安耐克锥柱旋切顶燃式热风炉在鄂钢5#高炉的应用实践
2021-03-31 08:49:59
1、前言
宝武集团鄂城钢铁有限公司（以下简称鄂钢）5#高炉，有效炉容2600m³，原配置三座内燃式热风炉，2010年1月建成投产，2014年3月，其中两座内燃式热风炉出现烧炉困难、烟道升温快等现象，导致送风温度只有1000℃左右，通过分析热风炉实际运行情况，考察现场场地后，决定新增加一座顶燃式热风炉。新建热风炉期间高炉不停炉，建成后利用高炉休风期间进行各管道接口作业，新建4#锥柱旋切顶燃式热风炉和三座内燃热风炉配套运行后，送风温度提高了150℃，近5年的实践运行取得了良好的效果。
2、项目概述
新增的4号热风炉系统由中冶南方工程技术有限公司总设计，热风炉为锥柱旋切顶燃式，燃烧器由安耐克公司独立设计并供货，采用三维混合燃烧器技术，蓄热室设计为37孔d=20mm高效格子砖。热风炉燃料为高炉煤气＋焦炉煤气，热风温度≥1250℃。
2.1热风炉详细设计方案
本项目考虑了原有内燃式热风炉风的实际运行情况，新建4#热风炉采用大功率三维混合燃烧器，前期通过大量的CFD流体仿真计算，建立多个几何模型，进行非预混燃烧计算，研究了空煤气入口温度、空煤气喷口角度设置、喉口直径等对热风炉流场、温度场及CO浓度分布的影响，得出燃烧效果最佳、最适合实际工况的热风炉模型，以此确定了新增4#锥柱旋切顶燃式热风炉的各项设计参数。
表1 热风炉系统设计条件
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序号
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项目名称
|
单位
|
数值
|
|
1
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热风炉结构形式
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锥柱旋切顶燃
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|
2
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新增热风炉座数
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座
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1
|
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3
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加热风量
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Nm3/min
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5200
|
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4
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冷风压力
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MPa
|
~0.4
|
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5
|
冷风温度
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℃
|
~200
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6
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热风温度
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℃
|
≥1250
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7
|
助燃空气预热前温度
|
℃
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~20
|
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8
|
助燃空气预热后温度
|
℃
|
≥180
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9
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高炉煤气预热前温度
|
℃
|
~100
|
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10
|
焦炉煤气预热前温度
|
℃
|
~35
|
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11
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混合煤气预热温度
|
℃
|
≥180
|
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12
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热风炉燃料
|
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高炉煤气+焦炉煤气
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13
|
高炉煤气发热值
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KJ/Nm3
|
≥3200
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14
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热风炉工作制度
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两烧两送/交叉并联
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15
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送风周期
|
min
|
60
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表2 热风炉设计参数
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序号
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技术性能
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单位
|
数值
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|
1
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热风炉座数
|
座
|
1
|
|
2
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热风炉直径
|
mm
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Ø11510/ Ø10000
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|
3
|
热风炉总高度
|
m
|
~49.000
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|
4
|
热风温度
|
℃
|
1250
|
|
5
|
拱顶温度
|
℃
|
~1450
|
|
6
|
废气平均温度
|
℃
|
300
|
|
7
|
废气最高温度
|
℃
|
450
|
|
8
|
一座热风炉燃烧高炉煤气流量
|
Nm3/h
|
80000
|
|
9
|
一座热风炉燃烧焦炉煤气流量
|
Nm3/h
|
1500
|
|
10
|
一座热风炉助燃空气流量
|
Nm3/h
|
70000
|
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11
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格子砖形式
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37孔高效蜂窝格子砖
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12
|
格孔直径
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mm
|
Ø20
|
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13
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格子砖加热面积
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㎡/m3
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64
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14
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格子砖活面积
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㎡/㎡
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0.32
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15
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每座热风炉加热面积
|
㎡
|
820007
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2.2热风炉本体布置
由于新建热风炉期间高炉不停炉，新建4#热风炉不能干涉原有热风炉系统，通过对现场的考察，多方案对比，选择在现有热风炉与高炉桥架之间新建4#热风炉系统，4#热风炉与旧3座热风炉为90°夹角布置，见图1所示。
图1 热风炉布置
3、热风炉本体耐材设计
针对原内燃式热风炉燃烧器功率下降、拱顶温度低、隔墙倾斜、格子砖下沉、烟道升温快等问题，新建4#锥柱旋切顶燃式热风炉采用三维混合燃烧器、燃烧器无移位防微爆喷口结构、拱顶（燃烧室）平砌结构、致密型硅质格子砖等多项专利和专有技术。
3.1三维混合燃烧器
燃烧器为锥柱复合型结构，不仅降低了热风炉高度，更主要的是把传统顶燃炉燃烧器的平面旋流混合流场，改进为三维空间涡旋流场，空煤气混合后燃烧完全，火焰短,混合气流在经过喉口整流后形成的负压区域面积小，保证烟气进入格子砖分布均匀，格子砖截面积利用充分，更利于格子砖储存热量、放出热量获得高风温。
3.2燃烧器易吹扫防微爆无移位结构
燃烧器混合室煤气段施工采用钢模支撑整体浇注，煤气环道、煤气喷口位于锥段，顶部空间小，有利于氮气吹扫。规避了传统顶燃式热风炉因爆燃导致的喷口砖移位，避免了煤气环道氮气吹扫的煤气残余，避免了煤气喷口的爆燃。此项设计使热风炉送风、烧炉的转换更加安全高效。
3.3互锁式燃烧室平砌结构
燃烧器燃烧室为平砌结构，使砌体载荷均匀分布在水平面上，施工方便。采用四面子母扣咬合砌筑，上下左右单砖互锁，增强了耐火材料砌体的整体性和稳定性。
4、新增4#热风炉运行后使用效果
4#锥柱旋切顶燃式热风炉自2016年投产后，拱顶温度达到了1330℃-1350℃，4#热风支管上温度监测点测得送风温度可达1250℃，取得了理想的设计效果。
新建4#热风炉投产后，对原2#、3#内燃式热风炉损坏的耐材进行了抢修，并重点对隔墙用陶瓷耐磨浇注料进行浇注施工，抢修后三座内燃式热风炉拱顶温度达到了1280℃-1300℃以上，为保证高炉稳定顺行，目前4#热风炉拱顶温度控制在1300℃左右。热风炉系统采用“两烧两送”交错并联的工作制度，由4#热风炉做主送风炉子，送风温度维持1160℃-1200℃，比改造前风温提高了150℃以上。
5、结论
(1)新增4#顶燃式热风炉技术改造实现了既定目标，4座热风炉交错并联运行，送风温度比改造前提高了150℃以上，后续1#~3#内燃式改造为顶燃式后，完全可以达到1250℃风温。
(2)通过本项目锥柱旋切顶燃式热风炉近5年的良好运行效果，验证了三维混合燃烧器具备大功率特点，负荷调节比大，适应工况范围广。
(3)本工程为今后内燃式热风炉维修改造提供了一个可行方案，对今后类似热风炉工程有一定的指导意义，为钢铁工业老旧设备实施节能、降耗、高效技术改造，提供了可借鉴的实践经验。
