1. 前言

高溫空氣燃燒（High Temperature Air Combustion，簡寫為HTAC）技術突破了人們對燃燒的傳統認識，通過極限回收煙氣余熱并且高效預熱助燃空氣，實現了超高溫（1000℃）和超低氧（2%~5%）條件下的燃燒。高溫低氧燃燒過程，為大幅度節能和大幅度降低煙氣中有害物質排放，改善環境提供了技術保證。

蓄熱式燃燒技術由于具有高效節能和低污染排放等多重優越性，近幾年在爐窯和傳統烘烤設備改造中得到大力推廣，特別在煉鋼廠鋼包（中間包）烘烤設備中得到普遍應用。

2. 原設備存在的主要問題及改造方案

寶鋼股份不銹鋼分公司煉鋼廠原有20多臺鋼包烘烤器，使用美國MAXON公司的天然氣燃燒器，無余熱回收裝置，在烘烤過程中，全部的高溫煙氣從鋼包沿和煙囪直接排放到車間，能耗較高。加上原控制系統設計不合理，主要是用儀表把空燃比分四段控制，即空氣量按溫度劃分為四段，燃氣與空氣的比例分別為1比11，17，29，53，空氣量太大，烘烤效率較低。鋼包烘烤器的能耗高，熱效率低，是運行費用居高不下的關鍵因素。

為降低鋼包烘烤器的天然氣消耗，提高鋼包烘烤質量和烘烤效率，在滿足工藝要求的情況下，經過論證決定采用蓄熱式燃燒技術改造鋼包烘烤器。在煉鋼廠鋼包（中間包）烘烤設備中雖然國內很多企業都采用蓄熱式燃燒技術，但由于設備和技術的差異，現場運行質量、設備安全性和節能效果也有明顯不同。目前國內應用較多的蓄熱式燃燒技術主要有兩種：一.煤氣不預熱，空氣單蓄熱。只有一個蓄熱室，空氣采用四通換向閥換向，煤氣常通或用快切閥啟停。這種方式由于是單蓄熱，余熱利用率不高，節能效果有限。二.空氣、煤氣雙蓄熱。空氣和煤氣各有一個蓄熱室、各用一個四通換向閥換向，空氣和煤氣都能預熱到很高溫度，余熱回收效果較好。但煤氣/煙氣換熱通道在換向過程中，常常會把沒有完全燃燼的煤氣回抽回去，從而產生爆燃等安全隱患。同時由于很難做到煤氣、空氣的同步換向，空燃比無法有效控制，也不能有效組織火焰結構和形式，不能滿足精準控制和精確加熱的目的。我們在進行鋼包烘烤器改造項目過程中，從方案論證到項目實施都嚴格把關，精心挑選、精心制作，最后確定的總體方案為：鋼包烘烤器使用原系統的驅動機構、烘烤器支架；使用國內先進的復合型蓄熱式天然氣燃燒系統替代原燃燒系統，并對原控制系統作適應性改造，以滿足蓄熱式燃燒系統的要求(如下圖)。經過一年多的運行驗證，改造的15套設備都能按工藝要求全自動烘烤運行，節能效果顯著。

 

復合型蓄熱式燒嘴在使用中，空氣通道和煙氣通道裝有蜂窩蓄熱體，起蓄熱式換熱和間壁式換熱器輻射傳熱的作用。煤氣通過煤氣間壁換熱通道換熱，回收煙氣中的余熱，同時煤氣在煤氣換熱通道內不回抽，這樣既達到了雙蓄熱的效果，又避免了煤氣在管道內爆燃，大大提高了煤氣預熱的安全性。采用獨特的換向閥結構，不僅實現了空氣和煤氣的同步同軸換向、有效地控制空燃比和組織火焰狀態，而且能精準控制、精確燃燒，在技術上是一個很大的進步。

此次鋼包烘烤器改造的具體要求如下：

1). 采用天然氣，復合型蓄熱方式。

2). 必須適應寶鋼多種耐材材質鋼包的烘烤，尤其是整體澆注鋼包烘烤

3). 自動點火，全程火焰監控，具有完善的安全保障措施

4). 全自動烘烤控制，無需專人監控使用過程，簡化操作，維修方便

5). 節能40%以上，并降低Nox排放。

針對上述要求，結合煉鋼廠的實際情況具體措施如下：

l 研制蓄熱式烘烤器用低Nox燒嘴

對原二次燃燒式高溫預熱空氣燃燒用低Nox燒嘴進行改造，加裝點火煤氣/空氣管、自動點火裝置的打火頭和全程火焰監控的火焰探頭孔，使之適用于安裝在立式鋼包烘烤器包蓋上。

l 研制新型高效能烘烤器蓄熱裝置

按立式鋼包烘烤器包蓋特點重新設計蓄熱裝置.蓄熱體采用蜂窩陶瓷，蜂窩陶瓷壁厚0.4mm，間隔2.5mm，傳熱面積1344m2/m3.蓄熱裝置高溫端在前，低溫端在后，根據使用溫度采用不同的材質。蓄熱室頂部設有維修孔，便于打開檢查和更換蓄熱體。

制定烘烤器改造具體方案：

對原鋼包烘烤器進行改造，烘烤平臺、液壓升降、鼓風機、流量檢測等原系統不變，更換烘烤器全纖維包蓋，新增蓄熱式烘烤器用兩個復合蓄熱式主燒咀、點火燒嘴、換向系統、引風機、排煙溫度檢測及顯示以及各種連接管道。

按上述方案2005年10月開始在一套鋼包烘烤器和一套鐵水包烘烤器進行試驗性改造。經過三個多月運行發現燒嘴蓄熱體有部分積炭和堵塞現象，經分析是控制系統不精準，致使空燃比不合理，天然氣沒有充分燃燒冒黑煙造成的。需改進原燃燒控制系統，使溫度低了開大燃氣時先開大空氣，后開大燃氣；溫度高了關小燃氣時先關小燃氣，后關小空氣；或者在始終保持合理的燃空比的情況下燃氣和空氣同時升降，保證在整個燃燒過程中燃燒合理，不冒黑煙，進一步降低能耗。

原系統采用VRX100無紙記錄儀作監控設備，有以下不足：

l 作為監視器，無紙記錄儀只能簡單顯示和記錄現場瞬時值，不能模擬工藝流程，不能監視所有設備狀態。當發生故障時，不能清楚的指出故障點。

l 作為控制器，無紙記錄儀只能作溫度PID調節器的定值控制。當溫度低時，要開大燃氣閥門。由于溫度檢測值的滯后，連續的開燃氣閥門使燃氣量過大。當溫度上來以后，溫度太高又要關小燃氣閥門。由于溫度檢測值的滯后，連續的關燃氣閥門使燃氣量過小。因儀表功能所限，空氣量和煤氣量隨閥門開度忽大忽小，配比無法準確控制，既浪費能源，又保證不了烤包質量。

l 不能完全滿足蓄熱式烘烤對控制的要求，如小火控制，中位控制，流量曲線控制,煙氣流量控制等。

經過論證，決定對原控制系統進行改造，開發新的電控系統。我們的電控設計人員具有豐富實踐經驗，早在2002年就與寶鋼能源部合作研制了高效的蓄熱式鋼包烘烤器的控制部分,該系統功能齊全，操作簡單，維護方便，安全可靠，控溫精度在30度以內，已廣泛應用于寶鋼及其它鋼鐵企業。用PLC＋觸摸屏作系統監控設備是現代控制技術的發展方向。相比VRX100無紙記錄儀，新系統是最普及和通用的設備，有如下優點：

l 作為監視器的觸摸屏可以作各種顯示和操作，趨勢曲線，報警記錄，模擬工藝流程，監視所有設備狀態，調節參數等,簡單明了。當發生故障時，能清楚的指出故障點。

l PLC作為控制器功能強大，易于擴展，能完全滿足蓄熱式烘烤對控制的要求，如小火控制，中位控制，特別是流量曲線控制，煙氣流量控制等，能儲存各種控制用數據表，能作其它復雜控制。

2006年4月開始按該方案確定的流量曲線控制方式改造三套鋼包烘烤器。所謂流量曲線控制方式是指寶鋼煉鋼廠開工時從日本引進的烘烤器，由日本專家在現場通過實驗制作的烘烤曲線的烘烤方式。經過慎重考慮，我們決定在烘烤器中采用這種控制方式。

2006年6月完成這三臺的改造。運行一段時間后，除點火燒嘴有些損壞外，其他都按要求實現了。從2006年6月到2006年12月又完成十臺的改造。這些烘烤器有鋼包、鐵包、母液包的，鋼包有整體澆鑄的，鐵包有脫磷和脫硫的，在線的等等，每個烘烤位一般有七條烘烤曲線，在現場通過實驗制作烘烤曲線的工作量很大。經過半年的運行，流量曲線與理論烘烤升溫曲線有一些偏差。我們又結合流量曲線控制的優點，將所有烘烤控制改成溫度反饋控制，使烘烤完全按升溫曲線進行，同時又加了一些限制，使流量波動比一般溫度反饋控制小。經過一年多的使用，烘烤基本在自動控制狀態下運行，節能效果顯著。

3. 新開發監控系統的特點

好的監控系統在于如何將燃燒器、蓄熱體及切換系統三者有機地結合起來，從而將高溫空氣燃燒技術上的優越性最大限度地轉化成實際應用效果，同時又操作簡單，維護方便，安全可靠。

    本系統采用S7-300  PLC進行控制，采用觸摸屏做人機界面，主要由面板按鈕操作，觸摸屏完成輔助操作，同時觸摸屏也顯示系統中各過程變量數值，設備狀態，趨勢曲線，報警記錄，設置各種參數等。在觸摸屏上顯示的主要界面有監視頁，操作頁，參數設置頁和報警頁。

3.1觸摸屏頁面設計

通過功能菜單鍵可打開公用窗口，選擇模擬圖、數顯表圖、趨勢圖、事件報警記錄、手動操作、參數設置頁面等。

l 模擬圖 ：本圖顯示烘烤工藝過程，包括燃氣、助燃空氣及其它管道上全部可控設備符號，各設備狀態，鋼包外形，火焰狀態等。檢測過程變量數值有空燃氣流量PV瞬時值，SP設定值，鋼包溫度PV瞬時值，煙氣溫度PV瞬時值，顯示燃氣流量累積值，烘烤時間。有隨時顯示報警狀態的報警條。模擬圖是界面的主畫面。

l 數顯表圖：本圖將檢測的過程變量數值和控制的設定值用數顯表的形式顯示出來，有燃氣流量PV瞬時值，SP設定值，空氣流量PV瞬時值，SP設定值，鋼包溫度PV瞬時值，烘烤時間,燃氣流量累積值。趨勢圖：本圖顯示鋼包溫度趨勢曲線，燃氣流量趨勢曲線。

l 事件報警記錄：本圖顯示并存儲報警事件發生時間，確認時間，恢復時間，事件名稱。

l 手操作：本圖通過手動操作模擬儀表圖調節閥門位置來調節燃氣流量和空氣流量，同時顯示燃氣流量瞬時值，閥門位置，空氣流量瞬時值，閥門位置。手操作燃氣切斷閥開/關，消音等。

l 參數設定：時間設定，PID參數設定，換向時間設定。

3.2 PLC主要控制功能

l 手動烘烤控制

在著火狀態下操作人員在觸摸屏上按燃氣切斷閥開按鈕打開燃氣切斷閥，手動調節燃氣調節閥開度，給出燃氣流量，同時手動調節空氣調節閥開度，給出適當的空氣流量點燃主燃氣進行烘烤控制。

l 流量曲線自動烘烤控制

由于不同鋼包材質、成型方式不同，將不同工況情況下的鋼包目標溫度與時間的關系，轉化成相應的煤氣流量與時間的關系，并給出對應的空燃比值，特征點的設置頻率為1小時1個煤氣流量和空燃比值，PLC在每個循環周期內，將插值計算設定的空氣和煤氣流量值輸出給空氣和煤氣調節器，由調節器完成空燃比控制。

  制作流量曲線數據表

根據工藝給出的五種工況鋼包烘烤升溫曲線，在現場人工標定好滿足七種工況要求的烘烤煤氣流量、空氣流量和空燃比的烘烤曲線數據，輸入到PLC數據塊中，PLC即設定好了多條流量曲線。

l 溫度反饋自動烘烤控制

燃氣在鋼包內的燃燒流動流場比較穩定，溫度分布均勻，特別在包蓋上的監測點溫度穩定且與實際的鋼包烘烤溫度存在一定的關系，通過試驗確定此關系，將滿足各種工況要求的曲線輸入到PLC中，就可以直接依據鋼包的監測點溫度實際值和目標值進行溫度反饋控制，實現鋼包的溫度反饋自動控制烘烤要求。

在自動控制模式下，根據烘烤要求在曲線選擇開關上選擇對應曲線，當按下烘烤開始按鈕后，PLC按選定烘烤曲線號自動調出對應烘烤曲線的溫度設定值輸出給調節器，由PLC內置的PID溫度反饋調整，并將調節結果通過調節器完成空燃比控制，實現鋼包的自動溫度反饋烘烤。當烘烤溫度達到目標值后，自動轉入保溫程序。

l 快速切換控制

PLC每15秒輸出模擬量控制蓄熱烘烤器的快速換向裝置，實現切換控制。

l 自動點火控制和全程火焰監控

檢查燃氣壓力正常，送風壓力正常，儀表用氣壓力正常，燃氣切斷閥關。這時按下點火煤氣開按鈕。當按下點火煤氣開按鈕4秒后，按下點火開始按鈕，點火變壓器得電打火，8秒后變壓器電源自動切斷，點火結束。安裝在蓄熱烘烤器兩個燒嘴上的火焰檢測器檢測有無火焰，若無火焰則給出失火信號。在確認點火正常后，手動狀態下操作人員按煤氣切斷閥開按鈕打開煤氣切斷閥，手動調節煤氣調節閥給出小流量煤氣，點燃主煤氣。烘烤中失火，則聲光報警，同時關燃氣切斷閥和點火燃氣電磁閥。

l 保溫狀態控制

在自動控制模式下進入保溫燃燒控制時，中位閥得電進入保溫狀態，即煤氣、空氣進入通道和煙氣排出通道堵死，同時PID停止運算，輸出煤氣量為0m3/h、空氣量為0m3/h流量信號給調節器，延時45秒后換向閥失電，保溫狀態指示燈點亮。目標溫度下降20℃換向閥得電，中位閥失電，恢復原空/燃配比燃燒狀態。

l 煤氣小流量控制

在烘烤整體澆注鋼包時，煤氣用量較小，采用蓄熱式烘烤后，煤氣用量在原有基礎上，降低約30％～50％，最低流量達到20Nm3/hr，因此給用孔板檢測流量的控制帶來一定的困難，本系統引入煤氣小流量控制技術，成功地解決了這一困難。

l 烘烤結束控制

按烘烤結束按鈕，PLC停止運算復位，輸出煤氣量為0m3/h、空氣量為1000 m3/h流量信號給調節器。

l 故障報警系統控制

     a) 煤氣壓力、鼓風壓力、儀表氣源壓力在正常情況下對應的指示燈熄滅，其中若有一個低壓，則聲光報警，同時關煤氣切斷閥和點火煤氣電磁閥。

                   b) 烘烤中失火，則聲光報警，同時關煤氣切斷閥和點火煤氣電磁閥。

     c) 空燃比例失調，則聲光報警，同時關煤氣切斷閥和點火煤氣電磁閥。

 d) 斷偶則聲光報警。

 e) 排煙溫度超限，則聲光報警，同時關引風機。

3.3  溫度反饋自動控制烘烤的實現

本系統結合流量曲線控制的優點，開發了有限制的溫度反饋控制模式。流量曲線控制是采用按時間段改變煤氣流量，同時按時間段改變煤氣的配氣系數，即改變空氣流量進行燃燒控制來滿足鋼包烘烤工藝要求。針對不同的鋼包包襯材質，成型方式以及不同工況的使用要求鋼包烘烤工藝也不同，需要作出適應各種要求的流量烘烤曲線。隨著技術和設備的進步，改變煤氣流量的時間段可不斷的縮小，流量曲線控制方式所控制的鋼包烘烤升溫曲線是比較好的，但是流量曲線控制對溫度是開環控制，是間接控制，隨著季節的變化，煤氣壓力、熱值變化和空氣的相關變化，實際控制溫度與目標溫度會產生一點偏差。

有限制的溫度反饋控制方式是在蓄熱式鋼包烘烤器流量曲線控制方式的基礎上開發的，具體做法如下：

整理溫度反饋控制曲線

鋼包烘烤器一般只在包蓋上安裝一支熱電偶來測量鋼包溫度。在根據工藝給出的鋼包烘烤升溫曲線，手動調試流量控制曲線的同時，記錄下包蓋溫度，據此整理出包蓋溫度與鋼包平均溫度之間的關系曲線。圖3為整體澆鑄包全修鋼包平均烘烤溫度與包蓋溫度的關系曲線。

 
         圖3：包內平均烘烤溫度與包蓋檢測溫度的關系曲線

從圖中可以看出，整個曲線分為四段：

第一段：時間 0～8小時，為低溫段，不斷的改變時間段間斷開主燃氣，靠燃氣泄漏量升溫?？諝饬髁堪葱r段從2000m3/h小步插值降到1000 m3/h。

第二段：時間9～40小時，包蓋溫度與鋼包溫度之間的關系式為

      T蓋 ＝T 包 + 109 – t        （t 為時間9～40小時之一）

第三段：時間41～44小時，包蓋溫度與鋼包溫度之間的關系式為

      T蓋＝T 包 + 70 – （t －40）×2.5（t 為時間41～44小時之一）

第四段：時間45～56小時，包蓋溫度與鋼包溫度之間的關系式為

      T蓋 ＝ T 包 + 60

選擇串級調節控制方法

  在流量曲線控制方式中，本系統采用了定值調節方法即單回路PID調節方法，只不過這個設定值隨著PLC的循環周期插值計算的。燃氣回路和空氣回路都采用單回路PID控制，兩個控制回路之間的確定關系是：

燃氣流量設定值×配氣系數＝空氣流量設定值。

這里的配氣系數也按時間段變化。

  在溫度反饋控制方式中，我們選擇串級調節控制方法。我們的目的是控制鋼包烘烤溫度，而控溫是通過改變燃燒燃氣流量和空氣流量來實現的。分析一下這幾個測量信號和溫度控制對象可以得出，溫度的測量和控制是大滯后環節，其傳遞函數近似為二階慣性環節加純滯后環節，而燃氣流量和空氣流量從測量信號到控制信號反應都非?？?，其傳遞函數近似為一階慣性環節，主要干擾源也來之于煤氣和空氣管路，這樣的系統最適合于采用串級調節控制方法。采用串級調節控制方法，以溫度為主調信號，溫度回路為主控制回路，以煤氣、空氣為副調回路進行溫度控制是最佳選擇，詳見控制系統方框圖。

  溫度設定值                                                                                

l 實現溫度反饋控制的具體做法

低溫段處理

   低溫段不斷的改變時間段間斷開主煤氣，燃氣流量為泄漏量，空氣流量按小時段從2000m3/h小步插值降到1000 m3/h，鋼包溫度在理論升溫曲線上下波動。包蓋溫度升至150℃左右或者低溫段時間到，進入串級調節系統運行。                                                                                     

串級調節系統參數整定

首先整定副回路參數，空氣流量干擾比較大，采用較高增益PID控制，燃氣流量干擾比較小，采用低增益PID控制。副回路整定完后，在流量曲線控制方式下運行穩定，人工加擾動后，控制響應曲線完全符合Ziegler-nichols 整定法整定的結果。

按小時段加限

   根據蓄熱式鋼包烘烤工藝和鋼包本體溫度場的特點，在主回路控制中加了許多限制，主要有在需要升溫時，燃氣流量最大為該小時段煤氣流量的2倍，在需要降溫時，燃氣流量最小為20 m3/h而不要降為0。              

l 溫度反饋控制功能的優點

鋼包烘烤器溫度反饋控制方式與流量曲線控制方式比較有以下優點：   

控溫準確。因為是溫度閉環控制，可以嚴格地按照人工設定的升溫曲線進行，基本上不受季節，燃氣、空氣流量波動的影響，控溫精度可在±20℃以內。

進一步挖掘流量曲線控制方式節能的潛能，也就是說比流量曲線控制方式        

更節能。流量曲線控制方式只按給定燃氣、空氣流量進行燃燒，間接地控制溫度，對控溫系統來說，這種控制是非常粗糙的。溫度反饋控制方式是直接的閉環控制系統，對控溫系統來說，這種控制是非常細致的，因而能進一步的節約能源。

4. 改造后的鋼包烘烤器實際運行情況

自2005年底開始陸續改造的鋼包烘烤器投入運行，經過一年多的使用，該系統設計合理，技術先進，功能齊全，操作簡單，維護方便，安全可靠，控溫精度在30度以內，改造后節能效率提高達47%~54%，平均49%。簡化操作，在自動模式下選好曲線，開始時按烘烤開始按鈕即可，結束時按烘烤結束按鈕即可。如果烘烤有中斷，可在觸摸屏上設置烘烤時間，從斷點接著烘。

該系統實際運行曲線如圖4所示。從圖中可以看出，在流量/時間和溫度反饋兩種自動控制模式下，設定溫度曲線和實際運行曲線之間的誤差值基本控制在±30oC。而且，對溫度模式而言，控制精度更高，達到±20oC。

結論

1).從實際運行情況看，燒嘴和蓄熱裝置運行效果很好，燃燒火焰長、平穩，有助于Nox的降低，換熱后的廢氣溫度低于150℃，控制系統功能齊全，操作簡單，維護方便，安全可靠，控溫精度在30度以內，改造后節能效率平均提高49%，說明本次改造是成功的。

2).成功制作適合現場應用的鋼包烘烤曲線

在試驗鋼包的頂、底、上、下不同部位埋設6支熱電偶，按照工藝人員給出的不同耐材和不同工況鋼包烘烤的5種升溫曲線，成功制作出適合現場應用的5種鋼包烘烤的流量-時間控制烘烤曲線數據和整體澆鑄鋼包的溫度反饋烘烤曲線數據（這些數據是實現自動控制的基礎），經過一年的使用，滿足現場烘烤要求。

3）關鍵技術應用

     本系統開發成功應用如下關鍵技術

l 快速換向控制技術

l 煤氣小流量控制技術

l 有限制的溫度反饋控制烘烤技術

5. 技術成果及推廣應用前景

本項目研制成功的蓄熱式鋼包烘烤器技術不僅節能效果顯著，改造完成后每年的節能效益在3000萬元以上，而且在完善蓄熱式燃燒技術的基礎上結合本項目的具體特點，獲得了兩項實用新型專利，為蓄熱式燃燒技術的應用發展作出了實質性貢獻。其成果應用于其它煉鋼廠，也會象在寶鋼不銹鋼分公司煉鋼廠一樣取得滿意的實際使用效果。此外，本項目所積累的蓄熱式燃燒方面的技術和經驗，也可應用于加熱爐以及其它加熱裝置的蓄熱式改造工程中，其經濟效益將是十分可觀的，蓄熱式燃燒技術有著廣闊的應用前景。(文章摘自中國鋼鐵)