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我国高炉热风炉新技术应用的回顾与展望

作者: 来源: 发布时间:2014-2-10 0:00:00  点击数:3166
据中国钢铁新闻网2007年3月5日报道:近20年以来,随着我国经济的高速发展,高炉炼铁技术进步非常之快,高炉热风炉大型化、多样化、高效化,大大缩小了我们与世界先进水平的差距,一大批炼铁及相关科技工作者开发出了一系列世界水平的具有自主知识产权的领先技术,填补国内外热风炉技术的空白,引起世人关注。主要表现在:霍戈文高风温热风炉的引进、大型外燃式热风炉或大型外燃式热风炉加辅助小热风炉的组合、顶燃式热风炉(俄卡鲁金顶燃式的引进、球式顶燃式、逆旋流顶燃式的开发)、大型外燃式热风炉自身预热式在大型高炉上的成功应用、高炉热风炉烟气余热预热助燃空气和煤气技术及其附加加热换热技术组合等等。所有这些,都取得了高风温的实效。热风炉设计的系统优化,自主设计、制造不同类型的高炉热风炉,各交叉口采用的组合砖都能自主设计、制造和砌筑。高炉热风炉烘炉技术、凉炉与保温技术,耐火材料和耐火涂料的研发大大推动了热风炉的技术成熟与发展。

  在高炉热风炉的理论研究方面也取得了骄人的业绩。例如,计算机技术的应用,数值模拟仿真技术开发,高效燃烧器及冷态、热态实验,冷风与烟气分配技术也有我国自己的专利,高炉热风炉燃烧、流动与传热三大理论与实验研究。实现高风温的主要技术路线有:利用低热值煤气获得高风温的工艺方法;热工设备的组合;工艺技术材料优化与创新;国内也有人提出了1400℃超高风温的设想。

  2005年我国重点大中型钢铁企业高炉平均风温1084℃,虽有较大提高,但比国际先进水平低100~150℃。同时,高炉煤气放散率仍有9.51%。这不仅浪费了大量的二次能源,而且严重污染了大气环境。随着炼铁燃料消耗所占炼铁制造成本翻番地增长,高风温对于富氧喷煤强化炼铁,推动炼铁技术进步、降低成本和增加经济效益显得越来越重要。

    高温空气燃烧技术的应用

  利用低热值煤气获得高风温的工艺方法主要有:(1)高炉煤气富化法;(2)金属换热器法;(3)自身预热法;(4)富氧助燃法;(5)掺入热风法;(6)辅助热风炉法等等。其中最具典型意义的两种:金属换热器法和热风炉自身预热法基本上代表了当今高温空气燃烧技术在利用低热值煤气获得高风温方面的发展新趋势。

    1 高温空气燃烧技术在国内的兴起

  高温空气燃烧技术(High Temperature Air Combustion-HTAC)是20世纪90年代开发成功的一项燃料燃烧领域中的新技术。HTAC包括两项基本技术手段:一是燃烧产物显热最大限度回收(或称极限回收);二是燃料在低氧气氛下燃烧。燃料在高温下和低氧空气中燃烧,燃烧和体系内的热工条件与传统的(空气为常温或低于600℃以下,含氧不小于21%)燃烧过程有明显区别。这项技术将对世界各国以燃烧为基础的能源转换技术带来变革性的发展。

  1999年10月在北京中国科技会堂召开的高温空气燃烧技术(HTAC)技术研讨会上开始了第一次与世界各地开展此项技术的交流。很快诸如北京神雾、北京北岛能源技术开发公司、北科大赛能杰、山东博大等推出一系列蓄热式热回收技术,应用于工业化生产。就高炉热风炉而言,热风炉自身预热法和热风炉附加加热换热系统都属于高温空气燃烧技术在高炉热风炉上的应用。

    2 附加加热换热系统—金属换热器法应用良好

  德国迪林根(Dilingen)罗尔5号高炉(2220m3)采用附加加热换热系统(Additional Preheating Heat-exchange System)。在罗尔5号高炉采用的附加加热换热系统中,建有两台金属换热器、1座燃烧炉,利用循环的废气可将助燃空气预热到500℃,同时把煤气预热到250℃,用单一的低热值(3000kJ/m3)高炉煤气可把风温提高到1285℃。

  这种金属换热器法是一种热工设备的组合,具有较高的灵活性,独立于热风炉而存在,可以根据高炉状态的变化灵活地调节空气和煤气的预热温度,从而提高或降低热风温度,减少或增加预热空气和煤气量。实用新型专利“带有附加燃烧炉的热风炉预热装置”(专利号ZL96 2 25818.0)在鞍钢11号高炉(2580m3),邯钢1#、3#、6#,山西临汾、太钢3#、4#,山东淄博、青钢3#、4#、临沂,宝钢梅山2# (1280m3),辽宁北台等厂的高炉都先后应用此工艺技术,效果显著。

    3 高炉热风炉自身预热法发展成熟

  高炉热风炉自身预热法(self-preheating process)是我国首创。到目前为止,还没有检索到国外的有关文献。该工艺方法于1966年7月在我国山东济南铁厂3号高炉(100m3)由吕鲁平首先采用,并获得国家发明专利。发明至今,已走过整整40年不平凡的历程。大体上可划分为三个阶段:(1)发明、原始创新阶段;(2)理论探索、改进阶段;(3)工艺改进、大高炉应用阶段。这期间不少炼铁、热工科技人员进行了大量研究。

  鞍钢先后在3座2580m3高炉上,10号(1994年)、7号(2002年)和将来的新4号(2006年)都应用这种具有自主知识产权的热风炉自身预热工艺技术。随着这一技术的发展与应用,相应的理论探索也取得了重要进展。通过计算机数值模拟,验证了这一技术独特的优越性和耐火材料的合理性。

    4 辅助热风炉法发展方兴未艾

  用两座辅助小型热风炉,燃烧过剩的高炉煤气,交替预热大热风炉的助燃空气,经调温后供大热风炉燃烧用。大幅度提高助燃空气物理热,实现1200℃以上高风温。此工艺技术可节省大量的高热值煤气,多利用高炉煤气,经济效益显著。鞍钢新建的两座3200m3高炉采用这种辅助热风炉法。德国和日本某些高炉也曾用蓄热式热风炉来预热助燃空气。

  这几种工艺技术在理论上具有如下特点:

  (1)破除了低温余热回收传统观念,大幅度地提高燃烧介质预热温度。虽然在系统中增加了一定的能量和投资,但综合分析总能耗和效益的关系,产出远远大于投入。

  (2)以利用劣质燃料为基本点,经工艺转化后以低价值的高炉煤气获取高价值的高温热量。节省昂贵的高热值煤气供给更急需的部门,达到能源合理配置,创造更大的经济效益和社会效益,是真正的“资源节约型”工艺技术。

  (3)燃烧介质预热后带入的物理热比同样数量的化学热更有用。这是因为燃烧介质预热后烟气温度下降,热效率提高,或者烟气带走的热量与不预热时相同,回收的热量更有价值。

    热风炉的大型化、多样化、高效化

    1 顶燃式热风炉的跨越式发展

  近10年来,顶燃式热风炉在我国的广泛应用突飞猛进,一方面,在总结过去经验的基础上,自主研制开发出了多种多样的结构形式,大胆应用;另一方面,引进国外先进技术,都取得了可喜的结果。顶燃式热风炉具有诸多优点被人认同。

  80年代初,我国首钢新2#高炉(1327m3)4座顶燃式热风炉的工业应用,在国内引起不小的震动。邯钢、石家庄高炉十几座顶燃式热风炉,湖南冷水江3号高炉有1座新型顶燃式热风炉。个别小厂也有采用顶燃式热风炉。后来的球式热风炉把顶燃式推进了一大步,国内一些钢铁厂看准了它的潜质,纷纷采用并自主研究开发。目前球式热风炉已成功地应用在1327m3级的高炉上。现在,多种多样的顶燃式热风炉在我国得到了广泛采用。

    1) 卡鲁金顶燃式热风炉迅猛发展  这种结构的热风炉已在俄罗斯和乌克兰冶金工厂的1386~3200m3的高炉上建造使用。俄罗斯卡鲁金(Kalugin)顶燃式热风炉在我国迅速得以应用。例如,莱钢750m3、1880m3,济钢3座1750m3,淮钢两座450m3,青钢两座500m3,迁安连城两座480m3,国丰两座1800m3,首秦1160m3、2200m3,天钢3200m3,湘钢2200m3,安钢2800m3,唐钢3200m3和重钢高炉热风炉都采用此结构形式的热风炉。鞍钢2580m3和首钢曹妃甸5500m3高炉热风炉拟采用俄罗斯卡鲁金顶燃式热风炉。

    2) 球式热风炉的普遍应用  球式热风炉也可划为顶燃式热风炉的一种,球式热风炉的体积小,结构简单,材料用量大大少于内燃式热风炉,从而大大节省了投资。在河北新丰、广西柳钢、江苏兴澄和四川威远等许许多多中小高炉得到很好的应用。目前球炉已成功地应用在1327m3级的高炉上。

    3) 其他顶燃式热风炉的崛起  在国内,武汉宏图、承德鸿博、中冶全泰、新兴铸管等也开发出了具有自主知识产权的旋流、旋切流顶燃式热风炉,得到了很好的应用。

    2 达涅利霍戈文高风温长寿热风炉的应用

  达涅利霍戈文(Hoogovens)热风炉集多项科学技术研究成果与一身,自1969年问世以来,迄今为止已在十几个国家的几十座高炉推广应用。该热风炉具有结构合理、投资省、占地少、热效率高、风温高、寿命长等优点。

  国内20世纪70年代开始研究开发,称之为高温改造内燃式。限于当时的技术水平和耐火材料的成本,没有很好地解决燃烧器、隔墙和送风系统等问题而“搁浅”。当时进行的1300℃高风温试验也是短期的,付出的代价是昂贵的。刮了一阵“高温改造内燃式”风之后,不得不重新考虑引进真正的“霍戈文高温长寿热风炉”。

  武钢4号2200m3(2001年)、5号3200m3(1991年)、6号3200m3、7号3200m3,鞍钢11号2580m3(2001年)、鞍钢新1号3200m3(2001年)、唐钢2560m3(1998年)、2000m3、首钢1726m3、太钢1200m3、攀钢1260m3(1996年)和上钢一厂2500m3(1999年)、邯钢新建两座3200m3(2006年)等高炉均采用此种结构形式热风炉。平均风温达到1150~1200℃。

    3 大型外燃式热风炉稳定运行

  外燃式热风炉是内燃式热风炉的进化与发展。本钢5号高炉热风炉为地得式。鞍钢6号高炉热风炉(AW-Ⅰ),实际为通常所说的马琴——派根司特(Martin and Pagenstecher)外燃式,鞍钢7号(AW-Ⅱ)、10号高炉、宝钢所有热风炉都是新日铁式(NSC:Nippon Steel Corporation)外燃式。

  值得一提的是,鞍钢6号高炉(1050m3)热风炉(AW-Ⅰ)1976年投产,是我国第一座外燃式热风炉,虽然经过几次凉炉、再生产和更换燃烧器、格子砖,但确切地讲,双拱顶及连接管,大墙与炉壳,至今已工作整整30年,可谓是我国的长寿热风炉。后来不久,鞍钢自主研究开发的7号高炉(2580m3)热风炉(AW-Ⅱ)参照新日铁外燃式也的确早于宝钢,也一直沿用至今。20世纪80年代初,宝钢引进了真正的新日铁外燃式。虽然应用了大量的高热值煤气等不利因素,但确实长时间地实现了1200℃以上的高风温和长寿,已引起国人的关注。鞍钢10号高炉(2580m3)、太钢4350m3、马钢两座3600m3等大型高炉热风炉都仍然采用新日铁式外燃热风炉。鞍钢鲅鱼圈新建4038m3高炉拟采用PW公司大型地得外燃式热风炉。

    热风炉的烘炉、保温与凉炉技术

    1 高炉和热风炉的烘炉技术

  鞍钢6号高炉硅砖热风炉是我国第一座硅砖热风炉,当时采取的烘炉方式是成功的。后来国内陆续采用的硅砖热风炉的烘炉都取得了成功,探索出非常宝贵的操作和维护经验。由天津长冶热能设备有限公司研制开发成功的内燃式烘炉器是近10年来广泛采用的一种烘炉专用设备。用于高炉、热风炉、加热炉和其它工业炉窑的烘烤。该烘炉器使用油或燃气,烘炉时火焰不直接接触耐火砌体。经配风,调节温度后喷入炉窑,确保烘炉曲线的完整性。结合用户的需要,采用烘炉器烘炉已经取得了较好的经济效益和社会效益。通过与启动高炉鼓风机烘炉比较,该方法是既节约大量电费又获得高质量的好方法,近10年来,采用该方法为国内外各大钢铁公司烘烤(128~2500m3)高炉及热风炉已达百余座。

  目前,各种不同类型的炉子,各种不同种类的耐火材料,各种不同类型的燃烧介质都能够很好地解决烘炉问题。

    2 硅砖热风炉的长周期保温技术

  热风炉的保温,重点是硅砖热风炉的保温,是在高炉停炉或热风炉需要检修时。如何保持硅砖砌体温度不低于600℃,而废气温度又不高于400℃。根据停炉时间的长短与检修的部位和设备,可采用不同的保温方法。鞍钢首先采用的这种燃烧加保持炉顶温度、送风冷却、控制废气温度的作法称之为“燃烧加热、送风冷却”保温法。这种保温方法是硅砖热风炉保温的一项有效措施。不管高炉停炉时间多长,这种方法都是适用的。

  鞍钢10号高炉(1994年)新旧高炉转换,停炉期间,对硅砖热风炉采用“燃烧加热/送风冷却”方法,保温138天,效果非常好。宝钢1号高炉热风炉也成功地进行了硅砖热风炉的长周期保温。

    3 硅砖热风炉凉炉再生产技术

  硅砖热风炉的凉炉:硅砖具有良好的高温性能和低温(600℃以下)的不稳定性。过去,硅砖热风炉一旦投入生产,就不能再降温到600℃以下,否则会因突然收缩,造成硅砖砌体的溃破和倒塌。经国内外大量的试验研究,硅砖热风炉的凉炉,大体上有两种方法:自然缓慢凉炉和快速凉炉。

  硅砖热风炉用自然缓冷凉炉是成功的,但由于工期的关系,自然缓冷来不及,还要做快速凉炉的尝试。鞍钢1985年在6号高炉硅砖热风炉上进行了快速凉炉的试验,用14天将炉子成功地凉下来。并成功地反复再生产。快速凉炉是非常成功的,打破了“硅砖热风炉一命货”的论点,说明硅砖热风炉快速凉炉是可行的,预示了“硅砖热风炉跨代使用”的可能性和必然性。

    相关行业的进步起到了助推作用

    1 冶金设备制造技术的进步

  冶金设备制造技术的进步为热风炉技术的发展起到了关键性的助推作用。高温热风阀的引进、研发和推广应用解决了高风温热风炉阀门的寿命问题。各种不同类型的波纹膨胀器的应用,解决了热风管道膨胀问题。抗晶间应力腐蚀钢板的研制成功为高风温创造了有利条件。

    2 耐火材料的大幅度进步

  具有自主知识产权的各种不同类型、不同材质的耐火材料给热风炉按不同温度区间选择不同材质的耐火材料提供了广泛的选择空间和可靠保证。
  各种不同类型结构形式的热风炉高温区采用的硅砖和低蠕变高铝砖,重要部位所需的堇青石、莫来石砖,各交叉口采用的组合砖都能自主设计、制造和砌筑,并达到一个相当高的水平。

    3 耐火砌体涂覆高辐射材料

  最近,济南慧敏科技开发的新型高辐射材料——微纳米高温远红外节能涂料在各种工业炉窑上广泛应。该高辐射新材料工作温度:300~1810℃;适合燃气、煤、油、电等各种燃料种类,可缩短升温时间;降低排烟温度;提高炉温及炉温均匀度,燃料燃烧充分;提高热效率,提高工效5%~15%;保护炉衬,延长炉窑使用寿命;节能5%~20%。可用于锅炉、工业电炉、均热炉、陶瓷窑炉、石油化工行业的加热炉、裂解炉、冶金热风炉、球团竖炉、轧钢加热炉等各种工业炉窑的节能。

  这种远红外涂料具有节能作用自20世纪50年代就被专家确定;70年代国外有产品面世;80年代国内有产品面世;半个世纪没有得到全面推广,其原因是施工工艺没有得到良好解决。该材料发射率0.91~0.93;耐火度大于1800℃;附着力2级以上;抗热振性1200℃;室温10次以上无脱落;粒度25~780nm。该项新材料自发明问世以来,迅速在各种炉窑上应用,如济钢、莱钢、邯钢、青钢、长治、鞍钢。经检验部门检测及用户使用,该产品粘接力强,高温使用不易开裂、脱落,使用寿命长,主要技术指标达到了国际先进水平。

    基础理论与应用研究起到了支撑作用

  2005年9月 “高风温长寿热风炉研讨会”在秦皇岛召开,知名教授、博士以及从事热风炉研究和操作的专家学者聚集一堂,一致认为,提高我国风温水平是使我国由炼铁大国向强国转变的重要标志之一。并提出热风炉的设计和操作应首先把1250℃的风温作为近期目标,把1400℃的风温作为我们进入强国的研究目标。目前,一大批科研人员长期不懈的努力,解决了众多不同层面的技术关键和研究开发出了具有国际先进水平和实用价值的新工艺、新技术、新材料,都取得了显著的经济效益。

    1 热风炉传热过程数学模型的发展

  在我国,对热风炉蓄热室传热模型的研究与应用方兴未艾。一些文献从不同侧面对热风炉操作与控制进行了积极探索,其中,有些模型已应用于实践。张宗诚、苏辉煌应用热风炉不稳定态传热的数学模型较准确地计算出了热风炉内格子砖和气体沿着高度方向随时间变化的温度分布。从而为预测热风温度、废气温度、送风时间和热效率,以及分析各种不同操作制度下的热工特征和选择最佳的设计与操作制度提供了可靠的手段。张建来根据热平衡方程及若干经验公式建立了热风炉热量控制燃烧数学模型,其要点是以热量控制热风炉的燃烧,根据下一周期的加热风量、风温来确定所需要的煤气化学热,以达到最佳燃烧。数学模型的建立为计算机有效控制燃烧提供了基础模型。根据不同的送风模型进行送风调节,获得了满意的结果。此外,热风炉换炉的自动控制系统、自寻最优化控制都是建立在不同的数学模型基础上的。宝钢高炉热风炉数学模型应用20年的实践证明,用数学模型控制热风炉燃烧及有关操作制度,选择合理的热工参数,及时调整控制变量,可以达到节约能源、提高风温的效果。由此可见,可靠的数学模型对于热风炉的自动化操作和节能增效是十分有益的。

    2 燃烧器冷态、热态模型实验研究

  热风炉由于空气预热温度较高,使陶瓷燃烧器工作条件恶化,且易产生脉动燃烧。为解决这个问题鞍山钢铁学院的教授们与现场结合专门进行了陶瓷燃烧器的冷态、热态试验。在热态模型上测量了不同燃烧能力、不同空气预热温度时燃烧室内温度分布、废气成分、火焰长度及燃烧稳定性等。为开发能适应热风炉不同工况下陶瓷燃烧器提供了依据并找到了解决燃烧振动的方法。并利用这一热态模型为上钢一厂、昆钢等做了专项试验研究,取得成功。

    3 烟气和冷风均配技术

  气流在热风炉内的行为,早已引起人们的注意。20世纪70年代初,前苏联与前联邦德国分别对此做了模拟试验研究。近年来,我国也做了大量工作,并已着手采取措施改善气流在蓄热室内的分布。 20世纪80年代,武汉冶金建筑研究所研制成功“热风炉冷风均匀配气装置”。它是由气流整流器和数个阻流导向板组成。气流整流器安装在冷风入口的内侧,其作用是整流和均匀分流,阻流导向板安装在蓖子下空间,通过阻挡和导向破坏涡流,均匀分布气流。这一技术已成功地应用于攀钢3号高炉和鞍钢9号高炉,收到了良好效果。

  北京科技大学、包头钢铁学院的许多研究人员采用计算机模拟的方法也成功地解析了热风炉气流分布不均的实际状况,并提出了解决问题的方法,得以应用。

    4 生态热风炉与绿色热风炉的建设

  在利用冶金工厂产生的二次能源,大力推动循环经济的同时,努力建设“资源节约型、环境友好型”社会。在控制温室气体排放方面,热风炉还有大量工作要做[7。生态热风炉与绿色热风炉的主要特征为:(1)使用低热值煤气作为主要燃料,经工艺转化后以低价值的高炉煤气获取高价值的高温热量。减少煤气的放散量,节省昂贵的高热值煤气供给更急需的部门,达到能源合理配置,创造更大的经济效益和社会效益,真正做到“资源节约型”工序;(2)实现系统优化、合理燃烧;(3)烟气余热尽最大努力回收利用,如首先采用金属换热器预热煤气和助燃空气;其次,还是这部分烟气供煤粉车间作为干燥、惰化气;再次,供解冻库作为热气源用等;(4)开发减排温室气体总量的有效措施和相关技术。

    结语

  随着高炉炼铁技术的快速发展,高炉热风炉的选择范围越来越大。大型化、多样化、高效化,大大缩小了我们与世界先进水平的差距。一大批炼铁及相关专业科技工作者开发出了一系列世界水平的具有自主知识产权的领先技术,填补了国内外热风炉技术的空白,引起世人关注。1200℃高风温热风炉技术的进步与发展,是20多年来广大高炉热风炉工作者不懈努力的结果。霍戈文高风温热风炉的引进、大型外燃式热风炉(地得式、新日铁式)或大型外燃式热风炉加辅助小热风炉的组合、顶燃式热风炉(俄卡鲁金顶燃式的引进、球式顶燃式、旋流、旋切顶燃式的开发)、大型外燃式热风炉自身预热式在大型高炉上的成功应用、高炉热风炉烟气余热预热助燃空气和煤气技术及其附加加热换热技术组合等都取得了高风温的实效。


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