高爐熱風(fēng)爐座數(shù)的比較及其優(yōu)化

□ 唐文權(quán)魏翠萍

高爐熱風(fēng)爐座數(shù)的比較及其優(yōu)化

□ 唐文權(quán)1魏翠萍2

目前,國內(nèi)外高爐設(shè)置的熱風(fēng)爐座數(shù)只有三座和四座2種。三座熱風(fēng)爐的操作制度名義上有3種：兩燒一送、一燒兩送、半并聯(lián)。而實(shí)際上,三座熱風(fēng)爐均采用了兩燒一送,四座熱風(fēng)爐的操作制度則采用兩燒兩送交錯(cuò)并聯(lián)。在對(duì)三座和四座熱風(fēng)爐比較分析的基礎(chǔ)上,得出了高爐熱風(fēng)爐座數(shù)的優(yōu)化路徑,即采用熱并聯(lián)制度。

三座和四座熱風(fēng)爐；交錯(cuò)并聯(lián)；風(fēng)溫；能耗；優(yōu)化

一、 熱風(fēng)爐座數(shù)的變遷

早在20世紀(jì)五六十年代,國外有的高爐只設(shè)兩座熱風(fēng)爐。例如,1957—1961年日本有8座高爐(容積326～1 791m3)只設(shè)有兩座熱風(fēng)爐；德國高爐早期也有只設(shè)兩座熱風(fēng)爐的。我國連云港東海鎳鐵廠70m3小高爐至今還在用兩座熱風(fēng)爐(風(fēng)溫1 000℃～1 050℃)。

兩座熱風(fēng)爐采用一燒一送,流程簡單合理,成本較低,但是使用不久,國外企業(yè)就將其淘汰。原因有以下兩點(diǎn)：一是當(dāng)時(shí)的耐材質(zhì)量以及設(shè)計(jì)施工水平不高,只設(shè)兩座熱風(fēng)爐缺乏安全性,當(dāng)其中1座熱風(fēng)爐需要檢修時(shí),高爐就得休風(fēng)停產(chǎn)；二是高爐逐漸要求提高風(fēng)溫,在沒有預(yù)熱煤氣、助燃空氣的條件下,拱頂溫度提不高,只有采用縮短送風(fēng)時(shí)間的辦法來提高風(fēng)溫,但是隨著高爐容積的加大,換爐時(shí)間增加導(dǎo)致送風(fēng)時(shí)間減少后,燃燒時(shí)間不夠用。

目前,國內(nèi)外高爐設(shè)置的熱風(fēng)爐座數(shù)只有三座和四座2種。三座熱風(fēng)爐的操作制度名義上有3種：兩燒一送、一燒兩送、半并聯(lián)(50%時(shí)間由1座單爐送風(fēng),50%時(shí)間由2座并聯(lián)送風(fēng)),實(shí)際上都在采用兩燒一送。四座熱風(fēng)爐的操作制度采用兩燒兩送交錯(cuò)并聯(lián)。本文將重點(diǎn)對(duì)三座熱風(fēng)爐和四座熱風(fēng)爐進(jìn)行比較,并提出優(yōu)化方案。

二、 三座熱風(fēng)爐和四座熱風(fēng)爐的比較

1.投資和用地的比較

三座熱風(fēng)爐比四座熱風(fēng)爐節(jié)省投資和用地,但不能籠統(tǒng)地說是省掉了1座熱風(fēng)爐。主要表現(xiàn)在以下方面：一是熱風(fēng)爐的大小不同,三座和四座格子磚總重相等時(shí),單座熱風(fēng)爐格子磚更重,三座為四座的4/3；二是通風(fēng)量不同,三座熱風(fēng)爐兩燒一送,單爐通過100%風(fēng)量,四座熱風(fēng)爐兩燒兩送,單爐通過風(fēng)量為50%；三是閥門大小不同,冷風(fēng)、熱風(fēng)閥的通道面積相差一倍,當(dāng)排壓時(shí)間相同時(shí),三座熱風(fēng)爐的煙道閥也要比四座大。

2.給高爐提供穩(wěn)定風(fēng)溫的比較

高爐操作需要穩(wěn)定的風(fēng)溫,不論三座還是四座熱風(fēng)爐送出的風(fēng)溫都是先高后低,剛換爐時(shí)的風(fēng)溫(送風(fēng)初溫)高,送風(fēng)到最后換爐前風(fēng)溫(送風(fēng)末溫)低。為了滿足高爐需要的穩(wěn)定風(fēng)溫,在送風(fēng)過程中要兌入冷風(fēng),冷風(fēng)量從最多到零。而實(shí)際上,混風(fēng)管上的調(diào)節(jié)蝶閥是不可能完全關(guān)死的,高爐得到的風(fēng)溫始終是兌入了冷風(fēng)后的風(fēng)溫。

比較風(fēng)溫時(shí),要在可比的參數(shù)下進(jìn)行。例如,通過熱風(fēng)爐的風(fēng)加氧量相等,拱頂溫度相同,格子磚總重相等、磚型相同,冷風(fēng)、廢氣溫度相同,等等。此外,還需要比較2個(gè)方面：一是一次送風(fēng)時(shí)間的比較；二是換爐時(shí)排放能耗的比較。

國內(nèi)外在設(shè)計(jì)三座或四座熱風(fēng)爐時(shí),一般所取格子磚總重大致相等。例如,我國京唐5 576m3高爐設(shè)四座熱風(fēng)爐,格子磚總重9 950t。德國斯維爾根NO.25 513m3高爐設(shè)三座熱風(fēng)爐,格子磚總重9 782t。

當(dāng)三座熱風(fēng)爐和四座熱風(fēng)爐格子磚總重相同時(shí),為了便于說清楚問題,在與三座熱風(fēng)爐進(jìn)行比較時(shí),先假設(shè)四座熱風(fēng)爐中的兩座熱風(fēng)爐不是交錯(cuò)并聯(lián)而是同時(shí)送風(fēng)的?？梢缘贸?四座熱風(fēng)爐中的兩座熱風(fēng)爐各送50%熱風(fēng),一共占用了50%格子磚總重；三座熱風(fēng)爐兩燒一送,單爐送100%熱風(fēng),只占用1/3格子磚總重?？梢?前者單位時(shí)間送風(fēng)溫降小；后者單位時(shí)間送風(fēng)溫降大,約為前者的1.5倍。例如,前者兩座熱風(fēng)爐同時(shí)送風(fēng),送風(fēng)初溫1 330℃,送風(fēng)時(shí)間100min,平均溫降1℃/min,送風(fēng)末溫1 230℃；三座熱風(fēng)爐兩燒一送,單爐送風(fēng)初溫也是1 330℃,平均溫降1.5℃/min,為了也得到1 230℃的末溫,其送風(fēng)時(shí)間必須縮短到100/1.5=66.7min。四座熱風(fēng)爐每天的換爐排放次數(shù)=2×1 440/100=28.8次,三座熱風(fēng)爐每天的排放次數(shù)=1 440/66.7=21.6次。三座熱風(fēng)爐單爐格子磚量為四座熱風(fēng)爐單爐格子磚量的4/3倍,如果爐內(nèi)空間也是這種比例時(shí),兩者的換爐排放氣體總量大體相等,符合可比條件。

以上是假設(shè)四座熱風(fēng)爐中的兩座熱風(fēng)爐同時(shí)換爐送風(fēng)和三座熱風(fēng)爐的比較。實(shí)際操作上四座熱風(fēng)爐采用交錯(cuò)并聯(lián)送風(fēng),下面是繼續(xù)用前面的例子進(jìn)行計(jì)算交錯(cuò)并聯(lián)后的結(jié)果：

根據(jù)以上舉例計(jì)算結(jié)果,四座熱風(fēng)爐采用交錯(cuò)并聯(lián)操作制度,在符合可比條件下與三座熱風(fēng)爐兩燒一送相比,可以提高25℃穩(wěn)定風(fēng)溫。

3.散熱損失引起的風(fēng)溫降比較

三座熱風(fēng)爐或四座熱風(fēng)爐送出的穩(wěn)定風(fēng)溫不等于高爐得到的穩(wěn)定風(fēng)溫。熱風(fēng)爐送出的穩(wěn)定風(fēng)溫減去兩部分風(fēng)溫降才等于入爐穩(wěn)定風(fēng)溫。這兩部分溫降,一是熱風(fēng)管路散熱損失引起的風(fēng)溫降；二是混風(fēng)管上的調(diào)節(jié)閥關(guān)不嚴(yán)(也不敢關(guān)嚴(yán))漏人冷風(fēng)引起的風(fēng)溫降(熱風(fēng)爐到達(dá)送風(fēng)末溫時(shí),應(yīng)該不需要兌入冷風(fēng),實(shí)際上是調(diào)節(jié)蝶閥關(guān)不嚴(yán)或不敢關(guān)嚴(yán)而漏入冷風(fēng))。

散熱損失引起的風(fēng)溫降可參考下列公式進(jìn)行計(jì)算：

式(1)中：tg ,每米管道長度上的溫降；αrk,對(duì)流傳熱系數(shù),單位kcal/m2h·℃(可取4～6)；△t,管道表面溫度與氣溫溫差,單位℃(可取當(dāng)?shù)卦缕骄畹蜌鉁刂?；F,每米管道表面積,單位m2；VF,管內(nèi)熱風(fēng)流量,單位m3/h；Cp,濕空氣比熱,單位kcal/m3·℃。

從混風(fēng)管漏入冷風(fēng)引起的風(fēng)溫降無法計(jì)算,但可以從主控室操作臺(tái)上查算：一是三座熱風(fēng)爐的送風(fēng)末溫(拱頂溫度)-管路散熱損失引起的風(fēng)溫降-圍管溫度=混風(fēng)管漏風(fēng)損失的溫降；二是四座熱風(fēng)爐兩座熱風(fēng)爐混合后的送風(fēng)末溫(在混冷風(fēng)前的熱風(fēng)管上測(cè)得的溫度)-管路散熱損失引起的風(fēng)溫降-圍管溫度=混風(fēng)管漏風(fēng)損失的溫度。經(jīng)估算,熱風(fēng)管路散熱損失風(fēng)溫為每10m管長損失1℃

4.風(fēng)溫對(duì)熱風(fēng)管路影響的比較

對(duì)熱風(fēng)支管來說,無論三座還是四座熱風(fēng)爐,承受的最高風(fēng)溫都是送風(fēng)初溫。對(duì)熱風(fēng)總管來說,三座熱風(fēng)爐時(shí)受到的最高風(fēng)溫仍然是送風(fēng)初溫,采用四座熱風(fēng)爐交錯(cuò)并聯(lián),在有效風(fēng)溫可提高約25℃的情況下,總管承受的最高風(fēng)溫反而比三座熱風(fēng)爐低了約25℃。交錯(cuò)并聯(lián)后混合初溫=單爐送風(fēng)初溫-(單爐送風(fēng)初溫-單爐送風(fēng)末溫)/4=1 330-(1 330-1 230)/4=1 305℃。

三、 熱風(fēng)爐功能優(yōu)化路徑

依據(jù)節(jié)能減排的原則,為了提高風(fēng)溫,得到熱風(fēng)爐功能優(yōu)化的路徑是采用熱并聯(lián)操作制度。

1.四座熱風(fēng)爐采用的熱并聯(lián)制度

四座熱風(fēng)爐已經(jīng)采用交錯(cuò)(冷)并聯(lián),改用熱并聯(lián)后的效果：

一是不兌冷風(fēng),入爐穩(wěn)定風(fēng)溫可以提高20℃～25℃。熱并聯(lián)后送出的穩(wěn)定風(fēng)溫=(單爐送風(fēng)初溫+單爐送風(fēng)末溫) /2V。

二是切斷混風(fēng)管路,杜絕漏風(fēng),可以再提高風(fēng)溫x℃(根據(jù)工廠不同情況,查取操作臺(tái)上混合后兌冷前風(fēng)溫和圍管風(fēng)溫進(jìn)行計(jì)算)。

三是對(duì)受到熱風(fēng)管道限制不能過量提高風(fēng)溫時(shí),其功能可以轉(zhuǎn)化為降低拱頂溫度或增加送風(fēng)時(shí)間減少換爐排放能耗。

四是對(duì)于使用轉(zhuǎn)爐或焦?fàn)t高熱值煤氣的熱風(fēng)爐,提高風(fēng)溫的效果也可以轉(zhuǎn)化為減少甚至取消高熱值煤氣用量。

五是減少熱風(fēng)爐換爐次數(shù),節(jié)省排放能耗,最多可使換爐次數(shù)降低一半。

2.三座熱風(fēng)爐采用的熱并聯(lián)制度

三座熱風(fēng)爐兩燒一送改為一燒兩送熱并聯(lián)后：

一是不兌冷風(fēng),入爐穩(wěn)定風(fēng)溫可以提高20℃～25℃(采用與四座熱風(fēng)爐換爐排放總能量相同時(shí)對(duì)應(yīng)時(shí)間,例如四座送風(fēng)時(shí)間取60min,三座兩燒一送取66.7min)。

二是切斷混風(fēng)管路,杜絕漏風(fēng)可以再提高風(fēng)溫x℃(根據(jù)工廠不同情況,查取操作臺(tái)上單爐送風(fēng)末溫和圍管風(fēng)溫進(jìn)行計(jì)算)。

三是在提高風(fēng)溫同時(shí),換爐能耗減少1/3,甚至更多。

四是對(duì)受到熱風(fēng)管道限制不能過量提高風(fēng)溫時(shí),其功能可以轉(zhuǎn)化為降低拱頂溫度或增加送風(fēng)時(shí)間減少換爐排放能耗。

五是對(duì)于使用轉(zhuǎn)爐或焦?fàn)t高熱值煤氣的熱風(fēng)爐,提高風(fēng)溫的效果可轉(zhuǎn)化為減少甚至取消高熱值煤氣用量。

四、結(jié)束語

本文在分析熱風(fēng)爐座數(shù)變遷的基礎(chǔ)上,分別從投資和用地、散熱損失引起的風(fēng)溫降、給高爐提供穩(wěn)定風(fēng)溫、風(fēng)溫對(duì)熱風(fēng)管路影響等方面對(duì)三座熱風(fēng)爐和四座熱風(fēng)爐進(jìn)行了比較。進(jìn)而,基于節(jié)能減排的原則,得出了熱風(fēng)爐功能優(yōu)化的路徑,希望供相關(guān)冶金企業(yè)參考。

[1］涅茨蓋維奇(俄).高爐生產(chǎn)熱工學(xué)[M］.莫斯科：莫斯科冶金出版社,1993.

[2］H.Palz(德).適用于高爐高效可靠操作的熱風(fēng)爐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[J］.國外鋼鐵,1993(3).

[3］唐文權(quán),銀漢,楊世祥.高爐熱風(fēng)爐交錯(cuò)熱并聯(lián)自主創(chuàng)新工藝技術(shù)簡介[C］.2010年全國煉鐵生產(chǎn)技術(shù)會(huì)議文集, 2010.

[4］唐文權(quán),馮燕波.三座熱風(fēng)爐操作制度改用一燒兩送熱并聯(lián),開辟高爐節(jié)能減排新途徑[C］.2012年全國煉鐵生產(chǎn)技術(shù)會(huì)議文集,2010.

(作者單位：1.原北京鋼鐵設(shè)計(jì)研究院,北京100000；2.中鋼集團(tuán)工程設(shè)計(jì)研究院有限公司,北京100086)

F273.1

A

1002-1779 (2015) 04-0037-03