阅读说明：本技术 一种加热炉富氧燃烧系统及其控制方法 (Oxygen-enriched combustion system of heating furnace and control method thereof ) 是由 高军 刘常鹏 马光宇 王向锋 郝博 徐伟 赵俣 张哲� 于 2019-09-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种加热炉富氧燃烧系统及其控制方法,加热炉设预热段、一加热段、二加热段及均热段,其中一加热段设燃烧系统一、二加热段设燃烧系统二,燃烧系统一、燃烧系统二分别由设于炉膛两侧的多个烧嘴及氧枪组成,加热炉富氧燃烧系统还包括用于控制燃烧系统一或同时控制燃烧系统一及燃烧系统二的富氧浓度控制系统；富氧浓度控制系统由炉膛温度检测模块、烧嘴负荷计算模块、煤气量控制模块及氧浓度控制模块组成；本发明将加热炉原有燃烧系统与富氧燃烧技术有机结合,通过氧枪喷入高速氧气,在炉内形成无焰燃烧,能够有效提高加热炉的燃烧效率,降低燃料消耗,优化炉内温度场分布及钢坯温度均匀性,降低NOx的排放。(The invention relates to an oxygen-enriched combustion system of a heating furnace and a control method thereof, wherein the heating furnace is provided with a preheating section, a heating section, two heating sections and a soaking section, wherein one heating section is provided with a combustion system I, the two heating sections are provided with a combustion system II, the combustion system I and the combustion system II are respectively composed of a plurality of burners and oxygen lances which are arranged on two sides of a hearth, and the oxygen-enriched combustion system of the heating furnace also comprises an oxygen-enriched concentration control system which is used for controlling the combustion system I or simultaneously controlling the combustion system I and the combustion system II; the oxygen-enriched concentration control system consists of a hearth temperature detection module, a burner load calculation module, a coal gas amount control module and an oxygen concentration control module; the invention organically combines the original combustion system of the heating furnace with the oxygen-enriched combustion technology, sprays high-speed oxygen through the oxygen lance, forms flameless combustion in the furnace, can effectively improve the combustion efficiency of the heating furnace, reduces the fuel consumption, optimizes the temperature field distribution in the furnace and the temperature uniformity of steel billets, and reduces the emission of NOx.)

一种加热炉富氧燃烧系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及冶金加热炉节能技术领域，尤其涉及一种加热炉富氧燃烧系统及其控制方法。

背景技术

富氧燃烧技术在加热炉领域具有传导效率和燃烧效率高，能有效提高加热炉产能，改善炉内温度场，提高钢坯温度均匀性，减少氧化铁皮，节约燃料，降低NOx和C0₂排放等多方面优势，应用前景非常广阔。

目前，轧钢加热炉富氧燃烧有如下几种方式：空气与氧气预先混合后供入烧嘴燃烧、氧气***式富氧燃烧、纯氧燃烧以及烟气回流富氧燃烧。对于传统的加热炉燃烧系统来说，空气与氧气预先混合后供入烧嘴燃烧，会造成燃烧速率加快，火焰缩短，燃烧区域更加集中，从而使得炉膛温度分布的均匀性变差，NOx的形成剧烈增加；同时钢坯的氧化烧损将增大，不利于提高钢铁生产的质量。传统的氧气***式燃烧在加热炉领域主要是解决加热能力不足或从提高产能角度出发，并未真正解决炉温均匀性、污染生成和氧化烧损等问题。另外纯氧燃烧的氧气成本高，烟气回流富氧燃烧方式的技术不成熟，因此这两种方式目前在国内加热炉鲜有应用。

如何在原有燃烧系统基本设置不变的情况下，开发出加热炉富氧燃烧系统，通过合理布置富氧燃烧系统在加热炉中的位置及对富氧浓度进行控制，最终在提高产能的同时实现富氧燃烧炉内温度场更均匀，达到节约燃料、降低NOx排放、降低生产成本是加热炉富氧燃烧技术的研究重点。

专利号为CN104266190B的中国专利公开了一种“富氧无焰燃气燃烧器及其控制方法”，其提出的富氧无焰燃气燃烧器，将稀释燃烧技术与富氧燃烧技术有机结合，实现炉富氧燃烧。但存在需要将原有加热系统全部改进后才能应用。

专利号为CN103343965A的中国专利公开了“一种利用富氧燃烧的加热炉系统”，涉及一种空气与氧气预先混合后供入烧嘴燃烧加热炉系统，采用富氧燃烧技术，可实现低热值煤气的有效利用，更加高效、节能、环保。但存在会造成燃烧速率加快，火焰缩短，燃烧区域更加集中，使得炉膛温度分布的均匀性变差等问题。

发明内容

本发明提供了一种加热炉富氧燃烧系统及其控制方法，将加热炉原有燃烧系统与富氧燃烧技术有机结合，通过氧枪喷入高速氧气，在炉内形成无焰燃烧，能够有效提高加热炉的燃烧效率，降低燃料消耗，优化炉内温度场分布及钢坯温度均匀性，降低NOx的排放。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种加热炉富氧燃烧系统，所述加热炉沿钢坯输送方向依次设预热段、一加热段、二加热段及均热段，其中一加热段设燃烧系统一、二加热段设燃烧系统二，燃烧系统一、燃烧系统二分别由设于炉膛两侧的多个烧嘴及氧枪组成，烧嘴上的煤气入口连接煤气管道，烧嘴上的空气入口连接空气管道；氧枪连接氧气管道；靠近烧嘴的煤气管道上设煤气调节阀，靠近烧嘴的空气管道上设空气调节阀，靠近氧枪的氧气管道上设氧气调节阀；所述加热炉富氧燃烧系统还包括用于控制燃烧系统一或同时控制燃烧系统一及燃烧系统二的富氧浓度控制系统；富氧浓度控制系统由炉膛温度检测模块、烧嘴负荷计算模块、煤气量控制模块及氧浓度控制模块组成；所述炉膛温度检测模块由安装在一加热段、或安装在一加热段及二加热段的温度检测装置组成，炉膛温度检测模块的信号输出端连接烧嘴负荷计算模块的信号输入端，烧嘴负荷计算模块的信号输出端分别连接煤气量控制模块的信号输入端及氧浓度控制模块的信号输入端，煤气量控制模块的信号输出端连接煤气调节阀；氧浓度控制模块的信号输出端分别连接空气调节阀及氧气调节阀。

所述煤气调节阀、空气调节阀及氧气调节阀均为电动调节阀。

所述氧枪在距离烧嘴200～450mm处设置，氧枪与烧嘴的法线夹角为0°～65°。

一种加热炉富氧燃烧系统的控制方法，包括如下步骤：

1)由所述炉膛温度检测模块将温度检测数据传送到烧嘴负荷功率计算模块；

2)当检测位置的加热炉炉膛温度发生变化时，通过烧嘴负荷功率计算模块实时计算实现富氧燃烧所需的理论煤气流量值及理论氧浓度值；其中理论氧浓度计算规则是：炉温每增加10～15℃，氧浓度提高5％～9％，并且氧浓度控制在21％～60％范围内；

3)烧嘴负荷功率计算模块将计算得到的理论煤气流量值及理论氧浓度值分别传送到煤气量控制模块、氧浓度控制模块中，煤气量控制模块根据理论煤气流量值直接控制煤气调节阀的开度；氧浓度控制模块根据理论氧浓度值分配理论空气流量值及理论氧气流量值，并对应控制空气调节阀和氧气调节阀的开度；氧气流量按500～10000Nm³/h控制，氧气流速按150～280m/s控制；

4)经过富氧浓度控制系统调节后，一加热段或一加热段及二加热段内的总氧气量始终与实现富氧燃烧所需的氧气量保持匹配；富氧浓度控制系统精准控制流量的氧气通过氧枪射到炉膛内，形成负压引射区，卷吸炉膛内的高温烟气及未燃尽的煤气，达到充分燃烧的目的；同时炉膛内的温度场更均匀，空气大量减少，NOx排放物降低。

所述富氧浓度控制系统根据加热炉产能进行设置；具体如下表所示：

预提高加热炉产能，且5％＜提高量≤10％时，将一加热段的燃烧系统一通过富氧燃烧控制系统进行控制，一加热段炉膛内按21％≤氧浓度＜35％控制；

预提高加热炉产能，且10％＜提高量≤18％时，将一加热段的燃烧系统一通过富氧燃烧控制系统进行控制，一加热段炉膛内按35％≤氧浓度≤50％控制；

预提高加热炉产能，且18％＜提高量≤25％时，18％～25％时，将一加热段的燃烧系统一和二加热段的燃烧系统二均通过富氧燃烧控制系统进行控制，一加热段、二加热段炉膛内均按30％≤氧浓度＜60％控制；

预提高加热炉产能，且提高量＞25％时，将一加热段的燃烧系统一和二加热段的燃烧系统二均通过富氧燃烧控制系统进行控制，一加热段、二加热段炉膛内均按60％≤氧浓度≤65％控制。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)在加热炉原有燃烧系统的基础上增加富氧浓度控制系统，通过精确控制炉内氧浓度，可有效提高加热炉的燃烧效率和产能，降低燃料消耗，提高钢坯温度均匀性，减少排烟损失，并降低NOx排放；

2)适用于新建加热炉及现有加热炉技术改造，对于现有加热炉可在线安装氧枪，并且在所有采用侧烧嘴的加热炉上都可应用，适用性强，易于实现，投入成本低，生产稳定性好。

附图说明

图1是本发明所述一种加热炉富氧燃烧系统的结构示意图。

图2是本发明所述一种加热炉富氧燃烧系统控制方法的原理框图。

图中：1.预热段 2.一加热段 3.二加热段 4.均热段 5.烧嘴 6.煤气调节阀 7.氧枪 8.氧气调节阀 9.空气调节阀 10.富氧浓度控制系统

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

如图1所示，本发明所述一种加热炉富氧燃烧系统，所述加热炉沿钢坯输送方向依次设预热段1、一加热段2、二加热段3及均热段4，其中一加热段2设燃烧系统一、二加热段3设燃烧系统二，燃烧系统一、燃烧系统二分别由设于炉膛两侧的多个烧嘴5及氧枪7组成，烧嘴5上的煤气入口连接煤气管道，烧嘴5上的空气入口连接空气管道；氧枪7连接氧气管道；靠近烧嘴5的煤气管道上设煤气调节阀6，靠近烧嘴5的空气管道上设空气调节阀9，靠近氧枪7的氧气管道上设氧气调节阀8；所述加热炉富氧燃烧系统还包括用于控制燃烧系统一或同时控制燃烧系统一及燃烧系统二的富氧浓度控制系统10；富氧浓度控制系统10由炉膛温度检测模块、烧嘴负荷计算模块、煤气量控制模块及氧浓度控制模块组成；所述炉膛温度检测模块由安装在一加热段2、或安装在一加热段2及二加热段3的温度检测装置组成，炉膛温度检测模块的信号输出端连接烧嘴负荷计算模块的信号输入端，烧嘴负荷计算模块的信号输出端分别连接煤气量控制模块的信号输入端及氧浓度控制模块的信号输入端，煤气量控制模块的信号输出端连接煤气调节阀6；氧浓度控制模块的信号输出端分别连接空气调节阀9及氧气调节阀8。

所述煤气调节阀6、空气调节阀9及氧气调节阀8均为电动调节阀。

所述氧枪7在距离烧嘴5 200～450mm处设置，氧枪7与烧嘴5的法线夹角为0°～65°。

如图2所示，本发明所述一种加热炉富氧燃烧系统的控制方法，包括如下步骤：

1)由所述炉膛温度检测模块将温度检测数据传送到烧嘴负荷功率计算模块；

2)当检测位置的加热炉炉膛温度发生变化时，通过烧嘴负荷功率计算模块实时计算实现富氧燃烧所需的理论煤气流量值及理论氧浓度值；其中理论氧浓度计算规则是：炉温每增加10～15℃，氧浓度提高5％～9％，并且氧浓度控制在21％～60％范围内；

3)烧嘴负荷功率计算模块将计算得到的理论煤气流量值及理论氧浓度值分别传送到煤气量控制模块、氧浓度控制模块中，煤气量控制模块根据理论煤气流量值直接控制煤气调节阀6的开度；氧浓度控制模块根据理论氧浓度值分配理论空气流量值及理论氧气流量值，并对应控制空气调节阀9和氧气调节阀8的开度；氧气流量按500～10000Nm³/h控制，氧气流速按150～280m/s控制；

4)经过富氧浓度控制系统调节后，一加热段2或一加热段2及二加热段3内的总氧气量始终与实现富氧燃烧所需的氧气量保持匹配；富氧浓度控制系统精准控制流量的氧气通过氧枪射到炉膛内，形成负压引射区，卷吸炉膛内的高温烟气及未燃尽的煤气，达到充分燃烧的目的；同时炉膛内的温度场更均匀，空气大量减少，NOx排放物降低。

所述富氧浓度控制系统根据加热炉产能进行设置；具体如下表所示：

预提高加热炉产能，且5％＜提高量≤10％时，将一加热段的燃烧系统一通过富氧燃烧控制系统进行控制，一加热段炉膛内按21％≤氧浓度＜35％控制；

预提高加热炉产能，且10％＜提高量≤18％时，将一加热段的燃烧系统一通过富氧燃烧控制系统进行控制，一加热段炉膛内按35％≤氧浓度≤50％控制；

预提高加热炉产能，且18％＜提高量≤25％时，18％～25％时，将一加热段的燃烧系统一和二加热段的燃烧系统二均通过富氧燃烧控制系统进行控制，一加热段、二加热段炉膛内均按30％≤氧浓度＜60％控制；

预提高加热炉产能，且提高量＞25％时，将一加热段的燃烧系统一和二加热段的燃烧系统二均通过富氧燃烧控制系统进行控制，一加热段、二加热段炉膛内均按60％≤氧浓度≤65％控制。

以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

【实施例】

本实施例中，对现有热轧加热炉进行技术改造，加热炉的实际热装加热能力为280.8t/h，原生产工艺为采用热值为2100cal/Nm³的混和煤气为燃料，采用空气为助燃风与煤气混合燃烧。

本实施例中，预在原有基础上提高加热炉产能10％，增设富氧浓度控制系统，并且将其与一加热段的燃烧系统连接。

实施后，煤气流量为13500Nm³/h，一加热段的氧浓度按30％控制，所需空气量由原来的29700Nm³/h降为18422Nm³/h，空气流量降低了38％，氧枪用氧气流量为2368Nm³/h。

原加热炉的煤气单耗为1.35GJ/t钢，改进后煤气单耗为1.28GJ/t钢，降低了5％；产量提高到303.3t/h，提升8％；钢坯温度均匀性(温度差)由原来的30℃减少为25℃，轧机电耗由75Kwh/t钢降为72.75Kwh/t，降低3％；NOx排放降低9％。

【实施例2】

本实施例中，对现有热轧加热炉进行技术改造，加热炉的实际热装加热能力为280.8t/h，原工艺采用热值为2100cal/Nm³的混和煤气为燃料，采用空气为助燃风与煤气混合燃烧。

本实施例中，预在原有基础上提高加热炉产能15％，增设富氧浓度控制系统，并且将其与一加热段的燃烧系统连接。

实施后，煤气流量为15500Nm³/h，一加热段的氧浓度按50％控制，所需空气量由原来的34100Nm³/h降为9067Nm³/h，空气流量降低了73.4％，氧枪用氧气流量为5257Nm³/h。

原加热炉的煤气单耗为1.35GJ/t钢，改进后煤气单耗为1.22GJ/t钢，降低了10％；产量提高到322.92t/h，提升15％；钢坯温度均匀性(温度差)由原来的30℃减少为21℃，轧机电耗由75Kwh/t钢降为71.25Kwh/t，降低5％；NOx排放降低15％。

【实施例3】

本实施例中，对现有热轧加热炉进行技术改造，加热炉的实际热装加热能力为280.8t/h，原工艺采用热值为2100cal/Nm³的混和煤气为燃料，采用空气为助燃风与煤气混合燃烧。

本实施例中，预在原有基础上提高加热炉产能25％，增设富氧浓度控制系统，并且将其同时与一加热段、二加热段的燃烧系统连接。

实施后，煤气流量为24800Nm³/h，一加热段、二加热段的氧浓度均按55％控制，所需空气量由原来的54560Nm³/h降为11866Nm³/h，空气流量降低了78.3％，氧枪用氧气流量为8966Nm³/h。

原加热炉的煤气单耗为1.35GJ/t钢，改进后煤气单耗为1.20GJ/t钢，降低了12％；产量提高到351t/h，提升25％；钢坯温度均匀性(温度差)由原来的30℃减少为20℃，轧机电耗由75Kwh/t钢降为70.5Kwh/t，降低6％；NOx排放降低21％。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。