《高炉用高效、高风温顶燃式热风炉节能技术规范》.doc

高炉用高效、高风温顶燃式热风炉节能技术规范国家标准编制说明1 工作简况1.1 任务来源根据国家标准化管理委员会国标委综合201166号文“关于下达2011年第二批国家标准修订计划的通知”的要求，由首钢总公司等单位负责起草高炉用高效、高风温顶燃式热风炉节能技术规范国家标准，计划编号为20111023-T-605。1.2 工作过程（1）开展的阶段工作2012年1月，主要起草人与全国钢标准化技术委员会对标准的格式、规范重点、步骤和进度交换了意见。随后成立了标准起草小组。具体工作如下： 2012年2月至2010年4月进行资料收集工作，将与本规范有关的已发布的国家和行业标准认真比对，尽可能做到不重复、不矛盾；2012年3月29日，发出20份关于高炉用高效、高风温顶燃式热风炉技术应用情况调查表进行调研。2012年4月至5月底，在收集整理国内生产应用的基础上，修正并讨论标准稿，形成标准征求意见稿；（2）国内外情况调研从国内外顶燃式热风炉技术发展看，早在20世纪20年代哈特曼(Hartmann)就提出了应用顶燃式热风炉的设想，但未受到重视。直到20世纪60年代，由于高风温的要求，人们才开始研究顶燃式热风炉。不过，国外的研究还停留在试验和方案阶段，还未投入工业使用。我国是世界上最早采用顶燃式热风炉的国家，20世纪70年代末，我国炼铁工作者成功开发了拥有自身专利技术的顶燃式热风炉，顶燃式热风炉是把燃烧室移到热风炉拱顶，提高了格子砖的使用面积，减少占地面积，与传统的内燃式和外燃式热风炉比较，具有结构简单、占地面积小、投资比较低等优点，是今后热风炉技术的发展方向。该热风炉技术先后在首钢、河北邯钢、石家庄和湖南冷水江等高炉上推广应用。当时开发的顶燃式热风炉由于采用金属燃烧器结构和使用高炉煤气条件等限制，风温仅为1100左右。20世纪80年代末，前苏联全苏冶金热工研究院开发的卡卢金顶燃式热风炉在塔吉尔冶金公司高炉上建成投产，该热风炉具有（1）高效拱顶陶瓷燃烧器；（2）稳定的热风炉大墙及拱顶结构；（3）高效的蓄热室；（4）投资省等优点，近年相继在中国各大钢铁公司推广应用，但在中国引进的部分热风炉由于热风出口管道温度过高问题，导致使用高风温受限制。2002年以来，首钢针对原开发的顶燃式热风炉存在的技术缺陷， 在引进的卡卢金顶燃式热风炉基础上，进一步开发了高温预热顶燃式热风炉和BSK顶燃式热风炉，先后在首秦、迁钢和京唐等高炉热风炉上使用。该热风炉技术采用全烧高炉煤气和高温空气燃烧预热技术实现高风温。同时围绕顶燃式热风炉燃烧、炉内流场、热风出口管道温度过高等技术问题，开展了一系列顶燃式热风炉高风温技术研究，并取得显著成效。1.3 参编单位本标准由首钢总公司和冶金工业信息标准研究院等部门编制。2 标准编制原则2.1为了适应和满足我国高炉技术发展及国家产业政策调整需要，贯彻国家对钢铁行业的节能减排、淘汰落后产能的基本要求，提高能源利用效率，在保证满足炼铁工艺要求的条件下，高炉用高效、高风温顶燃式热风炉应达到的技术指标。2.2 根据国内外高炉用高效、高风温顶燃式热风炉的实际应用情况，确定经努力而能实现的平均先进指标为各方的追求值。3 标准技术内容3.1总则本章主要对标准目的、意义、适用范围等做出规范。顶燃式热风炉具有占地空间小、结构紧凑、投资成本低和高效节能等优点，除达到工艺要求外，风温、热效率是重要指标。3.1.1目的本标准的目的是为了实现冶金行业节能减排，充分回收利用低热值高炉煤气和热风炉自身烟气余热，降低高炉煤气放散率并提高热风炉热效率，降低炼铁工序能耗，同时规范高炉用高效、高风温顶燃式热风炉必须有的节能措施和应达到的期望值。3.1.2意义本标准对今后顶燃式热风炉实现高效节能和加速推广应用更具意义。3.1.3范围本标准规定了高炉用高效、高风温顶燃式热风炉术语和型号、设计规格及参数、技术要求、试验方法和检验规则等内容。3.2 规范性引用文件下列标准所包含的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。本标准出版时，所示版本均为有效。所有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。GB/T 700 碳素结构钢GB/T 699 优质碳素结构钢GB/T 1047 管道元件DN(公称尺寸)的定义和选用GB 2992 高炉及热风炉用砖形状尺寸GB/T 3077 合金结构钢GB/T 5117 碳钢焊条GB/T 5118 低合金钢焊条GB/T 8110 气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝GB/T 12469 焊接质量保证 钢熔化焊接头的要求和缺陷分级GB/T 24564 高炉热风炉节能监测GB 50427 高炉炼铁工艺设计规范YB/T 4072 高炉热风阀YB/T 5201 致密耐火浇注料 常温抗折强度及耐压强度试验方法JB/T 9092 阀门的检验与试验3.3术语及定义的确定为统一行业关于顶燃式热风炉节能技术中所涉及的说法，在标准中规定不会引起歧义，特将经常出现的专业名词加以提出，并给予定义。本标准提出了11个术语。顶燃式热风炉一种燃烧器位于蓄热体上部的炉顶的热风炉，区别于外燃式和内燃式热风炉。顶燃式热风炉将燃烧器布置炉顶，最大限度减少占地空间。热效率热风炉热效率是衡量热风炉高效节能的主要指标，分为本体热效率和系统热效率。本体热效率热风炉本体热效率是衡量热风炉运行经济性的主要指标。其中有燃料预热的本体热效率大于燃料不预热的本体热效率。系统热效率热风炉系统热效率不同于本体热效率，在热风炉没有配备余热回收装置情况下，本体热效率略大于系统热效率，而有余热回收装置情况下，系统热效率大于本体热效率。热风炉温度效率热风温度效率，是热风炉的重要指标。一般来说，温度效率越高，其热效率越高。空气过剩系数空气过剩系数是影响热风炉燃烧是否完全的最重要参数，通常通过合理控制热风炉空气过剩系数，可以提高燃烧效率，降低烟气CO排放浓度。单位蓄热面积单位蓄热面积是衡量蓄热体蓄热性能的重要指标，一般来说，单位蓄热面积越大，热风炉蓄热体蓄热量越大，热风炉能效越高。热风温度热风温度，是衡量热风炉性能的主要指标。提高热风温度是改善高炉下部热制度的重要措施。高风温高风温是炼铁节能的关键技术，每提高风温100，可降低吨铁焦炭消耗4%7%。拱顶操作温度热风炉拱顶操作温度，是影响热风温度的重要参数。提高拱顶操作温度，可提高热风温度，同时控制热风炉拱顶操作温度，可防止热风炉炉顶晶间腐蚀。富化率对掺烧高热值煤气的热风炉来说，提高富化率是解决热风炉高风温的重要手段，考虑到烧炉的经济性，热风炉富化率一般低于10%。3.4 原理与适用条件3.4.1原理高炉用高效、高风温顶燃式热风炉的基本原理同热风炉，由于其燃烧器布置在顶部，其技术优势是占地面积小，结构紧凑，便于安装布置。热风炉本体如图1所示，热风炉系统高温预热工艺流程如图2所示，如图1所示，燃料（通常为煤气）和助燃空气总管分别布置炉顶上部和下部，在热风炉燃烧期，煤气和助燃空气分别经环道多喷口进入炉内燃烧生成高温烟气，高温烟气向下流动加热蓄热体，将热量储存在蓄热体上，蓄热体温度升高，烟气温度降至450以下，经换炉后，热风炉处于送风状况，此时冷风从下部进入热风炉内，经蓄热体加热后变为高温热风供高炉使用。如图2所示，在热风炉烟气管道，分别连接煤气和助燃空气换热器，助燃空气经两预热热风炉高温预热供三座热风炉依次燃烧使用。图1 热风炉本体 图2 热风炉系统高温预热工艺流程3.4.2适用条件高炉用高效、高风温顶燃式热风炉技术适用于钢铁企业炼铁高炉新建、扩建或改造的顶燃式热风炉。顶燃式热风炉采取全烧高炉煤气，不仅可以降低钢铁企业高炉煤气放散率，提高二次能源利用率，而且采用的高温预热技术可解决低热值高炉煤气实现高风温问题，利用热风炉烟气余热预热助燃空气或高炉煤气可提高热风炉系统热效率，实现顶燃式热风炉的高效节能。3.5 技术要求3.5.1基本要求鉴于顶燃式热风炉的工作特点，为保证热风炉连续送风供高炉使用，一座高炉至少配备2座以上顶燃式热风炉，为实现热风炉高效和高风温，用户根据不同高炉容积送风量要求，可选择合适的热风炉数量、布置方式和节能措施。通常一座高炉热风炉的数量为24座，随着高炉容积增加，依据高炉炼铁工艺设计规范GB 50427设计要求，其设计风温呈增长趋势，其数量呈增加趋势，布置从一列式变为矩形，对应的热风炉热效率要求提高，根据热风炉热效率情况，分别规定了准入值和先进值。对于排烟温度大于250的顶燃式热风炉应设置余热回收装置，将烟气余热预热助燃空气和燃料。针对不同高炉容积情况，配备顶燃式热风炉基本要求如表1所示。表1 高炉配备顶燃式热风炉基本要求项目下列高炉的技术批标1000200020003000300040004000500050006000热风炉数量/座2333444布置方式一列式一列式一列式矩形矩形设计风温/120012001250125012501300必备节能措施余热回收装置热效率/%,不低于准入值7575767677先进值8080818182对于有条件的顶燃式热风炉可考虑应用富氧燃烧技术、格子砖节能涂料技术、拱顶喷涂防腐涂料、自动燃烧控制等节能技术进一步实现其节能。下面分别从燃料条件、助燃空气和煤气预热、燃烧器性能、材料、排烟和附属设备等方面规范其要求。3.5.2燃料条件热风炉用燃料为钢铁企业的副产煤气，可以高炉煤气、转炉煤气、焦炉煤气或混合煤气，鼓励采用放散的低热值高炉煤气。由于高炉煤气热值低，在实现热风炉高风温存在困难，造成其放散率最高，由于高炉煤气价格便宜，故采用高炉煤气烧炉，有利于降低高炉炼铁能源成本，实现效益最大化。从所使用的燃料热值、压力、富化率、含水和含尘等方面规范燃料条件。热风炉使用燃料基本要求如表2所示。表2 热风炉使用燃料要求项目燃料参数全高炉煤气混合煤气热值，kJ/m32900320033003500压力/kPa10151015富化率，%-110含尘，mg/m3810含水，mg/m330303.5.3 助燃空气和煤气预热要求对于使用全烧高炉煤气的热风炉，由于高炉煤气热值低，其理论燃烧温度低，造成风温不高，故为进一步实现高风温，可通过预热助燃空气和煤气，从而提高风温，为此提出助燃空气必须预热，并且预热温度为400700，同时利用热风炉余热预热高炉煤气150220，助燃空气或煤气预热要求有助于全烧高炉煤气实现高风温供高炉使用，据统计每提高助燃空气或煤气温度100，提高风温3040。不同高炉容积下热风炉助燃空气和煤气预热要求如表3所示。随着助燃空气预热温度的提高，预热装置性能要求越高，其中换热器在助燃空气预热温度较低时使用，而前置预热炉在助燃空气，煤气系统由于其预热温度不高，一般采用换热器形式，预热温度较高的情况下使用，助燃空气预热装置的基本要求如表4所示。表3 热风炉使用助燃空气和煤气预热要求项目下列高炉的热风炉助燃空气和煤气预热指标1000200020003000300040004000500050006000风温要求/120012001250125012501300助燃空气预热温度/250450250450450600450600500700煤气预热温度/150180150180180200180200200220表4 热风炉助燃空气预热装置基本要求项目助燃空气预热温度/500预热装置/换热器换热器或前置预热炉前置预热炉3.5.4 燃烧器性能要求顶燃式热风炉燃烧器布置在炉顶，有预混合和非预混等方式，在预热温度较高时，考虑到其长寿命和安全使用要求，一般采取非预混方式，同时保证其应能在温度波动大，工作条件苛刻的条件下稳定工作。其中全高炉煤气燃烧器的性能要求如表5所示。表5 全高炉煤气燃烧器性能项目全高炉煤气燃烧器参数煤气流速,Nm/s1525助燃空气流速,Nm/s1525燃烧器喷口多孔（10）寿命要求/年10153.5.5 材料要求热风炉蓄热室耐火材料可以采用7孔19孔，格子砖分2层4层布置，也可采用直径（1050）mm陶瓷蓄热球。为实现顶燃式热风炉高效蓄热，其使用的格子砖单位体积蓄热面积要求如表6所示。根据热风炉格子砖上部、中部和下部的工作温度、结构强度和化学侵蚀的特点，分别选用了不同性能的耐火材料，其中格子砖各部位材料要求如表7所示。表6 格子砖单位体积蓄热面积项目蓄热面积单位体积蓄热面积,m2/m348表7 格子砖各部位材料格子砖位置工作温度/推荐材质上部12001450硅砖中部9001200高铝砖或红柱石砖下部400900粘土砖热风炉炉体外壳及附属热风管道外壳为金属材料，根据选择材料不同分别按碳素结构钢GB/T 700，优质碳素结构钢GB/T 699，合金结构钢GB/T 3077 标准选择制作，热风管道遵循管道元件DN(公称尺寸)的定义和选用GB/T 1047规范。热风炉金属材料焊接过程，其中焊丝选择以气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝GB/T 8110为依据，焊条遵循碳钢焊条GB/T 5117和低合金钢焊条GB/T 5118规范，焊接质量应遵循焊接质量保证、钢熔化焊接头的要求和缺陷分级GB/T 12469规范。3.5.6 排烟温度要求排烟温度高低是决定热风炉是否设置余热回收装置的最重要依据，直接影响热风炉能源综合利用程度，热风炉系统排烟温度越低，其系统热效率越高。顶燃式热风炉排烟分为设有余热回收装置的顶燃式热风炉排烟和无余热回收装置的顶燃式热风炉排烟。无余热回收装置的顶燃式热风炉排烟温度应为120250。设有余热回收装置的顶燃式热风炉最高排烟温度和最低排烟温度要求如表8所示，分别规定了热风炉尾部和换热器后最高和最低排烟温度。表8 最高排烟温度和最低排烟温度项目数值热风炉尾部最高排烟温度/400最低排烟温度/250换热器后最高排烟温度/180最低排烟温度/1203.5.7 热风炉附属设备要求阀门要求：热风炉系统至少安装一套换向阀，煤气系统安装煤气切断阀和煤气调节阀；助燃空气系统安装助燃空气切断阀和助燃空气调节阀，并对高温助燃空气实施软水循环冷却；热风系统安装带水冷的高温热风阀。阀门说明：考虑安全和热风炉燃烧流量调节问题，故煤气和助燃空气系统分别安装切断阀和调节阀，由于热风阀工作温度高，故建议选择水冷或软水循环冷却，以延长其使用寿命。管道设置波纹补偿器吸收热膨胀及方便检修阀门，除在热助燃空气总管和支管等处设置了波纹补偿器外，在烟道、助燃空气、煤气管道上应设置波纹补偿器。带支梁炉箅子及支柱采用的耐热铸铁，应能够保证在400的温度下长期稳定工作。3.5.8 控制及检测要求热风炉控制有全自动、半自动、手动及现场机旁操作等多种方式，宜安装自动燃烧控制系统，实现燃烧全自动控制。热风炉自动燃烧控制，具有控制速度快和精确高等优点，实时优化空燃比和煤气流量，保证燃烧过程的高效、节能、稳定，延长热风炉使用寿命，提高热风炉热效率，实现节能6%。检测参数分别包括煤气、助燃空气、冷风、热风和烟气的温度、压力和流量。热风炉下部设有专用的烟气采样口及采样阀，阀后安装残氧分析仪，可测量烟气中 CO和 O2含量，并根据煤气热值及烟气中残氧量对热风炉的燃烧进行自动调节。检测参数的准确性有利于热风炉自动燃烧控制精度的提高。3.5.9 检测标准过高的炉壳温度不仅增加散热损失，降低热风炉热效率，而且会缩短热风炉的整体使用寿命。顶燃式热风炉正常工作时，其炉壳温度应小于或等低于120，不同部位炉壳温度检测标准如表9所示。要求烟气中CO低于200ppm，O2低于3。表9 不同部位炉壳温度检测标准项目温度/炉顶外壳100燃烧器外壳120蓄热室高温区外壳120其余部位外壳1003.5.10 安全标准热风炉点火、烘炉、烧炉和使用均需符合相关安全规范。3.5.11 检验热风炉炉体和蓄热体按高炉及热风炉用砖形状尺寸GB 2992的规定进行检验，阀门、管道、波纹补偿器、液压站和润滑站等设备按相关标准的规定进行检验。不定型耐火材料的检验按YB/T 5201的规定检验。烘炉符合耐火材料要求的烘炉加热曲线进行。外购配套件按相关标准进行检验。3.6 试验3.6.1 气密性试验在热风炉投产前进行，在煤气和空气管道注入给定的工作压力的压缩空气，保持时间为5分钟，不应许管道连接处有可见泄漏。3.6.2 点火燃烧试验对于燃用高炉煤气的顶燃式热风炉，宜设置点火燃烧器，并采用高热值煤气如焦炉煤气或天然气点火。点火前，应对煤气管道通氮气进行放散，直至燃气符合燃气点火的安全规范，方可进行点火。3.6.3 温度指标试验炉体表面温度测量可采用热电偶或红外测温仪等仪器进行检测试验，拱顶温度、空气预热温度、热风温度等温度采用在线温度仪表测量，误差范围为2，测量要求和平均温度计算应符合相关技术标准。3.6.4 热效率试验热风炉热效率试验主要依据热效率计算公式，根据热风炉本体或系统的供入热量及有效热量进行计算，结合热风炉燃料条件细化其计算公式。热效率计算公式（1）如下：.(1)式中：t-热风炉热效率，%；Q效-热风炉有效热量，kJ；Q供-热风炉供入热量，kJ；Q热风-热风炉热风带出热量，kJ；Q冷风-热风炉冷风带入热量，kJ；Q燃化-燃料的化学热量，kJ；Q燃预-预热燃料热量，kJ；Q空预-预热助燃空气热量，kJ。顶燃式热风炉的热效率的监测计算方法可依据GB/T 24564监测，计算误差应小于5%。3.7 操作制度顶燃式热风炉操作可以采用“一烧一送”、“二烧一送”或“二烧二送”等操作模式，具体根据热风炉座数和