河鋼唐鋼新區(qū)熱風(fēng)爐節(jié)能長(zhǎng)壽技術(shù)

趙良偉

（唐鋼國(guó)際工程技術(shù)股份有限公司）

0 引言

“綠色鋼鐵”是世界鋼鐵工業(yè)發(fā)展的共同選擇與發(fā)展方向，是鋼鐵工業(yè)生存和發(fā)展的共同需要[1]。提高熱風(fēng)爐熱效率，降低燃料消耗，提高熱風(fēng)溫度是熱風(fēng)爐的設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想，是高爐煉鐵技術(shù)的重要組成部分，也是降低工序能耗、創(chuàng)建資源節(jié)約型企業(yè)的重要手段[2]。現(xiàn)代高爐普遍采用頂燃式熱風(fēng)爐，在熱風(fēng)爐燃燒期，通過(guò)燃燒煤氣產(chǎn)生的高溫?zé)煔猓瑢⑿顭崾抑械母褡哟u加熱，儲(chǔ)存熱量；送風(fēng)期，儲(chǔ)存在格子磚中的熱量將冷風(fēng)加熱到1 200 ℃以上，持續(xù)向高爐提供高風(fēng)溫。唐鋼新區(qū)熱風(fēng)爐在設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)以往熱風(fēng)爐熱風(fēng)出口垮塌、燃燒器崩裂、煤氣消耗量大等問(wèn)題的深入研究和優(yōu)化，促進(jìn)了熱風(fēng)爐技術(shù)向綠色、節(jié)能、長(zhǎng)壽方向發(fā)展。

1 唐鋼新區(qū)高爐熱風(fēng)爐配置

唐鋼新區(qū)每座高爐配置3座頂式燃熱風(fēng)爐，采用“兩燒一送”工作方式。蓄熱室選用19孔d=Φ 25 mm高效格子磚，熱風(fēng)爐燃料為單一高爐煤氣，設(shè)有煤氣和助燃空氣板式雙預(yù)熱裝置，兩臺(tái)助燃風(fēng)機(jī)集中送風(fēng)，一用一備。設(shè)計(jì)采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)燃燒控制、送風(fēng)溫度控制及換爐控制等。

表1 熱風(fēng)爐系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

2 頂燃式熱風(fēng)爐的優(yōu)點(diǎn)

頂燃式熱風(fēng)爐自20世紀(jì)70年代末投入運(yùn)行以來(lái)，目前在世界上已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，部分熱風(fēng)爐的使用壽命達(dá)到20年，運(yùn)行狀況良好，自動(dòng)化控制水平較高且成熟、可靠。頂燃式熱風(fēng)爐具有占地小、壽命長(zhǎng)、投資省、風(fēng)溫高，系統(tǒng)及設(shè)備布置合理，方便操作、檢修及維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。采用頂燃式熱風(fēng)爐，能夠?qū)崿F(xiàn)高爐風(fēng)溫持續(xù)控制在1 200～1 250 ℃，熱風(fēng)爐設(shè)計(jì)壽命大于等于兩代高爐爐齡（30 年）。

3 頂燃式熱風(fēng)爐存在的問(wèn)題

通過(guò)國(guó)內(nèi)外熱風(fēng)爐的生產(chǎn)實(shí)踐進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)頂燃式熱風(fēng)爐還存在一些共性問(wèn)題：（1）頂燃熱風(fēng)爐燃燒器的空、煤氣噴嘴有上、下傾角，該部位采用的是小塊磚，因此燃燒器燒嘴部位的砌筑比較薄弱，預(yù)燃室發(fā)生局部爆燃，燃燒器難以在的惡劣工況下長(zhǎng)期穩(wěn)定工作；（2）頂燃式熱風(fēng)爐的熱風(fēng)出口存在應(yīng)力集中問(wèn)題，容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損壞、導(dǎo)致熱風(fēng)出口垮塌等問(wèn)題；（3）熱風(fēng)爐系統(tǒng)還存在格子磚容易渣化、下沉，管式換熱器后期換熱效率低，容易積灰堵塞，熱風(fēng)管道三岔口容易竄風(fēng)、掉磚等問(wèn)題。

4 唐鋼新區(qū)熱風(fēng)爐采用的綠色節(jié)能長(zhǎng)壽技術(shù)

4.1 新型陶瓷燃燒器

傳統(tǒng)燒嘴在使用過(guò)程中，煤氣燒嘴易發(fā)生爆震引起的損壞、剝落、斷磚、移位，燃燒器存在外部爐皮溫度過(guò)高的現(xiàn)象，溫度最高可達(dá)450 ℃[3]。燃燒器采用長(zhǎng)焰燃燒，造成錐形燃燒室上下部溫差大，導(dǎo)致結(jié)露酸根離子的形成，致使?fàn)t殼發(fā)生晶間腐蝕。

針對(duì)上述問(wèn)題，唐鋼新區(qū)熱風(fēng)爐在設(shè)計(jì)上采取如下改進(jìn)措施：（1）煤氣噴嘴采用圓臺(tái)、圓槽定位裝置固定，防止爆震的動(dòng)力造成噴嘴磚移位，做好氮?dú)獯祾吡康挠?jì)算，防止氮?dú)獯祾叻派⒉划?dāng)和吹掃氮?dú)獠蛔阍斐傻幕鼗饟p壞，提高燃燒器使用壽命。（2）采用短焰燃燒方式，減少爆震產(chǎn)生。煤氣、空氣燒嘴混合布置，空煤氣充分預(yù)混，燃燒時(shí)同時(shí)具有渦流、旋流，可以提高理論燃燒溫度。研究表明，拱頂溫度大于1 420 ℃時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量氮氧化物[4]，保持熱風(fēng)爐拱頂溫度在（1 380±20）℃，可以有效降低NOx排放，防止熱風(fēng)爐拱頂鋼殼發(fā)生晶間腐蝕。而采取短焰燃燒方式能夠縮小拱頂溫度和送風(fēng)溫差，實(shí)現(xiàn)在單純?nèi)紵郀t煤氣的條件下，使送風(fēng)溫度達(dá)到1 250 ℃。

上述改進(jìn)措施可以使燃燒器空氣過(guò)剩系數(shù)減小、功率增大、降低拱頂溫度和送風(fēng)溫差，從而節(jié)省煤氣、降低因拱頂溫度過(guò)高產(chǎn)出較多的氮氧化物，實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)爐的綠色節(jié)能長(zhǎng)壽。

4.2 復(fù)式拱頂結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)頂燃式熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)中，熱風(fēng)出口和拱頂共為一體，導(dǎo)致多方向應(yīng)力集中，主要包括重力、剪切力、膨脹力、下滑力、送風(fēng)壓力等。應(yīng)力集中導(dǎo)致傳統(tǒng)頂燃式熱風(fēng)爐頻頻出現(xiàn)熱風(fēng)出口爐殼溫度過(guò)高、拱頂垮塌等現(xiàn)象，被迫采取降低風(fēng)溫、熱風(fēng)出口爐殼淋水降溫及氮?dú)獯祾呃鋮s等措施，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致熱風(fēng)爐停爐大修。

河鋼唐鋼新區(qū)熱風(fēng)爐采用復(fù)式拱頂結(jié)構(gòu)，將拱頂與大墻完全脫開(kāi)、燃燒器與拱頂錐段完全脫開(kāi)，拱頂和燃燒器各自獨(dú)立支撐在爐殼之上，將剪切力、下滑力和熱風(fēng)出口膨脹力分散轉(zhuǎn)移到爐殼上，可以有效緩解熱風(fēng)爐出口應(yīng)力集中問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)出口和錐形拱頂結(jié)構(gòu)穩(wěn)定長(zhǎng)壽，提高熱風(fēng)爐使用壽命。

4.3 高輻射覆層技術(shù)

蓄熱室上部格子磚采用高輻射覆層技術(shù)，高輻射覆層技術(shù)是在物體表面涂覆一層具有高發(fā)射率的材料，使物體表面具有很強(qiáng)的熱輻射吸收和輻射能力，使輻射傳熱的效率提高。而熱風(fēng)爐的熱交換主要以輻射傳熱為主，輻射傳熱量占85%以上，熱風(fēng)爐送風(fēng)溫度可高達(dá)1 250 ℃，因此，增強(qiáng)輻射換熱量對(duì)于提高熱風(fēng)爐的工作效率和熱效率有重要意義。

高輻射覆層通過(guò)強(qiáng)化輻射換熱，提高了格子磚表面溫度，增加了格子磚內(nèi)外溫度梯度，使格子磚在燃燒期吸熱速度提高，吸熱量增加，送風(fēng)期放熱速度提高，放熱量增加，強(qiáng)化熱風(fēng)爐的高溫?zé)煔馀c蓄熱體、蓄熱體與空氣之間的傳熱。有覆層的熱風(fēng)出口溫度平均可以提高20 ℃以上，平均煙氣出口溫度下降10 ℃以上[5]。高輻射覆層技術(shù)有效提高了熱風(fēng)爐熱效率，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排，提高了風(fēng)溫。此外，有覆蓋層的格子磚理化指標(biāo)也優(yōu)于無(wú)覆層的格子磚，有覆層格子磚的物理性能在耐壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度等方面優(yōu)于無(wú)覆層格子磚，能夠有效防止格子磚渣化，延長(zhǎng)格子磚的使用壽命，從而提高熱風(fēng)爐使用壽命，詳見(jiàn)表2。

表2 有覆蓋層和無(wú)覆蓋層硅質(zhì)格子磚理化指標(biāo)對(duì)比

4.4 板式換熱器

熱風(fēng)爐所使用的預(yù)熱器是回收熱風(fēng)爐排出的煙氣余熱，用來(lái)加熱助燃空氣和煤氣的設(shè)備[6]。一般來(lái)講，空氣溫度每提高100 ℃，風(fēng)溫可以提高35 ℃；煤氣溫度每提高100 ℃，風(fēng)溫可以提高50 ℃。板式換熱器煙氣和空氣、煤氣通過(guò)波紋板片換熱，冷熱流體通過(guò)板片傳熱，傳熱距離短，而且由于傳熱板片沿流體流動(dòng)方向的通道斷面形狀不斷呈波浪形變化，顯著加強(qiáng)了流體的擾動(dòng)，從而強(qiáng)化了流體的傳熱性能，能夠有效回收熱風(fēng)爐廢煙氣中的熱量，降低煤氣消耗量。板式換熱器換熱片為冷軋不銹鋼制作，板片表面光滑、不易附著灰塵，具有更小的污垢熱阻，不易積灰堵塞。另外，板片不像熱管會(huì)逐漸失效，煤氣、空氣板式預(yù)熱器的壽命一般可以達(dá)到10年以上。采用板式換熱器空、煤氣換熱后溫度可達(dá)200 ℃以上，提高風(fēng)溫可以降低煉鐵焦比、提高冶煉強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)爐綠色節(jié)能。熱風(fēng)爐板式預(yù)熱器采用傳熱板片替代傳統(tǒng)熱管或管子傳熱元件，板式換熱器與熱管換熱器性能對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 板式換熱器與熱管換熱器性能對(duì)比

4.5 穩(wěn)定長(zhǎng)壽的熱風(fēng)管系系統(tǒng)

頂燃式熱風(fēng)爐的熱風(fēng)管道不僅存在水平方向熱變形，而且存在較大的垂直方向膨脹變形，熱變形是影響頂燃式熱風(fēng)爐正常生產(chǎn)的突出問(wèn)題。通過(guò)分析熱風(fēng)管系的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，研究熱風(fēng)管系的組成，優(yōu)化波紋管、拉桿配置以及耐材砌體結(jié)構(gòu)來(lái)解決熱風(fēng)爐管系熱變形問(wèn)題。

唐鋼新區(qū)熱風(fēng)爐通過(guò)合理設(shè)置各種形式的波紋補(bǔ)償器及拉緊裝置，保證熱風(fēng)管道系統(tǒng)既能夠承受很大的軸向變形，又能夠承受頂燃式熱風(fēng)爐所特有的熱風(fēng)管道徑向變形，解決了管道竄風(fēng)、掉磚問(wèn)題，適應(yīng)高風(fēng)溫要求，形成了完善、配套的低應(yīng)力長(zhǎng)壽型熱風(fēng)管系綜合技術(shù)。

熱風(fēng)爐耐火材料內(nèi)襯在高溫、高壓環(huán)境下工作，條件十分惡劣[7]。熱風(fēng)管道工作層選用帶有鎖扣的“Z”型磚砌筑，在密封氣流的同時(shí)，使工作層砌筑環(huán)環(huán)相扣，相互支撐，避免管道掉轉(zhuǎn)。熱風(fēng)主支管三岔口采用組合磚砌筑，進(jìn)風(fēng)彎管采用高強(qiáng)度陶瓷耐磨澆注料澆筑，提高薄弱部位管道耐材砌筑的整體性，可以有效防止三岔口掉轉(zhuǎn)和竄風(fēng)現(xiàn)象的發(fā)生。

5 運(yùn)行效果

唐鋼新區(qū)熱風(fēng)爐于2020年10月送風(fēng)投產(chǎn)，高爐投產(chǎn)后生產(chǎn)穩(wěn)定順行，月平均利用系數(shù)2.61 t/（m3.d），燃料比500 kg/t，平均送風(fēng)溫度1 236 ℃，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了國(guó)內(nèi)外同類大型高爐的領(lǐng)先水平。

6 結(jié)語(yǔ)

在“碳達(dá)峰”和“碳中和”的背景下，隨著環(huán)保政策要求和煉鐵生產(chǎn)需求，降低熱風(fēng)爐廢氣中有害氣體排放和熱風(fēng)爐長(zhǎng)壽設(shè)計(jì)成為主流趨勢(shì)，河鋼唐鋼新區(qū)熱風(fēng)爐采用了上述新理解、新技術(shù)，體現(xiàn)了熱風(fēng)爐設(shè)計(jì)的綠色、節(jié)能、長(zhǎng)壽理念。