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热风炉技术

蓄热体高径比对风温影响巨大

发布时间:2018-08-02点击量:87

 

炼铁高炉配套热风炉的主要目的是让煤气和空气良好混合燃烧产生的高温烟气对热风炉蓄热体进行均匀的加热蓄热,然后再吹进冷风将蓄存在蓄热体中的热量均匀的置换出来,送到高炉中实施强化冶炼。通常,每提高100℃风温可以降低焦比15-20kg/t铁、多喷煤20-30kg/t铁,进而降低炼铁成本。因此,将热量均匀蓄存和均匀置换为热风、实现格子砖利用率最大化、提高热效率成为热风炉领域的重大节能、高风温研究课题。   

常用的热风炉有内燃式、外燃式、顶燃式、耐火球式等蓄热换热结构形式的热风炉技术。实践表明,不同技术各有利弊,要实现格子砖的高的利用率,仍需要继续探讨和研究。

一 内燃式热风炉

内燃式热风炉,采用将蓄热室和火井预混燃烧室隔开,且平行设置在蓄热室之内。由于蓄热室内旁侧设置有火井燃烧室,因此,蓄热室的截面均呈月牙形状,这样高温烟气从火井下部的燃烧器混合喷出燃烧形成高温烟气往上运行至拱顶燃烧室,再折返进入蓄热体床面对蓄热体进行加热。这样,烟气分布非常不均匀、并且在月牙边角部位存在有烟气流场分布死区,使热风炉蓄热体的热利用率较低。热效率低,风温就低,内燃式热风炉的风温一般设定在1050-1250℃之间。

为了弥补这一缺陷,将大幅度增加内燃式热风炉蓄热体高度,这是为了保证格子砖格孔畅通不堵塞,常常选用孔径40-43mm、单位换热面积在35-40mm2的7孔格子砖,这样鼓风格子砖重量将达1-1.4t左右。热风炉蓄热室直径和高度的大幅度增加,查找有关资料记录,其高径(35m/10m)比值也在3.5-5.3之间,将加大耐火材料的使用量和投资。同时,由于蓄热体堆积高度较高,导致耐材高温受压蠕变和膨胀,对火井墙起到了损坏的作用和香蕉效应,不得不提高高品位耐材的使用,即使这样仍会频繁出现火井中央剥落开孔短路,造成风温降低,迫使企业大量增加焦炭来满足强化冶炼,得不偿失。同时,冷风室气流分布不均匀,虽然在冷风室采取了分流板、挡板等技术措施,但收效甚微。种种弊端促使内燃式热风炉处于淘汰边缘。

二 外燃式热风炉

内燃式热风炉蓄热室和燃烧室同在蓄热室内的结构,限制了风温。为了解决这一问题,专家们把火井燃烧室搬出蓄热室,形成一种新的外燃式热风炉结构形式。外燃式热风炉蓄热室和燃烧室均完全呈现受力合理的标准圆形结构,蓄热体按照圆柱状堆积在蓄热室内,这就使得蓄热体受力结构趋于合理稳定,不再产生短路、火井香蕉效应、倒塌等问题,可以设定更高的加热和送风温度。外燃式热风炉格子砖也常常采用40-43mm孔径的7孔格子砖,鼓风换热面积大约设定在35-40m2,格子砖的堆积高度设定在35-39m之间,直径在8-9m之间,高径比值大于等于4。外燃式热风炉的风温一般维持在1200-1280℃之间。外燃式热风炉除了联络管和拱顶与燃烧室的进口存在局部问题外,均处于稳定状态,使用寿命在20-30年。由于外燃式热风炉炉采用蓄热室外部附加燃烧室而是占地面积增大,且炉体太高、耐材选用质量标准高,因此,投资大,占地面积大而市场选择使用较少。

三 顶燃式热风炉

本世纪初期,我国引进了俄罗斯卡鲁金顶燃式热风炉。卡鲁金热风炉下部蓄热室采用成熟的外燃式热风炉圆形筒体蓄热室结构,将燃烧器置于热风炉燃烧室顶部,大大缩小了热风炉的体积,避免了内燃式热风炉蓄热室的弊端,避免了外燃式热风炉投资大,联络管易坏的弊端,我国京唐钢铁公司(以下简称为京唐)一期5500m3高炉工程配套了卡鲁金顶燃式热风炉。该热风炉蓄热体的堆积高度为21.48m,蓄热室直径10.894m,采用孔径30mm传统19孔格子砖,格子砖的单位换热面积为48.56m2。投产初期最高月天平均风温达到1309℃。

京唐5500m3高炉热风炉的高径比值为1.97,比内燃式、外燃式的比值3.5-5.3 分别小了43.7%-62.8%,其主要原因是卡鲁金将格子砖的孔径由40 mm -43 mm缩小到30mm,单位换热面积有40 m2提高到48.56m2。与外燃式和内燃式相比,为了降低投资,少用材料量,将送风时间由内燃式、外燃式的60-120分钟减少到45分钟,格子砖的高度比外燃式,内燃式降低了30%-40%。投资也就降低了30%-40%。但是带来的问题是频繁的换炉和较大的温差弊端。但是,在一定蓄热容量和换热面积条件的限制下,过于低矮的蓄热体热风炉,势必要加大蓄热室的直径。蓄热室直径越大,截面积就越大,烟气和冷流场分布就越差,导致送风时间过短,格子砖加热和换热利用率低,耗能和浪费格子砖使用量,达不到节能的最佳要求。实践证明,热风炉的蓄热体高径比值只要低于常规3以下,虽然同样实现高风温,但是较低的格子砖利用率、相差10-50℃的风温会给企业带来巨大的成本损失(相同蓄热容量和换热面积以及配置,风温低、送风时间短,见表一热风炉参数对比表)。

有资料显示京唐5500m3高炉热风炉在鼓风换热面积41 m2/(m3 min)以上,鼓风格子砖重量大于1吨实现最高月平均风温1309℃,送风时间45分钟,说明格子砖利用率低,对蓄热换热能力对燃烧效率和送风温度有一定的影响。

山东石横钢铁公司2号高炉球炉改造为格子砖技术也为研究蓄热体高径比提供了依据。石横2号高炉热风炉采用传统孔径30mm的19孔格子砖,格子砖堆积高度11m,蓄热室直径为6.20m,蓄热体高径比值为1.77,煤气热值为3380kJ、空气预热250℃、煤气预热230℃、最高风温1180℃左右,送风时间基本维持在30-40min之间。如果和山西通才、京唐热风炉蓄热体相比较,不同的是高径比值差异较大,通过普通格子砖和均压均流格子砖结构的对比,证明了格子砖蓄热体高度太矮、势必导致蓄热室直径太粗、截面太大,烟气和冷风没有调节分布的时间、空间和有效运行距离,像石横公司高炉在如此之高煤气热值和预热条件下,送风时间极短,风温如此之低,这就与高径比太小有直接的因果关系。

京唐热风炉蓄热体的高径比值为1.97,山东石横为1.77、山西通才为3.17,在相同的配置、相同的孔径格子砖和换热面积条件下,风温低、送风时间短,证明在采用30mm孔径格子砖条件下,蓄热体高径比值应该在3-3.5之间为最佳。蓄热室直径,截面积小,烟气流场分布均匀,冷风流场分布均匀,再加上烟气在较高的蓄热体孔径的压力、阻力作用下的自行调节,格子砖的利用率增加,风温提高、热效率就高。反之,蓄热室直径越大,截面积越大,烟气流场分布就越不均匀,冷风流场分布也同样越不均匀,再加上烟气在较低的蓄热体孔径的压力、阻力小,无法实现单位时间内的自行调节,格子砖利用率降低,影响风温和热效率。因此,京唐钢铁公司热风炉的蓄热体高径比的设计不是最佳技术条件。造成较大的格子砖浪费和较大的投资。

热风炉格子砖蓄热体,虽然可以缩小孔径来调节,但孔径缩小应该适可而止,不是孔径越小,单位换热面积越大越有利于热风交换。孔径越小越容易砌筑错位和堵塞,这为热风炉的整体寿命埋下隐患。另一方面,孔径缩小,考虑到阻力和堵塞,就必须降低蓄热体高度,增大蓄热室直径,同时也增大拱顶直径,在给风温造成影响和格子砖造成浪费的同时也给拱顶稳定造成一定影响,减小高径比值,导致烟气流场和冷风流场没有自行调节的空间,降低了热效率,降低了格子砖的利用率、风温发挥不了效果。

尤其最近两年,一些单位打着国外技术的旗号,强力推广小孔径直径20毫米蓄热体格子砖,其顶燃式热风炉的主要结构特征就是热风炉呈低矮胖型炉型,其高径比值均在2左右,燃烧器采用的是分层预混旋流长焰燃烧模式,空气过剩系数在0.8-1.2之间,格子砖的利用率低和混合燃烧效果差是导致拱顶和送风温温差较大,送风时间短,产生晶间腐蚀和低风温、低效率的主要因素。

2012年7月,豫兴公司为山西通才1860m3高炉配套的热风炉点火投产,2012年10-11月平均风温达到1314,7℃。为了完善豫兴热风炉的性能,委托北科大专业研究室测试了通才热风炉、管道及各口的应力,并建立了数学模型进行计算,同时在豫兴公司按照一定比例建立的实体炉型实验室进行热态、冷态测试,均验证豫兴热风炉的性能结构具有明显的优越性,尤其针对蓄热体建立的数学模型明显反映出高径比和烟气流场、冷风流场分布对高风温、煤气完全燃烧、节能、环保性能的影响是巨大的。

通才1860m3高炉豫兴热风炉,蓄热体高21.4m,蓄热室直径6.8m,采用豫兴发明的“均压均流”30mm孔径的19孔格子砖,格子砖加热面积为48.56m2,煤气热值3200kJ、空气预热180-200℃、二次预热420-500℃,煤气预热温度180℃,月平均风温达到1314.7℃。拱顶温度和送风温差在94℃,由于三岔口突然出现发红烧穿,经过维护,风温徘徊在1250-1280℃,送风60min以上。按照通才热风炉的实际技术参数,经过对蓄热体格子砖结构建立数学模型进行计算,计算结果显示,均压均流30mm的19孔格子砖蓄热体,当不均匀分布的烟气进入格子砖蓄热体,以床面为起点,烟气速度在其11m截面处达到均匀分布,11m以下格子砖各截面温度运行分布是均匀的;传统30mm普通19孔格子砖,当不均匀分布的烟气进入格子砖蓄热体,以床面为起点到炉箅子截面,烟气进口速度分布和出口速度分布没有变化,说明高温烟气的速度运行分布是不均匀的。

根据传统内燃、外燃蓄热体高径比和数模计算,高径比应该在3.5-4为最佳换热蓄热技术,如果采用传统的格子砖结构,其比值不能小于4-4.5。反过来,冷风流场应该和烟气流场相对应,因此,如果要想达到高效格子砖利用率,就必须采用高径比值大于3-4为最佳。表1为4家钢铁公司热风炉的参数。由表1可以看出,蓄热体高径比对风温、送风时间的影响巨大。

 

表1 热风炉参数对比

名 称

炉容m3

高径比

鼓风格砖换热面积

t/(m3 min)

鼓风格砖换热面积

m2/(m3 min)

最高月平

风温℃

送风时间

min

上海宝钢

4350

3.51

1250

60

京唐高炉热风炉

5500

1.97

1.05

41.7

1309

45

山东石横

450

1.76

1.04

41.5

1185

30-40

山西通才

1860

3.16

1.07

42.3

1314.7

60

 

通过高径比参数对比表,发现,高径比值越小,风温越低,送风时间越短。因此,可以说蓄热体格子砖的结构和蓄热体的高径比决定了格子砖的利用率和风温。

通过外燃式热风炉、内燃式热风炉、卡鲁金顶燃式热风炉、豫兴顶燃式热风炉等蓄热体格子砖孔径的选择、结构的对比,发现顶燃式热风炉的优势明显,是发展的趋势和方向。但蓄热体的高径比是确定格子砖利用率和热效率的重要技术指标,应该认真的权衡和研究,以使热风炉性能指标达到最佳。

 

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