加熱爐空燃比優化及溫度控制研究

霍秋忍

（河鋼集團邯鋼冷軋廠，河北 邯鄲 056015）

加熱爐是冶金生產的基礎性設備，主要用于對鋼坯的升溫加熱，以改變其力學性能，便于鋼坯的軋制。同時，鋼坯加熱也是冶金生產中能源消耗的主要環節，僅冶金加熱爐的能源消耗即可占到鋼鐵工業生產總能耗的1/4左右。在當前節能減排，高質量生產的要求下，如何在保證鋼坯加熱質量的同時降低能耗成為了鋼鐵企業技術公關的重點，這就需要對加熱爐的燃燒特性進行分析，以達到最為優化的空燃比。在一定爐溫制度下，空燃比的合理優化設定不僅可以提高燃燒效率和加熱品質，減少煙氣排散的熱損耗；而且還能調節爐內氣氛的含氧量，減少鋼坯氧化燒損的問題。鋼鐵冶煉中，軋鋼加熱爐燃料為高爐煤氣與焦爐煤氣的混合氣，其熱值變化受多種因素影響，往往難以確定，而這也對空燃比的合理設置帶來了困擾。本文利用經驗公式推導，對加熱爐空燃比的優化確定和爐溫控制進行了探討。

1 燃料熱值對加熱爐的影響

目前我國大型綜合性鋼鐵企業的軋鋼加熱爐普遍采用高爐煤氣或是高焦混合煤氣做為燃料，其組成成分比較復雜，主要成分包括氫氣、一氧化碳、甲烷以及少量的氮氣、二氧化碳和氧氣等。混合氣中各類氣體物質的組分很不穩定，易受各種因素的影響而發生變化，由此也導致了其燃燒熱值的波動變化。通常高爐煤氣熱值波動范圍為（600～800）×4.18kJ/m3，混合煤氣熱值波動范圍在（1800～3200）×4.18kJ/m3。煤氣熱值的波動給空燃比控制帶來了很大影響，繼而也導致了爐溫的波動。燃料熱值對加熱爐的影響主要包括以下幾點。

1.1 影響加熱爐生產率

根據軋鋼加熱爐生產工藝要求，加熱爐需要的理論燃燒溫度應達到1800℃以上，為達到這一溫度則要對燃料熱值、預熱溫度等進行綜合考慮，并合理設定一定條件下的空氣系統，以使其達到較為理想的空燃比。如果空燃比偏高，雖然燃料燃燒較充分，但煙氣帶走的熱量損失較多，單位燃燒高；空燃比偏小則燃料燃燒不足，繼而導致爐溫偏低，加熱能力不足，冷坯加熱升溫時間過長，嚴重影響到加熱爐的生產率。

1.2 影響單位燃耗

空燃比不合理不僅影響加熱爐生產率，還會造成加熱爐單位燃耗的增加。當空氣系數過高，空燃比偏大時，廢氣量也會隨之增大，致使廢氣熱損過多；如果空氣系數較低，空燃比較小，易造成燃料燃燒的不充分，未燃料的燃料則會隨廢氣排出，既導致了燃料的白白浪費，同時也會對大氣環境造成較大的污染。

1.3 影響鋼坯質量

在鋼坯加熱環節，導致鋼坯高溫氧化的因素主要包括:加熱爐溫、加熱時間和爐內氣氛。在溫度和時間一定的情況下，如果空燃比波動較大，則必然會導致爐內氣氛的不穩定，則有可能會造成鋼坯的燒損氧化，嚴重影響鋼坯質量和后續的軋制生產。鋼坯氧化燒損是鋼坯表面鐵元素與爐膛內各類氣體產生化學反應的結果，由于鋼坯內層鐵的濃度大而氧的濃度小，生產鐵的低價氧化物，如氧化亞鐵等；鋼坯外部氧含量高而鐵濃度小，因而生成鐵的高價氧化物，如四氧化三鐵。鋼坯的燒損使其外部形成大量的氧化鐵皮夾雜物，使鋼坯表面質量受到很大影響，帶來很多質量缺陷。

2 加熱爐空燃比的優化

加熱爐是一個典型的復雜工業過程控制系統，具有多變量、非線性的特點，而加熱爐空燃比的優化則是更為復雜的被控對象，煤氣壓力、成分、熱值等因素的變化都會對空燃比造成很大的影響，因此對于加熱爐空燃比的優化極值來說，無論是建模還是控制都比較困難。空燃比優化控制的目的在于盡可能提高加熱爐熱效率，降低燃料消耗和廢氣排放，怎樣在各種變量因素動態變化的情況下，建立一個科學合理的空燃比尋優控制模型成為解決問題的關鍵。目前我國不少鋼鐵企業采用的是煙氣含氧量反饋尋優法，即根據混合煤氣的熱值以及廢氣的含氧量，采用模糊控制方法建立相應的反饋模型。

2.1 熱值前饋模型

熱值前饋模型主要是針對燃料成分及熱值變化，而對空燃比理論值進行的調整。假設焦爐煤氣占混合煤氣的比例為b（0≤b≤1），高爐煤氣占高爐煤氣與轉爐煤氣總和之比為a（0≤a＜1），那么高爐煤氣占混合煤氣的比例就是(1-b)a，轉爐煤氣占混合煤氣的比例就是(1-b)(1-a)，那么混合煤氣的低熱值可由式(1)表示:

式中，Qdz為轉爐煤氣的低熱值KJ/m3；Qdg為高爐煤氣的低熱值KJ/m3；Qd為混合煤氣的低熱值KJ/m3；Qdj為焦爐煤氣的低熱值KJ/m3。

根據式中a、b從0～1變化時混合煤氣的低熱值與其配比的關系，可知引起Qd變化的主要因素是b，a對理論空氣需要量L0的影響相對更小。計算時可以給a一個標準值，即a=52.2/(52.2+13.0)=0.8。利用式（1），再根據實測的混合煤氣的低熱值就可求得b值。這樣就得到了計算混合煤氣成分的式子，如式

式中Xs是混合煤氣中某成分的濕含量%；Xzs是轉爐煤氣中某成分的濕含量%；Xjs是焦爐煤氣中某成分的濕含量%；Xgs是高爐煤氣中某成分的濕含量%。

2.2 理論空燃比的計算

在確定混合煤氣組分后，可套用公式（3）計算出理論空氣的需求量:

混合煤氣充分燃燒時，空氣過剩系數通常在1.02～1.1范圍，此時加熱爐的熱效率最高，熱量散失最少。

3 機于空燃比的加熱爐溫度控制

空燃比對于加熱爐溫度有直接的影響，在加熱時間和燃料熱值一定的情況下，通過調節空燃比即可實現對加熱爐溫度的控制。由于變量因素的不確定性和參數調節的延遲，前饋模型中建立的空燃比有時不能保證氧含量在合理的范圍內。對此，可采用加熱爐溫度自動控制系統，通過調節影響空燃比的相關參數量，實現對加熱爐溫度的控制。

3.1 空燃比調節量的確定

可根據空燃比優化極值的計算公式，在自動化控制系統中通過分析空燃比，繼而建立起相關的加熱爐空燃比模糊控制器。根據加熱爐實際運行情況，建立系統的模糊控制規則，確定模糊變量的隸屬度，將氧含量偏差D和它的變化率DD做為輸入變量，空燃比調節量LN做為輸出變量。

模糊控制模型建立后，通過廢氣分析和氧傳感器對廢氣中氣體組成的分析，并其采集數值輸入模糊控制系統，即可以根據廢煤氣中的氧含量確定加熱爐的空燃比的最優值和空燃比總調節量。

3.2 加熱爐空燃比控制措施

對于加熱爐空燃比的控制，主要包括溫度燃料空氣流量串級調節，引風量調節等。將煤氣流量做為主流量和副參數，空氣流量做為副流量加以控制，組成以加熱爐溫度為主參數，煤氣流量為副參數的串級控制系統。通過氧傳感器對廢氣中氧含量值的反饋，使系統按照設定的空燃比最優值調節煤氣和空氣的流量，從而實現對爐溫的控制和燃料的高效利用。