京唐中厚板加热炉脉冲燃烧技术及应用

高 亮，江 波，陈迪安，汪小龙，陈国海，李 浩

（1.北京首钢国际工程技术有限公司，北京100043；2.北京市冶金三维仿真设计工程技术研究中心，北京100043）

随着市场对产品差异化需求的增大， 大型中厚板加热炉生产的特点是产品种类多、规格跨度大，传统燃烧加热炉常常由于分区大而无法对同一区的不同板坯进行差异化精确加热控制， 往往为了满足最高的板坯加热温度而导致加热炉运行能耗和NOx生成明显升高。脉冲燃烧控制对于高能耗、高污染的钢铁工业来说，是提高能源效率，减少燃料消耗和削减污染物排放的最佳途径之一， 在国内外的轧钢加热炉及热处理炉上得到了越来越多的应用。

2019年10 月， 首钢国际工程公司向首钢京唐公司提出关于首钢4300 mm 中厚板加热炉采用脉冲燃烧技术的建议，并于2020年1 月完成首钢公司加热炉脉冲燃烧的方案设计，4 月份中修完成项目实施工作，并一次性成功投入使用。这次常规燃烧改脉冲燃烧技改项目顺利实施，经济效益、社会效益和环境效益显著，为首钢京唐公司节能、减排、低耗的绿色生产做出了贡献。

1 脉冲燃烧技术理论基础

1.1 分区分段控制

精细化分区分段控制，在一个控制段内，空气、燃气段管设置流量检测仪表和调节阀， 根据温压补偿后的段管煤气流量， 乘以空燃比系数后作为空气流量调节的设定值， 通过调节段管空气流量调节阀开度，保证空气、燃气流量在设定的空燃比。 在一个控制区空、燃气脉冲阀成对打开和关闭：打开时先开空气脉冲阀，再开燃气脉冲阀；关闭时先关燃气脉冲阀，再关空气脉冲阀。 通过分段分区控制，更加灵活地保证了板坯加热质量，提高了加热均匀性。

1.2 脉冲烧嘴时序控制

单个烧嘴供热的时序原理如图1 所示。 按照时序进行烧钢，经过一段时间后，在装/出钢平衡的情况下，炉内温度会达到一个稳定的状态。 但是当装/出钢失衡后，即要求热负荷发生变化，只要在一定的脉冲周期下，调整烧嘴控制脉冲的ON/OFF 时间，就可以起到调整热负荷的目的。

图1 烧嘴供热的时序原理图

在图1 中，当温度调节器（PID）输出信号MV 在0～100%范围变化时，经过系统的离散化，输出脉冲的开时间“t”也随着线性的在“0～T”中间变化。然后，经过脉冲时序分配器， 将控制脉冲发到相应的空/煤气的阀门控制执行机构，最终完成阀门的开/闭，从而达到控制炉温的目的。 本变换过程通过自动化系统PLC 来实现。

1.3 炉温量化控制

在额定的燃气压力、热值下，在脉冲燃烧状态，喷出热气流的热焓、 速度以及热气流的长度都是一个定值，如果对多个烧嘴进行适当的组合、合理的布置，就会获得满意的处理炉内温度场的分布，保证极高的板坯加热质量。

对于在小流量的保温状态下， 也就是在低负荷燃烧状态下，每个烧嘴打开期间，喷出的燃料和空气量和大流量状态下是相同的， 仅仅是打开的时间不同， 所以火焰长度不受到常规控制下的小流量影响的问题，容易对炉温进行量化控制。

1.4 双交叉限幅+脉冲燃烧控制

大部分公司在应用脉冲燃烧控制时， 对脉冲过程中流量控制空燃比的调整不够重视， 主要表现为空燃比控制不精确、对燃气热值波动适应性差、不能差异化控制各炉段的空燃比等。

在各段采用流量比例控制后， 流量控制和检测与脉冲控制系统相结合， 对脉冲控制系统参数进行修正和调整，从而达到精确控制空燃比的目的。

2 首钢京唐4300 mm 中厚板加热炉脉冲燃烧改造技术方案

2.1 加热炉概况

首钢京唐公司4300 mm 产线新建的两座空煤气双预热步进梁式加热炉，设计产能230 t/h。全炉分为八段控制，一加上、下，二加上、下，三加上、下及均热上、下。其中一加上、下，二加上、下，三加下及均热下采用调焰烧嘴，三加上及均热上采用平焰烧嘴。一加上、下嘴前管道配备手动蝶阀，二加上、下，三加下，均热下嘴前空煤气管道配备气动蝶阀。

加热炉从建成运行到现在存在以下几个方面的问题：

（1）随着钢铁行业市场竞争的加剧，加热的钢种主要是高附加值的品种钢， 出钢温度高， 在炉时间长，同时2200×4.18 kJ/m3热值混合煤气的理论燃烧温度不是很高（＜1900 ℃），不能快速加热。炉子工况差，NOx排放高，不能满足当地环保排放要求；

（2）温度均匀性差，板坯温度中心和两边偏差在30～50 ℃；

（3）单位燃耗高：145 m3/t（即1.4 GJ/t），成本：41.18 元/t。

2.2 加热炉脉冲燃烧改造的可行性分析

随着首钢京唐4300 mm 中厚板加热炉加热钢坯品种增多， 常规比例燃烧已经无法满足高质量加热要求，在考虑投资和评估技术成熟性后，目前最佳的解决方法就是改为脉冲燃烧。

两座4300 mm 中厚板加热炉各段均有温度、流量检测仪表和调节控制阀，无需再增加检测仪表。自动化燃烧控制系统采用两套西门子S7-1500 系列，上位机采用WINCC7.4 组态系统。 CPU 处理数据能力和组态变量点数完全满足改为脉冲燃烧系统要求。目前主要问题是这两座加热炉一加上、下段烧嘴前空、煤气阀门均为手阀（表1 为改造前烧嘴空煤气管道阀门配置），无法满足改脉冲燃烧要求（脉冲燃烧嘴前阀门配置要求见图2）。

2020年中修时将一加上、下段烧嘴前空、煤气手阀改为气动快速切断阀（表2 为改造后烧嘴空煤气管道阀门配置），为投用脉冲燃烧提供了必要条件。

2.3 脉冲燃烧技术方案确定

脉冲燃烧共分6 个流量控制段，12 个脉冲燃烧区。 采用双交叉限幅+脉冲燃烧组合式燃烧控制技术。对于每个供热段，自动选择该段内两支热电偶中的一支所测温度值或者若干热电偶所测温度的平均值，作为本段温度控制的PV 值，一旦有一支热电偶故障， 此电偶将不参与炉温控制， 同时发出故障报警。对于性能优良的燃烧系统，一定要保证燃料充分燃烧，同时也不能有过量的空气加入，以保证合理的空燃配比。 根据每个供热段残氧分析仪测得燃烧后的残氧量来反馈实际的燃烧情况， 从而做到动态调整空燃比。

表1 改造前烧嘴空煤气管道阀门配置

图2 典型脉冲燃烧系统管路简图

2.4 采用脉冲燃烧对加热炉带来的变化

投用脉冲燃烧后， 加热炉的燃烧主要有以下几个方面的变化。

表2 改造后烧嘴空煤气管道阀门配置

（1）NOx下降明显，满足当地环保要求。表3、表4分别是脉冲燃烧投用前后NOx检测数值。

（2）有效提高了板坯温度均匀性。图3 为脉冲燃烧投用后温度偏差值。

（3）降低了能耗。表5 为脉冲燃烧投用前后煤气消耗量班次统计表。

3 经济、环境、社会效益分析

3.1 经济效益

脉冲燃烧投入率提升，煤气单耗预计可降低6.6 m3/t。

单耗降低幅度×年产量×煤气单价=6.6×180×0.35=415.8 万元/年。

脉冲燃烧控制投入后，炉内气氛控制精度提升，氧化烧损减少0.1%。

氧化烧损降幅×年产量×成品与铁皮差价=0.1%×180×3000=540 万元/年。

合计经济效益为：415.8+540=955.8 万元/年。

经济效益十分显著。

表3 脉冲燃烧投用前NOx 折算值

表4 脉冲燃烧投用后NOx 折算值

图3 脉冲燃烧投用后温度偏差12 ℃左右

表5 脉冲燃烧投用前后煤气消耗量班次统计表

3.2 环境效益

环境效益：煤气用量减少，烟气排放量减少。

采用自动燃烧控制后每年节约1188 万m3煤气，在取得显著经济效益的同时，CO2、SO2、NOx等燃烧污染物的排放量大大减少。 每年减少排放：

公式中的数值来源是查手册、 国标NOx、SO2排放标准，以及现场加热炉运行数据。

3.3 社会效益

项目投产能够提高加热炉的控制精度指标，直接提高产品质量。

项目投产能够提升模燃烧控制系统的投入率，提高自动化控制水平，节省人力资源。

提高热轧板产品质量， 使质量控制水平跃上一个新的台阶，有利于提高企业的整体市场竞争能力。

脉冲燃烧控制技术无论对于高或低热值的煤气在国内都有广泛的应用前景，值得大力推广。这项新技术必将显著提高中国钢铁工业的装备和控制水平， 达到节能环保的综合指标， 使钢材质量明显上升，也符合从钢铁大国向钢铁强国发展的基本战略。

4 结语

脉冲燃烧对小批量、多规格、多品种的钢坯加热适应性强，可以提高温度场的均匀性，精确控制燃烧气氛，低消耗和低污染，满足特钢加热的需求，中厚板加热炉采用脉冲燃烧技术， 既节能减排又降低生产成本。 随着国内钢铁企业节能挖潜的深入以及大气污染物超低排放标准的实施， 脉冲燃烧是轧钢生产节能和减排的一个有利途径。