冲天炉的节能与环保

冲天炉的节能与环保冲天炉的节能与环保 1 冲天炉节能与环保的现状 冲天炉是铸铁车间首要的熔炼设备 无论在过去 现在 还是可以预期的将来 它的地位都是 无可取代的 因为在铸铁熔炼中 冲天炉具有比电炉更优越的综合性能和技术经济指标 但是 在生产实践中 我国大多数冲天炉并没有充分发挥出它的优越性能 因而达不到其应有的技术 经济指标 出现铁水温度偏低 铁水成分不稳 元素烧损较大 熔炼工艺成本过高 铸件质量 差 废品率高 环境污染严重等一系列问题 这些问题在我国绝大多数的铸铁车间中已是司空 见惯了 我国是铸造大国 铸铁件年产量几年来均居世界各国之首位 而其能耗在成本中所占比例却比 工业发达国家高出 2 倍 3 倍 冲天炉的能耗占了其中的大部分 主要原因是小容量冲天炉所 占比例太大 而其中采用烟尘净化和余热回收装置的微乎其微 实现高水平熔炼和计算机控制 的更少了 我国铸铁生产车间一万多个 每个车间年平均产量不足 1000t 冲天炉开炉时间短 在冲天炉结构方面 由于我国铸造厂点过多 限制了大容量冲天炉的使用 由于产量低 效益差 限制了性能优越的现代化冲天炉及其配套设备的采用 很多对提高冲天炉性能卓有成效的结构 如龙卷风风口 双层自热供风 蜗螺式风箱 曲线炉膛 附加煤粉装置 高效旋流除尘器 熔 炼过程微机控制系统等等 没有得到推广应用 更有一些结构比较先进的冲天炉 在使用过 程中主要参数得不到保持 尤其风口参数常被做出不良改变 许多冲天炉不设自动配加料装置 操作不当不但对冲天炉性能造成不良影响 也是增加冲天炉能耗和环境污染的重要原因 在我 国为数众多的小容量冲天炉上 更是普遍存在的现象 冲天炉操作是一项复杂而琐碎的工作 从炉料制备到修炉 烘干 加底焦 点火暖炉 上料 开风熔炼 出铁 放渣 炉况观测 故 障判断及处理等 每一步都要求认真做好 而每个环节都可能出现不当操作 比如炉料中混有泥 沙 杂质而未被清除 块度过大 砌炉时泥口宽而不实 搪衬料稀软而比例不当 开炉前炉衬不 预热烘干 底焦不捣实 焦块不均匀 暖炉时间不够或过长 上料前不测量底焦高度是否合适 不 及时按比例加料而不能保持满料熔炼 不按工艺要求出铁放渣 焦炭块度不分级混杂使用 不注意 观察风眼内底焦燃烧状况和渣 铁流动情况及出炉铁水 炉渣的量和状态 不分析出现反常现 象的原因及可能存在的故障 不能及时采取有效措施排除故障等 产生不当操作的原因除责任心外主要就是技术水平不高 近十几年来 我国高水平技术工人的 匮乏已是各行业普遍存在的事实 而在冲天炉的操作上 问题更加突出 由此造成的我国冲天 炉粗放操作的现象十分普遍 直至日前 我国绝大多数的冲天炉仍没有自控设备 其熔炼性能 对操作人员的依赖性很大 由操作不当引起的各种问题长期得不到比较彻底的解决 冲天炉耗能过高主要体现在焦铁比过高 也体现在耗焦量过大 很多人以为 多加焦炭是改善 炉况的万能法 一旦炉子状态不佳 就增加层焦量 而不是从炉子结构 鼓风量 炉料状况 操作情况等方面分析产生问题的原因 从而有针对性的采取有效措施解决问题 相当多的冲天 炉长期在 1 5 1 6 的焦铁比下工作 而稳定在 1 7 1 10 的炉子很少 其实 在我国目前 条件下 完全有可能在 1 10 12 的状态下稳定地保持铁水的出炉温度在 1420 以上 小容量冲天炉是低产量造成的 而低产量是厂点过多的结果 依平均数看 我国每个厂的年产 量约 1000t 一台 3t h 的冲天炉每天熔炼时间仅需 1h 我国 3t h 以下的冲天炉数量上占 80 以上 而其中大部分是 1t h 2t h 者 小炉子熔炼时间短 热量损失大是焦耗高的重要原因 结构不合理 操作不适当则更增大了焦炭的浪费 冲天炉是铸铁车间主要的耗能设备 也是污染环境的主要设备 二者之间存在着一定的因果关 系 冲天炉熔炼过程中 对环境产生的污染包括炉气排入大气中的粉尘 CO C02 和少量的硫 氮的氧化物等 也包括向周围环境辐射的热量和鼓风噪音 这些污染的危害是显而易见的 因此 冲天炉被城市所拒绝 只能在人烟少的偏远区域立足 其实 这并不能从根本上解决问题 也 许还会带来新问题 从根本上解决污染问题 应从防 治 两方面人手 防是从源头上减 少污染物的排放 治则是对排放出的污染物实行封闭 转化 清除 人们常常重视治而忽视防 长期以来 对冲天炉烟尘排放的要求一直很严 但指标并不高 要求每立方米烟气中粉尘不超 过 200rug 是欧洲现行标准的十倍 比印度还高 50rug 即使这样 能达标的冲天炉的数量也 不多 我国配备较完善的余热回收和烟气净化设备的冲天炉在数量上不足 5 多限于 10t h 以 上的大型冲天炉 在数量众多的小冲天炉上 配备烟气净化设备的极少见 但其中多数装有火 花熄灭器 近来也有一些厂在火花熄灭器的基础上做了一些改进 使其除尘能力得到了不同程 度的提高 其实冲天炉烟尘污染最有害的部分是有害气体和小于 1 的微细粉尘 这些物质长期浮在空气 中不易沉降 并且随风向各处飘散 不用性能良好的净化装置是不易排除的 无论何种类型的 净化装置 建造费用都是不菲的 还有维护费用 而且一般认为 环保投资并不能直接带来经 济效益 所以一些业主们不肯在环保上花钱 但是 冲天炉的污染与其能耗有直接的关系 过高的能耗不仅仅是焦炭的浪费 也会造成有害 气体 粉尘和熔渣等污染物的增加 从这方面来看 污染是能量不合理转化的结果 从防止或 减少污染产生的角度 就是要合理地利用能量 减少能量的浪费 从而减少污染物的排放 防 之严 治之省 减轻了净化装置的负荷 就减少了它的建造运行费用 显然 从防上实现冲天 炉环保 在提高冲天炉经济效益的同时也获得了社会效益 实在是一举两得的好事 目前 我国在冲天炉节能上的认识还有一些分歧 存在着认识上的片面性 有些人认为 强调 节能就会降低铁水温度 影响铸件质量 这是片面的 节能是减少能量浪费 而绝不是减少有 用的能耗 也就是达到铁水质量要求所必须的能耗 2 影响冲天炉节能及环保的因素 对于冲天炉熔炼的现状而言 能量的浪费主要体现在焦铁比过高和焦耗量过大 底焦耗量过大 是小容量冲天炉的缺陷 也是我国不能很快改变的国情 但对于大多数中小型冲天炉却存在着 很大的节能空间和很重的环保任务 众所周知 风量是影响冲天炉熔炼最活跃的因素 一定的焦铁比在最惠送风强度下对应着最高 铁水温度 这时改变焦铁比而不相应改变风量将使铁水温度下降 无论是增焦还是减焦都是一 样的 同样 改变风量而不相应改变焦量也会使铁水温度下降 炉料的质量对焦铁比有很大影 向 如果焦炭固定碳低 灰份高 或者块度不均匀 过于细碎 或者砂土等杂质过多 或者石灰石过量 都要求提高焦铁比 焦铁比是我们制定的熔炼工艺参数 对生产条件有很强的针对性 确定焦铁比时 应在生产实 践中反复摸索 根据炉子结构 炉料情况 对铁水和熔化率的要求等 寻求最惠送风强度下的 最低的焦铁比 也就是寻求一定要求下的最佳风炭比例 这个比例并不是一成不变的 它将随 炉况的改变而改变 根据炉况调整 才能保持其处于最佳状态 炉子结构对焦铁比的影响主要是风口 有效高度和炉膛形状 一般来说 风口比及风口数量和风口布置 排数 排距 倾角 应保证风口区炉膛内送风均匀并 有足够的动力清除焦炭表面灰垢及熔渣 形成热量集中的高温区 取得较高的燃烧比 降低炉气附 壁效应 风口结构应牢固且耐高温 不至因熔渣冲蚀或工艺操作而改变风口直径及倾角 风口 的布置影响着炉内热量的分布 合理的布置应为铁料的熔化和铁水的过热提供充分而合理的热 量 有效高度决定了最大料柱高度 足够的有效高度能保证炉气的热量被炉料充分吸收 使烟气带 走尽可能少的热量 炉膛形状影响炉气流速和炉内热量分布 也影响炉料的运动 各种形状曲线炉膛的共同特点是 缩小氧化带炉径 在减少底焦量的同时又可获得热量更集中的高温区 有利于铁水的过热 扩大 熔化带炉径使炉气流速降低 有更充分的时间加热熔化中的料块 操作影响冲天炉的焦炭消耗 满料操作与否是一个重要因素 如果冲天炉料柱降低 则炉气热 量不能被炉料充分吸收 烟气带走的热量增多 在使用定压式风机的情况下 还将增大入炉风 量 使炉况波动 炉气流速增大会带出更多的粉尘 发生棚料而不能及时排除也会产生类似的 后果 炉料不称量也可能造成焦碳浪费 炉况波动 金属料的质量对焦铁比也有影响 锈蚀和 杂质需要热量来熔化和还原 过大的料块不但易造成棚料 也因为其比表面积小而使吸热速度下 降 不能充分利用炉气热量 甚至造成落生 焦炭的质量是影响其耗量的主要因素之一 固定碳含量低的焦炭 发热值也低 只有增加消耗 量才可能满足熔炼对热量的要求 灰份高的焦炭燃烧过程中 表面形成了更厚的惰性膜 对氧气 与碳的接触造成更大的障碍 反映能力强的焦炭 更易使 CO2 还原 使烟气中的 CO 量增高 不 但浪费了热量 而且增加了对环境的污染 块度过小和块度混杂不等的焦炭 对鼓风产生更大的 阻力 常常造成底焦燃烧不均匀和炉壁效应加重 使氧化区缩小而还原区加大 也会增加烟气 中的 CO 含量 冲天炉污染环境最严重的是烟尘对大气的污染 它不仅涉及厂区 也会影响到周围乃至更广阔 区域的大气质量 烟尘的成分及其比例和排放量取决于炉内焦炭的质量和燃烧反应的情况 也受炉料状况 有效 高度 送风强度 操作情况 烟气净化装置的性能等因素的影响 反应性强 强度不高的焦炭 还原能力强 烟气中 CO 含量高 风口布置不合理 鼓风动力不足 也会使 CO 增加 灰份高的焦 炭 锈蚀严重和杂质多的炉料 大送风强度 低的有效高度以及料柱的大幅度波动等都会增加 烟气中粉尘的含量 焦炭中挥发份 炉料中夹杂的有机物 如有机粘结剂残砂等是烟气中有机 化合物的主要来源 热辐射和鼓风噪声污染常常不引起关注 虽然这些污染不象烟气污染的影响面大 但在工部及 车间的范围内 它们的危害也是不容忽视的 它们不但恶化工作环境 影响劳动者的工作效率 和身心健康 而且也反映了能量的浪费 不设置隔热层的炉体 不做隔热包敷的热风管都使热 辐射增加 过大的渣量既浪费热量也增大热辐射 噪声污染主要来自鼓风机 结构不合理的送风系统也会产生噪声 综上所述可见 冲天炉的熔炼质量 经济效益和对环境的污染都与它的能量消耗密切相关 充 分合理的利用能量 是提高熔炼质量和经济效益 减少对环境污染的关键 3 冲天炉节能及环保的途径 1 提高冲天炉熔炼性能是节能和环保的基础 a 合理的炉型结构 冲天炉最佳熔炼性能应有最合理的炉型结构与之相适应 炉型结构是由铸件技术要求和炉料 燃料等情况决定的 一般熔化型冲天炉不依其冶金过程获得铸件要求的成分 主要是 C Si 含 量 炉料按铸件成分要求配置 多采用两排大间距或多排风口 造成氧化性的炉内气氛 以提 高燃烧比 充分利用燃料热量 为使炉料充分预热 炉子应有足够的有效高度 一般为平均炉 径的 5 倍 10 倍 小炉取大值 为防止铁水降温和过量增碳 炉缸深度一般不宜过大 而冶金 型冲天炉是以低 C 低 Si 炉料为主 铁水的碳 硅含量大部分依赖熔炼中增加 因此炉型必须 保证炉内的还原性气氛 采用单排或两排大间距风口形成较大还原带 4 叩 cC 以上的预热送风 补充炉内热量并加速焦炭燃烧 使氧化带更短 温度更高 风口比及风口倾角取决于焦炭块度与强度 强度低 块度小的焦炭送风阻力大 采用小的风口 比如 1 3 可增大送风动力以吹透底焦 向下倾角可减轻炉壁效应 曲线炉膛除节省底焦 过 热带热量集中外 炉径更大的熔化带减缓了炉气上升速度 使烟尘有利于向渣中转移 减少有 害物质的排放量 炉衬应选择高耐火度 高强度材料 尤其搪衬材料 应采用合理的成分配比 使其只有高耐火 度和抗侵蚀性 越抗侵蚀的炉衬 炉膛尺寸 形状改变得越慢 产生的渣量越少 污染少 热 量损火也少 减少炉壁散热既减少能量浪费也减少热污染 为此 在炉壳炉衬之间应认真设置 隔热层 并不要吝惜选用导热率更低而可能价格较高的绝热材料 如果是预热送风 则应该用 绝热材料严密包敷热风管道及换热器外壳 水冷炉壁对于长时间连续熔炼的冲天炉尤其是无炉 衬冲天炉是必要的 可以减缓炉衬侵蚀 保护炉壳 但同时损失了大量热量 在冷却水的循环 中设置热能利用环节可回收一部分热量 噪声是动力的浪费 选择高效低噪音风机 采用稍大些的送风管径并在其布置上减少转弯 缩 短距离 都可收到节能和降低噪声的效果 b 改善送风制度 风炭配合是冲天炉熔炼的第一要素 而送风制度必须符合焦炭的燃烧条件和铁料熔化 铁水过 热及冶金要求所需要的炉内热量分布和炉内气氛 因此 鼓风机的输出压力必须稍大于送风管 路和熔炼时炉内总阻力之和 以保证进入炉内的风量满足送风强度的要求 送风强度取决于焦 铁比 过大的送风强度能形成更大的氧化带和更高的炉气流速 也增强了炉内的氧化气氛 增 加了元素的烧损 过去曾大力推荐 满风足压 送风强度甚至超过最惠送风强度 30 50 是 与当时使用低强度 高灰份 高反应性的土焦及多排小风口炉型相适应的 也是过分强调节焦 使然 在节焦的同时 也常带来铁水氧化的不良后果 目前 我国冲天炉炉料中 废钢 尤其 是轻薄废钢的比例很大 要求冲天炉有一定的还原性气氛 以更有利于铁水增 C 和增 Si 所以 用较低的送风强度及采用预热送风 脱湿 富氧送风等方法缩短氧化带 增大还原带 在这种 情况下 焦铁比一般较高 常在 1 7 左右 专用于熔炼钢屑的小容量炉子 焦铁比高至 1 2 在熔炼过程中 送风强度不是恒定的 它随炉衬的侵蚀而减小 使用定压式风机时 也会随炉内 阻力的变化而增减 使用定容式风机则会因为送风系统的泄漏 如打开风眼窗 开渣口等 而变化 在小批量 多品种车间 对铁水的流量要求往往是变化的 有时也会通过改变风量及调整焦铁 比而调整熔化率和出铁温度 铸件的产量和质量要求 结构特点是决定焦铁比和送风强度的主要因素 根据熔化率 铁水温 度 铁水和熔渣状态及时调整风量和层焦量 可以取得好的经济与环保效果 风量的分配是影响炉内热量分布和气氛的重要因素 多排小风口冲天炉的主风口设置在底焦柱 稍偏下部位 各排风口间距离保证它们的氧化区相接 从而形成连续的氧化带 上排风口进风量 更关注炉气中的 CO 的燃烧 以控制较高的燃烧比 过高的氧化气氛恶化了冶金环境 但提高焦 炭热量的利用率 较小的风口形成较高的进风速度 更适合使用灰份较高 块度小 反应性高的 焦炭 两排大间距风口冲天炉的主风口设置在上排 形成两个氧化高温区 热量比较集中 可 将铁水过热至更高温度 两排风口之间有较大的还原区 形成良好的冶金环境 上排风口的进风 比例大 除焦炭燃烧外 也使还原区上来的 CO 充分燃烧 保证提供铁水过热和熔化带炉料熔化 所需要的热量 两排大间距冲天炉烟气中 CO 含量较高 焦炭热量的利用率不及多排小风口 但 是它出铁温度高 元素烧损少 更适于反应性差 块度较大且均匀 强度较高的焦炭 由于其较 好的冶金性能 当采用高温预热鼓风时 可全部使用废钢及大量钢屑熔制铸铁 单排风口冲天炉热量集中 还原带很大 是冶金型冲天炉 用钢铁切屑和轻薄料熔炼灰铸铁 为了增强还原气氛 尽量提高风口区温度 风温多在 600 以上 并仅设置 1 个 2 个水冷 内 突式风口 这种炉子熔化强度较低 c 提高操作技术 操作对冲天炉性能的影响很大 规范合理的操作在保障冲天炉优越熔炼性能的同时能获得节能 环保的良好效果 不同的炉子对操作的要求也不尽相同 针对炉子的特点和相关条件 如炉料 情况 产品要求等 制定详细的 切实可行的操作规程 做到有章可循 对保证规范 合理的 操作是十分必要的 操作规程中 应对从修炉 备料到熔炼 停炉全过程每个对熔炼有影响步 骤提出明确的技术要求和指标 这些要求和指标至少应包括 1 各种材料选择的标准 预处理工艺内容及达到的指标 主要包括耐火材料的种类 配比 焦 炭 石灰石和金属炉料的成分 块度及其均匀度 杂质 锈蚀的清除程度等 2 对砌炉 搪衬的工艺要求和质量要求 如炉膛尺寸误差 砌块泥口最大宽度及充实度 风口直径及倾角 过桥前后端口径及底面倾角 铁 渣出口的 结构尺寸 前 后炉衬烘干要求等 3 送风前的熔炼准备要求 如底焦的填加次数 总重量及高度 底焦的点火 批料量 层 焦量 石灰石量及加料顺序 满料后暖炉要求 铁水包 工具 辅助材料的准备工作要求等 4 熔炼中 对炉况观测 控制的要求 如对观察风口内燃烧情况 铁水及熔渣状态 加料 口炉气状态 铁水熔化量及其状态 炉渣量及其状态 熔化速度等提出的要求 测试风量 风压 风温 铁水温度等参数的要求 对控制底焦高度 风量 层焦量改变 补焦应用 开渣口操作 以及炉前铁水检验的要求 5 对故障处理的要求 如排除常见故障的方法 不可排除故障的确定及处理 产生故障的责 任认定等 6 停炉操作要求 如放净前炉内铁水和熔渣 满料压炉 停风打炉 开放风口窗 残料分拣处 理等 同时 应该建立并责成专人填写 冲天炉记录 记载每次开炉的详细情况 如炉料 铁水牌 号 修炉情况 焦铁比 批料量及上料批次 接力焦使用数量及批次 点火时间 上料时间 暖炉时间 送风时间 出铁时间及出铁量 放渣时间 渣量及性状 风量风压及其变化 铁水 温度 风温 炉气成份 停炉打炉时间 出现故障的情况及时间 排除故障的方法及时间 环 境温度湿度等气象参数等 记录必须真实 冲天炉记录能客观反映冲天炉的工作情况 是分析冲天炉性能和操作水平的依据 对提高冲天 炉性能和操作水平 对提高产品质量 降低铁水成本 取得更好的节能环保效果 都能发挥积 极的促进作用 d 应用先进技术 巩固节能环保基础 提高节能环保效果 目前 能有效提高冲天炉性能的先进技术很多 但推广应用的很少 分析其原因 小型炉子综 合效益较差是一个因素 但处于低水平运行或缺乏技术力量则是更主要的原因 技术进步必然 带来综合效益的增长 努力采用先进技术才能在市场竞争中立于不败之地 深入的了解冲天炉 的运行规律 完善炉子结构 是应用先进技术的前提 提高冲天炉自动化水平是应用先进技术的 主要内容 提高铁水质量 降低熔炼成本 减轻污染环境 减轻劳动强度是目的 冲天炉自动化运行包括两个方面 一是配加料自动化 二是风量自动控制 在这两方面已有较 多成果可资利用 其它方面的自动操作尚无成熟技术 目前的计算机智控系统 通过采集分析 料位信号 炉气成份信号以及温度风压甚至铁水成份等信号 计算并判断炉况 发出加料 调 整焦铁比和风量 甚至调整金属炉料比例的指令 控制配加料系统和送风系统工作 实现冲天 炉自动在最佳状态工作 这样的炉子现在仅限于少数大容量者 对大多数中小企业尚不具备使 用的技术力量 不是说中小企业的冲天炉不能应用先进技术 针对炉子小 产量低的生产特点 可以采用配 加料机械化 也可以实现炉内料位 风量风压 风温 铁水温度等重要参数的显 示和报警提示 帮助操作人员及时掌握炉况 做出正确的判断和操作决策 4 热量和污染物的回收利用 1 热量的回收利用 冲天炉节能的重要措施之一是热量的回收利用 常用方法是 a 用炉胆换热器回收预热带炉气的一部分物理热 用来加热鼓风 可将风温加热至 200 左右 换热器减少了炉壁散失的热量 降低了预热带的炉温 阻碍了 CO2 的还原 减少了焦炭化学热损 失和烟气中 CO 的排放量 炉胆的内壁光滑 可有效防止棚料 使用炉胆应在结构和安装上尽力 避免热应力和外加负荷 并不宜离熔化带过近 工作中注意防止和及时排除使其热负荷过大的因 素 以保持其适当的使用寿命 b 用管式换热器回收烟气的物理热和化学热 用来加热鼓风 可将风温预热至 400 900 内热式管式换热器安装在冲天炉加料口以上 可单独使用于还原型冲天炉 与预热带炉胆串联 使用 可用于两排风口冲天炉 效果更好 外热式管式换热器单独设置换热室 炉气与空气一 起引入室内 使炉气中的 CO 燃烧 加热蛇型管或其它型式的换热管 使其中的鼓风预热 管式换热器主要回收烟气的化学热 所以必须保证烟气中的 CO 充分燃烧 当进入换热室的烟气 浓度不够或达不到着火温度时 应补充气体燃料并安装引燃喷咀 装备外热式换热器的炉子目前主要是大容量冲天炉 与热风系统配套有完善的除尘系统 炉子 只有良好的综合性能 通常用于大批大量生产中 实行连续作业 简易的换热器用于专门熔炼 钢铁切屑和轻薄料的小容量还原型化铁炉 近年来 有在换热室内采用瓷珠做为换热介质的案例 可以获