邬纳新, 等 面的温度乘以时间 的乘积 成正 比。因时间 较固 定, 而 要使蓄热量大, 一定要 尽可能 快地把 热风 炉拱顶 温度 烧到某一高度 ( 例如 1 250 ), 然 后尽 可能 使顶 温在 ) , 这 就需 要完 稳定中缓慢上 升到最 高 (例 如 1 300
糊 控制和专 家 仲 裁 实时 修 正 空 燃比 , 降低 废 气 中 残 氧 量, 提高 热风炉 燃烧 效率 。因 此, 我 们 需要 一种 精 度 高、 响应 快、 寿 命长 、 易 维 护 而 又 经 济可 靠 的 残 氧 分 析单元。
烟气中的氧含量是燃烧过程中进行空燃比监测的 最主要参数之一。现在已有多种技术应用到了烟气氧 含量的监 测中, 但是 在 使用 中有 时发 现 是很 困 难的。 例如顺磁法氧含量测量, 烟气在分析之前, 需从工艺管 道中抽出, 经预处理装 置清洁 除湿 后再进 入分析 单元 中做测量, 滞后严重、 动态响应性差, 一次投入大, 维 护成本高、 维护困难, 要求使 用人员 素质 高, 且有 时预 处理装置很难彻底 处理 干净烟 气。其它 色谱、 质 谱类 分析仪大多数都 存在上 述问 题。而 90 年 代初开 始逐 步应用的直插式氧化锆含氧量测量单元为这种问题的 解决带来了希望。 直插式氧 化锆 含氧 量 典型 系统 包 括氧 化 锆 传感 器、 热电偶、 过滤器、 支 撑管、 接线盒、 参比 气和标 定气 接口等。因为不需抽 吸预处 理系统, 直插 式氧化 锆可 以直接安装到炉膛 或烟 道中的 合适 位置。安装 方便、 维护简单、 费用相对低 廉, 关 键是动 态响 应性好、 精度 高, 对于燃烧过程中 燃烧 效率的 检测非 常适 合。但是 氧化锆探头受材料技术、 制作流程与工艺、 低温测量技术的限 制, 10年前在国内低温烟气氧 含量测量 领域的 使用效 果并不理想, 致命问题是寿命短, 例如马钢股份公司一 号 2 500 m 大高炉热 风系 统早在 17 年前 就已经 使用 插入式氧化锆探头检测热风炉燃烧室烟道废气的残氧 量, 使用不到一个月全部不能工作, 致使我们大家都认为氧化 锆氧含量低温测量 技术是不 成熟 的, 在后 续基本 建设 项目中, 热风系统热风炉、 制粉系统烟气炉等都不再考 虑氧化锆的使用。 直 至近 5 年, 我们 关注到低温 型直插 式氧化 锆测 量 技术 在应 用层 面上 有了长 足的 进步 , 不 少长 寿命、 高精 度、 动态响应 的成熟产品 相继问世。 为了提 高生 产 效率、 节能 减排, 我们 在一 号高 炉大 修过 程中 决定 使用 新型低温 氧化 锆探 头监 测 热风 炉燃 烧室 的 燃烧 效率 。
高炉大修项目, 在四 座热风炉 烟道阀 前分别安 装 ABB 氧化锆分析仪, 实时检测烟道废气含氧量, 结合拱顶温 度和废气 温度 分析, 获 得当 前热 风炉 燃 烧效 率 状况。 通过模糊控制和专家仲裁实时进行空燃比优化燃烧控 制, 以达到提高燃烧效 率、 降 低能源 消耗、 减少污 染排 放、 提高热风温度、 延 长热风 炉使用 寿命 的目的, 取得 了良好的经济效益和社会效益
在 热风炉 燃 烧 过 程中 , 高炉 煤 气 和 助 燃 空 气 如 果 进入热风 炉 燃 烧 室后 发 生 了 完全 充 分 燃 烧, 而 且
修改稿收到日期 : 2008- 04- 09 。 第一作者邬纳新, 男 , 1968 年生, 1991 年毕业于安徽工业大学自动化 仪表专业, 获学士学位, 高级工程师; 主要从事高炉自动化控制系统方面 的设计研发工作 。
热风炉燃 烧系 统普 遍 缺乏 对燃 烧 效率 的 有 效监 控, 在一定程度上加剧了能源的浪费和环境的污染, 如 何动态监测热风炉燃烧效率进而优化燃烧过程控制是 解决问题的关键
高炉 煤气和 助 燃 空气 都 没 有 过剩 , 此时 热 风 炉 的 燃 烧效 率最 高, 当前 配 比 即 是 最 佳 空燃 比 。如 果 煤 气 量过 剩煤气没 有充分 燃 烧, 大 量煤 气 随烟 气外 排, 带 走热 量 并 造 成 污 染。 如 果 空 气 量 过 剩 煤 气 燃 烧 充 分, 大量空 气随烟 气外 排, 带 走 更多 的热 量。 这样 的 情况 下, 热风 炉燃烧 效率 同比 降低 , 煤 气和 空 气量 比 例失 调。 进入热风炉的燃烧介质是否完全充分燃烧直接决 定了热风炉的燃烧效率。通过热效应量化评估燃烧效 率是困难的, 而通过监 测废气 中燃烧 介质 的剩余 量来 判断当前燃烧是否完 全充分, 通过剩 余量 的大小 来衡 量燃烧介质配比的优 劣, 是评 估热风 炉燃 烧效率 的一 种有效办法
要 : 热风炉普遍存在着燃烧效率不高的问题, 如何动态监测热风炉燃烧效率进而优化燃烧过程控制是解决问题的关键。在热风
炉烟道阀前设置氧化锆残氧分析系统, 实时检测烟道废气含氧量, 结合拱顶温度和废气温度分析 , 获得当前热风炉燃烧效率状况。通 过模糊控制和专家仲裁实时进行空燃比优化燃烧控制, 以达到提高燃烧效率、 降低能源消耗、 减少污染排放、 提高热风温度、 延长热风 炉常规使用的寿命的目的。通过在马钢一号高炉的实施, 取得了良好的经济效益与社会效益。 关键词 : 热风炉 燃烧效率 优化燃烧控制 氧化锆 空燃比 中图分类号 : TP273 文献标志码: A
高炉 煤气组 分 多 且含 量 不 够 稳定 , 选择 一 种 组 分 的 检测 来推断 高 炉 煤气 燃 烧 剩 余量 有 一 定 的 困 难, 而 且高 炉煤气 的每一种 组分 都 较难 实现 简单 经 济的 在 线连 续检 测。而 助 燃 空 气 相 对要 简 单 得 多, 助 燃 空 气中 氧气含 量 基 本恒 定, 根 据 燃 烧 后废 气 中 的 残 氧 量就 可以计 算 出 助燃 空 气 的 剩余 量 , 推 算 出 实 际 空 燃比 数据以 及 控 制到 最 佳 空 燃比 的 调 整 量, 通 过 模
善的自动化燃烧控制管理系统来保证燃烧过程的高效率。 传统的高炉热风炉 自动 化燃烧 控制系 统, 在 理论 上讲是非 常完 善的。 针对 热风 炉 具有 完整 的 数学 模 型, 根据工况可计算出 不同时 刻所需 的空 燃比以 及加 热煤气流量和助燃空气流量等设定值。自动化燃烧控 制系统包括 煤气 流 量控 制、 空 气 流量 控制、 空 燃比 控 制、 拱顶温度控制、 废气温度控制和周期控制等几大部 份来实现高炉煤气和助燃空气的比值燃烧控制。其中 空燃比控制是最重要 的一部 分, 通过 燃烧 过后烟 气中 含氧量的变化, 使用数 学模型 计算出 当前 空燃比 的偏 差值用以修正空燃比设定, 保证 在例如 CO 含 量、 湿度 等变化造成煤气热焓值不断变化的情况下空燃比的正 确性。如果烟气中 O2 含量偏低, 说明助燃空气已基本 耗尽, 煤气接近剩余, 燃 烧可 能不够 充分, 可适当 提高 空燃比加大助燃空气的供给量。如果 O 2 含量偏高, 说 明助燃空气量大, 剩余的助燃空气会带走大量的热量, 燃烧效率不高, 可适当降低空燃比, 减少助燃空气的供 给量, 以提高燃烧效率。 但是, 上述燃烧控制 系统 在实际 生产 实践中 存在 两个技术瓶颈。首先是 烟气 的氧量 分析单 元, 它 是燃 烧控制管理系统的核心部件, 在必须保证精确、 高速、 可靠、 寿命长、 易维护而又相对便宜的情况下, 才能在生产中 得到普遍的应用, 确保所控制燃烧系统的高效性, 以往 的失败使用经历, 主要 是氧化 锆探头 的使 用寿命 造成 的。其次, 在可靠的残氧分析基础上, 如何通过残氧量 的分析计算 出正 确 的空 燃比 设定 值 也是 一个 薄弱 环 节。传统模拟量连续 PID 的 参数很 难整定, 且自 适应 性差, 缺乏稳定性。 马钢股份公司第 二炼铁 总厂一 号 2 500 m 高炉, 热风炉主要由 4座热风炉组成, 燃气为高炉煤气, 设计 顶温为 1 350 , 烟道温 度为 450 , 高炉 的有效 利用 系数 为 2 5。 热 风 炉 计 算 机 控 制 系 统 采 用 O vat ion ( DCS )系统。由 于上 述两个 问题, 一 直通 过分析 中心 的检化验数 据计 算 所需 空燃 比设 定 值并 人工 推算 修 正。受操作工技术熟练 程度、 工况变 化等 因素影 响很 大, 效率很低。 我们在一号高炉大修期间, 安装 使用了 ABB 公司 直插式低温型氧化锆 氧量分 析单元, 以检 测热风 炉烟 气中的氧气含量, 用 于热风 炉燃 烧效率 的监测。 同时 在此基础上, 利用模糊 控制技 术和自 适应 考虑重 新设
