混铁炉富氧燃烧仪控系统的设计与实施

［摘 要］文章探讨了混铁炉富氧燃烧仪控系统的设计、实施，仪控系统简单实用，对于企业节约资金、节能、降耗具有一定的指导意义。 ［关键词］混铁炉；富氧燃烧；仪控；空／煤比 1 问题的提出 我厂炼钢工程300t混铁炉铁水保温所用的燃料，设计为混合煤气，然而根据我厂的生产条件，只有高炉煤气可供利用，要改为其它燃料，或是工艺不允许，或是资金和场地受限制，要建一座煤气发生炉需要资金500万元以上，而且炼钢厂没有场地。由于我厂高炉煤气的热值较低，很难达到铁水保温在1250℃以上的温度。 攻关的第一个重点便是温度，用我厂高炉煤气能否烧到1250℃左右，必须取得实际工艺数据，否则，盲目设计，一旦生产时温度达不到，必须造成铁水凝固，后果不堪设想。我们设计了一套模拟装置进行试验，一切因陋就简，通过两个月的模拟试验，终于取得理想效果。 2 高炉煤气＋助燃空气配合富氧燃烧升温模拟试验 试验过程：首先，我们建了一座小型燃烧炉（保温效果比混铁炉稍差一点），用管道引来高炉煤气、助燃空气和氧气，管道上安装有手动调节阀，煤气、空气调节阀后接上量程为20kPa的弹簧压力表，氧气调节阀后接上0.6MPa的弹簧压力表，原理见图1。 引煤气燃烧前，我们用柴火烘炉三天，使炉膛温度升至650℃左右，在此基础上慢慢打开煤气阀和空气阀，开始进行煤气燃烧的升温试验，试验数据见表1。 从以上试验数据我们看出，只有当空气压力：煤气压力为0.6∶1时，升温最快。我们按这一比值将炉膛温度迅速升到1150℃左右，这时，我们调节阀门将煤气压力降低至2.3kPa，仍然按0.6∶1的要求调节阀门将空气调至1.4kPa，发现炉膛温度很难再上升，随着时间的延长反而出现下降趋势，此时，我们慢慢打开氧气调节阀，保持氧气压力为5kPa左右，通过氧化的助燃作用，炉膛温度迅速上升至1200℃左右，随后再关闭氧气调节阀，并调节煤气阀至煤气压力为5kPa，调节空气阀至空气压力为3kPa，恢复最佳比值燃烧过程。试验中我们还发现，当炉膛温度升至1150℃左右时，升温将比较缓慢，只有加大煤气压力和相应的空气压力时，炉膛温度才会较快升高。这可能与我厂的煤气质量及燃烧炉的保温效果有一定的关系。 3 工艺对控制系统的要求 我厂的300t混铁炉燃烧为高炉煤气，本厂由于没有煤气储气柜，高炉煤气流量、压力波动大，不稳定。而助燃空气压力、流量相对是稳定的。如果将这两个因素不加以控制直接送往混铁炉燃烧，其结果就会造成由于煤气量波动大，使空／煤的比偏离0.6∶1这一最佳配比，炉膛温度达不到1250℃或反而下降。基于以上原因，我们设置了煤气压力、流量检测控制；空气压力、流量检测控制；氧气压力、流量检测控制等检测控制回路。系统设报警点7个、检测点15个，通过对以上三个检测控制回路的调节，保持炉内温度满足工艺要求。通过调节空气量保证适当的空煤比，调节氧气量实现富氧燃烧。考虑到各种因素对过程的影响，该过程可看作是一个多变量、小滞后的过程。要对这一过程进行检测控制，有两种方法：（1）微机控制。（2）采用DDZ-Ⅲ型电动单元组合仪表。考虑到多方面的因素制约，如果采用微机控制，能实现混铁炉全过程的自动控制和优化控制，从整体上取得最佳经济效益，但建模有一定的难度，且一次性投资较多。根据我厂实际情况本人认为仍采用DDZ-Ⅲ型仪表比较适宜，它可收到投资少、见效快、通用性强、仪表工维修方便等效果。 4 控制系统的组成 根据实际情况，设计了一个混铁炉富氧燃烧控制系统，基本原理见图2，该系统的目的是保证混铁炉炉膛温度在1250℃以上。 我们知道，利用空气作为助燃剂的煤气燃烧需要一个最佳的空／煤比，从我们做的模拟试验看，当空煤比为0.6∶1时，炉膛温度升温最快，说明此时空气、煤气达到了最佳燃烧效果。为此，我们在助燃空气支管上设置了空气压力、空气流量两个检测点，并设置了电动调节阀，同时在煤气支管上增加了加压系统及流量、压力检测点，加压系统的目的在于保证煤气压力不低于2.5kPa，利用比值调节器实现空／煤比大概为0.6∶1，如果压力值使用人工手动调节的话，就要求操作人员时刻注意煤气、空气的压力、流量及炉膛温度的变化，其中主要是煤气参数的变化，通过电动操作器实现对空气压力、流量或煤气压力、流量的调节，使两者始终保持最佳燃烧时的比值，以使混铁炉炉膛温度上升最快，并控制在1250℃以上，但由于混铁炉燃料使用的是高炉煤气，煤气量波动相当大，为了保持最佳燃烧，就要求操作人员时刻注意对两者的量进行调节，增加了工作人员的工作强度，有时稍不注意就会造成两者的比值失衡，达不到最佳燃烧效果。为此设计了一个由DDZ-Ⅲ型仪表组成的比值调节系统，将煤气、空气二者的压力数据送入比值调节器，对二者按以上实验数据进行设置，并保持这一比值，当二者出现偏差时，比值调节器输出4～20mA的PID信号给空气调节阀，调节空气量，并保持空／煤比为最佳燃烧比值，实现最佳燃烧，节省了能源，同时大大减轻了工人的劳动强度。 通过我们的实验数据可知，当煤气压力低于2.5kPa时，炉膛温度难以达到1100℃以上，为此我们增加了富氧燃烧，富氧燃烧是当炉膛温度降到1100℃时，利用喷吹氧气使炉膛温度上升至1250℃。因此在氧气总管上设置了氧气总管压力、气动薄膜套筒调节阀，氧气调压后压力、氧气流量等计控点，利用气动薄膜套筒调节氧气量，使之在煤气量不足的情况下，仍能保持炉膛温度≥1250℃。 5 自控仪表选型 根据以往我厂使用电动单元组合仪表的成功经验，我们选取了四川仪表总厂生产的EJA系统差压变送器，浙江昆山高新自动化仪表有限公司生产的数字显示报警仪及智能操作器，由于DDZ-Ⅲ型仪表各单元传输直流信号为4～20mA，控制室联络信号为1～5V，因而功能各异的单元仪表之间能非常方便地实现各种组合，达到工艺要求的检测控制需要，考虑到工艺对系统的要求，我们选取了以下几类电动单元组合仪表。 （1）变送单元仪表 氧气压力：位号：PE－201，型号：EJA－430A，压力变送器量程：0～2.5MPa。 空气压力：位号：PE－202，型号：EJA－430A，压力变送器量程：0～100kPa。 煤气压力：位号：PE－203、PIA－204、PE－204。型号：EJA－430A，压力变送器量程：0～50kPa。 氧气流量：位号：FE－201，差压变送器型号：EJA－110A，量程：0～10kPa。 空气流量：位号：FE－202，差压变送器型号：EJA－110A，量程：0～5kPa。 煤气流量：位号：FE－203，差压变送器型号：EJA－110A，量程：0～5kPa。 （2）检测元件 炉膛温度：热电偶，分度号：B L=1250mm 氧气、空气流量检测：法兰取压标准孔板。 煤气流量检测：采用插入式威力巴差压流量计。 （3）显示报警类仪表 所有盘面数显报警仪均选用浙江昆山高新自动化仪表有限公司生产的XMT－2000系列智能数显报警仪。这种仪表的最大特点是可方便地设置各输入信号类型，并具有24V二线制变送器配电功能。 （4）辅助单元类 操作器先用浙江昆山高新自动化仪表有限公司的DFD－2600、DFQ-2600智能数显操作器。 空气、煤气调节阀为深圳光荣全电子式执行器型号：10NL－150。 氧气调节阀选用501G－524LLA气动薄膜顶部导向型套筒调节阀。 6 检测控制系统的投运 自控仪表安装完毕后，根据盘面仪表提供的各个参量，确认空气压力、煤气压力、氧气压力等正常的情况下，对系统进行联动调试。 首先给比值调节器设置一个适当的数值，再通过电动操作器适当打开煤气调节阀，直至阀后煤气压力至10kPa为止，由于比值调节器同时接受来自煤气压力信号和空气压力信号，将两者按预先设定的比值进行运算后输出一个4～20mA电信号给空气调节阀，因而电动操作打开煤气阀时，空气调节阀也将按预先设定的值慢慢开启，此时空气压力将慢慢上升，同时仔细观察炉膛温度变化情况，当温度上升较慢时，再适当调整比值调节器设定值，直至炉膛温度进入一个快速且稳定的上升过程，此时观察空气、煤气的压力、流量刚好接近一个比较稳定的值，即空／煤比为0.6∶1，同时当煤气压力低于2.5kPa时，煤气压力数字显示报警仪会进行低值报警并使常开触点闭合，自动起动煤气加压系统，将煤气量稳定在2.5kPa以上，以保证控制系统稳定的工作。当煤气量严重不足，使用加压系统都不能使煤气压力上升至2.5kPa时，炉膛温度会慢慢下降，当降到1100℃时，应立即手动启动富氧燃烧，方法是使用电动操作器点动方式输出4～20mA信号给气动薄膜调节阀，慢慢打开氧气调节阀，同时观察炉膛温度上升情况，直至温度升至1250℃以上为止。 7 效果 该系统自投入运行以来，效果良好，完全达到了设计要求，即使在煤气量不足的情况下，利用煤气加压风机并配合富氧燃烧，保持了混铁炉温度≥1250℃，为厂节约设计费用55万元左右。并且混铁炉的投入运行，为炼钢优质高产提供了强有力的保障。