國內(nèi)某1 780 m3高爐熱風(fēng)爐技術(shù)特點(diǎn)

馮燕波

（中冶京誠工程技術(shù)有限公司，北京100176）

0 引言

高風(fēng)溫、長壽命、節(jié)能環(huán)保是現(xiàn)代高爐熱風(fēng)爐設(shè)計的目標(biāo)。中冶京誠工程技術(shù)有限公司多年來從事熱風(fēng)爐技術(shù)的研究工作，取得了一系列專利和專有技術(shù)成果。其開發(fā)的旋切頂燃式熱風(fēng)爐技術(shù)，吸收了卡盧金式頂燃熱風(fēng)爐、霍戈文式內(nèi)燃熱風(fēng)爐和新日鐵式外燃熱風(fēng)爐的優(yōu)點(diǎn)，并克服了其不足，是一種集合了各家所長的熱風(fēng)爐形式。本文結(jié)合某鋼廠1 780 m3高爐配套熱風(fēng)爐系統(tǒng)的設(shè)計情況，詳細(xì)闡述了旋切頂燃式熱風(fēng)爐的相關(guān)技術(shù)特點(diǎn)。

1 熱風(fēng)爐設(shè)計概況

某鋼廠新建的兩座1 780 m3高爐，各配備了三座旋切頂燃式熱風(fēng)爐。熱風(fēng)爐系統(tǒng)按一列式布置，主要包括：熱風(fēng)爐本體區(qū)域、棧橋管道區(qū)域、助燃風(fēng)機(jī)及換熱器區(qū)域、液壓站及電氣室區(qū)域和煙囪。熱風(fēng)爐系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)分別見表1所示。

2 旋切頂燃熱風(fēng)爐技術(shù)特點(diǎn)

表1 熱風(fēng)爐系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

2.1 高風(fēng)溫技術(shù)特點(diǎn)

2.1.1 采用旋切頂燃式熱風(fēng)爐燃燒器專利技術(shù)

設(shè)計采用旋切頂燃式熱風(fēng)爐燃燒器,強(qiáng)化燃燒和換熱，提高了煤氣燃燒溫度[1]。燃燒器安裝在燃燒室的上部，由混合室及收縮口、煤氣入口及環(huán)道、助燃空氣入口及環(huán)道和空煤氣噴口組成。混合室設(shè)在環(huán)道的中央?yún)^(qū)域，內(nèi)側(cè)設(shè)有噴口，外側(cè)設(shè)有入口和環(huán)道，混合室和燃燒室的交界處設(shè)有收縮口。煤氣與助燃空氣采用渦流噴射進(jìn)入燃燒器，煤氣流與助燃空氣流在燃燒器內(nèi)部形成旋流，從喉口噴出后進(jìn)入燃燒室進(jìn)行燃燒，實(shí)現(xiàn)高爐煤氣在進(jìn)入格子磚以前能夠均勻、完全的燃燒。另外，燃燒產(chǎn)物的旋轉(zhuǎn)氣流保證在格子磚上表面均勻分布，氣流分布的不均勻度僅為3～5%。拱頂溫度與送風(fēng)溫度的差值控制在80～100℃范圍內(nèi)，從而在較低的拱頂溫度條件下得到1 250℃的送風(fēng)溫度。燃燒器內(nèi)氣體混合仿真模擬圖如圖1所示。

圖1 燃燒器氣體混合仿真模擬

2.1.2 采用三十七孔Φ28 mm格子磚專利技術(shù)

通過對國內(nèi)諸多熱風(fēng)爐格子磚的使用情況進(jìn)行統(tǒng)計，并結(jié)合這些熱風(fēng)爐的實(shí)際操作得出：熱風(fēng)溫度達(dá)到1 250℃以上時，單位加熱風(fēng)量的蓄熱面積達(dá)到45～50 m2/（Nm3·min），單位加熱風(fēng)量的格子磚重在1.0～1.1 t/（Nm3·min）比較合適。采用三十七孔Ф28mm格子磚就能滿足上述條件，其單位加熱風(fēng)量的格子磚重為1.03 t/（Nm3·min），單位加熱風(fēng)量的蓄熱面積達(dá)到47.7 m2/（Nm3·min），所以適合高風(fēng)溫?zé)犸L(fēng)爐使用。三十七孔φ28 mm格子磚如圖2所示。

圖2 三十七孔φ28mm格子磚

2.1.3 采用帶橫梁設(shè)置有多種孔型的爐箅子專利技術(shù)

如圖3所示，熱風(fēng)爐格子磚支撐裝置包括：爐柱子、橫梁、爐箅子及調(diào)節(jié)連接件，各部位受力均勻，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，通孔率高，使用壽命長。爐箅子材質(zhì)為QTRSi4Mo，能夠滿足熱風(fēng)爐燒爐末期將廢氣溫度提高450℃以上的要求，有利于下部格子磚的蓄熱和整個蓄熱體熱效率的提高。另外，廢氣溫度的提高可以將助燃空氣和煤氣的預(yù)熱溫度提高，從而提高熱風(fēng)爐理論燃燒溫度，進(jìn)一步提高風(fēng)溫。

2.1.4 采用分流板型冷風(fēng)分配裝置

如圖4所示，在爐箅子板下部的爐柱子區(qū)域設(shè)置冷風(fēng)分配裝置，保證冷風(fēng)進(jìn)入爐箅子板開孔和蓄熱體格孔的冷風(fēng)分配均勻，從而提高格子磚的利用率。

2.1.5 采用板式換熱器對助燃空氣和煤氣進(jìn)行預(yù)熱

為了有效回收煙氣中的熱量來加熱助燃空氣和煤氣，本工程采用相互獨(dú)立的兩臺板式換熱器分別對助燃空氣和煤氣進(jìn)行預(yù)熱。為了避免煤氣和煙氣中的酸性介質(zhì)結(jié)露而對換熱器產(chǎn)生腐蝕破壞，控制換熱后的煙氣排放溫度不小于145℃，且助燃空氣和煤氣可以預(yù)熱到200℃以上。

2.2 長壽命技術(shù)特點(diǎn)

圖3 帶橫梁的設(shè)置有多種孔型的爐箅子

圖4 分流板型冷風(fēng)分配裝置

2.2.1 熱風(fēng)爐本體

（1）優(yōu)化爐殼設(shè)計。熱風(fēng)爐爐殼選用Q355C鋼板制作，主要變徑的地方均采用圓弧過度連接。拱頂高溫區(qū)域采用防酸性腐蝕的涂料及防酸耐火噴涂料進(jìn)行保護(hù)。

（2）合理選擇耐火材料。根據(jù)熱風(fēng)爐各部位不同的工作特點(diǎn)，熱風(fēng)爐從上至下依次選用硅磚RG-95、低蠕變粘土磚DRN-120和粘土磚RN-42等不同的耐火材料進(jìn)行砌筑?？紤]到燃燒器和燃燒室喉口部位在熱風(fēng)爐工作過程中溫度變化劇烈的特點(diǎn)，燃燒器內(nèi)墻選用堇青石莫來石磚RT-B，燃燒室喉口部位選用紅柱石磚RH。在爐殼內(nèi)表面還依次設(shè)計有噴涂料、硅酸鋁纖維板和輕質(zhì)隔熱磚，保證爐殼外表面的溫度≤100℃。

（3）采用分段式本體砌筑結(jié)構(gòu)。熱風(fēng)爐本體從下往上依次為蓄熱室、燃燒室和預(yù)混室。蓄熱室耐火材料直接坐落在爐底鋼梁上，燃燒室和預(yù)混室的耐火材料分別砌筑在爐殼內(nèi)部的磚托上。各段砌體之間完全脫開，通過迷宮式的滑移縫連接，既保證相互之間不受熱膨脹影響，又保證具有良好的密封性。

（4）助燃空氣、煤氣噴口設(shè)計優(yōu)化。針對頂燃式熱風(fēng)爐燃燒器噴口容易出現(xiàn)的一些問題，對旋切頂燃式熱風(fēng)爐燃燒器的助燃空氣和煤氣噴口進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，避免燒爐時產(chǎn)生爆燃現(xiàn)象。噴口磚帶子母扣，避免噴口磚錯位移動。助燃空氣、煤氣進(jìn)口部位砌磚加厚，增加進(jìn)口組合磚的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

（5）采用互鎖式平砌結(jié)構(gòu)，增加燃燒室的整體穩(wěn)定性。燃燒室拱頂采用組合磚整體砌筑技術(shù)（如圖5所示），拱頂角度加大到65°，采用互鎖式平砌結(jié)構(gòu)，四面子母扣咬合砌筑，施工方便，提高了燃燒室的整體穩(wěn)定性。拱頂內(nèi)襯砌筑時，分區(qū)域設(shè)置膨脹縫和滑移縫，保證耐火材料受熱膨脹時不被擠壞，結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。燃燒室拱頂磚示意圖見圖6。

圖5 燃燒室拱頂平砌結(jié)構(gòu)示意圖圖

圖6 燃燒室拱頂磚示意圖

（6）采用多環(huán)互鎖防竄風(fēng)熱風(fēng)出口結(jié)構(gòu)。熱風(fēng)出口組合磚由3層砌磚結(jié)構(gòu)組成：兩環(huán)帶凸臺的圓環(huán)磚、一環(huán)花瓣磚。熱風(fēng)出口內(nèi)環(huán)采用抗高溫蠕變、抗熱震性較好的大塊機(jī)制紅柱石磚RH，外環(huán)磚結(jié)構(gòu)采用帶鉤頭的花瓣磚分散拱頂磚的壓力，雙內(nèi)環(huán)磚帶子母扣互鎖，整體預(yù)組合，結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。

（7）采用逆送風(fēng)系統(tǒng)。設(shè)置連接助燃空氣主管和各個熱風(fēng)爐冷風(fēng)支管的逆送風(fēng)管道及閥門。當(dāng)熱風(fēng)爐爐箅子溫度過高時，開啟逆送風(fēng)閥門，用助燃空氣對爐箅子進(jìn)行冷卻，防止?fàn)t箅子溫度過高，保證爐箅子及支柱的使用壽命。

2.2.2 熱風(fēng)管道

（1）合理選擇耐火材料。熱風(fēng)支管內(nèi)徑為Φ2 360 mm，熱風(fēng)主管和熱風(fēng)圍管內(nèi)徑為Φ2 460 mm。根據(jù)1250℃的熱風(fēng)溫度要求及管道傳熱計算的結(jié)果，管道內(nèi)襯設(shè)計依次為200 mm低蠕變高鋁磚DRL-145、114 mm×2輕質(zhì)隔熱磚LG140-0.8L和96 mm噴涂料。熱風(fēng)出口設(shè)計為喇叭口形式，保溫層在熱風(fēng)支管耐火材料砌筑厚度的基礎(chǔ)上再加厚114 mm。熱風(fēng)管道內(nèi)襯采用偏心砌筑方式，即：內(nèi)襯砌筑中心線比管殼中心線向下偏移7mm，上部形成的空隙用耐火纖維棉填充，保證內(nèi)襯受熱膨脹時可以自由上漲。工作襯采用“S”型磚砌筑，所有三岔口采用加強(qiáng)型組合磚砌筑，進(jìn)風(fēng)彎管處采用TCJ-1澆注料整體澆筑。聯(lián)絡(luò)管熱風(fēng)進(jìn)口對面的墻體加厚，防止吹損；所有開孔不在同一個水平面上。管殼外表面設(shè)計溫度≤120℃。

（2）采用頂燃式熱風(fēng)爐熱風(fēng)輸送管道系統(tǒng)專利技術(shù)（如圖7所示）。根據(jù)熱風(fēng)管道介質(zhì)溫度高、內(nèi)部有耐火材料砌體的特點(diǎn)，在熱風(fēng)管道上分段設(shè)置固定支座及高溫波紋補(bǔ)償器，使各波紋補(bǔ)償器能夠獨(dú)立伸長或收縮，并在管道軸向方向設(shè)置通長的拉緊裝置。為了吸收拉緊裝置本身因受熱而產(chǎn)生的膨脹量，在管道末端設(shè)置補(bǔ)償器專門吸收該膨脹量，避免了拉緊裝置對熱風(fēng)管道的推力和復(fù)式補(bǔ)償器膨脹縫位置砌磚的相互擠壓，解決了管道開裂、掉磚問題，延長了熱風(fēng)管道的使用壽命。

圖7 熱風(fēng)管道及拉緊裝置布置圖

（3）采用關(guān)節(jié)管及熱風(fēng)閥兩側(cè)擋磚砌筑結(jié)構(gòu)。在熱風(fēng)支管和熱風(fēng)主管復(fù)式補(bǔ)償器的部位設(shè)置有關(guān)節(jié)管組合磚（如圖8所示）。關(guān)節(jié)管組合磚通過其內(nèi)部設(shè)置的兩條上下寬度不等的膨脹縫，既能滿足耐火材料內(nèi)襯的軸向膨脹變形，又能滿足因熱風(fēng)爐上漲而引起的熱風(fēng)管道徑向變形。熱風(fēng)閥兩側(cè)砌磚采用擋磚環(huán)結(jié)構(gòu)（如圖9所示），在更換熱風(fēng)閥時，管道磚能夠壓縮和拉伸回位，防止因不能回位造成串風(fēng)使管殼過熱發(fā)紅。

2.3 節(jié)能環(huán)保技術(shù)特點(diǎn)

（1）“旋切式高風(fēng)溫頂燃熱風(fēng)爐節(jié)能技術(shù)”已被列入《國家重點(diǎn)節(jié)能技術(shù)推廣目錄》（第五批），2012年國家發(fā)改委發(fā)布第42號公告予以公布。

（2）旋切頂燃式熱風(fēng)爐采用其特有的旋切頂燃式熱風(fēng)爐燃燒器，使空煤氣混合更加充分，降低空氣的過剩系數(shù)，減少NOx的生成。同時，通過控制合理的空燃比，保證熱風(fēng)爐廢氣中的O2含量≤0.25%，CO含量≤0.0012%。

圖8 關(guān)節(jié)管砌筑示意圖

圖9 擋磚環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

（3）采用熱風(fēng)爐自尋優(yōu)控制系統(tǒng)及燒爐模型。采用數(shù)學(xué)模型+專家系統(tǒng)的熱風(fēng)爐自尋優(yōu)控制系統(tǒng)及燒爐模型，使熱風(fēng)爐運(yùn)行穩(wěn)定、適用性強(qiáng)。獨(dú)特的煤氣平衡算法，可以根據(jù)允許的煤氣總量以及燒爐實(shí)際過程，分配各熱風(fēng)爐的煤氣量，達(dá)到煤氣既不超量，又可按時達(dá)到各爐燒爐目標(biāo)?？蓪?shí)現(xiàn)無人工干預(yù)全自動燒爐，燒爐過程平穩(wěn)，減少勞動強(qiáng)度。

（4）助燃風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口設(shè)置有進(jìn)口消音器，助燃風(fēng)機(jī)的機(jī)殼外表面包敷隔音棉進(jìn)行降噪處理，確保助燃風(fēng)機(jī)房區(qū)域的噪音降至85dB以下。

（5）每個熱風(fēng)爐的排壓廢氣支管匯總到一個排壓廢氣總管上，由排壓廢氣總管直接送至煙囪入口，減少因排壓廢氣中氧含量升高導(dǎo)致煤粉制備設(shè)施的安全隱患。

3 結(jié)語

（1）該鋼廠兩座1 780 m3高爐分別于2011年12月和2012年3月投產(chǎn)，采用旋切頂燃式熱風(fēng)爐專利技術(shù)設(shè)計的熱風(fēng)爐系統(tǒng)各部位設(shè)施目前均運(yùn)行良好，沒有出現(xiàn)任何坍塌損壞或高溫點(diǎn)。2019年4月8日該熱風(fēng)爐系統(tǒng)在單燒高爐煤氣的條件下，送風(fēng)溫度仍可達(dá)到1 251℃，在國內(nèi)外處于領(lǐng)先地位。

（2）旋切頂燃式熱風(fēng)爐工藝通過一系列專利技術(shù)和專有技術(shù)的運(yùn)用，加以科學(xué)的設(shè)計、精細(xì)的施工管理，完全能夠達(dá)到高風(fēng)溫、長壽命、節(jié)能環(huán)保等現(xiàn)代高爐熱風(fēng)爐設(shè)計的目標(biāo)。