河钢唐钢新区热风炉节能长寿技术

2022-08-19赵良伟

河南冶金 2022年1期

赵良伟

（唐钢国际工程技术股份有限公司）

0 引言

“绿色钢铁”是世界钢铁工业发展的共同选择与发展方向，是钢铁工业生存和发展的共同需要[1]。提高热风炉热效率，降低燃料消耗，提高热风温度是热风炉的设计指导思想，是高炉炼铁技术的重要组成部分，也是降低工序能耗、创建资源节约型企业的重要手段[2]。现代高炉普遍采用顶燃式热风炉，在热风炉燃烧期，通过燃烧煤气产生的高温烟气，将蓄热室中的格子砖加热，储存热量；送风期，储存在格子砖中的热量将冷风加热到1 200 ℃以上，持续向高炉提供高风温。唐钢新区热风炉在设计过程中，通过对以往热风炉热风出口垮塌、燃烧器崩裂、煤气消耗量大等问题的深入研究和优化，促进了热风炉技术向绿色、节能、长寿方向发展。

1 唐钢新区高炉热风炉配置

唐钢新区每座高炉配置3座顶式燃热风炉，采用“两烧一送”工作方式。蓄热室选用19孔d=Φ 25 mm高效格子砖，热风炉燃料为单一高炉煤气，设有煤气和助燃空气板式双预热装置，两台助燃风机集中送风，一用一备。设计采用计算机自动燃烧控制、送风温度控制及换炉控制等。

表1 热风炉系统主要技术参数

2 顶燃式热风炉的优点

顶燃式热风炉自20世纪70年代末投入运行以来，目前在世界上已经得到了广泛的应用，部分热风炉的使用寿命达到20年，运行状况良好，自动化控制水平较高且成熟、可靠。顶燃式热风炉具有占地小、寿命长、投资省、风温高，系统及设备布置合理，方便操作、检修及维护等优点。采用顶燃式热风炉，能够实现高炉风温持续控制在1 200～1 250 ℃，热风炉设计寿命大于等于两代高炉炉龄（30 年）。

3 顶燃式热风炉存在的问题

通过国内外热风炉的生产实践进行研究，发现顶燃式热风炉还存在一些共性问题：（1）顶燃热风炉燃烧器的空、煤气喷嘴有上、下倾角，该部位采用的是小块砖，因此燃烧器烧嘴部位的砌筑比较薄弱，预燃室发生局部爆燃，燃烧器难以在的恶劣工况下长期稳定工作；（2）顶燃式热风炉的热风出口存在应力集中问题，容易出现结构损坏、导致热风出口垮塌等问题；（3）热风炉系统还存在格子砖容易渣化、下沉，管式换热器后期换热效率低，容易积灰堵塞，热风管道三岔口容易窜风、掉砖等问题。

4 唐钢新区热风炉采用的绿色节能长寿技术

4.1 新型陶瓷燃烧器

传统烧嘴在使用过程中，煤气烧嘴易发生爆震引起的损坏、剥落、断砖、移位，燃烧器存在外部炉皮温度过高的现象，温度最高可达450 ℃[3]。燃烧器采用长焰燃烧，造成锥形燃烧室上下部温差大，导致结露酸根离子的形成，致使炉壳发生晶间腐蚀。

针对上述问题，唐钢新区热风炉在设计上采取如下改进措施：（1）煤气喷嘴采用圆台、圆槽定位装置固定，防止爆震的动力造成喷嘴砖移位，做好氮气吹扫量的计算，防止氮气吹扫放散不当和吹扫氮气不足造成的回火损坏，提高燃烧器使用寿命。（2）采用短焰燃烧方式，减少爆震产生。煤气、空气烧嘴混合布置，空煤气充分预混，燃烧时同时具有涡流、旋流，可以提高理论燃烧温度。研究表明，拱顶温度大于1 420 ℃时，会产生大量氮氧化物[4]，保持热风炉拱顶温度在（1 380±20）℃，可以有效降低NOx排放，防止热风炉拱顶钢壳发生晶间腐蚀。而采取短焰燃烧方式能够缩小拱顶温度和送风温差，实现在单纯燃烧高炉煤气的条件下，使送风温度达到1 250 ℃。

上述改进措施可以使燃烧器空气过剩系数减小、功率增大、降低拱顶温度和送风温差，从而节省煤气、降低因拱顶温度过高产出较多的氮氧化物，实现热风炉的绿色节能长寿。

4.2 复式拱顶结构

传统顶燃式热风炉结构中，热风出口和拱顶共为一体，导致多方向应力集中，主要包括重力、剪切力、膨胀力、下滑力、送风压力等。应力集中导致传统顶燃式热风炉频频出现热风出口炉壳温度过高、拱顶垮塌等现象，被迫采取降低风温、热风出口炉壳淋水降温及氮气吹扫冷却等措施，严重时导致热风炉停炉大修。

河钢唐钢新区热风炉采用复式拱顶结构，将拱顶与大墙完全脱开、燃烧器与拱顶锥段完全脱开，拱顶和燃烧器各自独立支撑在炉壳之上，将剪切力、下滑力和热风出口膨胀力分散转移到炉壳上，可以有效缓解热风炉出口应力集中问题，实现热风出口和锥形拱顶结构稳定长寿，提高热风炉使用寿命。

4.3 高辐射覆层技术

蓄热室上部格子砖采用高辐射覆层技术，高辐射覆层技术是在物体表面涂覆一层具有高发射率的材料，使物体表面具有很强的热辐射吸收和辐射能力，使辐射传热的效率提高。而热风炉的热交换主要以辐射传热为主，辐射传热量占85%以上，热风炉送风温度可高达1 250 ℃，因此，增强辐射换热量对于提高热风炉的工作效率和热效率有重要意义。

高辐射覆层通过强化辐射换热，提高了格子砖表面温度，增加了格子砖内外温度梯度，使格子砖在燃烧期吸热速度提高，吸热量增加，送风期放热速度提高，放热量增加，强化热风炉的高温烟气与蓄热体、蓄热体与空气之间的传热。有覆层的热风出口温度平均可以提高20 ℃以上，平均烟气出口温度下降10 ℃以上[5]。高辐射覆层技术有效提高了热风炉热效率，实现了节能减排，提高了风温。此外，有覆盖层的格子砖理化指标也优于无覆层的格子砖，有覆层格子砖的物理性能在耐压强度和抗折强度等方面优于无覆层格子砖，能够有效防止格子砖渣化，延长格子砖的使用寿命，从而提高热风炉使用寿命，详见表2。

表2 有覆盖层和无覆盖层硅质格子砖理化指标对比

4.4 板式换热器

热风炉所使用的预热器是回收热风炉排出的烟气余热，用来加热助燃空气和煤气的设备[6]。一般来讲，空气温度每提高100 ℃，风温可以提高35 ℃；煤气温度每提高100 ℃，风温可以提高50 ℃。板式换热器烟气和空气、煤气通过波纹板片换热，冷热流体通过板片传热，传热距离短，而且由于传热板片沿流体流动方向的通道断面形状不断呈波浪形变化，显著加强了流体的扰动，从而强化了流体的传热性能，能够有效回收热风炉废烟气中的热量，降低煤气消耗量。板式换热器换热片为冷轧不锈钢制作，板片表面光滑、不易附着灰尘，具有更小的污垢热阻，不易积灰堵塞。另外，板片不像热管会逐渐失效，煤气、空气板式预热器的寿命一般可以达到10年以上。采用板式换热器空、煤气换热后温度可达200 ℃以上，提高风温可以降低炼铁焦比、提高冶炼强度，实现热风炉绿色节能。热风炉板式预热器采用传热板片替代传统热管或管子传热元件，板式换热器与热管换热器性能对比见表3。

表3 板式换热器与热管换热器性能对比

4.5 稳定长寿的热风管系系统

顶燃式热风炉的热风管道不仅存在水平方向热变形，而且存在较大的垂直方向膨胀变形，热变形是影响顶燃式热风炉正常生产的突出问题。通过分析热风管系的温度场和应力场，研究热风管系的组成，优化波纹管、拉杆配置以及耐材砌体结构来解决热风炉管系热变形问题。

唐钢新区热风炉通过合理设置各种形式的波纹补偿器及拉紧装置，保证热风管道系统既能够承受很大的轴向变形，又能够承受顶燃式热风炉所特有的热风管道径向变形，解决了管道窜风、掉砖问题，适应高风温要求，形成了完善、配套的低应力长寿型热风管系综合技术。

热风炉耐火材料内衬在高温、高压环境下工作，条件十分恶劣[7]。热风管道工作层选用带有锁扣的“Z”型砖砌筑，在密封气流的同时，使工作层砌筑环环相扣，相互支撑，避免管道掉转。热风主支管三岔口采用组合砖砌筑，进风弯管采用高强度陶瓷耐磨浇注料浇筑，提高薄弱部位管道耐材砌筑的整体性，可以有效防止三岔口掉转和窜风现象的发生。