钢包烘烤器的节能改造

发布时间:2019/6/1 14:55:03    浏览次数:3681

 

1. 前言

高温空气燃烧（High Temperature Air Combustion，简写为HTAC）技术突破了人们对燃烧的传统认识，通过极限回收烟气余热并且高效预热助燃空气，实现了超高温（1000℃）和超低氧（2%~5%）条件下的燃烧。高温低氧燃烧过程，为大幅度节能和大幅度降低烟气中有害物质排放，改善环境提供了技术保证。

蓄热式燃烧技术由于具有高效节能和低污染排放等多重优越性，近几年在炉窑和传统烘烤设备改造中得到大力推广，特别在炼钢厂钢包（中间包）烘烤设备中得到普遍应用。

2. 原设备存在的主要问题及改造方案

宝钢股份不锈钢分公司炼钢厂原有20多台钢包烘烤器，使用美国MAXON公司的天然气燃烧器，无余热回收装置，在烘烤过程中，全部的高温烟气从钢包沿和烟囱直接排放到车间，能耗较高。加上原控制系统设计不合理，主要是用仪表把空燃比分四段控制，即空气量按温度划分为四段，燃气与空气的比例分别为1比11，17，29，53，空气量太大，烘烤效率较低。钢包烘烤器的能耗高，热效率低，是运行费用居高不下的关键因素。

为降低钢包烘烤器的天然气消耗，提高钢包烘烤质量和烘烤效率，在满足工艺要求的情况下，经过论证决定采用蓄热式燃烧技术改造钢包烘烤器。在炼钢厂钢包（中间包）烘烤设备中虽然国内很多企业都采用蓄热式燃烧技术，但由于设备和技术的差异，现场运行质量、设备安全性和节能效果也有明显不同。目前国内应用较多的蓄热式燃烧技术主要有两种：一.煤气不预热，空气单蓄热。只有一个蓄热室，空气采用四通换向阀换向，煤气常通或用快切阀启停。这种方式由于是单蓄热，余热利用率不高，节能效果有限。二.空气、煤气双蓄热。空气和煤气各有一个蓄热室、各用一个四通换向阀换向，空气和煤气都能预热到很高温度，余热回收效果较好。但煤气/烟气换热通道在换向过程中，常常会把没有完全燃烬的煤气回抽回去，从而产生爆燃等安全隐患。同时由于很难做到煤气、空气的同步换向，空燃比无法有效控制，也不能有效组织火焰结构和形式，不能满足精准控制和精确加热的目的。我们在进行钢包烘烤器改造项目过程中，从方案论证到项目实施都严格把关，精心挑选、精心制作，最后确定的总体方案为：钢包烘烤器使用原系统的驱动机构、烘烤器支架；使用国内先进的复合型蓄热式天然气燃烧系统替代原燃烧系统，并对原控制系统作适应性改造，以满足蓄热式燃烧系统的要求(如下图)。经过一年多的运行验证，改造的15套设备都能按工艺要求全自动烘烤运行，节能效果显著。

 

复合型蓄热式烧嘴在使用中，空气通道和烟气通道装有蜂窝蓄热体，起蓄热式换热和间壁式换热器辐射传热的作用。煤气通过煤气间壁换热通道换热，回收烟气中的余热，同时煤气在煤气换热通道内不回抽，这样既达到了双蓄热的效果，又避免了煤气在管道内爆燃，大大提高了煤气预热的安全性。采用独特的换向阀结构，不仅实现了空气和煤气的同步同轴换向、有效地控制空燃比和组织火焰状态，而且能精准控制、精确燃烧，在技术上是一个很大的进步。

此次钢包烘烤器改造的具体要求如下：

1). 采用天然气，复合型蓄热方式。

2). 必须适应宝钢多种耐材材质钢包的烘烤，尤其是整体浇注钢包烘烤

3). 自动点火，全程火焰监控，具有完善的安全保障措施

4). 全自动烘烤控制，无需专人监控使用过程，简化操作，维修方便

5). 节能40%以上，并降低Nox排放。

针对上述要求，结合炼钢厂的实际情况具体措施如下：

l 研制蓄热式烘烤器用低Nox烧嘴

对原二次燃烧式高温预热空气燃烧用低Nox烧嘴进行改造，加装点火煤气/空气管、自动点火装置的打火头和全程火焰监控的火焰探头孔，使之适用于安装在立式钢包烘烤器包盖上。

l 研制新型高效能烘烤器蓄热装置

按立式钢包烘烤器包盖特点重新设计蓄热装置.蓄热体采用蜂窝陶瓷，蜂窝陶瓷壁厚0.4mm，间隔2.5mm，传热面积1344m2/m3.蓄热装置高温端在前，低温端在后，根据使用温度采用不同的材质。蓄热室顶部设有维修孔，便于打开检查和更换蓄热体。

制定烘烤器改造具体方案：

对原钢包烘烤器进行改造，烘烤平台、液压升降、鼓风机、流量检测等原系统不变，更换烘烤器全纤维包盖，新增蓄热式烘烤器用两个复合蓄热式主烧咀、点火烧嘴、换向系统、引风机、排烟温度检测及显示以及各种连接管道。

按上述方案2005年10月开始在一套钢包烘烤器和一套铁水包烘烤器进行试验性改造。经过三个多月运行发现烧嘴蓄热体有部分积炭和堵塞现象，经分析是控制系统不精准，致使空燃比不合理，天然气没有充分燃烧冒黑烟造成的。需改进原燃烧控制系统，使温度低了开大燃气时先开大空气，后开大燃气；温度高了关小燃气时先关小燃气，后关小空气；或者在始终保持合理的燃空比的情况下燃气和空气同时升降，保证在整个燃烧过程中燃烧合理，不冒黑烟，进一步降低能耗。

原系统采用VRX100无纸记录仪作监控设备，有以下不足：

l 作为监视器，无纸记录仪只能简单显示和记录现场瞬时值，不能模拟工艺流程，不能监视所有设备状态。当发生故障时，不能清楚的指出故障点。

l 作为控制器，无纸记录仪只能作温度PID调节器的定值控制。当温度低时，要开大燃气阀门。由于温度检测值的滞后，连续的开燃气阀门使燃气量过大。当温度上来以后，温度太高又要关小燃气阀门。由于温度检测值的滞后，连续的关燃气阀门使燃气量过小。因仪表功能所限，空气量和煤气量随阀门开度忽大忽小，配比无法准确控制，既浪费能源，又保证不了烤包质量。

l 不能完全满足蓄热式烘烤对控制的要求，如小火控制，中位控制，流量曲线控制,烟气流量控制等。

经过论证，决定对原控制系统进行改造，开发新的电控系统。我们的电控设计人员具有丰富实践经验，早在2002年就与宝钢能源部合作研制了高效的蓄热式钢包烘烤器的控制部分,该系统功能齐全，操作简单，维护方便，安全可靠，控温精度在30度以内，已广泛应用于宝钢及其它钢铁企业。用PLC＋触摸屏作系统监控设备是现代控制技术的发展方向。相比VRX100无纸记录仪，新系统是最普及和通用的设备，有如下优点：

l 作为监视器的触摸屏可以作各种显示和操作，趋势曲线，报警记录，模拟工艺流程，监视所有设备状态，调节参数等,简单明了。当发生故障时，能清楚的指出故障点。

l PLC作为控制器功能强大，易于扩展，能完全满足蓄热式烘烤对控制的要求，如小火控制，中位控制，特别是流量曲线控制，烟气流量控制等，能储存各种控制用数据表，能作其它复杂控制。

2006年4月开始按该方案确定的流量曲线控制方式改造三套钢包烘烤器。所谓流量曲线控制方式是指宝钢炼钢厂开工时从日本引进的烘烤器，由日本专家在现场通过实验制作的烘烤曲线的烘烤方式。经过慎重考虑，我们决定在烘烤器中采用这种控制方式。

2006年6月完成这三台的改造。运行一段时间后，除点火烧嘴有些损坏外，其他都按要求实现了。从2006年6月到2006年12月又完成十台的改造。这些烘烤器有钢包、铁包、母液包的，钢包有整体浇铸的，铁包有脱磷和脱硫的，在线的等等，每个烘烤位一般有七条烘烤曲线，在现场通过实验制作烘烤曲线的工作量很大。经过半年的运行，流量曲线与理论烘烤升温曲线有一些偏差。我们又结合流量曲线控制的优点，将所有烘烤控制改成温度反馈控制，使烘烤完全按升温曲线进行，同时又加了一些限制，使流量波动比一般温度反馈控制小。经过一年多的使用，烘烤基本在自动控制状态下运行，节能效果显著。

3. 新开发监控系统的特点

好的监控系统在于如何将燃烧器、蓄热体及切换系统三者有机地结合起来，从而将高温空气燃烧技术上的优越性最大限度地转化成实际应用效果，同时又操作简单，维护方便，安全可靠。

    本系统采用S7-300  PLC进行控制，采用触摸屏做人机界面，主要由面板按钮操作，触摸屏完成辅助操作，同时触摸屏也显示系统中各过程变量数值，设备状态，趋势曲线，报警记录，设置各种参数等。在触摸屏上显示的主要界面有监视页，操作页，参数设置页和报警页。

3.1触摸屏页面设计

通过功能菜单键可打开公用窗口，选择模拟图、数显表图、趋势图、事件报警记录、手动操作、参数设置页面等。

l 模拟图 ：本图显示烘烤工艺过程，包括燃气、助燃空气及其它管道上全部可控设备符号，各设备状态，钢包外形，火焰状态等。检测过程变量数值有空燃气流量PV瞬时值，SP设定值，钢包温度PV瞬时值，烟气温度PV瞬时值，显示燃气流量累积值，烘烤时间。有随时显示报警状态的报警条。模拟图是界面的主画面。

l 数显表图：本图将检测的过程变量数值和控制的设定值用数显表的形式显示出来，有燃气流量PV瞬时值，SP设定值，空气流量PV瞬时值，SP设定值，钢包温度PV瞬时值，烘烤时间,燃气流量累积值。趋势图：本图显示钢包温度趋势曲线，燃气流量趋势曲线。

l 事件报警记录：本图显示并存储报警事件发生时间，确认时间，恢复时间，事件名称。

l 手操作：本图通过手动操作模拟仪表图调节阀门位置来调节燃气流量和空气流量，同时显示燃气流量瞬时值，阀门位置，空气流量瞬时值，阀门位置。手操作燃气切断阀开/关，消音等。

l 参数设定：时间设定，PID参数设定，换向时间设定。

3.2 PLC主要控制功能

l 手动烘烤控制

在着火状态下操作人员在触摸屏上按燃气切断阀开按钮打开燃气切断阀，手动调节燃气调节阀开度，给出燃气流量，同时手动调节空气调节阀开度，给出适当的空气流量点燃主燃气进行烘烤控制。

l 流量曲线自动烘烤控制

由于不同钢包材质、成型方式不同，将不同工况情况下的钢包目标温度与时间的关系，转化成相应的煤气流量与时间的关系，并给出对应的空燃比值，特征点的设置频率为1小时1个煤气流量和空燃比值，PLC在每个循环周期内，将插值计算设定的空气和煤气流量值输出给空气和煤气调节器，由调节器完成空燃比控制。

  制作流量曲线数据表

根据工艺给出的五种工况钢包烘烤升温曲线，在现场人工标定好满足七种工况要求的烘烤煤气流量、空气流量和空燃比的烘烤曲线数据，输入到PLC数据块中，PLC即设定好了多条流量曲线。

l 温度反馈自动烘烤控制

燃气在钢包内的燃烧流动流场比较稳定，温度分布均匀，特别在包盖上的监测点温度稳定且与实际的钢包烘烤温度存在一定的关系，通过试验确定此关系，将满足各种工况要求的曲线输入到PLC中，就可以直接依据钢包的监测点温度实际值和目标值进行温度反馈控制，实现钢包的温度反馈自动控制烘烤要求。

在自动控制模式下，根据烘烤要求在曲线选择开关上选择对应曲线，当按下烘烤开始按钮后，PLC按选定烘烤曲线号自动调出对应烘烤曲线的温度设定值输出给调节器，由PLC内置的PID温度反馈调整，并将调节结果通过调节器完成空燃比控制，实现钢包的自动温度反馈烘烤。当烘烤温度达到目标值后，自动转入保温程序。

l 快速切换控制

PLC每15秒输出模拟量控制蓄热烘烤器的快速换向装置，实现切换控制。

l 自动点火控制和全程火焰监控

检查燃气压力正常，送风压力正常，仪表用气压力正常，燃气切断阀关。这时按下点火煤气开按钮。当按下点火煤气开按钮4秒后，按下点火开始按钮，点火变压器得电打火，8秒后变压器电源自动切断，点火结束。安装在蓄热烘烤器两个烧嘴上的火焰检测器检测有无火焰，若无火焰则给出失火信号。在确认点火正常后，手动状态下操作人员按煤气切断阀开按钮打开煤气切断阀，手动调节煤气调节阀给出小流量煤气，点燃主煤气。烘烤中失火，则声光报警，同时关燃气切断阀和点火燃气电磁阀。

l 保温状态控制

在自动控制模式下进入保温燃烧控制时，中位阀得电进入保温状态，即煤气、空气进入通道和烟气排出通道堵死，同时PID停止运算，输出煤气量为0m3/h、空气量为0m3/h流量信号给调节器，延时45秒后换向阀失电，保温状态指示灯点亮。目标温度下降20℃换向阀得电，中位阀失电，恢复原空/燃配比燃烧状态。

l 煤气小流量控制

在烘烤整体浇注钢包时，煤气用量较小，采用蓄热式烘烤后，煤气用量在原有基础上，降低约30％～50％，最低流量达到20Nm3/hr，因此给用孔板检测流量的控制带来一定的困难，本系统引入煤气小流量控制技术，成功地解决了这一困难。

l 烘烤结束控制

按烘烤结束按钮，PLC停止运算复位，输出煤气量为0m3/h、空气量为1000 m3/h流量信号给调节器。

l 故障报警系统控制

     a) 煤气压力、鼓风压力、仪表气源压力在正常情况下对应的指示灯熄灭，其中若有一个低压，则声光报警，同时关煤气切断阀和点火煤气电磁阀。

                   b) 烘烤中失火，则声光报警，同时关煤气切断阀和点火煤气电磁阀。

     c) 空燃比例失调，则声光报警，同时关煤气切断阀和点火煤气电磁阀。

 d) 断偶则声光报警。

 e) 排烟温度超限，则声光报警，同时关引风机。

3.3  温度反馈自动控制烘烤的实现

本系统结合流量曲线控制的优点，开发了有限制的温度反馈控制模式。流量曲线控制是采用按时间段改变煤气流量，同时按时间段改变煤气的配气系数，即改变空气流量进行燃烧控制来满足钢包烘烤工艺要求。针对不同的钢包包衬材质，成型方式以及不同工况的使用要求钢包烘烤工艺也不同，需要作出适应各种要求的流量烘烤曲线。随着技术和设备的进步，改变煤气流量的时间段可不断的缩小，流量曲线控制方式所控制的钢包烘烤升温曲线是比较好的，但是流量曲线控制对温度是开环控制，是间接控制，随着季节的变化，煤气压力、热值变化和空气的相关变化，实际控制温度与目标温度会产生一点偏差。

有限制的温度反馈控制方式是在蓄热式钢包烘烤器流量曲线控制方式的基础上开发的，具体做法如下：

整理温度反馈控制曲线

钢包烘烤器一般只在包盖上安装一支热电偶来测量钢包温度。在根据工艺给出的钢包烘烤升温曲线，手动调试流量控制曲线的同时，记录下包盖温度，据此整理出包盖温度与钢包平均温度之间的关系曲线。图3为整体浇铸包全修钢包平均烘烤温度与包盖温度的关系曲线。

 
         图3：包内平均烘烤温度与包盖检测温度的关系曲线

从图中可以看出，整个曲线分为四段：

第一段：时间 0～8小时，为低温段，不断的改变时间段间断开主燃气，靠燃气泄漏量升温。空气流量按小时段从2000m3/h小步插值降到1000 m3/h。

第二段：时间9～40小时，包盖温度与钢包温度之间的关系式为

      T盖 ＝T 包 + 109 – t        （t 为时间9～40小时之一）

第三段：时间41～44小时，包盖温度与钢包温度之间的关系式为

      T盖＝T 包 + 70 – （t －40）×2.5（t 为时间41～44小时之一）

第四段：时间45～56小时，包盖温度与钢包温度之间的关系式为

      T盖 ＝ T 包 + 60

选择串级调节控制方法

  在流量曲线控制方式中，本系统采用了定值调节方法即单回路PID调节方法，只不过这个设定值随着PLC的循环周期插值计算的。燃气回路和空气回路都采用单回路PID控制，两个控制回路之间的确定关系是：

燃气流量设定值×配气系数＝空气流量设定值。

这里的配气系数也按时间段变化。

  在温度反馈控制方式中，我们选择串级调节控制方法。我们的目的是控制钢包烘烤温度，而控温是通过改变燃烧燃气流量和空气流量来实现的。分析一下这几个测量信号和温度控制对象可以得出，温度的测量和控制是大滞后环节，其传递函数近似为二阶惯性环节加纯滞后环节，而燃气流量和空气流量从测量信号到控制信号反应都非常快，其传递函数近似为一阶惯性环节，主要干扰源也来之于煤气和空气管路，这样的系统最适合于采用串级调节控制方法。采用串级调节控制方法，以温度为主调信号，温度回路为主控制回路，以煤气、空气为副调回路进行温度控制是最佳选择，详见控制系统方框图。

  温度设定值                                                                                

l 实现温度反馈控制的具体做法

低温段处理

   低温段不断的改变时间段间断开主煤气，燃气流量为泄漏量，空气流量按小时段从2000m3/h小步插值降到1000 m3/h，钢包温度在理论升温曲线上下波动。包盖温度升至150℃左右或者低温段时间到，进入串级调节系统运行。                                                                                     

串级调节系统参数整定

首先整定副回路参数，空气流量干扰比较大，采用较高增益PID控制，燃气流量干扰比较小，采用低增益PID控制。副回路整定完后，在流量曲线控制方式下运行稳定，人工加扰动后，控制响应曲线完全符合Ziegler-nichols 整定法整定的结果。

按小时段加限

   根据蓄热式钢包烘烤工艺和钢包本体温度场的特点，在主回路控制中加了许多限制，主要有在需要升温时，燃气流量最大为该小时段煤气流量的2倍，在需要降温时，燃气流量最小为20 m3/h而不要降为0。              

l 温度反馈控制功能的优点

钢包烘烤器温度反馈控制方式与流量曲线控制方式比较有以下优点：   

控温准确。因为是温度闭环控制，可以严格地按照人工设定的升温曲线进行，基本上不受季节，燃气、空气流量波动的影响，控温精度可在±20℃以内。

进一步挖掘流量曲线控制方式节能的潜能，也就是说比流量曲线控制方式        

更节能。流量曲线控制方式只按给定燃气、空气流量进行燃烧，间接地控制温度，对控温系统来说，这种控制是非常粗糙的。温度反馈控制方式是直接的闭环控制系统，对控温系统来说，这种控制是非常细致的，因而能进一步的节约能源。

4. 改造后的钢包烘烤器实际运行情况

自2005年底开始陆续改造的钢包烘烤器投入运行，经过一年多的使用，该系统设计合理，技术先进，功能齐全，操作简单，维护方便，安全可靠，控温精度在30度以内，改造后节能效率提高达47%~54%，平均49%。简化操作，在自动模式下选好曲线，开始时按烘烤开始按钮即可，结束时按烘烤结束按钮即可。如果烘烤有中断，可在触摸屏上设置烘烤时间，从断点接着烘。

该系统实际运行曲线如图4所示。从图中可以看出，在流量/时间和温度反馈两种自动控制模式下，设定温度曲线和实际运行曲线之间的误差值基本控制在±30oC。而且，对温度模式而言，控制精度更高，达到±20oC。

结论

1).从实际运行情况看，烧嘴和蓄热装置运行效果很好，燃烧火焰长、平稳，有助于Nox的降低，换热后的废气温度低于150℃，控制系统功能齐全，操作简单，维护方便，安全可靠，控温精度在30度以内，改造后节能效率平均提高49%，说明本次改造是成功的。

2).成功制作适合现场应用的钢包烘烤曲线

在试验钢包的顶、底、上、下不同部位埋设6支热电偶，按照工艺人员给出的不同耐材和不同工况钢包烘烤的5种升温曲线，成功制作出适合现场应用的5种钢包烘烤的流量-时间控制烘烤曲线数据和整体浇铸钢包的温度反馈烘烤曲线数据（这些数据是实现自动控制的基础），经过一年的使用，满足现场烘烤要求。

3）关键技术应用

     本系统开发成功应用如下关键技术

l 快速换向控制技术

l 煤气小流量控制技术

l 有限制的温度反馈控制烘烤技术

5. 技术成果及推广应用前景

本项目研制成功的蓄热式钢包烘烤器技术不仅节能效果显著，改造完成后每年的节能效益在3000万元以上，而且在完善蓄热式燃烧技术的基础上结合本项目的具体特点，获得了两项实用新型专利，为蓄热式燃烧技术的应用发展作出了实质性贡献。其成果应用于其它炼钢厂，也会象在宝钢不锈钢分公司炼钢厂一样取得满意的实际使用效果。此外，本项目所积累的蓄热式燃烧方面的技术和经验，也可应用于加热炉以及其它加热装置的蓄热式改造工程中，其经济效益将是十分可观的，蓄热式燃烧技术有着广阔的应用前景。(文章摘自中国钢铁)