特大型高炉超高风温顶燃式热风炉技术的研究与应用
2014-08-19 19:59 来源：钢联资讯 作者：李欣
1.技术研发背景
提高风温是高炉炼铁的关键技术，是强化冶炼、降低焦比、增加产量的有效措施，是高炉炼铁技术发展循环经济的重要技术途径。特大型高炉达到≥1300℃超高风温，存在诸多重大技术难题，关键技术被国外公司垄断。如何在全烧高炉煤气条件下实现1300℃超高风温，如何确保管系在高温高压条件下稳定可靠工作等，都是业内人士一直研究和探索的技术难题。
首钢国际工程公司早在20世纪70年代成功设计应用了首钢顶燃式热风炉后，一直致力于顶燃式热风炉的技术改进和研发工作，有着丰富的顶燃式热风炉设计经验。首钢国际工程公司技术团队针对首钢京唐5500m3特大型高炉总体设计要求，通过对不同形式的热风炉进行综合比较，多方听取专家学者的意见建议，并多次技术论证，认为依托首钢在顶燃式热风炉设计使用上的丰富经验，积极吸收国内外先进技术，在5500m3特大型高炉上设计投产新型顶燃式热风炉是完全可行的，但要针对燃烧器、蓄热室、预热工艺、管系等关键技术和设备进行攻关，确保在特大型高炉上利用新型顶燃式热风炉长期稳定的实现超高风温。
最终，通过技术团队的努力，首钢国际工程公司拥有多项专利的特大型超高风温顶燃式热风炉技术终于成功应用到了首钢京唐5500m3特大型高炉上。该技术采用顶燃式热风炉，全烧高炉煤气实现了1300℃超高风温，以动态精准设计体系为手段，研发应用了特大型顶燃式热风炉技术、两级双预热技术、低应力无过热管系技术等多项关键技术集成，取得授权专利8项，其中发明专利5项。同时，特大型超高风温热风炉关键技术研究与应用获北京市科学技术一等奖。
图1 首钢京唐特大型高炉顶燃式热风炉实景
2 新型顶燃式热风炉技术原理和研究过程
2.1 新型顶燃式热风炉理论研究
热风炉是典型的蓄热室热交换器，其热交换过程具有周期性和非稳态的特点，因此对热风炉蓄热放热的研究应以非稳态热交换理论为基础，建立热风炉蓄热室非稳态热交换方程组，利用数值计算方法求解。
自主研发了热风炉燃烧和传热计算程序，可根据不同工况条件和操作制度，优化热风炉蓄热面积和结构尺寸，大大提高了设计效率和设计精准性。
2.2 新型顶燃式热风炉计算流体力学研究
用CFD技术（计算流体力学技术）进行模拟计算，针对特大型高炉新型顶燃式热风炉的结构形式，建立三维模型，优化燃烧器结构形式，合理设置助燃空气和煤气的烧嘴布置，使燃烧产生的高温烟气形成均匀有序的旋流流场，使蓄热室被均匀加热，提高其利用率，实现高效换热。
利用CFD技术优化设计新型顶燃式热风炉，从理论研究的层面确保热风炉及其燃烧器能够满足特大型高炉超高风温的工作要求，确保CO完全燃烧，炉内温度分布均匀，产生均匀有序的高温烟气旋流流场，均匀进入蓄热室，充分发挥蓄热室的储热放热功能。
2.3 新型顶燃式热风炉冷态实验研究
为研究掌握不同喷口形式对热风炉内部流场分部的影响规律，根据相似定律，搭建了新型顶燃式热风炉冷态实验模型，通过测定不同喷口处的气体流速，检验气体分配的均匀性；通过测量冷态模型内部的速度、压力、温度，对数值模拟的计算结果进行验证；通过调整空煤气的喷口形式和角度，结合实验和计算机模拟，找出适用于实际热风炉的规律；根据测定的压力损失，推算实际热风炉的压力损失。
2.4 新型顶燃式热风炉热态实验研究
热风炉燃烧器热态模拟试验是针对新型顶燃式热风炉设计搭建的热态实验平台。按照实际热风炉的工艺流程，建设两座高效旋流扩散式顶燃热风炉，采取一烧一送的工作制度。热风炉的燃烧室和蓄热室内布置了若干热电偶，可详细掌握不同部位，不同工作状态下的温度变化情况，结合压力检测和烟气成分检测，分析得出炉内流场分布状况和燃烧状况等。热态实验台的搭建，为深入研究顶燃式热风炉燃烧器，开发检验新型格子砖，研究掌握格子砖燃烧/送风期的吸热/放热规律等创造了条件。
通过热态实验，得到了热风炉内部不同高度，不同区域在燃烧期和送风期的温度分布，绘制出了热风炉温度场分布，对特大型高炉超高风温热风炉的理论计算结果进行了验证，实验结果表明，新型顶燃式热风炉内部温度分布均匀，蓄热室得到了充分而均匀的加热。
2.5 新型顶燃式热风炉冷态测试
京唐新型顶燃式热风炉完成施工后，在首钢京唐钢铁联合有限责任公司炼铁部的配合下，北京首钢国际工程技术有限公司组织专人对新型顶燃式热风炉进行了冷态测试。
通过对燃烧器喷口、喉口、蓄热室上部、蓄热室下部等部位进行冷态测试，并与冷态流场计算结果相比较，证明该燃烧器形成的流场是基本均匀的，与计算结果一致；蓄热室自身具有气流再分配性，能够消除进入格子砖前的局部速度不均匀区。
2.6 新型顶燃式热风炉系列设计程序开发
为提升设计质量，提高设计效率，实现工艺组合和产品最优化，首钢国际工程公司自主开发了多款针对热风炉设计计算程序，形成系列自主知识产权。
系列程序包括热风炉燃烧和传热计算程序，热风炉耐火材料优选程序，热风炉系统阻力损失分析计算程序等，提升了企业核心竞争力。
3 全烧低热值高炉煤气实现1300℃超高风温技术开发
3.1 特大型高炉全烧低热值高炉煤气实现超高风温工艺设计
在选取何种工艺技术路线以获得1300℃高风温的问题上，首钢国际工程公司多方考察，计算比较，同时结合首钢京唐钢铁厂的整体规划逐一分析现有预热工艺的特点和可行性。
两级双预热技术作为完全拥有自主知识产权的新一代高效利用低品质能源技术，有着设备维护量少，可靠性强，寿命长（与热风炉寿命相同）等优势，创新结合热管换热器回收烟气余热，将煤气和助燃空气低温预热至200℃左右，再将助燃空气高温预热至600℃，既提高了热风炉系统的整体热效率，也完全可以在全烧高炉煤气的条件下实现1300℃的高风温。
3.2 多用途热风炉助燃空气高温预热系统开发
在两级双预热技术取得成功后，针对高炉大修改造的特点，自主开发出多用途热风炉助燃空气高温预热系统。这是一种可应用于新建高炉项目或高炉大修改造项目的高温预热工艺流程。针对不同工程的具体要求，合理安排施工顺序，充分利用旧有设施，预热炉在不同的施工阶段完成不同的工艺任务，确保将热风炉改造对高炉产生的影响减小到最低。正式投产后，该工艺流程可确保热风炉系统在全烧高炉煤气的条件下为高炉稳定提供1250℃以上的高温热风。
4 特大型高炉热风炉系统无过热低应力关键技术开发
4.1 热风炉系统全三维设计
热风炉系统的主要管道包括热风管、冷风管、混风管、煤气管、空气管及烟道等，还有各种小管道，管系复杂。为合理布置各种管路，优化设计，同时避免管路碰撞，提高设计效率，首次在热风炉设计领域引入全三维设计，提升设计质量.
图2 热风炉系统全三维设计
4.2 热风炉全炉壳应力分析
热风炉炉壳工作期间，始终要承受周期性的压力变化，应力计算十分复杂。而热风出口又是热风炉的关键部位，是一个薄弱环节，处理不好极易出问题。为确保热风炉炉壳安全、可靠、长寿工作，同时合理选择炉壳钢板厚度，避免不必要的浪费，利用计算软件对炉壳进行全应力计算，根据计算结果，选择合理的钢板厚度。此外，着重对热风出口等易出现问题的地方进行进一步分析计算，根据应力分布及变形量确定加强措施，保证热风炉安全、可靠、长寿工作。
4.3 热风炉非对称矩形布置
对热风炉工艺布置进行针对性设计研究，结合已有的矩形布置经验，设计开发了新型顶燃式热风炉矩形布置结构。这种新型的热风炉矩形工艺布置结构工艺紧凑合理，流程短捷顺畅，能够满足特大型高炉热风炉系统工艺布置的要求。其特点是4座热风炉采用非对称矩形布置结构，将热风竖管设置在4座热风炉形成的矩形区域之外；设置单独的热风炉炉体框架，用以独立支撑工艺管道和阀门等设备；设置一台普通桥式起重机就可满足热风炉区的所有设备检修要求。
4.4 热风炉无过热低应力管系设计
热风炉系统的热风支管、总管、环管是高温、高压管道，是热风炉管道设计最复杂的管系。热风管道是实现高风温的重要环节，是稳定输送高温热风的保障。结合首钢京唐5500m3高炉热风炉的设计实践，建立低应力管道设计体系。加强体系受力分析计算，合理设计管道、波纹膨胀器、管道支架、管道拉杆，使整个热风管道成为低应力体系。通过对热风管道系统进行优化设计，使之满足1300℃以上风温的要求。
创新应用新型拉杆结构，将热风总管与热风炉作为一个受力体系，热风支管波纹补偿器所产生的内压反力和热膨胀力被拉梁克服，不会传递到热风总管。将热风支管的波纹补偿器设置在热风阀与热风总管之间，使其压力与热风总管内压力一致，总处于受压状态，避免了送风期与燃烧期的压力波动造成的疲劳破损；在热风总管端部设置压力平衡式波纹补偿器；对管道支架进行优化选择，为热风管道的稳定工作提供可靠的保证。
5 生产实践与使用业绩
首钢京唐钢铁厂1号5500m3特大型高炉于2007年8月完成全部施工图设计，2009年5月21日竣工投产，热风炉系统由4座新型顶燃式热风炉，2座助燃空气高温预热炉，1座混风炉及其他附属设备组成，设计风温1300℃，采用两烧两送交错并联的工作制度。热风炉系统利用低温热管换热器回收烟气余热，同时对高炉煤气和助燃空气进行低温预热，利用助燃空气高温预热炉将助燃空气高温预热，保证单烧高炉煤气即可为高炉稳定提供1300℃的高温热风。自2009年5月21日1号高炉开炉以来，热风炉系统运行情况良好，完全能满足1300℃的送风条件，特别是在1座热风炉检修情况下，风温能长期保持1280℃，为高炉降低焦比创造有利条件，在目前焦炭资源匮乏，价格不断攀升的条件下，为企业创造了巨大的经济效益和显著的社会效益、环境效益。
继首钢京唐钢铁厂2座特大型高炉新型顶燃式热风炉成功应用后，首钢国际工程公司相继承揽了宣钢、文水海威、通钢、涟钢、迁钢等多座热风炉项目的总承包或设计工作，业绩涵盖了1000-5500m3的各级高炉（见表1），其中既有新建项目，也有大修改造项目。
表1 超高风温热风炉技术生产实际应用业绩
|
序号
|
工程名称
|
炉容/m3
|
设计能力/Mt/a
|
投产时间
|
服务方式
|
|
1
|
首钢京唐1号高炉工程
|
5500
|
4.5
|
2009.05
|
设计及干法除尘系统与炉顶设备总承包
|
|
2
|
首钢京唐2号高炉工程
|
5500
|
4.5
|
2010.06
|
设计及干法除尘系统与炉顶设备总承包
|
|
3
|
宣钢3号高炉大修改造工程
|
2000
|
1.6
|
2011.06
|
设计及工程总承包
|
|
4
|
山西文水海威1号高炉工程
|
1380
|
1.16
|
2013.01
|
设计及工程总承包
|
|
5
|
涟钢8号高炉工程
|
2800
|
2.6
|
2013.03
|
设计
|
|
6
|
通钢新2号高炉热风炉工程
|
2680
|
2.2
|
预计2013.10
|
设计及工程总承包
|
|
7
|
首钢迁钢1号新增加热风炉及预热炉工程
|
2650
|
2.2
|
2012.11
|
设计及干法除尘系统总承包
|
|
8
|
首贵特钢1号高炉工程
|
2280
|
1.8
|
预计2014.06
|
设计及工程总承包
|
6新型顶燃式热风炉研发团队
在首钢国际工程公司副总经理、教授级高工张福明的带领下，经过多年的技术开发和总结应用，目前，公司已经形成了以炼铁室主任、教授级高工毛庆武，炼铁室主任助理、教授级高工钱世崇，炼铁室主任工程师、高级工程师姚轼，高级工程师梅丛华和倪苹等专家为核心，高级工程师范燕，工程师李欣、许云、银光宇等人为骨干的热风炉设计团队。
首钢国际工程公司技术研发团队将采用三维建模、三维设计、运动动力学计算机仿真、有限元计算和流场分析等国际先进的三维数字化精准设计方法，对高风温技术继续进行突破创新，使这项技术始终保持在国际领先水平。公司技术团队正按照“引领绿色钢铁未来”追求，以先进的首钢超高风温技术竭诚为社会各界提供最优质的服务，为开创我国冶金技术新的飞跃发展，做出更大的贡献。（撰稿人 李欣）
