激光气体分析仪在加热炉燃烧控制中的应用

杨昌峰

（中天钢铁集团有限公司，江苏常州 213011）

激光气体分析仪在加热炉燃烧控制中的应用

杨昌峰

（中天钢铁集团有限公司，江苏常州 213011）

重点介绍激光气体分析仪在加热炉燃烧工艺控制中的应用。根据气体浓度的数值，结合模型计算及工艺要求实现对加热炉的煤气和控制流量的精准控制，从而确保煤气的节约化和钢坯表面氧化烧损的最小化，实现减少环境污染、提高成材率的目的。中钢公司在加热炉控制中首次使用激光气体分析仪，并对使用前后作了详细的数据分析，通过数据比较证明了激光气体分析系统的优势。

加热炉 优化燃烧激 光气体分析仪 CO 氧气 氧化烧损

随着国内钢铁市场的严重饱和与钢铁企业亏损面的加大，史上最严的环保指标相继出台，因而如何既能提高经济效益又能减少环境污染就成为钢铁企业面临的一个难题。对于轧钢企业来说，加热炉的能耗占总工序能耗的比例＞70%，且加热烧损严重制约了成材率的提高，另外加热炉是轧钢厂唯一的空气污染源，因此如何实现减少因加热炉带来的环境污染和降低生产成本是各个钢铁企业目前关注的重点。激光气体分析法是目前最先进的气体含量分析方法[1-3]，激光气体分析仪能够准确测量出炉膛内各种气体的具体浓度，将其运用在加热炉燃烧工艺控制中，能够为轧钢厂控制污染提供技术支撑。

1 系统分析

要达到节能减排和提高经济效益的目的，可以从降低煤气消耗、确保煤气充分燃烧、降低氧化烧损三个方面进行控制，这三个方面是一个有机的整体。

在轧钢生产过程中，加热炉将钢坯加热，再经轧机轧制成所需规格的产品。在加热炉加热过程中，高温下钢坯不可避免地要与进炉空气中的氧气发生氧化反应产生氧化铁皮造成烧损，而且降低成材率，氧气越多，产生的烧损就越多。当氧气浓度偏低时，煤气浓度偏大，这时煤气无法充分燃烧，造成煤气浪费并且使得没有燃烧充分的煤气直接排放造成了空气污染。

根据加热炉工艺，钢坯主要是在加热段和均热段得到加热，两段虽然结构类似，但空气过剩系数不同。加热段空气过剩系数要适当大一些，使加热段处于弱氧化气氛中；均热段空气过剩系数要适当小一些，使均热段处在还原气氛中。因此，保持炉内气氛为最优的空燃比状态，既可保证煤气充分燃烧，又可确保氧化烧损达到最低程度。

中天钢铁集团有限公司（全文简称中钢公司）轧钢厂主要采用高炉煤气作为燃料，高炉煤气的主要成分是CO、CO2、N2、H2、CH4，其中CO是主要的可燃成分。若实现减排和增效的目标，前提是掌握这些成分的量，以往的经验是根据空气和燃气的流量，采用一个合适的空燃比予以调节，但是由于条件有限，很多孔板流量计的前后直管距离达不到设计要求，同时孔板流量计经长时间使用后出现锈蚀、堵塞、泄漏等情况导致对流量的计量不准确，无法实现对燃烧的准确控制。

1.1 气体检测方法的选择

如何才能掌握炉内气氛的组成，成为燃烧精准控制的关键。通过实时掌握炉内氧气和CO的含量以及二者合适的比值，对炉内气氛进行严格的控制。根据目前掌握的知识，对于炉内的气氛控制主要通过观察炉火的颜色、氧化锆检测、激光检测等手段。其中炉火观察需要经验丰富的技术人员完成，个人主观的因素较多，并且无法做到实时调节。氧化锆和激光检测比较如下页表1所示。

根据表1数据比较，中钢公司选择了激光气体分析仪进行气体检测。

1.2 激光气体分析仪的安装

此加热炉为180 t/h的推钢式加热炉，主要产品为螺纹钢，炉龄超过10年。中钢公司利用加热炉大修机会布设并安装了各类管路。在这个加热炉上面安装了三套氧气和CO含量激光气体分析仪，分别安装在一加热段、二加热段及均热段用于检测炉内的气体成分，具体安装位置如图1所示。单个气体检测元器件安装示意图如2所示。

表1 氧化锆和激光检测比较

图1 激光气体分析仪安装位置

图2 单个气体检测元器件安装示意图

1.3 激光气体分析仪工作原理

如图3所示，每一套检测器由发射端、接收端以及数据处理变送器组成，发射端发射出分别能被CO和氧气分子“选频”吸收的特定波长的激光束，当激光束穿过被测气体时，激光强度由于气体吸收而衰减，此衰减值与被测气体的浓度成一定的函数关系，因此通过对衰减后的激光强度信息进行检测就可以获得炉内被测气体的浓度。

图3 激光气体分析仪工作原理示意图

1.4 激光气体分析仪必须满足的几个特点

1）不受背景气体交叉干扰。由于炉内气体比较复杂并且有很大的不稳定性，所以必须保证激光气体分析仪频率调制扫描范围仅包含被测气体单吸收谱线。

2）不受仪表视窗污染及炉内粉尘浓度变化干扰。在换向时，容易导致炉内气体粉尘浓度变化；长时间使用后，也会导致仪表视窗的污染。因此，激光气体分析仪应该具有过滤由于粉尘及透光率变化导致的误差检测数据的功能。此套检测装置过滤此类干扰的方法是通过另外一组光束对此类干扰源的检测，通过特定的运算过滤干扰源对检测结果的影响。

3）不受被测气体环境参数变化干扰。检测的结果必须能够直观体现实际的炉内气氛含量，与炉内所处的温度无关，即使检测结果受温度影响，也能通过计算补偿。

2 控制思路

炉内燃烧状态受煤气热值波动、流量计量误差、阀门开度误差、气体的泄漏、排烟速度以及操作工技术水平等因素影响而发生偏离，尤其是对于使用年限较长、现场工作环境比较恶劣的推钢式加热炉。在没有气体浓度检测的前提下对炉内的气氛控制主要是通过调节每一段的空气和煤气流量比值实现，这个比值的理论最优化数值是0.7～0.8。此数值是基于各类流量监测仪表测量准确的前提下的，若以上各类前提条件发生变化后，此经验数值就不存在意义。同时有经验的技术人员能够通过观察炉内的火焰颜色来确定炉内空煤气含量。例如：火焰颜色略为浑浊，表明炉内气氛比较好；若火焰颜色太清晰，则表明炉内过氧。只有炉内气氛处于略缺氧的状态下，才能减少烧损。没有经验的操作工仅仅通过炉温来调节，最终造成的结果可能就是加重空气污染及烧损增加。通过对炉内气氛监控、燃烧状态检测、动态寻优、优化调整，可以提高最佳燃烧状态命中率，达到节省煤气和减少钢坯表面的氧化烧损的目的。

利用气体分析仪对炉内气氛进行检测，对于检测结果通过PLC进行调节，同时通过上位机进行监测和控制，实现最优的效果。具体的控制思路如图4所示。

图4 激光气体分析仪控制思路

加热炉燃烧优化控制系统根据激光燃料分析仪反馈的当前氧气和CO含量判断燃烧偏离状态。将当前反馈的氧气、CO含量与设定的氧气、CO含量进行比较，并通过PID增量调节方式调整空气流量（即优化空燃比），使得炉内残氧浓度达到目标值并趋于稳定。对煤气的控制仍然按照原先的思路调节，根据要求对炉内温度需要进行自动或手动控制。在通过煤气流量控制加热温度的基础上，增加残氧自动控制系统。

3 实际控制方法

经过对加热炉状况数据具体分析以及对相关加热炉调控数据综合比较，初步制定炉内气氛比较合理的一个数据，即O2及CO的体积分数分别为：一加热段2.50%与4 000×10-6，二加热段1.80%与4 500×10-6，均热段0.50%与7 800×10-6。通过对炉内气氛的在线监测，对不在有效范围的数据进行调整。调整的方法是调节煤气和空气的调节阀的开口度，实现对其流量的控制。为了避免因震荡及频繁动作造成的阀门损坏，结合理论计算预留了开口度阈值空间：一加热段1.8%～3.5%、二加热段1.0%～2.6%、均热段0.3%～0.8%。经过一段时间的摸索及对加热炉火焰的观察，最终确定了合理的开口度阈值区间范围：一加热段1.0%～2.5%、二加热段0.5%～1.5%、均热段0.3%～0.5%。对此系统投入前和投入后的钢坯表面的氧化烧损进行了测试，经过测试得到的结果是效果比较明显。

4 实际控制过程

激光分析仪检测出实际氧浓度，PLC根据预先设定的每段最优氧含量与此数值进行比较，同时参考当前CO浓度的检测数据进行优化控制运算，最终的结果直接作用到每一段的煤气和空气调节阀。若此时加热炉燃烧控制处于自动模式，则将此计算的调节值作为附加值给定到主控系统；若加热炉燃烧控制处于手动模式，则直接操作调节阀，同时为了确保炉压稳定，在对调节阀操作的同时也要对引风机和鼓风机的阀门进行调节。在此调节过程中，主要以调节空气流量为主，为了避免调节过程中出现段内甚至是三段间相互干扰震荡，必须对比例值和调节周期进行多次调试从而达到理想的效果。在对空气流量调节控制的前提下，对煤气流量也要进行相应的调节，但是此调节范围应较小，避免和空气调节发生共震反应。

上位机画面可以对每一段的CO和氧气的控制方式进行选择，可以分别选择自动和手动模式，以便在检修、待温、快速升温等情况下进行人工干预。

5 性能测试方法及数据

采用规格为150 mm×150 mm×50 mm的标准试块，中间开Φ40 mm的圆孔，钢种为400C。对测试时机的选择需注意几点：同一组操作工；生产节奏稳定；轧制规格为Φ16 mm的螺纹钢且钢种为400C；入炉钢坯为热送状态。

对每一块试块分别编号，并记录其测试前后的体积和质量、在炉时间、每一段温度、CO和O2的浓度，并对这些数据进行分析。共计测试了3次，每次测试100块试块。第一次测试作为试验处理，第二次测试为按照常规方法对加热炉进行工艺控制，第三次测试为采用激光气体分析仪的优化燃烧。每次测试分为10个批次，每个批次为10个试块。由于过程中分别有一个批次数据不具有普遍性，因此最终分别比较了9组数据，最终比较的结果如图5所示。

图5 激光气体分析仪系统投入前后的烧损数据比较

结合图5可知，虽然前后的烧损都有超过0.4%的波动，但是从整体上来说，投入激光气体分析仪系统对优化燃烧起到了一定的作用。

6 结语

经过对数据分析可知，仪表投入前试块平均烧损率为1.246%，投入后试块平均烧损率为0.982%，烧损降低超过0.2%。在不考虑节省煤气产生的效益和不增加原材料的情况下，对于年产量超过100万t的生产线，一年可以多生产近2 000 t的成品，效益非常可观，同时由于煤气的充分燃烧减轻了对大气的污染。

[1]王海峰，徐东亮.激光式气体分析仪在转炉煤气回收中的应用[J].冶金动力，2009（1）：21-22.

[2]李思宏，张伟，张振峰，等.激光气体分析仪的特点和应用[J].水泥，2009（9）：43-44.

[3]胡青龙.分布式半导体激光在线气体分析仪在安全生产中的应用[J].可编程控制器与工厂自动化，2008（9）：92-94.

（编辑：胡玉香）

Application of Laser Gas Analyzer in Combustion Control of Heating Furnace

YANG Changfeng
（Zenith Steel Group Co.,Ltd.,Changzhou Jiangsu 213011）

This paper introduces the application of laser gas analyzer in the control of combustion process of heating furnace.According to the gas concentration,with model calculation and process requirement,the precise control of gas and flow control of heating furnace are realized,so as to ensure gas saving and the minimum scale loss of billet surface,and reduce environmental pollution and improve the yield.The laser gas analyzer is first used in the control of heating furnace of Zenith Steel Group Company,and a detailed data analysis before and after using of it is conducted. And the advantages of the laser gas analysis system are proved by comparing the data.

heating furnace,optimized combustion,laser gas analyzer,CO,oxygen,scale loss

TG155.1

A

1672-1152（2016）06-0104-04

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.06.37

2016-11-21

杨昌峰（1978—），男，工程师，于中天钢铁集团有限公司特钢设备处从事电气设备管理及项目技改管理工作。