熔融還原熱風(fēng)爐設(shè)計

趙良偉

（唐鋼國際工程技術(shù)有限公司）

0 引言

在“碳達峰”和“碳中和”的背景下，低碳煉鐵技術(shù)得到迅速發(fā)展，特別是以短流程為主的非高爐煉鐵工藝，為低碳煉鐵提供了新的發(fā)展思路?！熬G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]。熱風(fēng)爐的設(shè)計指導(dǎo)思想是提高熱風(fēng)爐熱效率、降低燃料消耗、提高熱風(fēng)溫度[2]，熱風(fēng)爐為還原爐提供熱風(fēng)的屬性和工作原理同樣適用于非高爐煉鐵。熔融還原煉鐵工藝采用頂燃式熱風(fēng)爐，在熱風(fēng)爐燃燒期，通過燃燒煤氣產(chǎn)生的高溫?zé)煔?，將蓄熱室中的格子磚加熱，儲存熱量；送風(fēng)期，儲存在格子磚中的熱量將冷風(fēng)加熱，持續(xù)向熔融還原爐提供高風(fēng)溫。

1 熔融還原工藝介紹

相對于傳統(tǒng)長流程高爐煉鐵工藝，熔融還原主要特點是短流程煉鐵工藝，工序上游不需要配置焦化以及完備的鐵礦石造塊工序，礦石在還原爐內(nèi)高溫熔融狀態(tài)下進行還原，產(chǎn)品是熱態(tài)鐵水，直接供給煉鋼車間。熔融還原煉鐵工藝可以直接使用粉礦，省去燒結(jié)、球團工藝，從而擺脫了對焦煤-焦炭的依賴，直接使用非焦煤，減少了二氧化碳及污染物排放，環(huán)保成本低。熔融還原爐如圖1所示。

圖1 熔融還原爐

2 熔融還原爐熱風(fēng)爐配置

熔融還原爐配套3座頂式燃熱風(fēng)爐，送風(fēng)制度為兩燒一送[3]。蓄熱室采用19孔Φ25 mm高效格

聯(lián)系人：趙良偉，助理工程師，河北.唐山（063000），唐鋼國際工程技術(shù)有限公司煉鐵事業(yè)部； 收稿日期：2021-12-10子磚，熱風(fēng)爐正常工作時，燃料為熔融還原爐煤氣；啟爐、烘爐時，燃料為焦爐煤氣，并配套相關(guān)管道路由及控制系統(tǒng)。設(shè)有助燃空氣熱管式預(yù)熱裝置，兩臺助燃風(fēng)機集中送風(fēng)，1用1備。設(shè)計采用計算機自動燃燒控制、送風(fēng)溫度控制及換爐控制等。熱風(fēng)爐系統(tǒng)主要設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 熱風(fēng)爐系統(tǒng)主要設(shè)計參數(shù)

3 熱風(fēng)爐耐火材料設(shè)計

3.1 熱風(fēng)爐本體

熱風(fēng)爐拱頂與大墻砌體分開，形成各自獨立的結(jié)構(gòu)，爐墻可獨立脹縮，穩(wěn)定熱風(fēng)爐本體結(jié)構(gòu)，延長熱風(fēng)爐耐材使用壽命。每座熱風(fēng)爐上部設(shè)1個陶瓷燃燒器和2個啟動燃燒器。蓄熱室采用Φ25 mm孔徑格子磚，分三段砌筑，上段為高品質(zhì)低蠕變高鋁質(zhì)，中段為低蠕變高鋁質(zhì)，下段為低蠕變粘土質(zhì)。格子磚外形帶有卡槽，使蓄熱室內(nèi)格子磚的位置相對穩(wěn)定。熱風(fēng)爐爐襯在高溫區(qū)采用高品質(zhì)低蠕變高鋁磚，中溫及低溫區(qū)采用低蠕變高鋁磚及低蠕變粘土磚；隔熱材料為輕質(zhì)高鋁磚、輕質(zhì)粘土磚、耐火纖維氈；爐殼設(shè)有噴涂料。

3.2 熱風(fēng)管道及其他管道

熱風(fēng)管道工作層為紅柱石磚，隔熱層為輕質(zhì)高鋁磚、輕質(zhì)粘土磚和噴涂料。廢煙氣管道內(nèi)噴涂中重質(zhì)噴涂料。冷風(fēng)管道、熔融還原爐煤氣和預(yù)熱后的助燃空氣管道采用外保溫，保溫材料為巖棉氈（外敷鍍鋅鐵皮進行固定）。

4 熱風(fēng)爐主要設(shè)備

4.1 閥門

熔融還原工藝熱風(fēng)爐系統(tǒng)各主要閥門形式基本為液壓傳動。除熱風(fēng)閥、倒流休風(fēng)閥、混風(fēng)閥采用帶襯水冷閘閥外，其余均為液動（或電動）密封閘閥、蝶閥[4]。熱風(fēng)爐各主要閥門規(guī)格見表2。

表2 熱風(fēng)爐系統(tǒng)主要閥門規(guī)格

4.3 液壓系統(tǒng)及干油潤滑系統(tǒng)

熱風(fēng)爐液壓系統(tǒng)泵站為熱風(fēng)爐區(qū)域的各種液壓閥門提供液壓動力源，主要包括熱風(fēng)閥、冷風(fēng)閥、倒流休風(fēng)閥、煙道閥、熔融還原爐煤氣燃燒閥及切斷閥、助燃空氣燃燒閥、混風(fēng)切斷閥等。液壓站布置在熱風(fēng)爐框架附近，站內(nèi)設(shè)有通風(fēng)及消防設(shè)施。

4.4 檢修設(shè)施

熱風(fēng)爐框架頂部設(shè)電動橋式起重機1臺，起重量10 t，主要承擔(dān)熱風(fēng)閥、倒流休風(fēng)閥助燃空氣燃燒閥及熔融還原爐煤氣燃燒系統(tǒng)閥門的檢修任務(wù)。

熱風(fēng)爐框架中部設(shè)電動葫蘆1臺，起重量10 t，用于檢修煙道閥、冷風(fēng)閥等熱風(fēng)爐本體下部閥門。

5 熱風(fēng)爐系統(tǒng)與傳統(tǒng)高爐設(shè)計區(qū)別

5.1 鼓風(fēng)壓力

熔融還原爐礦石及煤粉用噴槍從還原爐中下部直接噴人爐內(nèi)，沒有料柱形成的阻力損失，因此相較于傳統(tǒng)高爐煉鐵工藝，熔融還原爐所需的熱風(fēng)爐鼓風(fēng)壓力為170 kPa，僅為傳統(tǒng)高爐的一半左右，降低了鼓風(fēng)能耗。

5.2 送風(fēng)溫度

熔融還原爐所產(chǎn)生的煤氣熱值約為680 kCal/Nm3，略低于傳統(tǒng)高爐煤氣熱720 kCal/Nm3，根據(jù)燃燒計算，單燒熔融還原爐煤氣理論燃燒溫度為1 300 ℃，因此送風(fēng)溫度按1 100 ℃設(shè)計（常規(guī)高爐熱風(fēng)爐送風(fēng)溫度為1 200 ℃）。

5.3 蓄熱室耐材

考慮到熔融還原工藝處于起步階段，生產(chǎn)連續(xù)性沒有高爐穩(wěn)定，導(dǎo)致熔融還原爐熱風(fēng)爐停爐、啟爐的頻率要高于常規(guī)高爐設(shè)計，而傳統(tǒng)高爐熱風(fēng)爐，高溫區(qū)采用硅磚[5]，不能適應(yīng)停爐、啟爐頻率高的工況，硅質(zhì)磚熱風(fēng)爐需保證熱風(fēng)爐拱頂溫度保持在硅質(zhì)磚臨界溫度點以上[6]，尤其是低于600 ℃時，硅磚內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致耐材失效，因此熔融還原系統(tǒng)熱風(fēng)爐蓄熱式上部耐材的設(shè)計采用高品質(zhì)高鋁磚代替硅磚。

5.4 熱風(fēng)噴槍

熔融還原爐熱風(fēng)用熱風(fēng)噴槍從還原爐頂部送人到還原爐內(nèi)，類似于轉(zhuǎn)爐煉鋼的吹煉方式，而傳統(tǒng)高爐熱風(fēng)經(jīng)熱風(fēng)圍管送入到高爐風(fēng)口，進而進入高爐本體進行冶煉。熔融還原爐沒有熱風(fēng)圍管的設(shè)計，熱風(fēng)主管經(jīng)豎管后，熱風(fēng)管道向上提升（傳統(tǒng)高爐設(shè)計中，熱風(fēng)主管經(jīng)豎管后向下降低），熱風(fēng)主管末端通過法蘭與熱風(fēng)噴槍相連接。

5.5 換熱器形式

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，板式換熱器煙氣和空氣、煤氣通過波紋板片換熱，冷熱流體通過板片傳熱，傳熱距離短，而且由于傳熱板片沿流體流動方向的通道斷面形狀不斷呈波浪形變化，顯著加強了流體的擾動，從而強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。一般來講，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 ℃。采用板式換熱器空、煤氣換熱后溫度可達200 ℃以上，提高風(fēng)溫可以降低煉鐵焦比、提高冶煉強度，實現(xiàn)熱風(fēng)爐綠色節(jié)能。

6 結(jié)語

烏海某鋼鐵企業(yè)通熔融還原項目的順利投產(chǎn)，為低碳煉鐵提供了新的發(fā)展思路，具有里程碑式的意義。隨著煉鐵技術(shù)的發(fā)展，氫冶金將成為未來發(fā)展的趨勢，而熔融還原煉鐵技術(shù)為氫冶金提供了更有利的工藝條件，有望真正從源頭上降低碳排放，實現(xiàn)煉鐵工藝的綠色可持續(xù)發(fā)展。