引进技术在迁钢3号高炉喷煤系统中的应用.doc

编号：RG/QF-03-2-215 版次：B/0 页次：1/6引进技术在迁钢3号高炉喷煤系统中的应用孟祥龙，张福明，王维乔(北京首钢国际工程技术有限公司)摘 要：阐述了引进DANIELI CORUS公司先进技术在迁钢3号高炉喷煤系统中的应用实践，采用中速磨煤机制粉，一级大布袋收粉，三罐并列，主管加分配器以及浓相长距离直接喷吹工艺，其中喷吹罐的工作周期及能力配置、流态化措施及气力输送系统等关键技术与高炉能力紧密匹配，实现功能最大化利用及节能减排，整套工艺达到国际先进水平。关 键 词：特大型高炉；喷煤；引进技术高炉喷煤是现代高炉炼铁生产广泛采用的技术之一，喷吹煤粉从当年简单的以煤代焦和提供热量的思路出发，到如今已经成为调剂炉况热制度、改善炉缸工作状态、降低燃料消耗以及节能减排等方面的重要技术措施1。高炉大型化已经成为趋势，喷煤工艺各环节应做出相应改进，以满足高炉大型化的需求，其中装备水平、煤粉流态化措施、长距离浓相输送以及风口均匀喷吹技术等方面已经引起重视2。迁钢3号高炉(4000m3)于2010年1月8日点火投产，其配套的制粉喷煤系统在喷吹部分的设计过程中引进了荷兰DANIELI CORUS公司的先进技术，希望能对今后国内的高炉喷煤设计工作起到参考作用。1 工艺设计方案11 工程概况3号高炉设计利用系数24，日产铁量9600Ld，设计喷煤比190kg/t，小时喷煤量达到77th。配套制粉喷煤工艺设备能力达到250kg/t，按照喷吹烟煤和无烟煤混合煤设计，采用中速磨制粉、一级大布袋收粉、并罐直接喷吹、单主管单分配器工艺，喷煤罐充压及流化采用氮气，煤粉输送采用压缩空气。基本设计情况见表1。12 工艺流程原煤由皮带机从原料场储煤筒仓运至喷煤主厂房，并向原煤仓加煤，原煤仓中的原煤经称重式给煤机进入中速磨煤机，干燥剂采用热风炉废烟气与混风炉燃烧高炉煤气产生的高温烟气的混合气，排粉风机形成负压将干燥剂吸入磨煤机，配合原煤在磨煤机中进行粉碎和干燥。粒度较大的颗粒经粗粉分离后重新磨制，合格煤粉沿管道进入布袋收集器，收集后的煤粉经收集器灰斗后进入煤粉仓，煤粉仓下设置3个高压并列式喷吹罐，煤粉经下煤管道进入喷吹罐中，并作为喷吹罐操作周期的一部分。离开喷吹罐的单一煤粉流在补气器中与输送气体混合，然后将煤粉送到高炉附近。煤粉与输送气体在补气器中混合，并通过输煤管线进入分配器，分配器将该单流平均分配到各喷吹管线，各喷吹管线再将煤粉送到高炉各风口。3号高炉喷煤系统采用的主管路加分配器的喷吹模式，是目前国内高炉喷煤工艺广泛采用的一种喷煤形式，喷吹部分简要流程如图1所示。2 引进的先进技术21 输煤总管缩径设计与末端方管设置在与DANIELI CORUS合作中，输煤主管的设计有两点与以往思路不同：(1)输煤主管的管内径沿着煤粉运行方向是逐级递增的(见表2)。在喷煤主厂房补气器出口处使用的是内径1197mm圆管，到末端已经逐级递增至内径1333mm。输煤主管输送煤粉和压缩空气时，由于压损，气体体积增大，引起速率逐渐增大。采取输送管线内径逐级增大的措施，可以补偿增大的输送速率所带来的管道腐蚀、压降和气耗增大等一系列问题。但在计算时，不能无限的扩大内径，这是由于在输送过程中，要时刻保证输送速率大于沉积速率，才能使煤粉被输送气体顺利输送。(2)在输煤主管末端进入分配器之前加入了1段长6m的方形管道，垂直布置，即表2中的第5段管道。由于煤粉和压缩空气两相流在沿着一定长度的圆管运行后，会出现压力场和速度场不均匀的现象，主要体现为其运行轨迹沿着管道中心线呈螺旋状前进。这种不均匀性会造成管线内出现固态沉积，进入分配器后的煤粉不能均匀的被分配到各支管中，从而引起各支管的喷煤量差异，更进一步的影响整个炉况。因此，在进入分配器入口，输送管线竖直段的最后一段采用方形管，避免这种不均匀现象，以保证分配器平稳分配煤粉。22 煤粉仓和喷吹罐的能力配置煤粉仓和喷吹罐是喷吹环节储存煤粉的重要装置，其几何参数的设计会对喷煤过程的周期操作产生直接影响，3号高炉的煤粉仓及喷吹罐设计参数见表3。三罐并列式喷吹形式是1、2、3号罐之间进行轮流交替喷吹，罐与罐切换之间存在倒罐周期。与两罐并列式不同的是，三罐并列式倒罐周期基本就是倒罐操作时间，一般不专门考虑等待时间。倒罐周期由几个特定的工作阶段组成，包括单罐喷吹时间t、喷吹罐减压放散时间tp、装煤时间tz、充压时间tc、保持时间td。国内经验当满足t12514(tp+tz+tc+td)时，应设置3罐并列式的布置形式。从表4中喷吹罐工作周期各阶段的时序来看，满足t12514(tp+tz+tc+td)，因此选择了3罐并列的方式，这与国内以往的经验也吻合。由于保持时间td内喷吹罐要求不断补充气体以保证工作压力，因此工作周期的精准设计不但能够节约能源，而且对实际操作具有指导意义，应引起重视。23 煤粉仓与喷吹罐的煤粉流态化措施原煤经过磨煤机磨制后进入煤粉仓和喷吹罐中后，由于自重或者环境压力的原因，颗粒间相互接触，形成固定床状态，而且在靠近容器底部的出粉口有被压实效果，即使在制粉环节已被处理成含有少量水分的细小颗粒，仍然很难靠自重流出。在煤粉仓和喷吹罐的出粉口设置流化装置将解决这一问题。煤粉仓内属于非高压环境，但由于一般情况下煤粉仓容积较大，料柱也较高，内部煤粉的重力将最终作用于下部出料口。3号高炉采用了流态化板设备来保证煤粉顺利出仓。煤粉仓在其底部下封头处设置流态化板装置，板上形成若干个圆孔(如图2所示)，流态化气体不间断的从下到上流过流态化板，在流态化板上部空间煤粉出口管道处形成连续流态化的煤粉，流态化的煤粉通过下煤管道被输送至喷吹罐。流态化气体使用氮气，保持煤粉时刻处于惰性环境下，防止燃烧和爆炸。喷吹罐属于压力容器，内部气体及煤粉处于高压状态，而且通常其高径比也较煤粉仓大，在其下部出粉口位置煤粉颗粒紧密连接。喷煤罐的流态化效果将直接影响到能否为高炉快速均匀的输送煤粉，需要更加精确的控制流化气体流量及压力，实际流态化气体的操作要满足大于煤粉流态化速度而小于悬浮速度。3号高炉的喷吹罐与其配套的煤粉仓采用了相同的流态化措施，即在下椎体封头处设置了流态化板，流态化板的安装位置和结构与煤粉仓基本相似，并采用下出料形式。流态化气体的流量及压力控制需同时考虑喷吹罐内环境压力及煤粉自重的影响，经过详细计算并结合生产实践方可确定。24 煤粉的浓相输送技术以往国内高炉的喷煤系统一般采用稀相输送方式，通常固气比仅为1015kg煤粉kg气体，输送能力低，能源消耗大，而且高速行进的煤粉对管道及设备的磨损大，增加检修负担。3号高炉喷煤主管中的固气比设计为35kg煤粉kg气体，相比较稀相是个不小的提升。在浓相输送技术的运用中，输煤主管道内输送气体的速度与喷吹罐正常工作时的压力是设计要点。喷煤总管道输送气体速度Va、直接影响输送管路中的固气比和输送速度，应控制在煤粉的临界流态化速度Vx，和悬浮速度Vx之间。实际生产中保证VcVsVx是依靠调整输送气体与煤粉在输煤总管中的比例来实现的，设计中在喷煤主管道上设置了二次补气器来调整煤粉输送浓度，本次采用的补气器的结构形式如图3所示。喷吹罐正常工作压力也同样制约着喷煤浓度。国内某研究通过试验和理论计算的结果表明，一般情况下，喷煤浓度随着喷吹罐工作压力增加而降低。当喷吹罐压力为14MPa时，最大输送浓度只能达到42kg煤粉kg气体，再加上二次补气，则只能达到30kg煤粉kg气体左右；当喷吹罐压力为03MPa时，最大输送浓度能达到148kg煤粉kg气体，加上二次补气也可达至90kg煤粉kg气体3。煤粉在不同的罐压下能够达到的最大质量浓度不同，但实际体积浓度却相同。这是因为喷吹罐压力增大后，气体随着煤粉输送过程中，煤粉颗粒间会压缩进更多质量的气体，喷吹罐的压力越大，能够达到的质量浓度越低。当然喷吹罐的压力不可无限降低，其要求应满足能够克服喷煤系统两相流输送管路总阻损后将煤粉顺利输送至高炉风口。两相流输送管路总阻损包括两相流输送管道阻损和各个部件的局部阻损，具体包括喷煤罐出口流量调节阀、二次补气器、输煤主管、煤粉分配器、喷煤支管、缩径喷嘴和喷煤枪等阻损之和，要通过详细计算才能确定。3号高炉喷吹罐的最大设计工作压力为142MPa。25 煤粉的均匀喷吹技术煤粉进入分配器后经过各喷煤支管到达风口喷枪继而喷入高炉，其均匀性将直接影响到炉缸热状态。喷吹的均匀性是衡量喷吹质量的重要指标，这也是引进的DANIELI CORUS喷煤技术的主要优点之一。3号高炉采用了“瓶式”分配器(如图4所示)，并对其内部结构进行了调整，解决了以往此类型分配器，煤粉和输送气体在其内部产生涡流，阻力大易积粉的问题，效果比较理想，能够达到生产要求。要保证各支管喷吹均匀，除了确保在分配器中煤粉均匀分配外，在喷煤支管的设计上，利用每个管道里阻损均等的原理，使煤粉均匀分配到每个风口，实现了各风口喷吹煤粉的均匀性控制在4的误差范围内。国内常用以下经验公式计算喷煤支管阻损Pb：Pb=PbPf式中Pb喷煤支管起点的压力，MPa；Pf喷煤支管终点的压力，MPa；固气比，kg煤粉kg气体；Gb喷煤支管载气流量，kg/s；Lb喷煤支管当量长度，m；Db喷煤支管内径，cm。由于喷煤支管起点的压力Pb、喷煤支管终点的压力Pf、固气比对于各个支管相同，同时要求各支管载气流量Gb和喷煤支管内径Db相同。在3号高炉喷煤系统的设计中将分配器置于炉顶平台(标高57m)，增加喷煤支管的垂直段比例，减小阻损以提高煤粉分配均匀程度，同时使各支管当量长度Lb相等，实现各支管等阻损。3 系统运行情况本系统自2010年1月投产，输送及喷吹在短期内即达到设计要求。经过2年多的运行，该系统可靠、平稳、顺利，各项指标均良好(2012年部分生产指标见表5)。4 结语(1)随着高炉不断大型化，喷煤工艺技术及装备水平应不断提升以满足炉容扩大后的要求。(2)煤粉仓与喷吹罐的设计，包括外形尺寸与工作周期之间的相互配合，对节能减排和指导操作具有积极意义。(3)煤粉流态化与浓相输送等技术与国际先进水平尚存在差距，仍有进一步提升空间。5 参考文献1 Wu k，Ding R C，Han Q，et a