豫兴型顶燃式热风炉在山西通450m3高炉的应用.docx

豫兴型顶燃式热风炉在山西通才450m3高炉上的应用武会卿1 陈恩忠2 陈维汉3(1山西通才工贸有限公司 2西安有色研究设计院 3华中科技大学能源学院)摘要：本文对豫兴型顶燃式热风炉在通才450m3高炉上的实际应用情况进行了数据采集、性能评估、及操作经验总结。以此从一个侧面证实豫兴热风炉良好的燃烧状态、优良的传热-蓄热性能、稳定而可靠的整体结构。通过热风炉操作参数的调整实现了在使用单一高炉煤气和仅预热助燃空气的条件下使高炉送风温度在1200以上的目标。关键词： 高炉炼铁 豫兴热风炉 运行状态评估 实现高热风温度 1、豫兴型顶燃式热风炉的结构特征与性能豫兴型顶燃式热风炉是在综合分析带预燃室的顶燃式热风炉和火井平行于蓄热室的内燃式热风炉，以及顶燃式球床热风炉的结构与性能特征的基础上，研究开发的一种新型顶燃式热风炉，并于2007年12月在山西通才工贸有限公司450m3高炉上首先建成并投入使用。豫兴型顶燃式热风炉除了具有其它顶燃式热风炉的主要优势外，还具有结构稳定合理、烟气流场均匀、燃烧充分高效、传热性能优良、及投资费用低等优势，是一种最具潜质热风炉技术。该炉型具体技术特征可大致纳为如下几个方面。1.1悬链线型拱顶结构采用悬链线形拱顶结构，使拱顶能依靠自身重量和砌体之间的锁紧结构而整体处于压紧状态，消除了向外的推力。拱顶与燃烧器组成一体支撑在炉壳上，与热风炉蓄热体大墙之间采取迷宫连接方式，使墙体在热应力作用下能够自由膨胀而不影响拱顶结构的稳定。因此，悬链线形拱顶在结构的稳定性上与其受热应力的状态上都优于其它热风炉的结构形式，是高风温热风炉合理的拱顶结构形式，也是目前被公认的最好的拱顶燃烧室的结构形式。1.2喷嘴环形交错布置气流上喷预混燃烧的陶瓷燃烧器豫兴型热风炉采用拱顶下部设置陶瓷燃烧器，其煤气与空气的喷嘴环形交错布置且喷口向上的结构，这就实现了煤气与空气气流在燃烧室中向上喷射、预混预热、着火燃烧，然晒后烟气借助拱顶从燃烧室中部折返而向下，并在上喷气流之间形成回流涡旋，以此预热上喷燃气与助燃空气，以及稳定燃烧过程，同时使向下气流形成类似于管内流动的截面速度分布。这种燃烧器结构合理、燃烧强度大、燃烧完全而稳定，布置在蓄热室大墙外和燃烧室底部，热稳定性能好，有效保证了热风炉安全稳定地运行。由于进入蓄热室烟气流具有速度与温度双均匀的特征，有效地提高了蓄热体的传热效率和蓄热体的利用率。1.3结构简单投资省豫兴型热风炉与带预燃室的顶燃式热风炉相比，因没有预燃室而高度相对降低很多，耐火材料及钢结构用量相对减少，燃烧用的煤气和助燃空气的环形集管（环道）安置在热风炉拱顶下部的炉壳内，没有前置装置，可紧凑布置而节省占地面积。实践证明，在相同高炉容积和风温水平条件下，采用豫兴型热风炉比采用外燃式热风炉（三座）和球式热风炉（四座）要节约钢材35%，节约耐火材料20%，其总投资的节约在30%左右。1.4燃烧室气流流场均匀且稳定通过对目前普遍使用的热风炉的燃烧室结构，如火井燃烧室（内燃式、外燃式）、带气流对冲预燃室燃烧室（顶燃式）、气流预混对冲燃烧室（顶燃式）、气流垂直上喷燃烧室（豫兴型顶燃式）的实验测试与数值模拟的结果表明，唯有气流垂直上喷燃烧室流场的流动稳定性最好，进入蓄热式的气流速度分布最均匀，这也是其能够实现高强度稳定燃烧和高效率传热原因所在。2、山西通才豫兴热风炉的工艺配置山西通才公司从自身实际出发，在只有高炉低热值煤气的情况下，采用豫兴热风炉技术，在助燃空气单预热条件下实现高热风温度。助燃空气经安装于热风炉主烟道上的热管换热器预热后，其温度可达190210。高炉煤气采用全干式布袋除尘技术，煤气温度80150，含尘量10mg/m3以下。三座豫兴型顶燃式热风炉采用两烧一送操作模式。设计参数如表1所示。表1：通才450m3高炉热风炉的设计参数项目数值热风炉座数，座3热风炉蓄热室直径,m4.744热风炉高度，m31蓄热体：七孔格子砖孔径，mm40单位炉容加热面积，m2/m3108拱顶温度，1350热风温度，1150助燃空气温度，200平均烟气温度，350最高烟气温度，400高炉冷风流量，m3/min1750煤气流量，m3/h45000助燃空气流量，m3/h25000换炉风温波动，1030助燃风机功率，kW250烟囱高度，m603、豫兴型顶燃式热风炉运行状态三座豫兴型顶燃式热风炉，于2007年12月29日建成投产。至今整体运行状态良好，在完全燃烧高炉低热值煤气、空气单预热（烟道废气余热换热）操作周期180分钟（送风60min,换炉10min,烧炉110min）的情况下，2008年2-11月平均风温水平达到1154，7月份达到1198是最高月平均温度（见表1），统计平均值的热风炉热效率在75%以上。数据也显示，较之正在运行的球床热风炉，热风温度提高100左右，节焦30kg/t，增加喷煤粉量30kg/t;以目前焦炭与煤炭价格计算，冶炼每吨生铁节省费用约30元左右，显示了节能增效的潜力。3.1 热风炉运行状态记录从表2到表8记录了近一年时间豫兴热风炉运行的状态及相关的参数检测值。表2 通才450m3高炉2008年1月11月的月平均风温统计表 日期（月）1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月风温（）9491133118311611138107911981160113611851167备注：1月份高炉投产第一个月，高炉风温使用低，6月份拱顶热电偶损坏，采用监控烟道温度来操作，是平均风温水平较低。表3煤气干成分分析结果表成分COCO2N2H2CH4含水量（未检测）%26.213.655.12.62.3表4热风炉各处的温度、煤气量、送风量的均值范围与实际操作周期表拱顶温度热风温度冷风温度排烟温度煤气温度助燃空气温度1200-13801150-1200150200-40080-150180-210热风炉操作周期时间分配180min送风60min,换炉10min,烧炉110min热风炉煤气单位时间消耗量4500046000 Nm3/h（标准立方米/小时）热风炉热风输送量12501300 Nm3/min（标准立方米/分钟）表5热风炉平均一个操作周期的主要温度参数的波动范围表项目拱顶热风冷风排烟助燃空气煤气最大温度值13801250150400210150最小温度值12501150250190表6热风炉外壳温度从上到下变化情况表 单位：炉号与状态拱顶燃烧器蓄热室上蓄热室中蓄热室下1#炉（烧炉）71645964432#炉（烧炉）68605647423#炉（送风）7165654645表7用豫兴热风炉后高炉节能指标变化表（与用球式热风炉的高炉比）煤气节省量节省的焦比增加的煤比风温0-25kg/t+30kg/t+100表8 豫兴热风炉平均烟道废气成分分析表（2008年4月6日检测）样品CO2O2CON2+H2OA样270020728B样2740107253.2运行状况分析综合上述运行记录，可以整体反映出豫兴热风炉良好的运行状态，具体可归纳如下：a从表2可见，热风炉整体运行平稳，温度的月平均值变化小，温度水平高；结合表4来看由于送风时间较长热风温度的周期变化与设计计算结构基本一致，处在合理范围。b从表3可见，煤气的发热值因为喷分量的增加有所提高，低位热值的计算值应该在3500kj/Nm3以上；结合表4与表8来看，正常负荷下热风温度可达到1300上下，显然目前热风炉仍处在较低负荷下运行。c表4给出的运行参数汇总与设计参数基本吻合，而且实际效果要好于设计工况，这与煤气热值较大有密切关系，如果采用45min送风的短操作周期维持1250以上的高风温应该是没有问题的。对照设计参数送风量还有较大的潜力可挖，较大热风量设计提高了热风炉的负荷调节功能。d按照表4提供的数据可以用下式估算出热风炉的平均效率:,式中：为高炉送风量Nm3/h, 为煤气消耗量 Nm3/h,为煤气的低位热值 kj/Nm3, 为热风比热容 kj/(Nm3),为冷风比热容kj/(Nm3),为热风温度,为冷风温度;由高低送风量和对应的高低煤气消耗量计算得出热效率在75.1%到79.0%之间，与设计参数十分接近，这也表明该炉型突出的节能效果。e对照表4与表5都列出温度参数的变化范围，前者是长期平均数据，后者是随即跟踪的结果，整体上应该是一致的；对于送风期60min而言，热风温度的波动应该是可以接受的，若减少送风时间（调整操作周期）、或者不采用先烧拱顶的操作方式（因热风炉有负荷余量），使蓄热体在整个燃烧过程处于均匀吸热状态，效果会有所改变。f炉壳上下的温度变化可以从表6上看到，从拱顶到燃烧器再到蓄热体的外壳温度均没有超出80的设计最大值；这反映出炉体的保温性能良好，且没有出现局部高温现象，反映出耐材砌筑的整体结构完好，也表明耐材砌体的热稳定性良好。g.由表7给出的数据看，豫兴热风炉相对于球床热风炉而言，其节能效果是十分显著的；以目前焦炭价格1800元/吨和煤炭价格800元/吨，由公式：可计算出冶炼一吨铁所节省的费用，式中s为吨铁节省费用y/t,为节焦量kg/t ，为增加的喷煤量kg/t， 为焦炭的价格y/t，为煤炭的价格 y/t；将表7数据与设定价格带入上式得到s=21y/t,即每冶炼一吨生铁可节省费用21元，年产40万吨节省费用是840万元，其经济效益是是非可观的。h表8显示了烟气成分分析的结果，表明热风炉燃烧状态十分良好，实现了完全的燃烧而没有可燃物排除（CO为零），且氧气含量很小，可折算出过量空气系数为1.02，这是在燃烧极好低热值气体燃料燃烧时才会出现的状况。4、热风炉运行中提高风温的措施4.1采用快速烧炉法，30分钟内达到最高拱顶温度，且延长蓄热期（这是在容许较大热风温差的前提下）。4.2稳定煤气压力10-12Kpa,减少因压力波动波动而引起煤气输送量的变化，从而改变煤气与空气的比值，影响燃烧效率和燃烧温度。4.3煤气含尘量在线监测（自动监测仪），保证煤气含尘量小于10mg/ m3 ，以保证蓄热体格子砖的通畅，发现问题及时处理。4.4采取入炉焦炭烘干，减少煤气中的含水量，有利于提高理烧温度以保证热风温度维持在较高水平。4.5必要时为了维持较高的热风温度可适当提高排烟温度，如从380提高到420等；但这样做会降低热风炉的效率，通常情况尽量不采用。4.6加强对新型热风炉结构与性能的了解，不断总结烧炉经验，优化操作模式，提高烧炉水平，加强对工况的记录、整理、及分析，加强操作人员的操作水平与技能的考核。5.运行中存在的问题与改进建议5.1拱顶温度检测方法需改进，目前顶温1350以上，热电偶易烧坏而红外线测量又不准确，做好热电偶保护及保护后的温度测量修正。5.2高炉送风装置需改进，风温超过1180后，直吹管容易烧穿，目前已发生了两次因风温连续几天高于1200而导致直吹管烧穿的事故。5.3高炉采用煤气干法布袋除尘，煤气含尘量在线监测（自动监测仪）在绝对保证煤气含尘量小于10mg/ m3 条件下，七孔格子砖可改为19孔或37孔格子砖，进一步增加热风炉的传热-蓄热面积，能更加稳定送风期的风温水平（减小温度波动值）。6.结 语豫兴型顶燃式热风炉是在分析国内外各种热风炉结构与性能的基础上发明的一种新型热风炉，有幸能在山西通才450m3高炉上首先投产使用。经过近一年来的生产实践，新型热风炉在结构与性能上都明显优于其它热风炉，其燃烧强度大、传热效果好、热风温度高、结构安全稳定的特征与性能，都是其它热风炉所不能兼容的。因此，能够取得仅烧高炉煤气，只需助燃空气预热 ，送风时间60分钟，月平均风温1154，最高达1198，这样的运行效果就是很必然的事情。能够实现75%79%的高热效率和吨铁节省焦炭25公斤（相对于球炉），其节能效果也是很显著的。实践表明，这种新型顶燃式热风炉具有极大的发展潜力和推广价值。近期数据表明，进入2009年以来，在四川攀枝花钢铁公司热风炉操作专家技术指导下，热风炉热风温度的平均达到1200度以上