熱風爐優化燃燒設計與研究

高亞東 周林

摘? 要：針對熱風爐燃燒過程中存在的問題，提出優化控制策略，根據不同燃燒階段，控制空燃比和煤氣量給定，以達到優化燃燒，節約能源的目的。

關鍵詞：優化;空燃比;目標溫度;優先

中圖分類號：TP273? 文獻標識碼：A ? ?文章編號：1671-2064（2020）03-0000-00

0 引言

熱風爐由耐火材料砌筑而成，可承受極高的溫度和溫度變化，在熱風爐燃燒期，高爐煤氣和助燃空氣在燃燒室內燃燒。燃燒廢氣通過拱頂后進入蓄熱室格子磚，熱量傳遞給格子磚，當拱側溫度和廢氣溫度達到規定值后，燃燒期停止，廢氣由煙囪排入大氣。熱風爐準備向高爐提供熱風，即進入送風期。在送風期，冷風以相反的方向吹入格子磚。空氣被加熱，離開熱風爐成為熱風，熱風經熱風主管、支管、圍管進入高爐。

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

1 控制方法概述

熱風爐優化算法將燃燒分為三個階段：加熱升溫管理期，拱頂溫度管理期和廢氣溫度管理期。

以1780M 高爐熱風爐為研究對象，熱風系統包含3個熱風爐，一送兩燒，送風溫度一般為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，燃燒時間一般設定為108分鐘。燒爐時間分為兩個階段，前一階段一般設定為20分鐘，在20（根據實際熱風爐情況可調節）分鐘內將拱頂溫度燒到目標溫度。剩余時間在保持拱頂溫度波動不大的情況下以尾氣溫度上升速度為目標，使尾氣溫度穩步上升。尾氣溫度到達目標溫度后降低煤氣，空氣量。在整個燃燒過程中如拱頂溫度或尾氣溫度超過高報警值則加大空氣量，實時檢測溫度變化率，當拱溫度開始下降時，降低空氣量。當溫度到達目標溫度附近時（可設定具體值，根據爐子工況調節）冷風量停止下降，保持當時值。當溫度在報警值以下穩步上升時，根據煤氣量計算空氣量，通過尾氣氧含量對空氣量進行修正，以達到在控制拱頂溫度和尾氣溫度的前提下達到最佳燃燒效果。

1.1 加熱升溫管理期

1.1.1 溫度上升曲線的設定

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

T1：熱風爐送完風開始燃燒時拱頂溫度。

T2：拱頂目標溫度。

t1：燒到拱頂溫度的時間設定。

當溫度升到 T1+（T2-T1）/2 時，記下此時所經歷的時間t2，此時升溫目標曲線改為 T=（T2-T1）*（t-t1）2/（t1-t2）2 +T2。

T：從換爐開始燃燒所經歷的時間。

T：拱頂溫度在t時的理論值。

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

1.1.2 煤氣的流量的計算

以拱頂溫度理論上升速度△t為目標值，以實際溫度上升速度△t'為溫度上升速度反饋值對煤氣流量的需求量通過PID模塊進行計算，由于溫度上升到T=T1+（T2-T1）/2 時，溫度上升曲線改為拋物線，△t的值越來越小，此時需改變增大P值以適應調節需要。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值的增大量需現場測試決定。

1.1.3 空氣流量的計算

在溫度上升器使空燃比最佳，使得合理的利用燃料，節省時間與燃料成本。根據高爐煤氣中一氧化碳含量和一氧化碳和氧氣化學反應公式2CO+O2=2C02 ，空氣中的氧含量，通過PID計算出煤氣的給定量計算空氣的給定量。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%，計算出的空氣流量。開始燃燒時以公式F=2×f×a%/21%計算的空氣量進行燃燒，3分鐘后（可手動改變），可選擇通過氧化鋯反饋氧含量調節空燃比還是按固定比例燃燒。

煙氣中氧含量如果偏低，說明熱風爐內的氧氣已基本耗盡，煤氣過剩，燃燒可能不夠充分，可適當提高空燃比加大助燃空氣的供給量。如果氧含量偏高，說明爐內氧氣過剩，多余的空氣會帶走大量的熱量，燃燒效率不高，可適當降低空燃比，減少助燃空氣的供給量，以提高燃燒效率。如選擇自動調節，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，并把0.4%～0.8%作為穩態控制區間，在此區間內不進行控制調節。當煙氣殘氧體積含量大于0.8%時，用下式調節空燃比：

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）

當當煙氣殘氧體積含量小于0.4%時，用下式調節空燃比：

bk=[Vk+（0.6-x）×Vy/0.21]/Vm。

1.2? 拱頂溫度管理期

在這一時期拱頂溫度已達到工藝要求，主要關注廢氣的溫度，通過PID控制煤氣給定（控制原理如下圖1）調節實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定值時，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，按空燃比減小煤氣、空氣量。

在加熱爐升溫管理期內，記錄拱頂溫度上升率為零時的煤氣流量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目標值，控制煤氣流量給定。

△t=（T2-T1）/（t2-t1）

T2為尾氣目標溫度，T1為拱頂溫度到達目標溫度時尾氣溫度，t2為熱風爐整個燃燒時間，t1為拱頂溫度達到設定值時所經歷的時間。在廢氣溫度到達廢氣管理溫度后，轉入廢氣溫度管理期。

1.2.1 拱頂溫度超過設定時的控制方法

在燃燒過程中，如果拱頂溫度超過設定溫度，空氣的流量控制不受空然比的限制，根據測的溫度和設定溫度的差值△t1計算空氣的增量，以達到穩步降溫的目的。

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']。以拱頂溫度超過設定值時的空氣流量值為基數，加△Q'作為空氣閥門調節給定，當拱頂溫度降到T+△t1'，過1分鐘后投入氧化鋯空燃比閉環控制。

1.2.2 當拱頂溫度低于設定值時的控制方法

如果溫度下降幅度大，可切換為手動操作，按固定空燃比加大煤氣空氣量，接近目標溫度后切換為自動燃燒。當拱頂溫度下降不大時，以拱頂設定溫度為目標值對煤氣流量進行調節。

1.2.3 拱頂溫度在設定范圍內尾氣氧含量的調節

拱頂溫度波動在 [T-△t1' ，T+△t1'] 范圍內時，以尾氣上升速度△t為目標控制煤氣流量。在投入氧化鋯自動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%為目標值。加大空氣量以利于尾氣溫度上升。

助燃風量調節方法：

當煙氣殘氧體積含量大于0.6%時，用下式調節空燃比：

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）

當當煙氣殘氧體積含量小于0.6%時，用下式調節空燃比：

bk=[Vk+（0.6 -x）*Vy/0.21]/Vm

當拱頂溫度低于T-△t1'時轉為拱頂溫度T為目標值控制煤氣流量，如T大于T-△t1'時用1.2.1 中方法對拱頂溫度進行降溫。

1.3 廢氣溫度管理期

在保證拱頂溫度的前提下，應盡量加大空氣流量，獲取更多的煙氣，增大熱風爐的蓄熱量;尾氣溫度、拱頂溫度同時控制，當拱頂溫度有波動時優先控制拱頂溫度，只有保證拱頂溫度，蓄熱量才有保證。

當在設定的燒爐時間前達到尾氣的設定溫度，并有上升趨勢則發出報警，提醒操作工關閉煤氣，空氣閥門，進入悶爐狀態;如剛好達到尾氣設定溫度或低于設定溫度則關閉空氣，煤氣閥門等待送風。

2 送入高爐熱風的溫度控制

為保證送入高爐熱風溫度，由高爐本體控制熱風爐混風閥。采用兩支熱偶采集熱風溫度，取其高值做為目標值，控制混風調節閥，混入冷風，來控制熱風溫度。以熱風溫度、混風調節閥共同組成PID調節系統。

3 結論

根據蓄熱式熱風爐的特點，以控制拱頂溫度為主，在不同階段用不同的控制策略，兼顧能源節約和工藝設備要求，控制思路清晰，方法簡單可靠，可實現高爐熱風爐的燒爐全自動優化控制，在實現提高送風溫度的同時可降低煤氣消耗，可以為企業帶來可觀的經濟效益和良好的社會效益，具有很好的推廣價值。

收稿日期：2019-12-22

作者簡介：高亞東（1982—），男，山東濟寧人，本科，機電工程師，研究方向：冶金自動化。