工业炉窑新技术(三)..

第5章工业窑炉其他节能新工艺新技术 高炉高炉生产时从炉顶装入铁矿石 焦炭 造渣用熔剂 石灰石 从位于炉子下部沿炉周的风口吹入经预热的空气 在高温下焦炭 有的高炉也喷吹煤粉 重油 天然气等辅助燃料 中的碳同鼓入空气中的氧燃烧生成的一氧化碳 在炉内上升过程中除去铁矿石中的氧 从而还原得到铁 炼出的铁水从铁口放出 铁矿石中未还原的杂质和石灰石等熔剂结合生成炉渣 从渣口排出 产生的煤气从炉顶排出 经除尘后 作为热风炉 加热炉 焦炉 锅炉等的燃料 高炉冶炼的主要产品是生铁 还有副产高炉渣和高炉煤气 炼铁高炉是钢铁联合企业中的耗能大户 而高炉节能的重点在于降低焦比或燃料比 高炉节能技术主要有 高炉的大型化和现代化采用大型高炉可节省基建投资 提高劳动生产率 降低各项消耗和生产成本 1998年至2000年 重点大中型钢铁企业高炉容积和高炉座数情况是 1998年高炉总容积141001立方米 高炉座数合计253座 平均炉容557立方米 座 2000年高炉总容积147427立方米 高炉座数合计241座 平均炉容612立方米 吨 其中2000立方米的高炉有18座 1000 2000立方米的高炉有30座 目前宝钢有4063立方米高炉两座 4350立方米高炉一座 单体炉容和总炉容均排全国首位 京唐曹妃甸准备投产的炉子已经达到5000立方米以上了 喷吹各种燃料从高炉风口喷吹燃料的目的是用廉价的燃料 煤粉 重油 天然气等 部分替代价格昂贵的焦炭 重点大中型钢铁企业的喷煤比 2000年平均为118千克 吨 喷煤随着天然气和重油价格的上涨和对环保的严格苛求 因此大量推广喷煤技术是必然趋向 伯利恒钢铁公司伯恩斯钢厂投资1 04亿美元在C高炉 2976M3 安装喷煤设备 计划喷煤从最初时的113kg t铁 直达181kg t铁 同时减少天然气和焦炭的用量 喷吹天然气在一些天然气丰富地区 高炉喷吹天然气从经济上也是合算的 特别当追求高产时 天然气加富氧喷吹对在提高产量的同时大幅度降低焦比有明显的成效 喷吹水煤浆水煤浆因其制备和输送设备投资低于喷煤系统且无爆炸之虞而受到重视 水煤浆是一种由70 左右的煤粉 30 左右的水和少量药剂混合制备而成的液体 可以象油一样泵送 雾化 储运 并可直接用于各种锅炉 窑炉的燃烧 它改变了煤的传统燃烧方式 显示出了巨大的环保节能优势 提高风温提高风温是降低焦比的一个有力措施 近10多年来总的趋势是风温逐步上升 重点大中型钢铁企业高炉平均风温 2000年为1034 2001年为1073 精料精料是高炉高产 低耗 优质的物质基础 随着资源的逐渐贫化 必须更加重视铁矿石的准备处理工作 精料的关键是使用高品位 低渣量 高还原性 高强度 低粉末 成分稳定 粒度均匀的自熔性人造富矿 重点大中型钢铁企业高炉入炉矿石品位 2000年平均为56 81 2001年平均为57 16 高炉操作自动化目前重点大中型钢铁企业的绝大多数高炉生产现场的许多环节已实现计算机控制 如高炉称料 上料 布料 吹风喷料 出铁排渣等都实现了计算机的在线环闭控制 整个高炉系统的温度 流量 压力 成分等参数都已通过微机联入系统管理计算机 为炉况控制提供指导 并能进行严格的监测 显示和数据处理 过去由各类仪表组成的高炉控制室 目前大多已被有电子显示屏幕和计算机组成的高水平操作室代替 余能回收 高炉节能挖潜其他措施主要有 提高入炉品位 电除尘灰 高炉除尘灰不经处理 直接配料进行烧结 这两种灰直接配加会降低烧结矿品位1 左右 应对电除尘灰 高炉除尘灰先富集处理后再配矿 增加氧化铁屑的配比 氧化铁屑含铁品位高 TFe 75 成分稳定 有害杂质少 可以疏松料层 提高烧结料层的透气性 提高烧结品位 烧结生产应加大配氧化铁屑量 3 控制吨铁熔剂用量 在高炉熟料率 烧结 球团矿 比例不断提高的条件下 要逐步较少甚至取消吨铁熔剂用量 特别是萤石和锰矿的用量 大剂量的萤石和锰矿入炉对高炉寿命 技术指标都是不利的 调整炉渣成分 改善炉渣性能 应主要靠烧结中配加白云石比例来实现 4 降低生铁含Si量 高炉生铁含Si量可以降低到0 4 左右 而生铁含Si降低 可降低炼铁焦比 从而达到降耗目的 同时可以增铁 应该从实践总结和管理上加以要求 以进一步降低生铁含Si量为目标 5 用好用完风温 提高风温可以降低炼铁燃料比 利于高炉炼铁 操作时应该要求做到混风阀全关 以提高风温 焦炉炼焦原理炼焦生产 基本原料是炼焦煤 将炼焦煤在密闭的焦炉内隔绝空气高温加热放出水分和吸附气体 随后分解产生煤气和焦油等 剩下以碳为主体的焦炭 这种煤热解过程通常称为煤的干馏 煤的干馏分为低温干馏 中温干馏和高温干馏三种 它们的主要区别在于干馏的最终温度不同 低温干馏在500 600 中温干馏在700 800 高温干馏在900 1000 目前的炼焦炉绝大多数属于高温炼焦炉 主要生产冶金焦 炼焦煤气和炼焦化学产品 这种高温炼焦过程 就是高温干馏 炼焦煤的热解过程炼焦煤在隔绝空气高温加热过程中生成焦炭 它具有下列特性 当被加热到400 左右 就开始形成熔融的胶质体 并不断地自身裂解产生出油气 这类油气经过冷凝 冷却及回收工艺 得到各种化工产品和净化的焦炉煤气 当温度不断升高 油气不断放出 胶质体进一步分解 部分气体析出 而胶质体逐渐固化成半焦 同时产生出一些小气泡 成为固定的疏孔 温度再升高 半焦继续收缩 放出一些油气 最后生成焦炭 烟煤在隔绝空气的条件下 加热到950 1050 经过干燥 热解 熔融 粘结 固化 收缩等阶段最终制成焦炭 这一过程叫高温炼焦 高温干馏 由高温炼焦得到的焦炭用于高炉冶炼 铸造和气化 炼焦过程中产生的经回收 净化后的焦炉煤气既是高热值的燃料 又是重要的有机合成工业原料 焦炉用于使煤炭化以生产焦炭 其主要节能措施有如下几个方面 回收焦炭的显热湿熄焦此法以水作熄焦介质 利用1000 以上红焦的显热把水转换成具有一定压力的蒸气供厂内使用干熄焦 CDQ 这是20世纪70年代由前苏联发明的一种当今世界上最卓有成效的余热回收技术 该技术以氮气为熄焦介质 将红焦的热量带至余热锅炉 把锅炉中水加热成蒸气 然后以此高温压的蒸气推动透平机发电 所谓干熄焦 是相对湿熄焦而言的 是指采用惰性气体将红焦降温冷却的一种熄焦方法 在干熄焦过程中 红焦从干熄炉顶部装入 低温隋性气体由循环风机鼓人干熄炉冷却段红焦层内 吸收红焦显热 冷却后的焦炭从干熄炉底部排出 从干熄炉环形烟道出来的高温惰性气体流经干熄焦锅炉进行热交换 锅炉产生蒸汽 冷却后的惰性气体由循环风机重新鼓入干熄炉 惰性气体在封闭的系统内循环使用 干熄焦在节能 环保和改善焦炭质量等方面优于湿熄焦 干法熄焦是用循环惰性气体为热载体 由循环风机将冷的循环气体输入红焦冷却室冷却高温焦炭至250 以下排出 吸收焦炭热量后的循环热气导入废热锅炉回收热量 产生蒸汽 循环气体冷却 除尘后 再经风机返回冷却室 如此循环冷却红焦 煤在炼焦结束准备出焦时 焦炭的温度在950 1100 红焦所含的热量约相当于炼焦时所供热量的45 传统的水湿法熄焦 热量全部损失 同时会产生大量含尘和有害物质的蒸汽 污染环境 腐蚀周围的金属构筑物 干熄焦技术是重大节能项目 适用于大 中型焦化厂 干法熄焦是在密闭系统内完成熄焦过程 与通常湿熄焦相比 可基本消除酚 HCN H2S NH3的排放 减少焦尘排放 且节省熄焦用水 采用新型筑炉材料美国的耐火材料厂开发了一种高密度硅砖 内含2 氧化铜 其比重为1 93t m3 普通硅砖比重为1 7 1 8t m3 导热系数比普通硅砖低28 强度亦增加1倍 将此种硅砖砌筑焦炉可减薄炉墙 使结焦周期缩短17 炼焦过程热耗亦相应降低 有良好的节能效果 计算机过程控制1 监测加热煤气的温度 压力 热值和装煤量 2 调节燃烧气体 低和高热值煤气 的流量比例 煤以及炉组的热量输入保持一致 3 监控推焦和装煤操作 4 随着不同冶炼时期调节焦炉的加热过程 5 监视煤的质量 6 通过电视监视 通知操作人员关掉加热部分的高温火道 以防焦炉过热和损坏等 电炉利用电热效应供热的冶金炉 电炉的优点有 炉内气氛容易控制 甚至可抽成真空 物料加热快 加热温度高 温度容易控制 生产过程较易实现机械化和自动化 劳动卫生条件好 热效率高 产品质量好等 冶金工业上电炉主要用于钢铁 铁合金 有色金属等的熔炼 加热和热处理 电炉连续炼钢 电炉连续炼钢目的是使电炉炼钢过程中始终以100 的满负荷状态工作 使之与二次精炼和连铸机配套生产 偏心炉底出钢实施时需将电炉改造成椭圆形 把出钢口设置在椭圆长轴顶端底部 使电炉只要倾动一个较小的角度 5 即可将大部钢水从炉底放出 从而获得较纯净的钢水 与传统的倾动式出钢相比 在增产和节能降耗方面效果显著 现美国已有多座电炉采用此技术 1 熔池中可以保留98 以上的熔渣 2 耐火材料消耗可降低25 左右 3 出钢时钢水温度一般只下降25 左右 4 出钢时间短 60t电弧炉的出钢时间仅80s左右 5 每吨钢电耗可下降20kW h左右 6 每吨钢电极消耗可降低0 5kg左右 7 出钢口耐火材料内衬寿命可达250次左右 回收排烟余热英国钢铁公司对其炼钢电炉正在采用两种利用排烟余热方法 1 预热废冷钢铁 一般回收期为1 2年 2 产生蒸汽或者热水 回收期约为2年 电炉烟气是有污染的脏烟气 并且有毒 因此回收方法要很好选择 此外 有些电弧炉排烟中存有一定量的可燃物 化学能 可以通过加氧燃烧回收 转炉炉体可转动 用于吹炼钢或吹炼其他金属的冶金炉 转炉炉体用钢板制成 呈圆筒形 内衬耐火材料 吹炼时靠化学反应热加热 不需外加热源 是最重要的炼钢设备 也可用于铜 镍冶炼 转炉按炉衬的耐火材料性质分为碱性 用镁砂或白云石为内衬 和酸性 用硅质材料为内衬 转炉 按气体吹入炉内的部位分为底吹 顶吹和侧吹转炉 按吹炼采用的气体 分为空气转炉和氧气转炉 转炉零能 或负能 炼钢顾名思义 转炉负能炼钢就是转炉 在冶炼工序 既炼出了钢 又没有额外消耗能量 反而输出或提供富余能量的一项工艺技术 衡量这项技术的标准是转炉炼钢的工序能耗 炼钢工序能耗包括消耗和回收能量两个方面 消耗有物料 电 水 气等 累计按热值折算为吨钢消耗掉的标准煤 回收有转炉煤气和蒸汽 也累计按热值折算为吨钢回收的标准煤 所以 在炼钢过程中 若出现回收的能量超过消耗掉的能量时 就是负能炼钢 转炉炼钢在吹炼过程中 产生大量的烟气 以煤气为主 这种烟气温度高达1260 左右 含CO约60 具有很高的显热和潜热 热量总和超过104 6 104kJ t钢 因此 回收这部分能量是转炉炼钢节能潜力最大的环节 不少技术先进的转炉 吨钢可以回收煤气100m3以上 可大部分抵消或超额抵消转炉炼钢耗能 实现零能或负能炼钢 转炉炼钢过程中最大的节能潜力一是提高废钢比 二是回收吹炼时发生的富含CO的煤气及其显热 即所谓OG OxygenGasprocess 1 提高废钢比通常电炉以100 废钢为原料 而转炉却以高炉或化铁炉铁水为主要原料 适当地加入一定比率的废钢 若以矿石炼成的铁水作原料时 吨钢总能耗达23 33GJ 而以废钢为原料时 吨钢总能耗仅6 42GJ 两者相差甚巨 回收煤气余能尽管在整个钢铁联合企业的主要生产工序中 转炉炼钢耗能最少 但吹炼过程中产生的高温煤气却是一项不小的二次能源 目前世界各国对回收此项能源都很重视 例如日本绝大多数转炉上皆设置了OG装置 从而使该工序能耗为负值 实现了负能炼钢 感应炉利用物料的感应电热效应而使物料加热熔化的电炉 在感应炉中的交变电磁场作用下 物料内部产生涡流而发热熔化 在这种交变磁场的搅拌作用下 炉中熔体的成分和温度均较均匀 熔炼温度可达1650 感应炉除能在大气中熔炼外 还能在真空和氩 氖等保护气氛中熔炼 以满足特殊质量的要求炉子有多个感应圈 各圈可施加不同的电频率等等 在许多铸造应用中 电的高效率与生产能力的弹性 是这种炉子发展主要原因 频率的转换 功率的控制与扩大等 也已成为现代节能型的炉子 冲天炉这是一种供铸造用的使用焦炭熔化金属的炉子 一般这种炉子排烟较脏 很少回收利用 炼铜炉粗铜 或黑铜 炉子的废气温度常较低 约200 900 含较多氧化硫和尘渣 故对小炉子缺乏吸引人的余热回收前景 但在大吨位的反射炉上装置废热锅炉正在尝试 国内也正在利用汽化冷却 喷流换热和热管等技术使排烟温度降至300 以下 而空气预热温度达到了400 综合利用反射炉烟气余热的技术 熔铝炉这种炉子多数用于回收二次铝材的 通过二级热回收 烟温1100 下降至200 节能44 53 值得注意的是炼铝业废气 一般认为具有腐蚀性 有破坏常规金属换热设备之危险 故很少回收 若要回收 可用陶瓷型换热设备 热处理炉节能新工艺新技术设备部件要达到要求的力学性能通常需要进行热处理 设备部件在传统的热处理系统中进行热处理时需要几个小时 大大加重了能源消耗 并提高了成本 较长的热处理时间迫使生产企业远离生产线进行热处理 还要另外添加设备部件的传送 输送设备及设备部件的贮存空间 流化床热处理炉流化床热处理工艺能够明显减少热处理时间 提高热处理工艺的稳定性 由日本Komatsu公司开发的流化床热处理工艺能够使生产企业将热处理在线系统并入铸造和锻件生产流程中 流化床由细小的硬颗粒介质 砂 构成 通过流动气体使部分颗粒介质悬浮 气体从流化床的底部吹动颗粒介质 当气体吹动介质时 颗粒介质能够很容易地依次流动 这种流动类似于液体的流动 流化床流质能够很容易地使设备部件浸没并通过介质输送 流化床热处理的优点在于 流化床的传热系数远高于传统炉的传热系数 高的传热系数使设备部件迅速升至要求的温度 升温速度是空气加热炉的10倍 当流化床温度快速升至固熔处理温度时 设备部件的温度不会超过流化床温度 然而 使用传统加热炉时 设备部件存在着超过固熔处理温度的潜在危险 流化床具有良好的温度控制 相对于传统加热炉来说 流化床能够在较高的温度下安全进行固熔热处理 不会出现局部熔化的问题 热处理炉的综合改造节能热处理的控制改造似乎比其他工业窑炉更为重要 首先温度是现代热处理炉最重要的控制参数 热处理过程的热稳定 工件本身的热稳定是保证热处理产品质量的重要条件 因此 炉内温度需要认真加以控制及监测 热处理炉的另一个重要控制因素是炉内气氛 热处理中常用气氛为N2 有的用复合气氛 气氛对热处理件性能有重大影响 这就涉及到精密的流量计量与控制 此外 物料的移动和位置控制也很重要 这些参数虽可单独控制 但微机的普及化导致热处理炉的快速 集中和综合控制的实现 热处理炉的余热回收节能热处理炉上搞余热回收应该说并无困难 据估计 约有一半的热处理炉为电炉 另一半为燃烧炉 由于这些炉子大多温度较低 通常在600 左右 开展余热回收有较长的回收期 有些炉子在结构上不适应装置烧嘴或附件 而恰恰回收时需要装上较多的新烧嘴等等 故在这类炉子上搞余热回收的较少 没有以上情况的热处理炉还是可以考虑余热回收的 意大利BEDDTTE公司的钢丝热处理炉 有人叫它为奥氏炉 加装废热回收装置后热效率比我国同样的炉子未装余热回收装置时高一倍 我国为20 据称他们回收的废热不仅用于预热燃烧空气 还预热燃料油 锻造炉节能新工艺新技术在轧钢 锻造等行业中 能源成本在产品成本中占有相当的比例如25 35 因此节能成为重要问题 在这类加热炉中 常用的节能技术也不外乎采用多种和多级换热设备回收烟气余热 精确控制温度 陶瓷纤维衬里 高辐射涂层 更换节能型烧嘴及空燃比自控等等 先进的技术有富氧烧钢 脉冲燃烧 计算机控制和综合优化技术等 下面是国外锻造炉应用实例美国Cedan公司对模型锻造炉用真空成型陶瓷纤维组件作隔热衬里 提高效率20 并且减少炉子维修延长寿命 此外升温时间缩短 平均炉壳温度下降5 只有50 美国德州CameronIronWorks是一家各种航空航天和石油勘探工业的锻造商 开发了一种新型的锻造炉 采用新的两级金属与陶瓷换热器相结合的同流换热系统 四个高速烧嘴以及有独特结构的电子控制系统 节能高达55 由于锻造炉是高温炉 高温下能量的充分利用是很重要的 其中温度的精确控制与炉子效率关系甚大 因为一旦超温 能量浪费很大 因此加强锻造炉的温控