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熱風爐超低煤氣消耗的奧秘何在?
——豫興公司董事長劉世聚一席談

2022-07-22 13:10:00

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  目前鋼材市場不容樂觀,在最近一段時間,噸鋼價格下跌數百元,甚至出現鋼企虧損現象。在實現熱風爐高風溫高產、低環保的同時,降低噸鐵煤氣消耗量,是企業降本增效的一個關注點。最近,河南省豫熱風爐工程技術有限公司(下文簡稱豫興公司),綜合多年的設計實踐,進一步創新研發的超低煤氣消耗頂燃式熱風爐技術,在山東永鋒鋼鐵1號、2號高爐5月份全月噸鐵消耗煤氣平均為322.2m3,以及秦皇島宏興鋼鐵有限公司2號、3號高爐5月份全月噸鐵消耗煤氣分別為402m3、338m3、兩爐平均為370m3豫興頂燃式熱風爐上的應用實踐,同樣具有廣闊的發展前景和良好節能增效效果,廣泛推廣意義十分重大。

  

   

  山東永鋒臨港有限公司臨港先進優特鋼產業基地(簡稱永鋒臨港鋼鐵)一期工程1號、2號1350m3高爐,各配套使用4座興公司優化改進的超低節能懸鏈線頂燃式熱風爐(見表1)。其設計風溫為1250℃,設計拱頂溫度為1350℃,單送風60分鐘。兩套熱風爐都在使用單一高爐煤氣,在富氧7%條件下,實現了拱頂溫度1300℃、風溫1250℃穩定輸出,5月份全月噸鐵煤氣消耗322.2m3。其中,在同等煤氣熱值條件下,比永鋒鋼鐵公司其他3座1080m3高爐小帽子頂燃式熱風爐噸鐵煤氣消耗462.6m3月平均節約煤氣140.4m3,煤氣節約率為30.3%。

  秦皇島宏興鋼鐵有限公司2號、3號1350m3高爐分別配套的3座超低節能優化改進型懸鏈線頂燃式熱風爐(見表2),設計風溫為1250℃,設計拱頂溫度為1350℃,單送風60分鐘。兩套熱風爐都在使用單一高爐煤氣,煤氣熱值為3000千焦,富氧6%條件下,實現了風溫1215℃~1220℃穩定輸出,據統計5月份全月噸鐵煤氣消耗分別為402m3、338m3。在同等煤氣熱值條件下,噸鐵煤氣消耗比1號1080m3高爐引進的頂燃式熱風爐噸鐵平均消耗煤氣500m3指標分別節省了98m3、162m3,節省率為19.6%、32.4% 。

  這兩家鋼鐵公司的熱風爐在生產實踐中為何能取得如此驕人業績?這與懸鏈線拱頂結構、足夠的混合燃燒空間、上旋流渦流大功率燃燒技術、爐內自身輻射預熱、調節雙流孔孔互通高效格子磚存在密切的因果關系。興公司董事長劉世聚開誠布公地道出了其中的奧秘。

   

  奧秘之一:優化設計

  實現矛盾體的對立統一

  劉世聚指出,熱風爐風溫提高100℃,高爐可提高產量2.5%,提高噴煤量20kg/t~30kg/t,降低焦比2.5%,這對鋼鐵企業降本增效極為關鍵,因此能否實現高風溫是熱風爐性能是否優異最重要的指標。隨著我國“碳達峰”“碳中和”目標的提出及環保政策的日趨嚴格,滿足二氧化碳及氮氧化物等污染物排放指標要求對新建熱風爐也越來越重要。

  熱風爐污染物主要由二氧化碳、氮氧化物和硫化物組成。在減少硫化物排放方面,采用脫硫設備已經解決了問題。但要實現低二氧化碳排放目標,也就意味著熱風爐需要通過提高高爐煤氣的燃燒質量來增加燃燒熱值,而非僅通過增加高爐煤氣的數量來增加燃燒熱值。也就是說必須要提高熱風爐的燃燒性能,確保高爐煤氣燃燒充分來解決。當然,熱風爐燃燒消耗煤氣量多少與風溫基本是成正比例的。但熱風爐除了煤氣熱值質量高之外,熱風爐的燃燒器設計、效率、燃燒功率、混合燃燒是否均勻完全,以及熱風爐的煙氣流場分布和冷風流場分布能否提高蓄熱換熱性,是決定煤氣消耗量的重要因素。眾所周知,熱風爐中氮氧化物生成與溫度有較大關系,國際常規判斷氮氧化物生成量的方法,是看熱風爐拱頂溫度的高低來確定氮氧化物的高低。

  當拱頂溫度低于1420℃時,氮氧化物產生量比較緩慢且少;但當拱頂溫度大于1420℃時,其氮氧化物生成量就會成指數級上升;若要減少氮氧化物排放量,就要盡可能地使熱風爐拱頂溫度低,而且還要保證較高的風溫。拱頂溫度和送風溫度差越小,熱風爐性能就越好。

  目前頂燃式熱風爐的拱頂溫度與送風溫差徘徊在120℃左右,甚至性能差點的在150℃左右。這樣的熱風爐拱頂溫度必須控制在1400℃或者1380℃。而豫興熱風爐的拱頂溫度和送風溫差在50℃左右,實現1250℃風溫,拱頂溫度也只有1300℃。依據國際通用的拱頂溫度與氮氧化物生成量坐標曲線,提高高爐煤氣理論燃燒溫度和熱風爐燃燒器性能蓄熱換熱性能,是實現高風溫最方便、有效的途徑。熱風爐的高風溫與熱風爐的性能、效率、蓄熱換熱性能密切相關,提高熱風爐性能和降低拱頂溫度,縮小送風溫差就可降低氮氧化物排放。

  具體到熱風爐設計上,要實現熱風爐的高風溫、低煤氣消耗、低氮氧化物排放,就是要提高熱風爐的燃燒性能和換熱性能。具體實現途徑如下:

  一是增大蓄熱室蓄熱換熱面積和保證足夠的蓄熱換熱格子磚重量。

  二是改善熱風爐煙氣流場和冷氣流場分布狀態。

  高溫煙氣流場和冷風流場在蓄熱室橫斷面上分布的均勻性,將直接影響蓄熱室內的蓄熱換熱,研究表明,通過改善高溫煙氣流場和冷風流場在蓄熱室斷面上分布的均勻性可以改善熱風爐內的熱交換效果,蓄熱量可以增強,從而可以將風溫提高15℃~30℃。

  三是增加熱風爐換爐次數縮短工作周期。

  四是減小熱風爐的散熱損耗。特別是通過合理設計熱風爐爐體強化保溫效果,減少爐體殼的熱損失。

  永鋒臨港鋼鐵熱風爐和秦皇島宏興鋼鐵有限公司熱風爐正是根據上述理論實踐指導,才終于實現了上述矛盾體的對立統一,將熱風爐拱頂溫度與鼓風溫度之間的差值縮小到50℃左右,通過優化混合燃燒噴嘴結構強化均勻混合、加大混合燃燒空間實現真正的完全燃燒、優化格子磚結構提高格子磚利用率,強化蓄熱換熱性能,從而實現了熱風爐高風溫、低氮氧化物排放、低煤氣消耗等多重目標的。

   

  奧秘之二:抓鐵有痕

  用正確的理論指導實踐

  劉世聚指出:豫興人抓鐵有痕,用上述研發和設計理念,腳踏實地地指導熱風爐的建設和改造實踐,終于取得了超高溫、節能、低排放的可喜成果。其具體措施如下:

  一是采用具有足夠混合燃燒空間的懸鏈線拱頂和熱風出口段組合的燃燒室結構。

  在相同風量情況下,懸鏈線拱頂本就擁有更加充裕的燃燒空間,空間內的煙氣分布優于其他形狀的熱風爐拱頂結構,而且是目前已有的熱風爐拱頂結構受力最合理、最穩定長壽的結構。國際歷史資料記載,其懸鏈線拱頂壽命可達50年~60年。

  首鋼科學家張福明及其團隊在2015年申報國家專利時,把錐形拱頂結構優化為懸鏈線擬合結構,并把砌筑在熱風出口之上的錐形拱頂實施了分離,形成了懸鏈線擬合四段式小帽子頂燃式熱風爐專利,采用這樣的結構可解決耐材應力損壞和熱風出口損壞,爐殼受力開裂等結構缺陷。利用這一突出特點,為實現煤氣超低消耗,永鋒臨港鋼鐵科學核算煤氣和空氣混合燃燒高溫火焰在燃燒室混合燃燒運行距離、運行速度、煙氣運行壓力、空氣過剩系數、煤氣和空氣燃燒量,以及由此混合燃燒產生的煙氣量,使需要燃燒混合空間容積大于燃燒產生的煙氣體積10%~30%,實現煙氣進入格子磚床面前全部燃燒的目的。

  經計算其熱風爐燃燒室燃燒產生的煙氣體積約等于268m3,據此推算出熱風爐燃燒室混合燃燒空間約需322m3(空間大,外表面散熱面積大,需要強化保溫來抵消),據此確定其熱風爐燃燒室直徑為7.8m,燃燒室高度10.1m來實現煤氣和空氣在足夠大的燃燒室空間實現旋流渦流預熱混合完全燃燒。

  為提高風溫和降低氮氧化物排放,其熱風爐通過懸鏈線拱頂與安裝在拱頂腳部位的環形燃燒器共同作用進一步改善燃燒室的煙氣流場分布狀態,縮小拱頂溫度與送風溫度之間的差值。其燃燒室高溫區結構對稱、溫度區間分明、熱效率高、拱頂和燃燒室底部(即蓄熱室床面上平面)溫差小。燃燒室底部(即蓄熱室上部)高溫煙氣流速分布均勻,由于這種燃燒和懸鏈線流線結構及空間的有效結合模式使相當量下降氣流加入上升氣流中,淡化了高溫區燃氣和空氣濃度從而降低了上升氣流溫度,拉長了火焰,使高向加熱更加均勻,具備了低氮燃燒器廢氣循環特征,降低了氮氧化物排放,提高了熱風爐換熱效率,縮小了拱頂溫度與送風溫度差值,有效提高了熱風爐送風風溫。

  二是采用具有預熱、渦流、旋流密集噴口分布的高效率低氮短焰環形燃燒器。

  該熱風爐采用煤氣與空氣交錯布置對沖上的格柵式陶瓷環形燃燒器結構。這種燃燒器的噴嘴設置在蓄熱室大墻外圍的周向,確保有足夠大的空間布置噴嘴;煤氣和空氣采用優化型低氮燃燒噴嘴,噴嘴口徑縮??;環向設計的煤氣噴嘴和空氣噴嘴數量更多,火焰更短、燃燒更完全。這樣設計,一方面有利于使煤氣和空氣充分實施小股流分割預混;另一方面也能使煤氣和空氣的流量更大,從而實現燃燒器的大功率燃燒,為實現高風溫、低煤氣消耗打下基礎。

  該熱風爐使用的燃燒器是介于長型和無型之間的渦流旋流短焰特殊混合模式,也就是煤氣和空氣從噴口噴出后再預混的混合模式。這種燃燒器的煤氣和空氣噴嘴是交錯布置并帶有45度~60度的對沖上角度,其主要目的是利用燃燒室中心的高強度火焰輻射預熱剛剛噴出的煤氣和空氣(也就是說煤氣和空氣在進入渦流區域前就吸收燃燒室中心高溫輻射傳來的熱,之后再進行混合)。

  一方面,這樣的結構設計使得燃燒室中心的高溫煙氣會首先對速度設定為25m/s~40m/s的空氣和煤氣實施自身輻射預熱;之后這兩種氣體上一定高度再折返形成了渦流,兩種預混氣體進入渦流區域自行混合,形成煤氣和空氣第一次初混狀態。

  另一方面這種燃燒器經過合理設計的噴嘴角度會形成兩股氣流對沖,噴嘴噴出的煤氣和空氣之間的動能差異,使得煤氣氣流的大動能強制壓空氣流從而形成旋流。這股旋流匯聚到逐漸收縮的懸鏈線拱頂,隨著空間越來越小,當到頂部時旋流達到最激烈狀態,形成了第二次強烈的旋流混合。通過兩次混合不僅使煤氣與空氣混合得更加均勻、充分,有效保證了煤氣的充分燃燒、降低了煤氣消耗量;當燃燒后的煙氣折返隨著喇叭狀的懸鏈線拱頂結構自上而下,使煙氣通道逐漸擴大,并逐漸減弱,蓄熱室床面時流場區域均勻分布,使得高溫煙氣對格子磚的加熱更加均勻,達到提高格子磚利用率,從而進一步提高熱風爐風溫的目的。永鋒鋼鐵公司和宏興鋼鐵公司的熱風爐通過使用上預熱、渦流、旋流和多噴嘴及足夠流線懸鏈線的空間的綜合性能設置,使進入燃燒室的空氣過量系數降低,提高了風溫、降低了煤氣消耗。

   

  三是采用流均勻格子磚,加大蓄熱換熱能力,降低格子磚堆積高度。

  興公司發明的19孔25mm格子磚結構填補了國內外僅有19孔30mm孔徑格子磚和20mm孔徑37mm格子磚技術的空白,19孔25mm格子磚結構的換熱面積高達55.68m2,比19孔30mm格子磚結構的換熱面積48.51m2提高了14.8%,25mm孔孔互通格子磚技術優化了傳統熱風爐蓄熱室格子磚形狀,解決了普通格子磚格孔錯臺、錯位影響氣流通過的弊端。

  19孔格子磚底部設計有15mm深的連接底部橫向18格孔的聯通凹槽,當氣流通過磚的19個孔徑時,由于流體的阻力和壓力的作用,讓18個凹槽區域孔孔互通,致使氣流均勻分布,對于整個蓄熱室,就形成了互聯互通的均壓均流自行調節蓄熱室煙氣流場和冷風流場,提高了熱風爐換熱效率,格子磚使用效率由原來的83.5%提高到88.41%,提高了5.8%,縮小了熱風爐拱頂溫度與送風溫度之間的差值,拱頂溫度由原來的1380℃~1420℃降低到現在的1300℃~1320℃,拱頂溫度降低了5.7%~7%,拱頂溫度與送風溫差由原來的150℃左右降低到現在的50℃左右。拱頂溫度與送風溫差縮小了66.7%,格子磚這些重要參數在提高熱風爐效率、提高風溫、降低煤氣消耗,減少送風溫度與降低氮氧化物排放中發揮了關鍵作用。

  

  永鋒鋼鐵和秦皇島宏興鋼鐵公司豫興熱風爐就是通過這些特殊的結構和性能來實現高效生產、高風溫的;實現了氮氧化物低于50mg/m3的超低排放,尤其是噸鐵煤氣超低消耗均為322.9m3~370m3,創造了中國煉鐵歷史紀錄;比傳統的小帽子頂燃式熱風爐噸鐵煤氣消耗量為463.1m3~500m3降低了98m3~162m3,煤氣節省率分別降低了19.6%~32.4%,熱風爐燃燒產生的二氧化碳排放降低20%以上。

  相信在今后一段歷史時期,節能減碳低技術改造會成為發展主流趨勢。(夏杰生) 

 

來源:中國冶金報-中國鋼鐵新聞網

編輯:溫曉霞

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