熱 風(fēng) 爐 操 作 的 優(yōu) 點(diǎn)

1、熱風(fēng)爐操作的優(yōu)點(diǎn)對(duì)熱風(fēng)爐系統(tǒng)的要求是在穩(wěn)定的高風(fēng)溫條件下，向高爐提供規(guī)定的連續(xù)的熱風(fēng)。從熱風(fēng)爐操作來(lái)看，這種解釋是比較滿(mǎn)意的。但從全廠的能源戰(zhàn)略考慮，則還有第二個(gè) 要求，即以最低的成本來(lái)滿(mǎn)足高爐的要求。本文將不根據(jù)工廠能源政策討論熱風(fēng)爐系統(tǒng)的特 性，僅限于對(duì)局部熱風(fēng)爐的能量研究，但也兼顧全廠能源管理的需要。本文將通過(guò)討論熱風(fēng)爐操作中的最重要特性一一熱平衡及相應(yīng)的熱風(fēng)爐最低熱量值。包 括熱量輸入/輸出的計(jì)算和熱風(fēng)爐效率問(wèn)題，燃燒期的控制特性，特別是爐頂溫度控制及相 應(yīng)的計(jì)算。為了控制熱風(fēng)溫度和風(fēng)量的變化，必須進(jìn)行熱量的動(dòng)態(tài)控制。在計(jì)算機(jī)的應(yīng)用方面將靈 敏的適應(yīng)這些變化，將評(píng)述自動(dòng)控制的結(jié)果，指出

2、這有助與提高熱效率和經(jīng)濟(jì)效益，有助與操作人員簡(jiǎn)化控 制，穩(wěn)定操作并延長(zhǎng)熱風(fēng)爐的壽命。熱風(fēng)爐的操作熱風(fēng)爐是一種換熱轉(zhuǎn)換器，外殼是鋼板，內(nèi)有大量的耐火材料。在燃燒期，耐火材料吸 收由內(nèi)燃式或外燃式燃燒器產(chǎn)生的熱量。在鼓風(fēng)期，燃燒期間吸收的熱量與冷空氣進(jìn)行交換， 從而把熱風(fēng)吹入高爐（見(jiàn)圖1）。在燃燒期間，不的中斷向高爐鼓入熱風(fēng)，因此，熱風(fēng)爐系 統(tǒng)由幾座熱風(fēng)爐組成，一般是34座。熱風(fēng)溫度一般為10001300。為了使鼓入高爐的 熱風(fēng)溫度盡量保持穩(wěn)定，所以在熱風(fēng)中混入一定量的冷風(fēng)?；祜L(fēng)可以用冷風(fēng)支管，也可以用 兩座熱風(fēng)爐（不同溫度）的熱風(fēng)混合來(lái)實(shí)現(xiàn)。與上述混風(fēng)操作相對(duì)應(yīng)的操作模式分別稱(chēng)為周 期式和并列式

3、（見(jiàn)圖2和圖3）。2座熱風(fēng)爐系統(tǒng)只能以周期式工作。對(duì)于3座熱風(fēng)爐系統(tǒng)，雖然有2座熱風(fēng)爐是并聯(lián)式， 但是實(shí)際生產(chǎn)中還限于周期式。對(duì)4座熱風(fēng)爐系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，既可有用周期式也可用并聯(lián)式，這 取決于實(shí)際條件。應(yīng)用交叉并聯(lián)模式的4座熱風(fēng)爐系統(tǒng)的一套典型數(shù)值見(jiàn)表1。表1交叉并聯(lián)模式的4座熱風(fēng)爐系統(tǒng)的一套典型數(shù)值所需熱風(fēng)量熱風(fēng)溫度（最高）鼓風(fēng)時(shí)間（單爐）燃燒時(shí)間（單爐）煤氣量（單爐）3000 m3 /min1200 C60min40 min40000 m3/h由于以下原因，應(yīng)優(yōu)先采用交叉并聯(lián)式：提供較高熱風(fēng)溫度的能力；燃燒時(shí)間長(zhǎng)，單爐耗氣低：廢氣溫度低，熱效率高。為使熱風(fēng)爐從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)必須遵循熱風(fēng)

4、爐的操作程序。這需要做一系 列的動(dòng)作，如關(guān)/開(kāi)閥門(mén)，平衡壓力。半自動(dòng)控制轉(zhuǎn)換，就是手動(dòng)啟動(dòng)后所有的操作程序由 邏輯控制元件完成，而全自動(dòng)控制轉(zhuǎn)換，啟動(dòng)是由計(jì)算機(jī)完成。過(guò)去，轉(zhuǎn)換程序是手動(dòng)完成 的，現(xiàn)在大部分實(shí)現(xiàn)了半自動(dòng)化或全自動(dòng)化。熱風(fēng)爐系統(tǒng)的可能自動(dòng)換爐程序?yàn)椋簮灎t一鼓風(fēng)；鼓風(fēng)一悶爐；悶爐一燃燒；燃燒一 悶爐。從悶爐到鼓風(fēng)換爐是在檢查了熱風(fēng)爐的狀態(tài)和可能存在的矛盾指令后完成的。熱風(fēng)爐 通過(guò)打開(kāi)冷風(fēng)閥后充壓。當(dāng)壓力平衡后，冷風(fēng)閥關(guān)閉，熱風(fēng)閥開(kāi)啟，然后，熱風(fēng)爐通過(guò)再次 開(kāi)啟冷風(fēng)閥而鼓風(fēng)。從鼓風(fēng)到悶爐的換爐，也是從檢查熱風(fēng)爐狀態(tài)和可能存在的矛盾指令開(kāi)始。然后冷風(fēng) 閥和熱風(fēng)閥依次關(guān)閉，利用減壓閥減壓

5、。悶爐過(guò)程完成。從悶爐到燃燒轉(zhuǎn)換時(shí)，如需要，在檢查其狀態(tài)和可能存在的矛盾指令后，熱風(fēng)爐就減 壓。啟動(dòng)輔助燒嘴以備燃燒。完成一系列安全檢查程序后，助燃空氣閥和煤氣閥開(kāi)啟，熱風(fēng) 爐轉(zhuǎn)入燃燒期。如果安全檢查不滿(mǎn)足要求，就會(huì)發(fā)出相應(yīng)的警報(bào)。從燃燒到悶爐的轉(zhuǎn)換也從檢查狀態(tài)和發(fā)出指令開(kāi)始，然后關(guān)閉煤氣控制閥，放散助燃 空氣，殘存的煤氣在一定時(shí)間內(nèi)燒完。之后，關(guān)閉各閥及風(fēng)機(jī)，包括輔助燒嘴。在悶爐期轉(zhuǎn)入鼓風(fēng)過(guò)程靠手動(dòng)操作，高爐煤氣經(jīng)過(guò)風(fēng)口在熱風(fēng)系統(tǒng)中燃燒掉。熱平衡熱風(fēng)爐良好操作的主要問(wèn)題是在燃燒期怎樣獲得足夠的熱量，以滿(mǎn)足下一鼓風(fēng)期所需 溫度的熱風(fēng)量。熱風(fēng)爐總熱量變化的典型分布見(jiàn)圖4。圖4表明，在整個(gè)期間內(nèi)，

6、熱風(fēng)爐中保持一定量， 即余熱。在鼓風(fēng)期間，與周期式操作的熱風(fēng)爐系統(tǒng)相比，交叉并聯(lián)操作的熱風(fēng)爐余熱也相應(yīng) 低的多。熱平衡的保持鼓風(fēng)期內(nèi)，高爐所需的熱量由下式計(jì)算:Q tothbe ob(SH hb T bpsp-SH cb T cbm +咿(H hb -H cb)(1)式中：eps-實(shí)測(cè)的冷風(fēng)溫度；H cb-冷風(fēng)熱函；H- hb-熱風(fēng)熱函；Qtot-熱風(fēng)爐所需總熱量；SHcb 冷風(fēng)比熱；SHhb 熱風(fēng)比熱；T bpsp熱風(fēng)圍管的設(shè)定溫度；T cbm 實(shí)測(cè)的冷風(fēng)溫度；tob設(shè)定鼓風(fēng)時(shí)間；V hbe預(yù)測(cè)鼓風(fēng)量?？紤]噴吹燃料及其附加的冷空氣，熱風(fēng)圍管的設(shè)定風(fēng)溫一般要比高爐所需風(fēng)溫高（約40 C。在其后

7、的燃燒期內(nèi)，所需熱量受熱風(fēng)爐效率的影響，計(jì)算如下：Q尸（QQ湛7Qh（2）式中： Q 供熱，剩余熱或追加熱量； fhQ og 燃燒期所需熱量；Q皿 剩余熱量調(diào)節(jié)所需熱量；R 熱風(fēng)爐效率。方程（1）和（2）適用于周期式熱風(fēng)爐。并聯(lián)式熱風(fēng)爐需略作修改。熱量的計(jì)算和存儲(chǔ)，每分鐘一次。熱效率計(jì)算熱風(fēng)爐系統(tǒng)的熱效率方程為:R=(Q hbd +Q 疽 Qst)/Qgas(3)式中Q gas煤氣熱量；Q hbd干熱風(fēng)量；Q m水分熱量；Q 蒸汽熱量。st（3）式中的變量由下式計(jì)算:Q =V(T SHT SH )(4)hbdcbdbpmhbcbmcbQ =W(T SH-T SH )(5)mmsthstcstc

8、stcQ =W( T SH-T SH )(6)stststhsthstcstcQ =Vcv(7)gasgmm式中cvm測(cè)量的煤氣熱值；SH 冷風(fēng)蒸汽比熱；stcSH熱風(fēng)蒸汽比熱；stcT嘛測(cè)量的熱風(fēng)圍管風(fēng)溫；T謙熱風(fēng)蒸汽溫度；T沂冷風(fēng)蒸汽溫度；v cbd干冷風(fēng)量；V gm 測(cè)量煤氣量；W水分重量；W t噴吹蒸汽重量。包括給定溫度的線形方程式，用于計(jì)算比熱。熱風(fēng)爐加熱控制下面討論的方程僅適用于周期式操作的熱風(fēng)爐系統(tǒng)。爐頂溫度控制為了使熱風(fēng)爐操作穩(wěn)定，在燃燒期內(nèi)需要向熱風(fēng)爐輸入準(zhǔn)確的熱量。燃燒過(guò)程控制包括可 燃?xì)怏w和空氣的適當(dāng)混合，以達(dá)到所需的熱值，其結(jié)果是得到設(shè)定的火焰溫度。在燃燒期開(kāi) 始時(shí)，必

9、須特別控制火焰溫度，因?yàn)檫^(guò)高的溫度會(huì)使耐火材料在熱應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋。因 此，由于爐頂溫度被用作熱風(fēng)爐的加熱設(shè)定值，該設(shè)定值隨時(shí)間的推移而增大，并符合歐 所示的曲線變化。曲線方程如下：T dt =（T dfT b）1eXP（T 華 /t au ）+T b（8）式中：T b初始火焰溫度；T df最終爐頂溫度設(shè)定值；T出爐頂溫度瞬時(shí)值；t 恒溫時(shí)間；t華燃燒時(shí)間。初始火焰溫度Tb由下式計(jì)算： TOC o 1-5 h z T b=(TT mE+T dm(9)式中：Tdm為實(shí)測(cè)爐頂溫度。實(shí)際算法是控制火焰溫度和實(shí)測(cè)爐頂溫度的差值：T 廣T 出 +C(10)式中：cn 火焰溫度修正因子；T打計(jì)算所需的爐

10、頂溫度值。同時(shí)：C +C +K (T-Td )于 C 聯(lián)立(11)式中K.為引入的C.的修正參數(shù)。方程(10)和(11)含有通過(guò)修正火焰溫度得到的T和T血的追加方程。當(dāng)達(dá)到了所需的最高爐頂溫度后，火焰溫度由下式計(jì)算：T(n)= Tf(n-1) + (K +K. )(T出-Tm)(n)-K(T出-Tm)(n-1)(12)式中Kp和K.為火焰溫度控制的修正因子。熱值和氣體參數(shù)計(jì)算：在給定的任一瞬時(shí)，按上述方程計(jì)算出火焰溫度后，所需的可燃?xì)怏w熱值cv區(qū)以由下式 推導(dǎo)：T 廣F (CV gas Im E g (13)式中：E面所需的額外可燃?xì)怏w；T“m 可燃?xì)怏w溫度測(cè)量值。由于F含有cv as的二次方

11、程，所以cv as的求解相對(duì)來(lái)說(shuō)較簡(jiǎn)單。為了計(jì)算所需的煤氣量，其熱值可以測(cè)得的高爐煤氣量，富化煤氣量及其成分，特 別是H2和CO2來(lái)計(jì)算。熱值的平均測(cè)量值cv可用所需的煤氣量算得：V (Q -Q (n) /t -Q . 60/cv(14)式中：Qair助燃空氣的物理熱；Q acc (n)一n分鐘后存儲(chǔ)的熱量；togr燃燒進(jìn)行時(shí)間；V gr所需煤氣量。同時(shí)Q (n)= Q(n1)+Q+Q .(15)accaccgas airt ogr = t ogs tog(16)式中：t og為標(biāo)準(zhǔn)燃燒時(shí)間，airca(T 30) SH /60(17)式中：SHca可燃?xì)怏w比熱；Vca可燃?xì)怏w量。Q gas

12、=V g尸/60m(18)SH ca 是 T cam的已知線形函數(shù)。另外，計(jì)算出的煤氣量不得超過(guò)其最下值和最大值，并限制在快速變化范圍內(nèi)。之后， 煤氣量計(jì)算值用于控制系統(tǒng)，并且，僅僅在煤氣燃燒不充分或廢氣溫度過(guò)高時(shí)才無(wú)效。方程(14)包含燃燒期煤氣量的計(jì)算。這樣具有使熱量保持在熱風(fēng)爐上部的優(yōu)點(diǎn)，由 于廢氣溫度較低，所以熱效率較高。第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)理論上去掉了悶爐時(shí)間(即熱風(fēng)爐即不是鼓 風(fēng)期，也不是燃燒期的時(shí)間)，從而提高熱風(fēng)爐效率?？扇?xì)怏w富化和空氣/煤氣比值可燃?xì)怏w富化和空氣/煤氣比值v Rg /v Lg可由下式計(jì)算：V R /V L = (cv cv L )/(cvR cv )(19)式中：cv

13、 Lg貧煤氣比熱；cv Rg富煤氣比熱；V庇貧煤氣量；V砸富煤氣量。富，貧煤氣量由比值VRg /V庇計(jì)算。而后求出空氣/煤氣比值A(chǔ)/G,包含過(guò)剩空氣量，它可能是固定值，或者隨廢氣中co2的測(cè)量值變化（如果可以用的話(huà)）為了防止富煤氣量低于其最低值，且火焰溫度保持較高，火焰用過(guò)?？諝饫鋮s，相應(yīng) 的空氣/煤氣值增大：（T dT df）f ag）式中：f ag 為比例增益系數(shù)。休風(fēng)時(shí)間較長(zhǎng)后的燃燒期內(nèi)，爐頂溫度將會(huì)明顯降低。此時(shí)， 燃燒的控制過(guò)程將與上述系統(tǒng)不同，用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)特殊程序的仔細(xì)升溫。動(dòng)態(tài)加熱控制對(duì)風(fēng)溫或風(fēng)量的需求迅速增長(zhǎng)說(shuō)明了計(jì)算機(jī)控制的重要性。必須向熱風(fēng)爐提供附加加 熱量，使之有較高的熱

14、儲(chǔ)備，這將使燃燒期和鼓風(fēng)期縮短。離線模型試驗(yàn)表明，增加風(fēng)量比 提高風(fēng)溫對(duì)剩余熱量的影響小。在熱籌備特別低的情況下，鼓風(fēng)期縮短，相應(yīng)的燃燒期也縮短。推薦的控制系統(tǒng)的目 標(biāo)，即使在很短的時(shí)間內(nèi)，為下一個(gè)鼓風(fēng)期提供足夠的熱量，并可能盡快達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。燃燒期內(nèi)，熱風(fēng)爐附加的剩余熱量可由下式計(jì)算：Qh =Kg（tn疽）式中：K g 增益系數(shù)；T血 在悶爐鼓風(fēng)時(shí)熱風(fēng)的設(shè)定溫度。熱風(fēng)爐鼓風(fēng)時(shí)，通過(guò)縮短鼓風(fēng)期自動(dòng)進(jìn)行修正。如果不可能時(shí)，附加熱量Q億必須 通過(guò)熱風(fēng)爐得鼓風(fēng)來(lái)輸入。在燃燒期，這一附加熱量意味著有附加的可燃?xì)怏w量。直接的方 法就是使用最大的煤氣量，直至達(dá)到所需的熱量。當(dāng)然，這會(huì)使熱風(fēng)爐效率降低，

15、并且，燃 燒開(kāi)始時(shí)，與使用較少煤氣量燃燒相比，會(huì)使蓄熱室格子磚的溫度分布偏差增大。另外，使 用最大煤氣量也會(huì)延長(zhǎng)相應(yīng)的悶爐時(shí)間，是操作人員對(duì)控制系統(tǒng)發(fā)生懷疑。因此，試驗(yàn)必須 提供一個(gè)計(jì)算的穩(wěn)定煤氣量，這是由計(jì)算機(jī)做的。計(jì)算機(jī)控制程序可能另人滿(mǎn)意地解決風(fēng)溫和風(fēng)量設(shè)定值的變化，以及不同操作模式 之間的轉(zhuǎn)換。操作結(jié)果計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的目標(biāo)是：周期式和并聯(lián)式操作不同模型的穩(wěn)定性提高熱效率。通過(guò)引入交叉并聯(lián)操作模型以及減小悶爐時(shí)間得到較高的熱效率?？刂萍訜釥t頂溫度和熱風(fēng)爐程序其他固有的特性，如防止了二氧化硅格子磚的溫度 太低，延長(zhǎng)了熱風(fēng)爐的壽命。這種模型也提供了這樣的機(jī)會(huì)，應(yīng)用個(gè)別熱風(fēng)爐煤氣富化系統(tǒng)，最好使用富化煤氣 和貧煤氣，因此降低了熱風(fēng)爐的加熱成本（這種方案也可用于全廠的能源系統(tǒng)）與手動(dòng)操作系統(tǒng)相比，使用熱風(fēng)爐自動(dòng)控制系統(tǒng)提高了其整體效率。這使得重復(fù)循 環(huán)成為可能，并且總是在最好的操作設(shè)定點(diǎn)完成