火控制器激活點火變壓器，開始點火。若點火失敗，即火檢探頭未檢測到火焰信號，則點火控制器立即發出指令，迅速關閉安全電磁閥，實現熄火保護。待查明原因后，按下復位按鈕，再由PLC重新發出啟動指令，重復執行點火程序。點火成功后，出于安全考慮，點火槍保持長明火狀態。

2 蓄熱式燃燒系統的控制原理

蓄熱式燃燒系統通過燃燒控制程序和燃燒控制器，對自身進行檢測和診斷，實現對整個過程的點火、燃燒、切換（燃燒與蓄熱）及安全控制和過程控制（爐膛溫度、煙氣溫度、爐壓、空氣流量、天然氣流量、空氣/天然氣配比等）。

2.1 爐膛/鋁池溫度控制

爐膛溫度與鋁池溫度有著重要的關系。鋁池溫度直接受爐膛溫度的影響，爐膛溫度高則鋁池升溫速度快，反之，則鋁池升溫速度慢；若爐膛溫度與鋁池溫度偏差太大，則會直接造成鋁液氧化損失。因此，合理設置兩者之間的控制策略，對燒嘴選型和生產運行都很重要。

由于溫度控制的調節對象都是針對燒嘴燃燒量的調節，所以可以歸結為燃燒量調節功能。包括溫度控制回路、空氣/天然氣流量控制回路、空氣/天然氣配比控制回路。

選擇好爐子的溫度控制模式后，PLC根據所選定的溫度控制模式經PID計算出燒嘴的熱負荷，然后分別輸出到天然氣和空氣管路的調節閥，天然氣和空氣管路的調節閥自動按比例（空燃比）調節供風量和供氣量，從而改變燃燒火焰大小，達到溫度自動調節的目的。

2.2 爐壓控制

爐壓控制回路與煙氣控制回路密切相關。

煙氣溫度控制回路是以人工設定的某一符合節能標準的信號值作為設定值，煙氣管道上的煙氣溫度熱電偶信號作為被控對象測量值，調節煙氣蝶閥來控制煙氣排放量，使經過蓄熱體的煙氣流量改變。由于蓄熱體的蓄熱能力被設計為不可調節，所以，排放的煙氣溫度會相應變化。溫度上限熱電偶的測量反饋信號將使系統能將煙氣溫度控制在設備許可和節能標準范圍內。

爐壓控制是保證安全生產及節能的重要手段。為了防止冷空氣進入爐內對燒嘴效率產生負面影響以及加大熔體損耗，爐內的正壓壓力應控制在0.2mbar左右。

爐壓的大小取決于煙氣排放量的大小。差壓變送器將采集的爐氣壓力信號轉換成4～20mA信號，送入PLC中的閉環控制模塊，經PID運算后輸出控制信號，來控制輔助煙道上的調節閥門開口度，從而保證爐氣壓力在允許的范圍內。一般將20%的煙氣作為爐壓控制可獨立調節的平衡點。當超過平衡點，輔助煙道調節閥無法獨立完成爐壓控制，系統將進一步通過改變排煙風機的流量實現目標控制。

3 蓄熱式燃燒系統的維護對策

由于燃燒方式的特殊性和工作環境的惡劣性，蓄熱式燃燒系統在生產運行過程中，有時會出現一些問題，比如點火失敗、熄火報警、爐壓過高等。針對這些典型故障，對燃燒系統做好日常維護保養，就可以極大降低故障率。對主要的維護對策進行分析探討如下。

（1）系統的助燃風應保持潔凈。如果系統中所含污垢過多，則可能對燃燒能力以及設備性能造成不良影響（特別是對點火系統）；

（2）蓄熱箱的蓄熱球需要經常清洗，以防蓄熱箱的助燃風、煙氣所帶的粉塵沉積。這種沉積會造成蓄熱箱堵塞，對通過箱體的助燃風、煙氣流量造成限制，從而導致燒嘴燃燒能力與加熱性能下降以及煙道過熱；

（3）要對位于煙氣管、燒嘴和風機最低點部位的排泄管進行定期檢查，查看是否有水分凝結，如有發現，應將其排空；

（4）要對可能在燒嘴頭及蓄熱箱表面部位沉積的任何污物進行清除（此種沉積可能導致燒嘴頭及蓄熱箱過熱）；

（5）檢查風機和燒嘴之間的所有連接點以及管道膨脹接頭是否有機械損壞，如有發現，應按要求進行維修替換；

（6）對熔爐內部進行檢查時，或者已將蓄熱箱從燃燒器上卸下時，應對下列各項進行檢查：對點火槍進行檢查并清潔保養；對燒嘴內部構件（噴管、耐火材料等）進行檢查；對UV火檢探測器的鏡片進行清潔，以方便UV探測系統的正常運作。

4 結束語

蓄熱式燃燒系統的節能效果好，污染小，維護工作量小。其缺點是蓄熱箱易被煙氣中的粉塵堵塞，為克服堵塞阻力需要額外消耗動力，而且蓄熱球的更換比較麻煩。目前，國內在熔鋁爐上推廣應用蓄熱式燃燒系統的進展很快，但是效果尚達不到進口設備的水平，特別是在燃燒技術的自動控制環節還存在差距，應在實踐中不斷改進。