首钢股份3号高炉炉顶新型喷雾降温系统应用实践

林春山，张猛超，宋少华，罗德庆，王荣刚，王 彬

(北京首钢股份有限公司，河北 迁安 064400)

在冶炼过程中，炉顶煤气流控制不合理会导致高炉炉顶温度骤然升高。在高炉降料面过程中，为控制顶温在合理的温度区间内，需要采取炉顶打水控制顶温的方法，若打水量过多或者雾化效果差，极易引起炉内爆震现象发生[1,2]，引发安全事故。为合理控制炉顶温度，各高炉都在积极优化喷水降温设备[3,4]。当炉顶煤气温度达到或超过规定温度时，自动控制喷水降温，从而保护无料钟炉顶设备及粗煤气系统中的干法布袋除尘装置能够正常运转。针对首钢股份3号高炉(4000 m3)原有喷水降温设备的使用情况和不足，技术人员开发了一套新型喷雾降温系统，安装在3号高炉使用，雾化降温效果良好。

1 原有降温设备现状

首钢股份3号高炉原有喷水降温设备，安装在高炉炉壳顶部的锥体上，用以控制炉顶温度。经过多年使用实践，技术人员发现3号高炉炉顶原有喷水降温装置通过喷头直接向炉内打水降温的方式存在如下不足，给高炉生产带来诸多不便。

(1)采用普通打水喷头，雾化效果差，不能有效控制其雾化状态，换热面积小，降温效果差；

(2)打水喷头喷射长度在2 m左右，覆盖面积小；

(3)未安装防堵塞装置，在炉内恶劣的环境条件下，易堵喷头而弱化温控功能；

(4)原有喷水设备实际打水量约80 t/h，无法满足降料面时打水量240 t/h的需求；

(5)炉顶温度控制系统智能化水平低，在炉顶局部温度升高的情况下，不能自动实现定向打水降温。

2 新型喷雾降温系统

在分析了原有喷水降温设备不足，结合高炉现场实际条件，3号高炉技术人员开发了一套新型喷雾降温系统。

2.1 新型喷雾降温系统工作原理

利用超细水雾的水-汽相变原理，在炉顶温度上升到设定值时自动启动雾化喷头，将高度雾化的直径约为70-200 μm超细水雾喷入炉顶，由于水雾分散度高，能迅速吸收煤气中热量，以最少水量降低煤气温度，不会导致炉顶压力上升，较好起到保护炉顶设备的目的。

2.2 新型喷雾降温系统设计参数

为满足3号高炉日常生产和日后降料面降温的实际需求，系统采用单流体雾化喷头向高炉内喷射经过雾化的、颗粒细小的水滴，与高温煤气结合后，迅速蒸发并且带走热量，实现高温煤气的快速高效降温。新型喷雾降温系统设计参数见表1。

表1 新型喷雾降温系统设计参数

2.3 新型喷雾降温系统设计结构

3号高炉新型喷雾降温系统设计结构示意，见图1。系统水源取自32.6米平台风口高压净环水DN500供水主管(其上设置供水闸阀)，引一根DN250供水管引到44.9米炉喉平台，分2根DN150供水支管至该平台西南角和东南角的分流柜，供水支管与分流柜间设置DN150的气动球阀和电磁流量计。每个分流柜各设置6路小支管，小支管上设置DN40的气动球阀和Y型过滤器，结构设计见图2。分流柜小支管外接Φ49×6无缝钢管至炉顶原有打水喷头处，安装12个雾化喷枪，雾化喷枪与小支管通过金属软管连接。

图1 新型喷雾降温系统设计结构示意图

图2 新型喷雾降温系统分流柜内部设计结构

2.4 新型喷雾降温系统PLC控制原理及性能

新型喷雾降温系统的PLC控制系统受高炉主PLC上位机的控制，高炉主PLC采集、显示及控制喷雾装置。系统PLC在选型上与高炉主PLC保持一致性，以方便Control NET网络连接。系统从高炉主PLC通过Control NET网络获取上升管煤气温度以及其它需要交换的信息，高炉主PLC通过Control NET网络获取系统工作状态。其工艺流程见图3。

图3 新型喷雾降温系统PLC控制流程图

本系统采用远程上位监控操作与控制柜本地操作两种操作模式，操作权限选择在中控楼操作台进行。本系统PLC控制程序包括：高炉炉顶喷雾降温全自动控制程序、高炉炉顶喷雾降温手动控制程序和炉顶喷嘴吹扫控制程序。系统设计监测功能模块包括：对整个喷雾系统工艺流程动画跟踪显示，实现有关温度参数的设定，手动和自动操作控制和设备故障画面显示。

新型喷雾降温系统性能特点主要有：

(1)喷雾系统煤气温度控制信号：上升管煤气平均温度由高炉本体PLC柜输出1路经转换、隔离的4-20 mA信号(对应温度范围0～1 000 ℃)给喷雾控制柜，对应上升管四点平均温度Te。

(2)控制温度Te大于300 ℃开始炉喉喷雾, 控制温度Te≤250 ℃则停止喷雾，以控制进布袋煤气温度≤250 ℃。

(3)能够实现每点根喷枪的开关控制，一般情况下喷雾系统启喷时，采用六喷枪模式(圆周方向间隔均布)(即Te大于280 ℃)，计算机根据上升管煤气温度自动增、减喷雾喷枪的数量以调整喷雾量。

(4)为防止喷嘴堵塞，在未喷雾期间程序定期以自动脉冲方式对喷嘴进行吹扫。各喷嘴每隔8～24小时(吹扫周期可以调整)依次吹扫一次，每次每个喷嘴吹扫3～5秒。

(5)喷雾系统每日自动进行电气设备及喷枪点检，如出现喷嘴堵塞或设备故障，将显示堵塞的喷枪位置或故障设备位置，并提示报警。计算机将会调整喷雾模式，弥补该喷枪堵塞后的喷雾量。

3 新型喷雾降温系统应用效果

3.1 降料面使用效果

2020年7月8日8:06，首钢股份3号高炉开始降料面工作，20:30停气，至9日4:00风口全部见空，5:56正式停风，整个降料面总计耗时21小时50分钟。本次降料面实际所耗风量为4 933 912 m3，共打水2 598.74吨。本次降料面进入炉身中下部后顶温趋于平稳，半小时打水量呈降低趋势，1:30进入炉腹中下部后半小时打水量开始升高，见图4。3号高炉整个降料面喷雾降温期间，炉顶温度平均值在330 ℃左右，干法入口温度控制在合理范围之内，降料面全程无爆震现象发生，起到了保护炉顶设备的良好预期效果。降料面结束后，炉内堆尖较小，处于风口中心线以上高度约2米，边缘与炉墙距离约4米，堆尖形状达到预期效果。

图4 半小时打水量与顶温变化趋势图

3.2 炉顶设备降温效果

在日常生产过程中，当炉顶温度上升到设定值时，该系统能够以最少水量降低煤气温度，从而有效保护炉顶设备安全稳定运行。12套喷枪使用正常，未发生堵塞，较好起到了保护炉顶设备的目的。