基于熱平衡原理的熱風爐燃燒控制模型

郭雪峰

摘 要：隨著國內鋼鐵產能過剩，鋼鐵價格持續低迷，鋼鐵企業對熱風爐系統節能減排的要求逐漸提高，文章提出了一種基于熱平衡原理的燃燒控制模型，可以降低能耗、提高風溫，從而降低生鐵成本。

關鍵詞：熱風爐；數學模型；燃燒控制

熱風爐作為高爐煉鐵的重要子系統，其作用是向高爐提供穩定的熱量。熱風爐系統有燃燒、燜爐和送風三個階段。在當前鋼鐵行業利潤大幅度下降的大環境下，節能增效已經成為其必然的發展出路，因此建立一套行之有效的燃燒控制策略對整個煉鐵生產必將具有極大的意義。

1 燃燒控制原理

熱風爐的燒爐過程從本質上說就是蓄熱過程。對于燃燒高爐煤氣和助燃空氣的熱風爐來說，完整的熱風爐燃燒控制包含空燃比控制（煤氣流量及助燃空氣流量調節）、拱頂溫度控制以及廢氣溫度控制，具體如圖1所示：

燒爐過程可分為三個階段。以頂燃式熱風爐為例，在燒爐初期，拱頂蓄熱室的溫度很低，廢氣的熱量絕大部分被拱頂蓄熱室吸收，蓄熱室頂部的溫度迅速上升，蓄熱室中下部溫度則上升緩慢，因此燃燒初期拱頂溫度的上升速率是主要控制對象。此時最佳的控制策略是以較大量的煤氣與合適的空燃比對拱頂蓄熱室進行快速加熱，使拱頂溫度快速達到設定值。當拱頂溫度上升到設定值附近，就進入了拱頂溫度管理期。這時，再逐步增大空燃比，適當減小煤氣流量以保持拱頂溫度維持在設定值基本不變，提高并穩定廢氣的升溫速率。此時熱風爐拱頂蓄熱室不再吸收廢氣的熱量，廢氣熱量主要被蓄熱室中下部所吸收。當從廢氣管道排出的廢氣溫度較低時，熱風爐的熱交換效率較高，反之則熱交換效率較低，因此在拱頂溫度管理期，廢氣的溫度上升速率是主要控制對象。在燒爐末期，熱風爐的廢氣溫度已上升至設定值。在熱風爐操作未下達換爐指令前，應全面減少對熱風爐的供熱量以防止拱頂溫度或廢氣溫度超高影響熱風爐壽命。此時的控制策略是助燃空氣流量和煤氣流量均逐漸減少并維持在較低的水平。

2 數學模型的建立

數學模型建立在熱平衡原理的基礎上，即根據送風期帶走的總熱量QA等于燃燒期積蓄的總熱量QB，建立數學模型及推導方法如下。基于熱交換原理，熱風爐送風期帶走的熱量QA為送風期熱風與冷風的物理熱之差，即：

式中cV、cV0分別為熱風和冷風的平均熱容量；V為送風期間單位時間內的冷風流量；T、T0分別為熱風溫度和冷風溫度；ta、tb分別為該熱風爐送風的起止時間。

由于送風期間熱風溫度與冷風溫度均基本保持不變，（1）式又可改為：

根據熱平衡原理，燃燒期熱風爐的蓄熱量QB由燃燒用煤氣的物理熱和化學熱與空氣帶入的物理熱之和減去所產生廢氣的物理熱及熱損失量Q損求得，即：

式中Qg為煤氣的化學熱，cg·Vg·Tg為煤氣的物理熱；co·Vo·To為助燃空氣物理熱；cf·vf·Tf為廢氣的物理熱；Q損為熱風爐外殼散熱等導致的熱損失量；Tg、To、Tf分別為煤氣、助燃空氣和廢氣的溫度；cg、co、cf分別為煤氣、助燃空氣和廢氣的平均熱容量；Vg、Vo、Vf分別為燃燒時煤氣、助燃空氣和廢氣的體積；其中煤氣和助燃空氣體積通常使用流量計直接測量并累積，廢氣的生成量則基于煤氣的成分構成并通過以下反應公式（4）、（5）、（6）計算得出：

式中，QS為燃燒初期的蓄熱量；QT為拱頂溫度管理期的蓄熱量；QF為燃燒末期的蓄熱量。

由（7）式并基于熱平衡原理可得：

式中，QgF為燃燒末期煤氣量的化學熱；cfF為燃燒末期廢氣的平均熱容量；TfF為燃燒末期廢氣的溫度；VgF、VoF、VfF分別為燃燒末期煤氣、助燃空氣和廢氣在單位時間內的消耗量或生成量；Qf為燃燒末期中的熱損失量；tm為燃燒末期的起始時間。由上文所述，燃燒末期廢氣的溫度 應該保持穩定，那么通過廢氣預熱的煤氣和助燃空氣的溫度也應該保持穩定，所以式（9）又可簡化為：

上式中的積分部分可以通過在程序中逐秒累積求得；此外，在一定的送風周期下，當達到燒爐末期時，剩余的燃燒時間也可以確定，即（tb-tm）確定。這樣，利用式（12）、（14）即可確定燒爐末期消耗的平均煤氣流量和助燃空氣流量。綜合上述，可推導燃燒初期、拱頂溫度管理期及燒爐末期的煤氣及助燃空氣量，即可實現熱風爐的精確燃燒控制。

3 結束語

目前國內大部分熱風爐設備水平較低，燃燒控制多采用傳統PID控制方式和模糊控制方式。隨著控制要求的提高，熱風爐燃燒控制朝著智能方向發展是必然趨勢，將數學模型的優點與智能控制結合，提高操作技術水平，同時節能、降耗提高經濟效益。

參考文獻

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