工业炉烧嘴长明火方式的控制系统

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摘要：阐述了现有工业炉窑燃烧控制方式的特点，指出现有以天然气为主燃料的烧控制方式在某些领域特别是当炉膛微正压的情况下存在的问题，提出一种适合这种情况下工业炉安全运行的控制系统，以确保炉子安全运行，保证工件处理质量，减少有害物质对环境的污染，提高了经济效益。

关键词：工业炉天然气控制方式安全运行

Industrial furnace burner long way fire control system

TANG Ronglian，WANG Hua

(CMCU ENGINEERING CO., LTD，Chongqing 400039，China)

Abstract: combustion control ways and their features of now industrial furnace are introduced briefly，and some problems of existing natural gas-based fuels burn control way in some fields, especially when the furnace pressure is positive. A new control system which is fit for this special situation is given. Using the control system, furnace can be used safely, and the workpiece quality can be ensured, also environmental pollution by harmful substances could be reduced. As a result, the economic efficiency is improved.

Keywords: industrial furnace； gas； control way；safe operation

中图分类号：P618文献标识码：A

众所周知，工业窑炉内工件加热质量的高低与燃烧控制技术有着密切的联系。燃烧系统是影响工业炉整体水平的关键设备，是确保工业炉性能的核心内容[1]。直接关系到炉子的炉温均匀性、坯料的加热质量和炉子生产效率的高低。燃烧系统不完善，不仅企业的经济效益受到损失，而且会造成资源浪费和环境污染。因而，合理的燃烧系统显得尤为重要。

1 传统的工业炉燃烧控制系统

传统大型工业炉（如大型室式加热炉、大型室式中高温热处理炉、大型台车式加热炉、大型台车炉中高温热处理炉等），根据工艺需求，燃烧控制系统分为脉冲燃烧控制系统和连续式燃烧控制系统。

脉冲燃烧是通断式调节，即烧嘴只有两个工作状态：一是在设计最大计算负荷下的烧嘴最佳燃烧状态；二是烧嘴维持自身不熄灭的小火执勤状态。脉冲燃烧技术通过对脉冲周期（大小火变换一次的时间）、占空比（大火时间与全周期的时间比值）调节使炉温在最大或最小热负荷下均能保证炉温均匀[2]。脉冲燃烧能较好的满足不同热负荷下高精度的控温要求：在炉子升温和保温初期，炉子需要大量的热量，这时烧嘴处于全负荷的最佳燃烧状态，高速、周期变化的高温炉气扰动强化了对流换热，提高了炉温的均匀性和炉内的传热效率，从而提高了坯料的加热质量。在保温后期或降温初期炉子所需热量较小，为保证炉温精确控制而采取小火大火关闭交替控制。

连续燃烧控制方式，即通过控制空气与燃气流量来控制炉内的温度和燃烧气氛，烧嘴的供热量可调，炉内热气流流向一般恒定，但工件表面受热并不均匀，加热效率不高。虽然连续燃烧控制技术在实际生产中得到了广泛应用，但其突出缺点是调节范围较窄，烧嘴不能在非满负荷下工作[3]。

2 传统的燃烧控制系统存在的问题

脉冲燃烧和连续燃烧控制方式在实际运用中，尤其是在一些特殊场合下仍然存在不足。脉冲燃烧虽然能用小火常明的方式保证烧嘴不灭火，可是停气或燃烧管路出现故障时还是不能保证烧嘴不灭火，不能确保烧嘴安全使用。连续燃烧对于大型工业炉，炉膛两侧对称地布置多个烧嘴，根据工艺要求，在某些特殊行业需要缓慢的加热炉膛和坯料，各烧嘴根据分区交替的以大小火方式进行加热。当停气或燃烧管路出现故障时同样不能保证烧嘴不灭火。在传统的燃烧控制系统中，都没有考虑停气或燃烧管路出现故障时对烧嘴的保护问题。使得在这些情况下，烧嘴必须得停止运行，当再次通气时，又要重复点火燃烧，这样使用烧嘴的频率就提高了，如果遇到特殊情况反反复复，很大程度上降低了烧嘴的使用寿命，同时对炉内工件质量有所损害，造成环境污染等一系列问题。

3 传统的主燃料为天然气的控制系统

传统的主燃料为天燃气的控制系统简图如图1所示：

图1传统天然气燃烧控制系统

传统的天然气燃烧控制回路包含了以上三个回路。1是助燃空气回路，2是天然气回路，3是点火空气回路，4是点火天然气回路。

系统先驱动点火烧嘴至点火位，待点火确认后，开始自动点火，相应的打开点火空气回路，并开始检测点火火焰，待检测到点火火焰，并确认火焰稳定时，打开对应的天然气主阀和助燃空气回路，并检测火焰的稳定性，待火焰稳定后，关闭对应的点火电磁阀，该烧嘴完成点火程序，进入正常燃烧状态。

此系统不论是脉冲燃烧还是连续燃烧，都没有考虑停气或燃烧管路出现故障时对烧嘴的保护。尤其在在碳素工业炉中，在运行过程中烧嘴一旦熄火，炉内坯料在高温下有大量沥青挥发分析出，而炉膛为正压的情况下，析出的沥青挥发分会喷向烧嘴，从而使得大量沥青粘在烧嘴上，致使烧嘴很难或无法再次点燃，造成炉子不能正常使用。同时炉内有害热气外溢不但造成热量损失，还污染了环境，降低了炉内工件质量。

因此需要对现有燃烧控制方案进行改进，以消除炉内气体反吸堵住烧嘴带来的危害。而对于炉内气氛有要求的工业炉窑，尤其对炉内氧气含量有严格要求的情况下，是不能通入空气来保护烧嘴的。

4 改进的主燃料为天然气的控制系统

改进的主燃料为天燃气的控制系统，是对传统天然气控制系统进行完善，提供一种用主燃料气外的燃料如液化石油气（LPG）或N2等惰性气体来保护天然气烧嘴不熄灭的燃烧控制方案，其控制简图如图2所示：

此种燃烧控制方案包含7个回路，1是助燃空气回路，2是燃烧天然气回路，3是燃烧LPG回路，4是点火空气回路，5是点火天然气回路，6是点火LPG回路，7是备用氮气或其他惰性气体回路。

正常情况下，系统先驱动点火烧嘴至点火位，待点火确认后，开始自动点火，相应的打开点火空气回路，并开始检测点火火焰，若在数秒内检测到点火火焰，并确认火焰稳定时，打开对应的天然气主阀和助燃空气回路，并检测火焰的稳定性，待火焰稳定后，关闭对应的点火电磁阀，该烧嘴完成点火程序，进入燃烧状态，在燃烧过程中，根据工艺要求，通过调节天然气和助燃空气的流量控制火焰的大小来满足燃烧的要求。

图2LPG或N2等惰性气体保护天然气烧嘴的燃烧控制系统

如果突然停气或者需要检修天然气管路时，天然气主阀自动关闭，同时自动启动（LPG）点火阀门，相应的打开点火空气回路，若在数秒内检测到点火火焰，并确认火焰稳定时，打开对应的LPG主阀和助燃空气回路，并检测火焰的稳定性，待火焰稳定后，关闭对应的点火电磁阀，该烧嘴完成点火程序，进入燃烧状态，这个时候只需持续供应微量的LPG，以长明火的方式保持燃烧烧嘴持续有气体通过，避免因炉膛正压情况下炉内气体外溢，对燃烧烧嘴起到保护作用。

当天然气再次供应正常时，LPG回路自动关闭并切换到天然气燃烧回路继续正常的燃烧。

如果没有LPG，当停气或者需要检修天然气管路时，天然气主阀自动关闭，同时自动气动N2或其他惰性气体电磁阀，对炉内连续通入少量的N2或其他惰性气体，保证天然气烧嘴处微正压，从而避免炉内挥发分气体粘接在烧嘴上。待天然气供应正常时，自动关闭N2或其他惰性气体回路电磁阀，重新进入天然气点火和燃烧程序，继续进行正常燃烧。

改进的主燃料为天然气的控制系统是一种用主燃料气外的燃料如液化石油气（LPG）或N2等惰性气体来保护天然气烧嘴不熄灭的燃烧控制方案，该系统对以往以主燃料为天然气的控制系统进行了修补和完善。在特殊情况下，如停气或燃烧管路出现故障维修时，采用改进的主燃料为天然气的控制系统就有很大保障，该控制系统能保障烧嘴不被熄灭，这对于炉膛压力为正压的工业炉，特别是在特殊行业，尤其对炉内氧气含量有严格要求的情况下，起到了很好的保护作用。不但保护了烧嘴的安全使用，同时确保炉内热量不外溢减小不必要的热量损失，减少了对环境的污染，提高了经济效益。

5 结论

改进的即用主燃料气外的燃料如液化石油气（LPG）或N2等惰性气体来保护天然气烧嘴不熄灭的燃烧控制系统应用在工业炉上，明显具有以下优点：

烧嘴采用LPG长明火或N2等惰性气体保护方式的工业炉，尤其是对碳素行业工业炉，在炉膛为正压时，可以避免因烧嘴关闭炉内含沥青气体反吸封住烧嘴口，导致高温段时无法点燃烧嘴，保证炉子的使用效果，确保炉子安全运行；

当燃料供应不足或管路检修时，可以确保炉子不停炉，确保工件处理质量。这对于不能进行重复加热处理或重复加热会降低工艺效果的工艺处理十分重要；

此保护方式延长了烧嘴的使用寿命，使用过程中维修次数小；

减少炉内热气的外溢，缩短了炉子再次正常运行的时间，有利于节约能源消耗；

便于在工艺过程中填筑料中的有害物质的挥发释放，减少对环境污染；

确保炉内工件不损坏，提高了经济效益；

设置此种烧嘴保护方式的工业炉可以广泛地使用在电极、特炭、人造石墨等碳素工业生产领域。

参考文献：

[1] 余召辉,吴道洪. 脉冲燃烧技术在工业炉上的应用[J].燃烧技术,2003(2):21.

[2] 刘瑾. 台车式退火炉的脉冲燃烧控制系统[J].自动化与仪表,2009(7):34-37.

[3] 刘义平,温治,刘训良,陶曙明. 燃气台车式加热炉的应用现状及其分析[J].工业加热,2012(1):3.