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如何提高高炉的风温
如何提高高炉热风炉的风温
段贵军
(河北理工大学冶金与能源学院)
摘要:
提高高炉风温不仅直接影响生铁产品的产量和质量,而且是高炉提高煤比(增加喷煤量)和降低燃料比(焦比)的重要措施之一。
从热工角度初步分析了高炉热风炉的热工行为;在此基础上,根据热工炉窑3类变量之间的关系,系统分析了热风炉结构参数和操作参数对其出口风温的影响:
指出了如何从结构参数和操作参数上提高高炉热风炉风温。
关键词:
热风炉;高风温技术;理论燃烧温度;高效陶瓷燃烧器;余热回收
Howtoimprovethewindblastfurnacestovetemperature
Duanguijun
(Hebeiuniversityoftechnologyofmetallurgyandenergyinstitute)
Abstract:
Theincreaseofblastfurnacetemperaturenotonlydirectlyinfluencestheoutputandqualityofiron,butalsoisoneofthemostefectivemeasuretoenhancepulverizedcoalinjectionrateandreducecokerate.Thethermalbehaviourofblastfurnacehot—blaststoveisanalyzedfromthethermalpointofview,andbasedonthepreliminaryanalysis,andaccordingtorelationshipbetweenthreevariablesofthethermalstove,theinfluencesofstructureandoperationparametersonoutletblasttemperaturearesystematicallyanalyzed.Itispointedoutthathowtoincreaseblasttemperatureofblastfurnacehot-blaststovethroughstructureandoperationparameters.
Keywords:
hot—blaststove;blastfurnace;hightemperature;thermalbehavior.
热风炉概述
热风炉是炼铁生产过程中的重要设备之一。
它供给高炉热风的热量约占炼铁生产耗热的25%。
它消耗的高炉煤气约占高炉产生煤气的50%。
热风温度每提高100℃,可降低焦比20~25kg/t。
同时可增产3%~5%,还可允许增加喷吹煤粉40k铁,相应地进一步降低焦比,因此,提高高炉风温是大幅度降低焦比,提高喷煤量,提高高炉利用系数,降低成本的有效措施。
对降低炼铁工序能耗具有很重要的意义。
高炉热风炉是根据蓄热原理交替加热和冷却周期工作的热交换设备。
煤气和空气由管道经阀门送入燃烧器并在燃烧室内燃烧,燃烧生成的热烟气向上运动经过拱顶时改变方向,再向下穿过蓄热室,然后进入大烟道经烟囱排入大气。
在热烟气穿过蓄热室时,将蓄热室内的格子砖加热。
格子砖被加热并蓄存一定热量后,热风炉停止燃烧,转入送风。
送风时冷风从下部冷风管道经冷风阀进入蓄热室,空气通过格子砖时被加热,经拱顶进入燃烧室,再经热风出口、热风阀、热风总管送至高炉。
从热工学角度审视热风炉,本质上是固定床式交流型换热器。
在通入燃气循环中,燃气燃烧产生大量的高温烟气(1200~1500℃),烟气经过蓄热体,与蓄热体发生对流及辐射的复合换热作用,换热系数高达400~500W/(m2·℃),蓄热体温度升高,烟气温度降低至150~300℃后排出;再通入冷风循环,冷风先经过蓄热体,蓄热体表面温度有个突变,随后温度变化率逐渐减小,因为空气为透射性介质,其与蓄热体之间主要发生对流换热作用,蓄热体温度降低,冷风被加热至1200℃左右,经过燃烧室后送出热风炉,其中,燃烧物的热流通过格砖表面进入格砖要比从格砖通过格砖表面传给空气更高。
1.热风炉的结构和操作参数
从3类变量角度来看,燃烧室和蓄热室的结构参数不仅关系到热风炉长寿运行并持续送出高温,而且关系到冷热流体的流动与传热,直接影响着
(2)变量(热风炉的热工过程),是最重要的结构参数;此外,只有煤气的合理燃烧,才能将能量充分利用,热风炉才有可能在消耗同样煤气量情况下,蓄储到更多的热量,为提高送风温度创造条件,由于高炉的操作变化等原因,造成煤气压力不稳定,煤气热值也往往存在波动,因而热风炉燃烧控制是热风炉最重要的控制环节之一,燃烧控制得好坏将直接影响到热风炉的拱顶温度及燃烧的热效率。
热风炉的高风温技术是一项综合技术,要想获得较高的风温,热风炉结构设计和操作制度及操作控制水平的合理性起着至关重要的作用。
同时还需要整个炼铁系统与高风温要求相适应,这样才能充分发挥出应有的效果和潜力。
2.结构参数对风温的影响
热风炉的结构参数制约着热风炉热工过程参数,进而影响着高风温的提供,因此对热风炉结构参数的系统分析尤为重要。
2.1炉型结构
2.2耐火材料和蓄热体
耐火材料方面:
随着在线温度以及由此而导致的炉顶温度的不断提高,在设计过程中,应考虑永久线变化(PLC)、荷重软化点(RUL)和蠕变产生的影响。
不同部位采用不同材质,按热风炉工作状态,炉内基本上可分为高温区、中温区及低温区。
高温部分可采用莫来石-硅线石砖、优质硅砖、低高温蠕变性能好的高密度硅砖、红柱石砖及隔热硅砖;中温部位应采用低蠕变的高铝砖;低温部位可用致密的黏土砖。
蓄热体方面:
当炉体温度在900℃以上时,热量传递以辐射为主,热量通过辐射传热到达炉壁后,炉壁反射的热量易被燃烧产物吸收而随烟气排出炉外,炉窑内衬耐火材料的发射率一般为0.6~0.8,同时随着炉温的升高,还会大幅度下降,高发射率涂层可使蓄热体的发射率提高到0.9以上,涂层通过强化辐射换热,提高蓄热体表面温度,增加蓄热体内外温度梯度,加强了蓄热体内部-表面-气体间的热传导,使蓄热体燃烧期吸热速度和吸热量增加,送风期放热速度和放热量也增加,从而提高热风温度,降低燃料消耗。
耐火材料由普通黏土砖向高铝砖、莫来石砖、优质硅砖、硅线石砖和红柱石砖方面发展,均取得了很好效果,大幅度提高了热风炉的寿命。
今后热风炉仍朝着改进现有耐火材料质量,开发新型耐火材料,进一步提高使用寿命方向发展。
针对高炉热风炉蓄热体格子砖在加热过程中是以辐射传热为主的特点,在热风炉高温区格子砖的表层涂覆高辐射材料——微纳米高温远红外节能涂料,可提高蓄热体的蓄热和放热能力,高炉应用实践表明,可提高风温28~58℃。
2.3燃烧装置的结构和布置
在燃烧装置中,燃气发生均相燃烧.燃烧分成两个基本过程:
燃气与氧化剂分子进行质量交换的物理扩散过程及混合物发生化学反应的过程燃气与空气在混合时.燃气流先分裂为许多由空气携带的单独的燃气“小团”,以后在燃气微团中又发生了燃气和空气扩散混合的持续过程.此时.燃气小团在气流中逗留的时间越长。
小团的尺寸越小,扩散系数越大.混合的质量就越好。
完成了这样的一种混合后,混合物就通过喷管。
进入了燃烧室,在燃烧室内发生了燃烧过程燃烧器是热风炉的供热设备.国内外燃烧器主要有金属套筒式燃烧器和陶瓷燃烧器.其中.陶瓷燃烧器主要形式有栅格式、套筒式和矩形式、高效能多火孔无焰式4种它的工作情况直接影响着煤气的燃烧效率.进而影响能否提供足够高的风温。
(1)在安装位置上:
金属套筒式燃烧器垂直于燃烧室轴.火焰直接冲刷燃烧室隔墙。
易使燃烧室隔墙掉砖、短路、格子砖倒塌;陶瓷燃烧器垂直安装于燃烧室内.因而没有金属燃烧器燃烧火焰直冲隔墙造成短路的问题。
(2)在空、煤气混合上:
金属套筒式燃烧器中煤气和空气在燃烧室下部形成旋涡流场.依靠气流的宏观流动使空、煤气混合,混合不均匀,燃烧不稳定,火焰往往呈脉动;陶瓷燃烧器的结构能使空、煤气很好的混合.可保证在空气过剩系数很小的情况下使煤气完全燃烧.提高了理论燃烧温度,其拱顶温度平均提高了70℃左右.由于高温区在拱顶,降低了燃烧室中、下部的热负荷。
给热风炉的高温、长寿创造了条件。
(3)在燃烧能力上:
金属燃烧器燃烧能力低,极易发生脱火.致使煤气在蓄热室中燃烧或引起煤气在烟道中爆炸等事故发生:
陶瓷燃烧器燃烧能力高,比金属燃烧器提高70%左右.调节范围广的特点,能满足大型高炉对热风量的需求。
2.4气体导流装置
在炉内增设气流导流装置(即气流匹配装置)来改变烟气和冷风气流走向.从而实现烟气和冷风的匹配和均布的结构参数的变化对热风温度也有一定的影响。
在鼓风管数目和布置方式上:
针对内燃式热风炉而言。
不论是单管鼓风还是双管鼓风。
都存在着比较严重的“偏流”现象.中心单鼓风管鼓风比偏侧单鼓风管鼓风更有利于鼓风室内气流分布.对称双鼓风管鼓风比单鼓风管鼓风更有利于鼓风室内气流的均匀;在增设导流装置上,针对顶燃式热风炉,在采用单管送风的情况下.在燃烧室内冷风及烟气的流动空间中同时设置相应的气流匹配装置提高了热风炉格子砖的加热面积的利用效率.能够提高热风温度20~25℃:
针对内燃式热风炉,不论在蓄热室底部空腔内局部加设改善气流分布的装置还是在拱顶空间。
均能改善流场分布。
2.5操作参数对风温的影响
结构参数对工程设计方面有着指导作用,而在指导生产方面操作参数的影响具有一定意义。
热风炉操作参数中有两个重要的因素,分别是煤气热值流量和温度及助燃空气流量和温度,这两个因素的合理匹配不仅可以在满足高炉所需的热风温度的前提条件下,最大化的降低生产成本,还有可能提供更高的热风温度。
通过强化热风炉的操作参数,适当缩短送风周期,增加换炉次数,在时间和空间上充分利用蓄热体的热容量,可以提高热风炉的风温;1座高炉匹配4座热风炉,其中采用“两烧一送一预热”;在控制煤气压力波动影响上,采用热风不混冷风,交错并联送风(热并联送风)采用自动烧炉或串级自动烧炉,自动烧炉是分别对煤气量和空气量进行设定,串级自动烧炉是对煤气量和空燃比进行设定,使煤气和空气配比易于调整控制。
3.高温空气燃烧
双预热技术是以放散的高炉煤气在燃烧炉中燃烧产生的高温废气与热风炉烟道废气混合,混合烟气将煤气和助燃空气预热至300℃以上一种高风温组合换热系统由前置燃烧炉、空气扰流子换热器、空煤气预热器等组成。
煤气预热完全采用间接换热的热管换热器,保证烟气煤气互不泄漏。
空气预热采用热管换热器和扰流子换热器两级换热的形式,既充分利用了烟气余热,又保证了助燃空气被加热到足够高的温度。
如图2为攀钢新3热风炉配套建设的高风温组合换热工艺流程。
4.煤气脱水除尘
高炉煤气含水对理论燃烧温度的提高影响很大,采用煤气旋流脱水装置,以降低煤气含水量,从而避免水在蒸发或分解时吸收大量的热。
首钢l、3高炉在煤气管道上设置了旋流脱水器,使风温提高了l5~20℃,济钢第二炼铁厂研制应用的煤气净化系统,取代原串联文氏管电除尘净化工艺,净煤气含尘量<10mg/m,而且含水量<5g/m,使高炉风温提高90℃。
5.采用高效陶瓷燃烧器和顶燃式热风炉
高效能陶瓷燃烧器是用低热值煤气获得高风温的有效措施之一。
热风炉用燃烧器经历了从初期的直接把煤气引进热风炉炉篦上燃烧到套筒式金属燃烧器,再到陶瓷燃烧器的过程。
国外1963年开始使用陶瓷燃烧器,我国于1974年开始使用。
国内对于陶瓷燃烧器首先进行实验室研究并最早应用到生产高炉上的是鞍山钢铁学院(现为辽宁科技大学)李文忠和康Et章老师,他们从1970年开始收集资料,1973年完成技术设计,1974年初进行了套筒式陶瓷燃烧器冷态气体模型试验,1974年7月在辽宁省西丰铁厂78m高炉上对1热风炉进行套筒式陶瓷燃烧器改造。
在使用效果满足设计要求的前提下,在1977年鞍山热风炉陶瓷燃烧器经验交流会以后才在国内钢铁厂的大中小高炉陆续推广应用_l引。
陶瓷燃烧器大致可分为套筒式、栅格式、三孑L式和矩形结构。
一种套筒式陶瓷燃烧器和栅格式陶瓷燃烧器相结合的新型陶瓷燃烧器由鞍钢设计院与辽宁科技大学燃烧科研组共同研究设计,用于鞍钢新2高炉热风炉。
它充分利用了套筒式燃烧器大煤气量与栅格式燃烧器燃烧稳定的优点。
顶燃式热风炉作为一种新的结构形式而出现,它能提供1400℃的风温,寿命在30年左右,所以它很快的在很多国家推广使用,尤其在中国和俄罗斯,81座热风炉正在实施中,超过28座正在设计和建造。
顶燃式热风炉没有燃烧室,燃料在通过旋流装置后在预燃室中燃烧,燃烧器布置在拱顶,从入口到格孔在没有脉动的情况下完全燃烧,燃烧气体沿格孔均匀散布。
在经过设计者大量计算和模拟研究的基础上,济钢开发出了预燃室置于顶部的新型顶燃式热风炉,该热风炉上部结构见图5。
该新型顶燃式热风炉技术既适合热风炉新建,也适合内燃式或顶燃式热风炉局部改造,该热风炉在使用单一高炉煤气、煤气和助燃空气没有预热的情况下,高炉送风温度可以达到1150℃,为高炉炼铁改善技术经济指标创造了条件,具有较好的推广价值。
6.其它
北美和欧洲的部分钢铁厂正在研制采用等离子技术来进一步提高风温。
这种方法的原理是:
利用等离子弧加热部分冷风,加热后的风温可达1650℃,然后将它与热风炉出来的热风相混合,从而进一步提高热风温度,而且等离子枪安装位置远离风口,安装、维护方便,与改造热风炉相比,在提高相同风温的情况下,采用等离子技术总的成本要低一些引。
另外,随着近年来计算机的飞跃发展,诸多学者做了很多的模拟工作来优化热风炉的燃烧以提高风温。
内蒙古科技大学贺友多教授等对卡鲁金热风炉预燃室和拱顶流动及燃烧做了数值模拟[34-35],华中科技大学黄素逸教授等对顶燃式热风炉陶瓷燃烧器进行了数值模拟,北京科技大学对热风炉气体燃烧和流动做了模拟,辽宁科技大学最近对两种顶燃式燃烧器结构进行了冷态模拟试验,这些工作都为了获取高风温提供了理论指导。
伴随着我国经济的高速发展,高炉正在向着大型、高温、高效、长寿方向发展,对热风炉高风温技术提出更高的要求。
在一定时期内,借助冷、热态实验和先进的计算机数值模拟可以优化热风炉高风温技术,从而使热风炉向更加节约型的方向迈进。
7.综述提高高炉风温的途径
(一)从热工角度,热风炉在结构及操作参数上提高
风温有以下几个方向:
(1)研究推广顶燃式热风炉技术,实现高炉煤气烧炉情况下的高温;合理安装导流设备,进一步改善气流分布,保证温度均匀度在20~40℃之内;
(2)在不同温度区域采用不同的耐火材料,改进现有耐火材料质量,进一步提高使用寿命;
(3)进一步研究提高蓄热体在高温情况下的蓄热和放热能力的途径;
(4)优化燃烧器,尤其是高效能多火孔无焰式陶瓷燃烧器的设计结构和材质,进一步提高使用寿命;
(5)合理缩短送风周期,增加换炉次数,提高热风炉的自动化控制以达到煤气与空气的合理匹配。
(二)为了提高风温以适应现代高炉对热风炉的发展要求,建议根据实际情况综合采取以下措施:
(1)针对我国当前高炉煤气热值低的特点,采取富化空煤气、组合换热、自身预热和煤气脱水等一种或几种技术组合的办法来提高风温;
(2)采用高效能陶瓷燃烧器,增强热风炉的燃烧能力,推广使用顶燃式热风炉以提高风温和炉子寿命;
(3)进一步加强对热风炉蓄热室中格子砖的研究,改进炉体的耐火材料;
(4)加强余热余能的回收利用,开发更加高效的换热设备;
(5)采用配气装置使冷风、烟气更好地均匀匹配;
(6)设置和完善热风炉的自动控制系统,减少废弃物的排放,创建“资源节约绿色型”热风炉工序。
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