改进型顶燃式热风炉在攀钢2号高炉的应用

32 2010 年第 33 卷第 1 期 改进型顶燃式热风炉在 攀钢 2 号高炉 的 应用 刘树芳 （攀钢钒炼铁厂） 摘 要 :介绍了攀钢 2 号高炉热风炉技术改造采用 3 座改进型顶燃式 热风炉 的情况 。 其结构特点是 无独立燃烧室，预燃烧室内置于热风炉拱顶之上， 拱顶和预燃室均 支撑在炉壳上 ，结构稳定性好，气流分布均匀，加 热能力大 ，热效率高， 燃烧特性好，拱顶升温快，易于操作调剂 ， 能长期保持高风温和实现 热风炉 长寿。 投产后经过优化操作， 全年月 平均风温达到了 1 200 ，实现了高风温目标。 关键词 ： 高炉 ； 顶燃式 热风炉 ； 风温 0 引 言 随着高炉冶炼的强化及大量喷吹燃料的需要，高炉对高风温的要求越来越迫切，高风温 已成为 高炉降低焦比、提高产量的有效措施。目前我国改造和新建高炉 均采用 高风温热风炉，到 2008 年国内已有近 10 座高炉风温水平达到 1 2001 250 。高炉高风温是一项综合技术。对高炉冶炼来讲，高风温有高的回报，但也需要高的投入。以相对较少的投入来获得高风温是近年来炼铁工作者普遍关注和研究的问题。 攀钢 2 号 高炉 有效容积 1 200 于 2007 年10 月 大修 并进行 热风炉技术改造 ， 结合当前国内外先进技术， 将原 3 座内燃式热风炉改造为 3 座 具有创新技术的 改进型顶燃式 热风炉，在 热 风炉配置、结构和耐火材料选择上采用了多项新技术 。 投产后经过优化操作， 平均风温 达到了 1 200 ， 实现了高风温目标 。 1 大修前热风炉 情况 攀钢 2 号 高炉 1997 年 6 月第二次大修 时 ，配套采用 了 三座内燃 改造 式热风炉。其结构为 悬链线 形拱顶、 眼睛 形燃烧室、 矩 形陶瓷燃烧器、 七 孔格子砖 ， 三座热风炉折合单位炉容蓄热面积 m2/代炉役期间平均风温 在 1 050 以上 。 尽管如此，与国内先进 水平 （ 1 200 ）比较差距仍然很大。 并且 大修 投产 后不到 5 年 热风炉 就出现燃烧振动、燃烧器局部损坏、火井 隔 墙开裂掉砖， 热风出口周围及热风支管大面积发红、掉砖现象，热风出口还出现过 2 次烧穿事故。热风炉使用 寿命 仅 10 年。 2 攀钢 2 号高炉热风炉 改造 改造方案 攀钢 2 号 高炉热风炉技术改造初步方案为新建三座内燃改造式热风炉，与原结构相同。 但考虑到内燃式热风炉的缺点是燃烧室和蓄热室在同一炉壳内，用隔墙分为两室。火井墙两侧存在着温度梯度、压力梯度所产生的应力 ， 造成内部砌体易损坏，蓄热室死角多，热效率低。国内开发设计的内燃改造式热风炉在关键技术上仍然没有吃透，尚存在问题。目前 国内应用内燃改造式热风炉 较好的仍然是直接引进技术与 装备的鞍钢、武钢、 包 钢。 认为：如果 热风炉技术 改造 仍 采用原结构 型 式，达不到高风温和长寿的目标； 如果 引进技术，攀钢不具备条件。 针对上述情况，认真分析了当时在国内首秦、莱钢等 高炉 上应用成功的卡鲁金顶燃式热风炉。与其他 型 式热风炉相比有明显不同，卡鲁金顶燃式热风炉没有燃烧室，采用了内置于炉顶中心顶部独特的旋流式陶瓷预燃烧器，空、煤气燃烧完全、稳定，燃烧效率高，热工特性好；热风炉整体温度、气流分布均匀，减小了温差引起的热应力。在结构上消除了内燃式热风炉燃烧室固有的温度差、压力差和热应力所带来的隐患，从而提高风温和延长 使用寿命。通过技术交流、实地考察 和 论证， 2 号高炉热风炉 技术 改造确定为采用 3 座改进型顶燃式热风炉。 攀 钢 技 术 33 改进型顶燃式热风炉 加 热能力与工艺配置 通过多次 技术改造方案总图优化布置和 设计参数研讨， 采用了具有创新技术的 3 座改进型顶燃式热风炉，烧炉 全 采用低热值的高炉煤气， 设计年平均送风温度 1 200 以上 ；热风炉使用寿命 15 年以上。热风炉设计 技术性能 参数见表 1。 表 1 改进型 顶燃式热风炉 主要技术 性 能 高炉有效容积 / 热风量 / (N m3热风炉座数 /座 平均风温 / 拱顶温度 / 热风炉净高 / m 蓄热室断面积 / 子砖高度 / m 加热面积 / ( 单位炉容加热面积 / (m2单位风量加热面积/ (m21 200 3 200 3 1 200 以上 1 400 0 570 ： 格子砖 型式 为 19 孔 ， 正六边形 。 与采用内燃改造式热风炉的方案比较， 同为 3座 热风炉 时，单位炉容加热面积由 原 80.0 m2/加到 m2/位风量加 热面积由 原 30.0 m3加到 m3 加热能力 提高了 高炉风温可 达到 1 200 以上 ，有效地提高了热风炉加热能力。 根据高风温和长寿的设计指标要求，进行合理地 工艺装备配置 。 配套 3 座改进型顶燃式热风炉；热风炉 工艺阀门采用高温电动闸板阀， 热风系统管道采取耐高温的材料与 消除热应力 措施； 采用带有前置加热炉的 助燃 空气、煤气双预热设施， 助燃 空气采用集中鼓风；高炉生产过程控制采用 制系统，计算机设备选用爱默生公司最新版本统。热风炉配有子系统， 采用全键盘、全 作。采用计算机管理所有热工参数，取消二次常规仪表，全 面显示。 实现 热风炉全自动烧炉、送风与控制。技术装备和自动化水平达到目前国内先进水平 。 改进型顶燃式热风炉结构特点 改进型顶燃式热风炉 由 炉壳、蓄热室、拱顶、预燃室组成 （见图 1） ，它 具有风温高、寿命长、投资低等优点，其结构特点分析如下： （ 1）高效喷射 旋流 式预燃室与燃烧 ：改进型顶燃式热风炉实际上无独立燃烧室，燃烧室处于热风炉拱顶处，利用了拱顶空间。采用了独特的 喷射旋流式陶瓷预燃烧室（燃烧器）内置于热风炉拱顶之上，高炉煤气 及助燃空气从燃烧器的环形腔喷口，以一定的角度喷入预燃室，边混合边燃烧，旋流向下进入拱顶燃烧室。燃烧的空气过剩系数小， 燃烧完全、稳定，燃烧效率高，形成高的实际燃烧 温度。 预燃烧器 使用寿命长。 （ 2） 高效蓄热室 ： 改进型顶燃式热风炉的 蓄热室、 燃烧室处于不同的标高，两者之间没有隔墙，蓄热室截面上没有死角。 使得送风 气流分布均匀。在结构上消除了内燃式热风炉燃烧室 隔墙 固有的温度差、压力差和热应力所带来的隐患，从而 避免了热风炉内部砌体损坏， 延长使用寿命。 蓄热室全部为格子砖，有效利用率 高。采用 六边形、 19 孔、孔径 30 格子砖，其加热面积达到 48.0 m2/具有很高的换热面积，热效率高。 比内燃改造式热风炉使用 7 孔格子砖加热面积 加热能力大，从而提高风温。 热风炉本体自上而下图 改进型顶燃式热风炉示意 34 2010 年第 33 卷第 1 期 形成由高温至低温的温度分布，送风温度高。送风初期、送风末期热风温差小。 （ 3） 悬链线形拱顶结构 ： 改进型顶燃式热风炉采用了 悬链线形拱顶结构。 悬链线形拱顶结构跨度小，依靠自身的重量和砌体之间的锁紧结构，使拱顶处于整体压紧状态，消除了向外的推力 。 悬链线形拱顶有利于空间气体流畅，温度均匀分布，能够 承受温度和送风压力的变化。 （ 4） 长 寿命的 结构 特点 ： 从整体结构上看，预燃室置于拱顶之上。热风炉燃烧时，预燃室只是一个旋流混合区，燃料只有少部分燃烧， 温度不高；热风炉送风时，热风不经过预燃室，预燃室只承受热风的辐射 。因此，整个工作周期，预燃室 温度波动不大。热风炉本体自下而上，无论是燃烧还是送风都是由低温到高温这样一个温度分布 ，温度梯度分布稳定，耐材所承受的热 震小，承压、承温状态较好。拱顶和预燃室均采用支撑在炉壳上的独立支撑结构。 这些结构特点有利于提高炉体使用寿命。 此次热风炉 改造在 砌体结构设计中采取 了 以下 长寿 措施：蓄热室大墙、拱顶的砌体全部采用独立式砌体结构， 采用 柔性材料配置滑动接缝 ， 所有砌体均能自由膨胀，不受阻 ； 采用悬链线拱顶结构，提高砌体的结构稳定性，改善气流分布 ； 拱顶与 预燃室砌体 重量直接作用在炉壳上 。 因此，炉墙砌体的不均匀膨胀不会影响拱顶。 高品 质耐火材料 使用 根据各部位所承受温度和工作状态，有 针对性选择了耐火材料，高温区 和重要部位优选高品质耐火材料，低温区和其他部位选择常规耐火材料，可延长 热风炉使用寿命和节省工程投资。 热风炉下部低于 1 000 的区域采用 黏 土砖，上部高温区域采用硅砖。 黏 土砖在 1 000 以下性能可靠，价格低。硅砖的高温性 能 好，价格低于同等性能的低蠕变高铝砖，从而节省了工程投资。 与新日铁外燃式热风炉比较， 改进型顶燃式热风炉的预燃室位于拱顶上部，燃烧室利用了拱顶空间，从而简化了结构，节约了场地，可节省工程投资 20%以上。 3 改进型顶燃式 热风炉 应 用 在 2 号高炉大修期间（ 按设计 要求建造 3 座改进型顶燃式热风炉 ， 投产后 通过熟 悉 与优化 热风炉操作、选择合理燃烧制度、控制风温波动等 ， 2008 全年平均入炉风温 达 1 190 ，2009 年 1 6 月平均入炉风温 1 195 ， 实现 了高风温的目标。 热风炉操作参数 优化 生产中 在全烧发热值较低的高炉煤气情况下，进行热风炉强化燃烧，尽量加大煤气量， 充分发挥空、煤气双预热设施的功能， 保证煤气完全燃烧，采取快速烧炉法，在最短时间达到炉顶温度最高，加快热风炉蓄热速度。生产实绩单炉高炉煤气耗量50 000 h，单炉助燃空气耗量 40 000 h，空燃比 生产中稳定高炉煤气压力，保证预热后的高炉煤气压力稳定在 8 上，预热后的助燃空气压力稳定在 10 上，使热风炉在燃烧时长期处在比较稳定的状态下，减少了热风炉拱顶温度的波动，拱顶温度稳定在 1 360 1 380 ，废气温度长期稳定在 400 ，这样就取得了 向高炉提供较高风温的 先决条件。运用工序管理点监控风温趋势（ _X 图的现代化管理方法，控制风温波动。 充分利用热风炉废烟气温度，把废气余热利用率提高到最佳的水平 ，发挥空、煤气双预热设施的作用 。预热后高炉煤气长期控制在 160 ；采用前置加热炉二次预热助燃空气，预热后助燃空气长期控制在 300 左右，可提高烟气理论燃烧温度和拱顶 温度，同时增大燃烧强度。有效地保证入炉风温。2008 年 3 月 2009 年 6 月份 热风炉 操作 参数 统计数据 见表 2（表中数值为年平均值） 。 表 2 改进型顶燃式 热风炉操作参数统计 平均风 温 / 拱顶温 度 / 烧炉时 间 / 风时 间 / 气温 度 / 助燃空 气量 / (h ) 高炉煤 气量 / (h ) 空气预 热温度 / 煤气预 热温度 / 废气排放温度 / 前置加热炉煤 气 量 / (h ) 1 192 1 377 114 75 400 39 995 50 000 298 165 154 2 965 攀 钢 技 术 35 改进型顶燃式热风炉 生产实绩 2007 年 12 月 18 日 2 号高炉 第三次 大修 投产，投产后一直使用 3 座 热风 炉生产。 改进型顶燃式热风炉 由于工艺技术装备和自动化水平高，投产 2 个多月操作人员就熟练掌握了新型热风炉操作 。 采用旋流式陶瓷预燃烧 器 ，易加大燃烧量 ；加之 燃烧室利用拱顶空间使燃烧处于高温环境下的结构特点；采用带前置加热炉的双预热配置 特点 ； 拱顶升温快 ，易于操作调剂。在生产中不断优化操作，并实现了长期稳定热风炉操作参数。 2 号高炉大修前 2007 年 19 月 平均风温 1 118 （使用 4 座热风炉） 。 大修后 按 2008 年 全年产量、风温统计，高炉年平均利用系数 t/(m3d)，全年平均风温 1 190 ， 平均风温提高 72 。 有 2个月平均风温达到了 1 212 ， 按目前热风炉烧炉情况，热风炉已具备风温 1 200 的条件。 2009 年16 月平均风 温 1 195 ， 入炉风温达到 了 1 200 的设计指标。 因此， 热风炉通过技 术改造，为今后高炉生产提 供 高风温创造了条件，热风炉砌体无检修寿命有望达 15 年以上。 按 全年平均风温提高 50 计， 年 可增加铁产量 2 万 t，节省冶金焦 1 万 t，年创 经济效