济源钢铁公司5#高炉球床热风炉改造方案之一(1).doc

2011年全国炼铁低碳技术研讨会论文集澳森钢铁公司1#高炉球床热风炉技术改造的实践孙志明 王炳安 谷建平 周平福 陈维汉（澳森钢铁公司炼铁厂、豫兴热风炉工程技术公司）摘要：对澳森钢铁公司球式热风炉进行技术改造，将套筒燃烧器改为旋流交错喷射短焰燃烧器（预燃室），将球床蓄热体改为格子砖蓄热体，从而改善燃烧与传热效果，克服了球床热风炉球床粘结、灰堵、阻力大、使用周期短等弱点，热风温度提高100以上，带来明显的经济效益。关键词：球床热风炉 技术改造 耐火球 格子砖 套筒燃烧器 预燃室 1、概述澳森钢铁公司炼铁厂在2010年11月至2011年1月期间，利用高炉大修机会对新1#510m3高炉的四座热风炉进行彻底的技术改造，将带套筒燃烧器的球式热风炉（见图1）改造成为喷嘴交错预混垂直上喷燃烧模式的豫兴型顶燃式热风炉（见图2），并将耐火球蓄热体改为格孔互通的小锥孔径格子砖。这一工程是在澳森钢铁公司和豫兴热风炉工程技术公司共同努力下完成的。虽然从技术角度上讲，垂直上喷燃烧器与悬链线拱顶燃烧室的结合能有效解决热风炉快速均匀高强度燃烧问题，而新型小孔格子砖也在强化热风炉传热问题上优势突出，在实践上也都有先例。但将两者应用在球式热风炉上还是第一次，这不失为是一种较为大胆的尝试。技术改造方案的最终确定是澳森钢铁公司与豫兴热风炉工程技术公司反复论证的结果。在具体实施过程中又遇到了一些设计上、技术上、以及砌筑上的诸多问题，经双方充分交换意见后都逐一进行了合理的处理。最终于2011年1月底点火烘炉并在2月初成功投入使用。运行结果表明，所有的技术参数均好于设计要求，在两烧两送运行模式下，在煤气与空气均不预热的条件下，热风温度始终维持在12101220之间，而且拱顶温度在1300以下。与原球式热风炉比较，其运行情况大为改善，热风温度提高100以上。这是球床热风炉改造上的一次成功的尝试。图1球式顶燃式热风炉结构图 图2球床改为格子砖的顶燃式热风炉结构图2、技术改造方案的论证新1#高炉热风炉的技术改造方案是在澳森钢铁公司与豫兴热风炉工程技术公司经过多次技术交流后的产物。具体而言，对采用不改动拱顶形状的喷嘴垂直上喷的燃烧模式，还是改动过拱顶增加预燃室结构的燃烧模式；对采用类似于卡卢金形式的喷嘴分层喷射旋流混合的燃烧器结构，还是采用豫兴技术的喷嘴交错喷射混合的燃烧器结；对采用什么规格的小孔径格子砖，以及原有的拱形炉箅子是否更换、不更换的技术措施等问题都进行了充分的论征。最终确定了不改动炉壳采用豫兴技术的燃烧器结构，蓄热体采用格孔互通的小锥孔格子砖，并更换原有的拱形炉箅子为平板状炉箅子来堆砌格子砖的的一整套技术改造方案。在燃烧器的选择上，彻底摒弃基于套筒燃烧器的长焰燃烧模式。因为套筒燃烧器是边混合边燃烧，火焰长度长，过量空气系数高，燃烧温度低，进而热利用效率就低，是既不节能、又不能获得高风温、且不环保的气体燃料的燃烧方式。同时，从拱脚上喷的方式使得流场结构非常不均匀，蓄热体的利用率极低。技术改造采用豫兴型热风炉，它采用煤气与空气喷嘴环状交错布置、气流垂直上喷的环型燃烧器，并将其放置在倒悬链线结构的拱顶燃烧室下部。在这样的热风炉中，煤气与空气喷射进入燃烧室后能快速且均匀混合，并实现完全且充分的高强度燃烧。气流在燃烧室中上行并回流，之后以均匀分布的烟气流进入其下的蓄热室，经热交换后通过冷风室的烟道管流出。采用这种热风炉就为获得高燃烧效率、高热风温度、环保且节能的热风炉性能提供了可靠保证。采用小孔径格子砖是为了在原有球式热风炉蓄热体高度改变不大的前提下的技术方案。格子砖用于热风炉作为蓄热体已有半个世纪的使用历史，本身是十分成熟的应用技术。随着人们对热风炉传热技术认识的深入和对除尘技术掌握程度的提高，格子砖使用的孔径越来越小，直至20毫米小孔径格子砖已经在曹妃甸5500高炉热风炉配置的预热炉上使用。采用小孔径格子砖能使格子砖的堆积高度明显下降，有的热风炉蓄热体已经达到11.2米的高度。从不同规格的格子砖与不同直径的耐火球的面体比参数可以发现，12.6mm40mm孔径格子砖的特征几乎与40mm90mm耐火球是一致的。由于格子砖是有序堆放而耐火球是随机的堆砌，故格子砖是通孔型的活面积，而球床是不定自由型的活面积。显然，后者的积灰堵塞要大于前者，相互间的无序作用力也大于前者，进而易损坏的程度也就大于前者。因此，在性能相当的基础上进行互换，格子砖就能显现出其突出的优势。为弥补格子砖的不足，采用了格孔互通的结构已调节气流的均匀性，采用锥形格孔以增强换热能力。这样采用合适的小孔格子砖去取代球床蓄热体，就能充分发挥格子砖的通畅性和保持球床的均压均流、换热性能强的特征，也就成为球式热风炉改造的一种行之有效的办法。这也就彻底克服了球式热风炉易积灰、易堵塞、易粘结、易损坏、流阻大的缺陷，以及克服由此带来的球床使用寿命短、运行费用高的致命弱点。基于上述分析，准备对澳森钢铁公司新1#高炉的四座球式热风炉进行改造，采用小孔格子砖蓄热体去取代耐火球；采用环形燃烧器以代替套筒燃烧器。具体做法是:小孔格子砖采用1618mm格孔而孔间距为1.81.6的小孔径格子砖，以对应平均直径为50mm60mm耐火球的空隙率和体面比的几何特征，于是蓄热体的高度在相同工况下变化不大；燃烧器结构如上所述，其煤气与空气的交错混合、垂直上喷回流折返，以能实现煤气与空气快速混合与完全充分的燃烧和以均匀的流速和温度进入蓄热室实现高效传热。3、热风炉技术改造的设计与实施按照上述方案，由豫兴公司进行设计计算确定性能与结构参数，并提供全套的设计图纸。设计计算是在原有运行参数的基础上进行的，改造后的热风炉其热工参数如表1所示。在设计方案得到澳森钢铁公司审批后就进入施工前的准备阶段。首先完成了燃烧器与锥段拱顶的设计与制作，生产了不同材质的小孔径格子砖，改造了煤气与空气进气管与阀门的位置。在拆除原有炉体耐材之后重新进行炉体的砌筑。4、热风炉技术改造后的效果热风炉技术改造完成后，经烘炉于2011年2月上旬投入实际运行，至今整体运行状态良好，表现为：平均热风温度1214度左右，送风时间2.5小时（2烧2送），最高热风温度1249度；拱顶温度1260度左右，表明整体拱顶温度均匀且燃烧高温区在燃烧室中心部位；表1澳森钢铁510m3高炉热风炉改造的设计计算参数表项 目名 称格子砖蓄热体热风炉设计初始参数的给定高炉容积（m)510.000 高炉风量（Nmmin)1,900.001 过量空气系数1.050 煤气的发热量kj/m33,234.695 冷风入口温度 ()150.000 鼓风压力(MPa)0.420 平均废气出口温度()285.000 未预热煤气温度()120.000 预热后空气温度()20.000 燃烧与热工计算的结果计算拱顶温度()1,240.000 验证热风温度()1,188.063 烟气进入烟囱前温度()285.000 计算热风炉总效率0.772 煤气、空气消耗量计算值热风炉座数4.000 鼓风时间t1.000 燃烧时间t1.850 换风时间dt0.150 单一热风炉煤气耗量(Nm3/h)38,986.344 单一热风炉空气耗量(Nm3/h)25,729.292 单一热风炉烟气量(Nm3/h)59,694.307 本体结构参数的计算蓄热室烟气流速选择(Nm/s)1.746 蓄热室计算内直径(m)6.250 硅质格砖4.200 高铝格砖1.920 粘土格砖5.040 校核后的蓄热体高度（m)11.160 单位格砖加热面积68.801 N座热风炉总加热面积（m2）91,229.958 单位鼓风加热面积m2/(m3/min)48.016 单位炉容加热面积 (m2/m3)178.882 N座炉蓄热体总重(t)1,991.390 管路尺寸及流动参数确定冷风管径选择(mm)800.000 热风管直径选择(mm)1100.000 煤气管径选择(mm)600.000 2助燃空气管径选择(mm)600.0002 烟气管直径选择(mm)1,500.000 煤气管中煤气流速(m/s)27.569 空气管中空气流速(m/s)13.565 冷风管冷风流速(m/s)18.772 热风管热风流速(m/s)34.340 单炉烟气流速(m/s)19.179 压头、风量与助燃风机选择总阻力损失压头(mmH2O)267.229 风机压头选择668.073 风机流量选择m3/h55,228.444 烟气温度以升到350度左右为换炉或闷炉条件，周期平均烟气温度在245度上下，经与设计参数核对估计热风炉热效率接近80%。；结构上看，炉壳表面温度在70度以下，仅热风出口周围有80100度的表面温度；烟气随机抽查结果，氧含量为0.7%以下，一氧化碳为0.1%以下，燃烧状态还应该进一步调整，到时效果会更佳。与原套筒式热风炉（未改造前）比较，相同状态下热风温度提高100度左右，平均烟气温度下降100度左右;焦比从原来的380kg/t减少为360kg/t,节焦量为20kg/t;生铁日产量从改造前的1600t/d增