首钢京唐5500m3高炉BSK顶燃式热风炉设计研究-炼铁技术炼钢技术

冶金之家网站首钢京唐5500m3高炉BSK顶燃式热风炉设计研究张福明，梅丛华，银光字(北京首钢国际工程技术有限公司)摘要：介绍了首钢京唐钢铁厂5500m3高炉BSK顶燃式热风炉的设计创新。优化集成了特大型顶燃式热风炉工艺；研究开发了助燃空气两级高温预热技术和顶燃式热风炉高效陶瓷燃烧器。关键词：高炉；顶燃式热风炉；高风温；陶瓷燃烧器首钢京唐钢铁厂是中国在21世纪建设的具有国际先进水平的新一代钢铁厂。钢铁厂建设2座5500m3高炉，年产生铁898．15万t／a。这是中国首次建设5000m3以上的特大型高炉，在全面分析研究了国际5000m3以上的特大型高炉技术的基础上，积极推进自主创新，自主设计开发了无料钟炉顶设备、煤气全干法布袋除尘工艺、高炉高效长寿综合技术、顶燃式热风炉、螺旋法渣处理工艺等一系列具有重大创新的先进技术和工艺装备。高风温是现代高炉炼铁的重要技术特征。提高风温可以有效地降低燃料消耗，提高高炉能量利用效率。设计中对改造型内燃式、外燃式、顶燃式3种结构形式的热风炉技术进行了研究分析，在首钢顶燃式热风炉技术和卡鲁金式顶燃式热风炉技术的基础上，综合2种技术的优势，设计开发了BSK(BeijingShougangKalugin)型顶燃式热风炉技术，将顶燃式热风炉技术首次应用在5000m3级特大型高炉。1热风炉工艺技术研究1．1优化集成顶燃式热风炉工艺技术高炉设计中对当时世界上已建成投产的13座5000m3以上的特大型高炉工艺技术装备和生产运行状况进行了综合研究分析。国内外4000m3级的大型高炉主要采用外燃式热风炉，仅有个别高炉采用内燃式热风炉；5000m3以上的特大型高炉全部采用外燃式热风炉；全世界4000m3以上的高炉尚无采用顶燃式热风炉的应用先例。顶燃式热风炉将燃烧器置于拱顶部位，利用热风炉的拱顶空间进行燃烧，取消了独立设置的燃烧室，其结构对称、温度区间分明、热效率高、占地少，是一种高效节能长寿型热风炉，是热风炉技术的发展方向。20世纪70年代，首钢开始研究开发顶燃式热风炉技术。最初在23m3的试验高炉上进行顶燃式热风炉工业化试验并获得成功，70年代末期，将顶燃式热风炉技术应用在首钢2号高炉(1327m3)，在世界上首次实现了大型高炉顶燃式热风炉的工业化应用。90年代初期，首钢又将顶燃式热风技术相继推广应用到首钢2号(1726m3)、4号(2100m3)、3号(2536m3)、1号(2536m3)高炉上。历经30多年的持续研究创新，顶燃式热风炉技术已成为首钢具有完全自主知识产权的原始创新技术，在生产实践中取得了显著的技术经济效益。20世纪80年代，前苏联冶金热工研究院开发了一种顶燃式热风炉，于1982年在下塔吉尔冶金公司的1513m3高炉上建成应用。在这种顶燃式热风炉获得成功应用的基础上，该技术的创造者卡鲁金对这种顶燃式热风炉拱顶和燃烧器结构进行了技术改进和优化，形成了小拱顶结构的顶燃式热风炉，并将其命名为卡鲁金型顶燃式热风炉，这种卡鲁金型顶燃式热风炉技术在俄罗斯和乌克兰10余座1386～3200m3高炉上得到应用。首钢京唐5500m3高炉设计研究中，将首钢顶燃式热风炉技术和卡鲁金顶燃式热风炉技术体系结合一体，集成2种技术的优势，进一步优化创新，设计开发了适用于特大型高炉的BSK(BeijingShougangKalugin)顶燃式热风炉技术，在国际上首次将顶燃式热风炉技术应用在5000m3级特大型高炉上。BSK顶燃式热风炉兼具首钢型和卡鲁金型顶燃式热风炉的技术优势，其主要技术特征是：1)顶燃式热风炉的环形陶瓷燃烧器设置在热风炉拱顶部位，具有广泛的工况适应性。可冶金之家网站以满足煤气和助燃空气多工况条件的运行，而且燃烧功率大、燃烧效率高、使用寿命较长。环形陶瓷燃烧器采用了特殊的旋流扩散燃烧技术，保证了空气和煤气的充分混合和燃烧，提高了理论燃烧温度和拱顶温度。2)利用拱顶空间作为燃烧室，取消了独立的燃烧室结构，加强了炉体结构的热稳定性。陶瓷燃烧器设在拱顶部位，高温烟气在旋流状态下分布均匀，有效地提高了高温烟气在蓄热室格子砖表面的均匀性和传热效率。3)蓄热室采用高效格子砖，适当缩小格子砖孔径，提高格子砖的加热面积，提高了热风炉传热效率。4)利用热风炉烟气余热预热煤气和助燃空气，助燃空气再经预热炉预热至520℃以上，在采用单一高炉煤气作为燃料的条件下，可以使风温达到1300℃。5)热风炉高温、高压管路系统采用低应力设计理念，通过管道体系和耐火材料结构优化设计，可以实现1300℃高温热风的稳定输送。首钢京唐5500m3高炉配置了4座BSK型顶燃式高风温长寿热风炉，设计风温为1300℃，拱顶温度为1420℃，热风炉高温区采用硅砖，设计寿命25a以上。热风炉燃料为单一高炉煤气，采用烟气余热回收装置预热煤气和助燃空气，配置2座小型顶燃式热风炉单独预热助燃空气，可以使助燃空气温度达到520℃以上。热风炉高温阀门采用纯水密闭循环冷却，热风炉系统燃烧、送风、换炉实现自动控制。4座热风炉正常工作时，采用两烧两送交错并联送风模式，在使用高炉煤气作为燃料的条件下，风温可以达到1300℃；在三烧一送和两烧一送的工况条件下，风温也可以达到1250℃。1．2设计开发助燃空气高温预热技术为使热风炉在燃烧单一高炉煤气条件下实现1300℃高风温，系统研究了提高热风炉理论燃烧温度、拱顶温度和热风温度的综合技术措施，在首钢助燃空气高温预热技术的基础上，设计开发了高效长寿型煤气、助燃空气2级预热技术。其主要技术原理是：采用分离式热管换热器，回收热风炉烟气余热预热煤气和助燃空气，经过预热后的煤气和助燃空气温度可以达到200℃左右，此过程被称为一级双预热；设置2座蓄热式助燃空气高温预热炉，用于预热助燃空气将其温度提高到520℃以上。助燃空气预热炉采用的煤气和助燃空气均经过热管换热器一级预热，预热炉拱顶温度可以达到1300℃，2座预热炉交替工作，用来加热热风炉燃烧使用的一部分助燃空气，助燃空气经过预热炉加热后温度可达1200℃，再通过与一级预热后的助燃空气混合，使混合后的助燃空气温度控制在520～600℃，此过程称为二级预热。这种工艺是一种自循环预热流程，显著地提高了助燃空气、煤气的物理热，可以使热风炉拱顶温度提高到1420℃甚至更高，从而可以有效地提高送风温度，热风炉系统总体热效率得到显著提高。2燃烧室结构优化研究2．1优化拱顶设计结构拱顶是顶燃式热风炉的关键部位，拱顶结构设计的难点是要将陶瓷燃烧器和拱顶结构结合为一体，解决拱顶在热风炉燃烧、换炉、送风交替工作条件下的结构稳定性问题。BSK顶燃式热风炉炉体采用将拱顶和大墙砖衬脱开的自由膨胀结构，拱顶砖衬独立支撑在拱顶炉壳的托砖圈上。拱顶砖衬和大墙砖衬之间设有用陶瓷纤维填充的迷宫式滑移膨胀缝，可以吸收大墙受热产生的膨胀位移，使大墙与拱顶可以自由胀缩。这种自由滑动的设计结构增强衬的热膨胀量，消除了各孔口砖衬由于热膨胀产生裂缝而造成的漏风和窜风。2．2环形陶瓷燃烧器结构BSK顶燃式热风炉采用锥形拱顶，在拱顶的顶部中心区域设置环形陶瓷燃烧器。环形陶瓷燃烧器由煤气环道、助燃空气环道、煤气喷口、助燃空气喷口和预混室组成。环形陶瓷燃烧器与拱顶砌体采用相互独立的砌筑结构，环形陶瓷燃烧器的砌体由拱顶炉壳独立支撑，冶金之家网站与拱顶砖衬砌体完全脱开，采用迷宫式密封结构，防止热膨胀应力破坏砖衬。陶瓷燃烧器采用高温综合性能优良的红柱石砖。2．3陶瓷燃烧器几何结构优化拱顶是顶燃式热风炉的燃烧空间，为充分利用拱顶空间，使煤气燃烧完全，并使高温烟气在蓄热室格子砖内均匀分布，采用了旋流扩散燃烧技术。环形陶瓷燃烧器的煤气、助燃空气喷口沿圆周切线方向布置，2环煤气喷口设置在燃烧器的上部并呈向下的倾角，2环助燃空气喷口设置在燃烧器的下部并呈向上的倾角，使喷出的气流以一定的速度在预混室内交叉混合并向下旋流，强化了煤气与助燃空气的扩散混合，以实现煤气完全燃烧。为实现烟气的均匀分布，设计了合理的环形陶瓷燃烧器预混室与锥形拱顶的几何结构，通过烟气流在拱顶空间内的收缩、扩张、旋流、回流而实现煤气的完全燃烧和高温烟气的均匀分布。3蓄热室结构设计优化3．1确定合理的热风炉工艺参数BSK顶燃式热风炉设计中，根据设定的入炉风量、风温、煤气条件、助燃空气条件等初始条件和边界条件，建立了热风炉燃烧计算和传热计算数学模型，经过传热计算确定蓄热室格子砖的高度和材质，设计了经济合理的蓄热面积。为抑制热风炉炉壳的晶问应力腐蚀和NO的排放，送风温度1300℃时，热风炉拱顶温度控制在1420℃，设定拱顶温度与风温差值为120℃。由于设计开发了热风炉烟气余热回收利用工艺，改进了热风炉炉箅子和支柱的材质，提高了技术性能，在炉箅子和支柱允许工作温度下，烟气最高温度设定为450℃，平均温度为349℃，为热风炉操作提高烟气温度创造了条件。3．2优化配置热风炉数量由于在国内外首次将顶燃式热风炉应用于5000m3以上特大型高炉，以热风炉系统稳定可靠运行为前提，设计配置了4座热风炉，采用交错并联送风模式，为提高风温创造了有利条件。国外生产实践证实，4座热风炉采用交错并联工作制度时，可以提高风温30℃。为实现送风温度达到1300℃以上，结合不同的热风炉工作模式，设定了合理的热风炉工作周期，适当增加换炉次数，缩短送风时间，可以降低热风炉的蓄热量，在设定格子砖温度和温差的条件下减小蓄热室容积。在4座热风炉采用交错并联送风时，燃烧时间为60min，送风时间为48min，换炉时间为12min。3．3采用高效格子砖，优化蓄热室热工参数经过研究计算和设计优化，每座热风炉蓄热面积为95885m2，蓄热室断面积为93．21m2，格子砖高度为21．48m，每座热风炉格子砖质量为2550t，单位高炉有效容积加热面积为67．73m2／m3，单位时间鼓风的加热面积为41．24m2／(m3·min)，热风炉总高度为49．22m，炉壳最大内径为12．5m，蓄热室格子砖砌体直径为10．894m。为了优化热风炉蓄热室的蓄热、加热性能，采用了直径为30mm的19孔高效格子砖，其加热面积为48m2／m3，有效地实现了蓄热室断面的气流均匀分布，缩小了热风炉直径和外形尺寸，炉体结构简化，避免了大直径拱顶结构，提高了拱顶的结构稳定性和寿命。有效地提高了格子砖蓄热、加热能力，为实现稳定的高风温创造了条件。BSK热风炉设计中，由于优化了格子砖的热工参数和设计结构，格子砖加热面积比常规格子砖提高了24％，大幅度提高了热风炉换热效率，蓄热室格子砖高度比4000m3高炉外燃式热风炉降低了13．5m，同时了减少热风炉直径，降低了热风炉整体高度，节约了工程建设投资。3．4蓄热室格子砖的优化配置BSK顶燃式热风炉设计中，经过热风炉燃烧末期蓄热室温度场计算分析，得出蓄热室在高度方向的温度分布，根据传热计算结果和耐火材料的传热特性，对格子砖配置进行了设计优化，合理设置不同材质格子砖的使用区域。冶金之家网站顶燃式热风炉不同高度部位因所处的温度区间不同，所采用的格子砖材质也不同，由上至下依次为硅质、红柱石质、低蠕变黏土质、高密度黏土质。高温区采用抗高温蠕变性能优异的硅砖，中温区采用红柱石砖和低蠕变黏土砖，低温区采用高密度粘土砖。这种耐火材料的优化配置与顶燃式热风炉传热特性相适应，可提高耐火材料经济合理的功能性，降低工程投资。在蓄热室高度方向根据蓄热室温度分布、工作环境和耐火材料特性，从上至下共设5段不同材质的格子砖。蓄热室高温区采用高温体积稳定性、抗蠕变性和耐侵蚀性优异的硅砖。高温区采用硅砖，其工作温度区间控制在800～1420℃，可有效防止硅砖的温度剧烈变化而引起的相变破损；第2段为红柱石砖；第3段为低蠕变黏土砖；第2、3段格子砖处于蓄热室高温区和低温区的过渡区间，温度变化比较敏感，因此采用抗热震性能优良的红柱石砖和低蠕变黏土砖；第4段处于蓄热室低温区，采用高密度黏土砖，以提高热风炉蓄热量；第5段采用抗压强度高、抗蠕变性能和抗热震性能优良的低蠕变黏土砖。3．5耐火材料内衬结构设计优化设计研究中对热风炉用耐火材料及砌筑结构进行了综合分析。采用高温性能、高