轉爐煙氣凈化及煤氣回收技術的研究與應用

安徽省教育廳自然科學研究項目

2009年9月5日安徽工業大學主要內容一、項目概況二、研究現狀三、研究工作進展情況四、應用情況及相關成果1.課題背景及意義背景課題來源：①省教育廳自然科學研究計劃項目(2007.1-2008.12)②寶鋼梅山煉鋼廠煙氣凈化與煤氣回收系統改造項目(2007.9-2009.2)③2008年馬鞍山市科技計劃項目(2008.1-2009.12)

④與馬鋼第二鋼軋總廠產學研合作項目(2008.10-2010.3)

意義

①保護環境：減小煙氣排放量，降低污染

②能源利用：減少爐口燃燒量、提高煤氣回收品質和效率、實現負能煉鋼冶金行業是造成工業有害氣體排放較為嚴重的部門，其廢氣污染源集中在煉鐵、煉鋼、燒結、焦化等冶煉工業窯爐。轉爐煉鋼工藝中產生的煙氣含有大量的CO和金屬粉塵,如果不加以回收和控制排放,不但會嚴重污染環境,同時也浪費了大量能源。目前國內煉鋼企業的轉爐煙氣凈化回收系統由于部分技術裝備及控制方法比較落后，造成爐口煙氣壓力波動較大、調節響應速度較低，嚴重影響轉爐煙氣回收和減排效果，降低了煤氣的回收率和發熱量。2.實現目標通過對轉爐爐口微差壓控制工藝的機理分析，采用多模態和變結構智能控制技術，實現二文喉口開度的自動調節，從而將爐口的大氣與爐氣差壓控制在允許范圍內，以避免煙氣外溢或向罩內吸入空氣，保證轉爐爐氣回收的穩定性，有效地提高轉爐煤氣的回收率和煤氣品質，減少廢氣排放量。微差壓控制精度在±40Pa以內，保持時間大于80%，爐口煙氣氣排放量和燃燒量減少5%①技術指標②經濟指標

對于年產140萬噸鋼的150噸轉爐，按平均噸鋼煤氣回收量60～70m3計算，采用本項目設計的控制系統，將噸鋼煤氣回收量提高到70～75m3，則年煤氣回收量即可增加700～1400萬m3。按目前轉爐煤氣每立方0.15元估算，預計每年可創造直接經濟效益105～210萬元，

③社會效益顯著降低轉爐煉鋼煙塵的排放量，有效減少環境污染二、研究現狀

目前國內現有的轉爐煙氣回收凈化系統基本采用PID、分時定開度等控制技術，由于爐口微差壓控制及煙氣凈化回收系統是大慣性、純滯后、非線性、多變量的復雜系統，而且具有參數多變和工況的不確定性,經過一段時間運行后,使得原來設計的PID或分時定開度控制參數往往不能適應實際系統的要求,從而導致爐口煙氣差壓波動較大,煤氣回收率降低,煙氣減排效果變差。

目前，各種自適應控制、參數自整定控制、神經網絡等智能控制技術逐漸成熟，人們開始將其應用到某些工業控制領域,并收到了較好的效果。但在轉爐爐口微差壓控制方面還未見到相關的應用研究報道。

本項目將變結構智能控制技術應用到轉爐微差壓控制系統中，形成具有技術獨創性的轉爐煙氣減排及煤氣回收控制技術。

根據項目技術要求，研究內容包括以下幾個方面：

三、研究工作進展情況：

控制系統方案設計爐口微差壓控制系統建模控制系統硬件設備改造研制：傳感器、微差壓變送器、角位移監測裝置等設備的選型、采購及電控系統的集成；4.控制系統電路單元設計、加工制作及調試,設備現場安裝及調試5.微差壓控制系統軟件開發；6.根據前期現場測試得到的二文喉口調節閥特性曲線，修正系統控制參數，達到準確控制爐口微差壓的目的；7.調節閥非線性特性補償8.控制系統軟件設計液壓伺服系統配置液壓伺服系統組成液壓伺服放大控制信號MV電液伺服閥執行機構PA閥液壓控制泵站手動、電動液壓換向閥應急手動操作電動操作角位移傳感器調節器遠程控制+-折線功能補償爐口微差壓變結構自動調節方案

三、工作進展微差壓傳感器安裝采用獨立的二線制角位移傳感器與二線制配電器聯接，并配備信號隔離器，實現一個角位移傳感器同時輸送兩路相同信號到監視器和控制器，以取代原系統中采用一個機械連桿機構分別驅動兩個角位移傳感器的工作方式，提高了控制和監視的一致性。角位移檢測系統改造二文喉口調節閥特性曲線測試

實現轉爐爐口微差壓精確控制的技術關鍵在于實現對二文喉口開度和流量的準確控制。1、測試參數：二文喉口開度、OG煙氣流量、二文喉口煙氣流量、壓力、爐口微差壓2、測試方案：（1）在原系統中生產正常進行時，保證風機運行在額定狀態，恒定風機的轉速，在生產安排允許條件下，調整PA擋板的開度，通過現有的角位移傳感器和流量顯示儀表，測量并記錄該開度下的二文喉口煙氣流量、壓力、爐口微差壓；（2）在每爐鋼冶煉的允許控制測試時間內，采集測試PA擋板的滿程控制范圍內200組以上的試驗數據，并列表記錄和保存（3）連續測試5～10爐的試驗數據，并記錄生產狀態，檢驗各爐次試驗數據的可重復性，并選擇重復性較好的爐次數據作為后續數據處理和曲線擬合的有效數據。如果重復性較差，則增加測試爐次；（4）根據后期得到的有效試驗數據，通過最小二乘法進行合理的數據處理和數據分析，建立二文喉口的開度和煙氣流量與爐口微差壓的數學模型，并擬合出相應的關系曲線，同時找出二文喉口對煙氣流量有效控制范圍；（5）微差壓控制系統傳感器等設備安裝完成后，重復以上試驗測試，以驗證并修正得到的數學模型和二文喉口特性曲線，并最后作為測定結果，為以后的汽化煙道改造提供技術指導和理論依據。304050607080900102030405060708090100％

5101520流量104Nm3/H25擋板開度

折線功能發生器是用來補償二文喉口PA擋板轉動時的非線性，通過這種方式，煙氣流量就隨著調節器的輸出而變化，調節器輸出減小，PA擋板位置就逐漸關閉。折線功能發生器可按實際要求進行調整。PA擋板非線性的折線功能補償調節閥非線性特性補償微差壓控制系統建模--參數估計法利用Matlab提供的系統辨識工具箱，該工具箱模型辨識算法采用了最小二乘法。工具箱的功能主要包括參數/非參數化模型辨識工具、模型驗證工具、遞推參數估計、各種模型類的建立和轉換函數及集成多種功能的圖形用戶界面(GUI)等，使用該工具箱可以方便地進行了系統建模，主要包括獲取觀測數據、數據預處理、模型結構選擇、參數估計、模型檢驗和比較以及動態仿真等爐口微差壓控制系統的模型結構是確定的，為兩階加純滯后環節。利用過程模型辨識界面配置好模型結構，可得到模型傳遞函數為：

微差壓監控軟件設計監控軟件主畫面微差壓控制參數監視畫面

數據趨勢畫面

四、應用情況及相關成果在對微差壓傳感器、PA擋板的角位移檢測系統進行改進以及仿真研究的基礎上，通過對梅山煉鋼廠150ｔ二號轉爐煤氣回收系統實施改進的爐口微差壓多變量控制方案（2008.9-2009.3)，使爐口微差壓控制效果得到了明顯的改善。應用結果表明，達到預期技術指標，轉爐煤氣回收量和品質（ＣＯ質量分數）分別提高了約8%和5％。在加料、吹氧、降罩等操作過程中，爐口冒火現象明顯減輕，系統運行平穩。明顯地減少了向大氣中排放的煙塵量和廢氣量，不僅為企業帶來可觀的經濟效益，也有效地保護了環境，產生了良好的社會效益。

項目組在省級以上學術刊物上發表相關研究論文9篇，其中核心刊物6篇

；培養碩士生2名；在兩家冶金企業推廣應用，簽定兩項科研項目