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我國高爐熱風爐新技術應用的回顧與展望

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近20年以來,隨著我國經濟的高速發展,高爐煉鐵技術進步非常之快,高爐熱風爐大型化、多樣化、高效化,大大縮小了91抖音短视频app苹果與世界先進水平的差距,一大批煉鐵及相關科技工作者開發出了一係列世界水平的具有自主知識產權的領先技術,填補國內外熱風爐技術的空白,引起世人關注。主要表現在:霍戈文高風溫熱風爐的引進、大型外燃式熱風爐或大型外燃式熱風爐加輔助小熱風爐的組合、頂燃式熱風爐(俄卡魯金頂燃式的引進、球式頂燃式、逆旋流頂燃式的開發)、大型外燃式熱風爐自身預熱式在大型高爐上的成功應用、高爐熱風爐煙氣餘熱預熱助燃空氣和煤氣技術及其附加加熱換熱技術組合等等。所有這些,都取得了高風溫的實效。熱風爐設計的係統優化,自主設計、製造不同類型的高爐熱風爐,各交叉口采用的組合磚都能自主設計、製造和砌築。高爐熱風爐烘爐技術、涼爐與保溫技術,耐火材料和耐火塗料的研發大大推動了熱風爐的技術成熟與發展。  
  在高爐熱風爐的理論研究方麵也取得了驕人的業績。例如,計算機技術的應用,數值模擬仿真技術開發,高效燃燒器及冷態、熱態實驗,冷風與煙氣分配技術也有我國自己的專利,高爐熱風爐燃燒、流動與傳熱三大理論與實驗研究。實現高風溫的主要技術路線有:利用低熱值煤氣獲得高風溫的工藝方法;熱工設備的組合;工藝技術材料優化與創新;國內也有人提出了1400℃超高風溫的設想。  
  2005年我國重點大中型鋼鐵企業高爐平均風溫1084℃,雖有較大提高,但比國際先進水平低100~150℃。同時,高爐煤氣放散率仍有9.51%。這不僅浪費了大量的二次能源,而且嚴重汙染了大氣環境。隨著煉鐵燃料消耗所占煉鐵製造成本翻番地增長,高風溫對於富氧噴煤強化煉鐵,推動煉鐵技術進步、降低成本和增加經濟效益顯得越來越重要。  
  高溫空氣燃燒技術的應用  
  利用低熱值煤氣獲得高風溫的工藝方法主要有:(1)高爐煤氣富化法;(2)金屬換熱器法;(3)自身預熱法;(4)富氧助燃法;(5)摻入熱風法;(6)輔助熱風爐法等等。其中具典型意義的兩種:金屬換熱器法和熱風爐自身預熱法基本上代表了當今高溫空氣燃燒技術在利用低熱值煤氣獲得高風溫方麵的發展新趨勢。  
  1 高溫空氣燃燒技術在國內的興起  
  高溫空氣燃燒技術(High Temperature Air Combustion-HTAC)是20世紀90年代開發成功的一項燃料燃燒領域中的新技術。HTAC包括兩項基本技術手段:一是燃燒產物顯熱大限度回收(或稱極限回收);二是燃料在低氧氣氛下燃燒。燃料在高溫下和低氧空氣中燃燒,燃燒和體係內的熱工條件與傳統的(空氣為常溫或低於600℃以下,含氧不小於21%)燃燒過程有明顯區別。這項技術將對世界各國以燃燒為基礎的能源轉換技術帶來變革性的發展。  
  1999年10月在北京中國科技會堂召開的高溫空氣燃燒技術(HTAC)技術研討會上開始了第一次與世界各地開展此項技術的交流。很快諸如北京神霧、北京北島能源技術開發公司、北科大賽能傑、山東博大等推出一係列蓄熱式熱回收技術,應用於工業化生產。就高爐熱風爐而言,熱風爐自身預熱法和熱風爐附加加熱換熱係統都屬於高溫空氣燃燒技術在高爐熱風爐上的應用。  
  2 附加加熱換熱係統—金屬換熱器法應用良好  
  德國迪林根(Dilingen)羅爾5號高爐(2220m3)采用附加加熱換熱係統(Additional Preheating Heat-exchange System)。  
  在羅爾5號高爐采用的附加加熱換熱係統中,建有兩台金屬換熱器、1座燃燒爐,利用循環的廢氣可將助燃空氣預熱到500℃,同時把煤氣預熱到250℃,用單一的低熱值(3000kJ/m3)高爐煤氣可把風溫提高到1285℃。  
  這種金屬換熱器法是一種熱工設備的組合,具有較高的靈活性,獨立於熱風爐而存在,可以根據高爐狀態的變化靈活地調節空氣和煤氣的預熱溫度,從而提高或降低熱風溫度,減少或增加預熱空氣和煤氣量。實用新型專利“帶有附加燃燒爐的熱風爐預熱裝置”(專利號ZL96225818.0)在鞍鋼11號高爐(2580m3),邯鋼1#、3#、6#,山西臨汾、太鋼3#、4#,山東淄博、青鋼3#、4#、臨沂,寶鋼梅山2#(1280m3),遼寧北台等廠的高爐都先後應用此工藝技術,效果顯著。  
  3 高爐熱風爐自身預熱法發展成熟  
  高爐熱風爐自身預熱法(self-preheatingprocess)是我國首創。到目前為止,還沒有檢索到國外的有關文獻。該工藝方法於1966年7月在我國山東濟南鐵廠3號高爐(100m3)由呂魯平首先采用,並獲得國家發明專利。發明至今,已走過整整40年不平凡的曆程。大體上可劃分為三個階段:(1)發明、原始創新階段;(2)理論探索、改進階段;(3)工藝改進、大高爐應用階段。這期間不少煉鐵、熱工科技人員進行了大量研究。   
  鞍鋼先後在3座2580m3高爐上,10號(1994年)、7號(2002年)和將來的新4號(2006年)都應用這種具有自主知識產權的熱風爐自身預熱工藝技術。隨著這一技術的發展與應用,相應的理論探索也取得了重要進展。通過計算機數值模擬,驗證了這一技術獨特的優越性和耐火材料的合理性。  
  4 輔助熱風爐法發展方興未艾  
  用兩座輔助小型熱風爐,燃燒過剩的高爐煤氣,交替預熱大熱風爐的助燃空氣,經調溫後供大熱風爐燃燒用。大幅度提高助燃空氣物理熱,實現1200℃以上高風溫。此工藝技術可節省大量的高熱值煤氣,多利用高爐煤氣,經濟效益顯著。鞍鋼新建的兩座3200m3高爐采用這種輔助熱風爐法。德國和日本某些高爐也曾用蓄熱式熱風爐來預熱助燃空氣。  
  這幾種工藝技術在理論上具有如下特點:  
  (1)破除了低溫餘熱回收傳統觀念,大幅度地提高燃燒介質預熱溫度。雖然在係統中增加了一定的能量和投資,但綜合分析總能耗和效益的關係,產出遠遠大於投入。  
  (2)以利用劣質燃料為基本點,經工藝轉化後以低價值的高爐煤氣獲取高價值的高溫熱量。節省昂貴的高熱值煤氣供給更急需的部門,達到能源合理配置,創造更大的經濟效益和社會效益,是真正的“資源節約型”工藝技術。  
  (3)燃燒介質預熱後帶入的物理熱比同樣數量的化學熱更有用。這是因為燃燒介質預熱後煙氣溫度下降,熱效率提高,或者煙氣帶走的熱量與不預熱時相同,回收的熱量更有價值。  
  熱風爐的大型化、多樣化、高效化  
  1 頂燃式熱風爐的跨越式發展  
  近10年來,頂燃式熱風爐在我國的廣泛應用突飛猛進,一方麵,在總結過去經驗的基礎上,自主研製開發出了多種多樣的結構形式,大膽應用;另一方麵,引進國外先進技術,都取得了可喜的結果。頂燃式熱風爐具有諸多優點被人認同。  
  80年代初,我國首鋼新2#高爐(1327m3)4座頂燃式熱風爐的工業應用,在國內引起不小的震動。邯鋼、石家莊高爐十幾座頂燃式熱風爐,湖南冷水江3號高爐有1座新型頂燃式熱風爐。個別小廠也有采用頂燃式熱風爐。後來的球式熱風爐把頂燃式推進了一大步,國內一些鋼鐵廠看準了它的潛質,紛紛采用並自主研究開發。目前球式熱風爐已成功地應用在1327m3級的高爐上。現在,多種多樣的頂燃式熱風爐在我國得到了廣泛采用。  
  1)卡魯金頂燃式熱風爐迅猛發展這種結構的熱風爐已在俄羅斯和烏克蘭冶金工廠的1386~3200m3的高爐上建造使用。俄羅斯卡魯金(Kalugin)頂燃式熱風爐在我國迅速得以應用。例如,萊鋼750m3、1880m3,濟鋼3座1750m3,淮鋼兩座450m3,青鋼兩座500m3,遷安連城兩座480m3,國豐兩座1800m3,首秦1160m3、2200m3,天鋼3200m3,湘鋼2200m3,安鋼2800m3,唐鋼3200m3和重鋼高爐熱風爐都采用此結構形式的熱風爐。鞍鋼2580m3和首鋼曹妃甸5500m3高爐熱風爐擬采用俄羅斯卡魯金頂燃式熱風爐。  
  2)球式熱風爐的普遍應用球式熱風爐也可劃為頂燃式熱風爐的一種,球式熱風爐的體積小,結構簡單,材料用量大大少於內燃式熱風爐,從而大大節省了投資。在河北新豐、廣西柳鋼、江蘇興澄和四川威遠等許許多多中小高爐得到很好的應用。目前球爐已成功地應用在1327m3級的高爐上。  
  3)其他頂燃式熱風爐的崛起在國內,武漢宏圖、承德鴻博、中冶全泰、新興鑄管等也開發出了具有自主知識產權的旋流、旋切流頂燃式熱風爐,得到了很好的應用。  
  2 達涅利霍戈文高風溫長壽熱風爐的應用   
  達涅利霍戈文(Hoogovens)熱風爐集多項科學技術研究成果與一身,自1969年問世以來,迄今為止已在十幾個國家的幾十座高爐推廣應用。該熱風爐具有結構合理、投資省、占地少、熱效率高、風溫高、壽命長等優點。  
  國內20世紀70年代開始研究開發,稱之為高溫改造內燃式。限於當時的技術水平和耐火材料的成本,沒有很好地解決燃燒器、隔牆和送風係統等問題而“擱淺”。當時進行的1300℃高風溫試驗也是短期的,付出的代價是昂貴的。刮了一陣“高溫改造內燃式”風之後,不得不重新考慮引進真正的“霍戈文高溫長壽熱風爐”。  
  武鋼4號2200m3(2001年)、5號3200m3(1991年)、6號3200m3、7號3200m3,鞍鋼11號2580m3(2001年)、鞍鋼新1號3200m3(2001年)、唐鋼2560m3(1998年)、2000m3、首鋼1726m3、太鋼1200m3、攀鋼1260m3(1996年)和上鋼一廠2500m3(1999年)、邯鋼新建兩座3200m3(2006年)等高爐均采用此種結構形式熱風爐。平均風溫達到1150~1200℃。  
  3 大型外燃式熱風爐穩定運行  
  外燃式熱風爐是內燃式熱風爐的進化與發展。本鋼5號高爐熱風爐為地得式。鞍鋼6號高爐熱風爐(AW-Ⅰ),實際為通常所說的馬琴——派根司特(MartinandPagenstecher)外燃式,鞍鋼7號(AW-Ⅱ)、10號高爐、寶鋼所有熱風爐都是新日鐵式(NSC:NipponSteelCorporation)外燃式。  
  值得一提的是,鞍鋼6號高爐(1050m3)熱風爐(AW-Ⅰ)1976年投產,是我國第一座外燃式熱風爐,雖然經過幾次涼爐、再生產和更換燃燒器、格子磚,但確切地講,雙拱頂及連接管,大牆與爐殼,至今已工作整整30年,可謂是我國的長壽熱風爐。後來不久,鞍鋼自主研究開發的7號高爐(2580m3)熱風爐(AW-Ⅱ)參照新日鐵外燃式也的確早於寶鋼,也一直沿用至今。20世紀80年代初,寶鋼引進了真正的新日鐵外燃式。雖然應用了大量的高熱值煤氣等不利因素,但確實長時間地實現了1200℃以上的高風溫和長壽,已引起國人的關注。鞍鋼10號高爐(2580m3)、太鋼4350m3、馬鋼兩座3600m3等大型高爐熱風爐都仍然采用新日鐵式外燃熱風爐。鞍鋼鮁魚圈新建4038m3高爐擬采用PW公司大型地得外燃式熱風爐。  
  熱風爐的烘爐、保溫與涼爐技術  
  1 高爐和熱風爐的烘爐技術  
  鞍鋼6號高爐矽磚熱風爐是我國第一座矽磚熱風爐,當時采取的烘爐方式是成功的。後來國內陸續采用的矽磚熱風爐的烘爐都取得了成功,探索出非常寶貴的操作和維護經驗。由天津長冶熱能設備有限公司研製開發成功的內燃式烘爐器是近10年來廣泛采用的一種烘爐專用設備。用於高爐、熱風爐、加熱爐和其它工業爐窯的烘烤。該烘爐器使用油或燃氣,烘爐時火焰不直接接觸耐火砌體。經配風,調節溫度後噴入爐窯,確保烘爐曲線的完整性。結合用戶的需要,采用烘爐器烘爐已經取得了較好的經濟效益和社會效益。通過與啟動高爐鼓風機烘爐比較,該方法是既節約大量電費又獲得高質量的好方法,近10年來,采用該方法為國內外各大鋼鐵公司烘烤(128~2500m3)高爐及熱風爐已達百餘座。  
  目前,各種不同類型的爐子,各種不同種類的耐火材料,各種不同類型的燃燒介質都能夠很好地解決烘爐問題。  
  2 矽磚熱風爐的長周期保溫技術  
  熱風爐的保溫,重點是矽磚熱風爐的保溫,是在高爐停爐或熱風爐需要檢修時。如何保持矽磚砌體溫度不低於600℃,而廢氣溫度又不高於400℃。根據停爐時間的長短與檢修的部位和設備,可采用不同的保溫方法。鞍鋼首先采用的這種燃燒加保持爐頂溫度、送風冷卻、控製廢氣溫度的作法稱之為“燃燒加熱、送風冷卻”保溫法。這種保溫方法是矽磚熱風爐保溫的一項有效措施。不管高爐停爐時間多長,這種方法都是適用的。  
  鞍鋼10號高爐(1994年)新舊高爐轉換,停爐期間,對矽磚熱風爐采用“燃燒加熱/送風冷卻”方法,保溫138天,效果非常好。寶鋼1號高爐熱風爐也成功地進行了矽磚熱風爐的長周期保溫。  
  3 矽磚熱風爐涼爐再生產技術  
  矽磚熱風爐的涼爐:矽磚具有良好的高溫性能和低溫(600℃以下)的不穩定性。過去,矽磚熱風爐一旦投入生產,就不能再降溫到600℃以下,否則會因突然收縮,造成矽磚砌體的潰破和倒塌。經國內外大量的試驗研究,矽磚熱風爐的涼爐,大體上有兩種方法:自然緩慢涼爐和快速涼爐。  
  磚熱風爐用自然緩冷涼爐是成功的,但由於工期的關係,自然緩冷來不及,還要做快速涼爐的嚐試。鞍鋼1985年在6號高爐矽磚熱風爐上進行了快速涼爐的試驗,用14天將爐子成功地涼下來。並成功地反複再生產。快速涼爐是非常成功的,打破了“矽磚熱風爐一命貨”的論點,說明矽磚熱風爐快速涼爐是可行的,預示了“矽磚熱風爐跨代使用”的可能性和必然性。  
  關行業的進步起到了助推作用  
  1 冶金設備製造技術的進步  
  冶金設備製造技術的進步為熱風爐技術的發展起到了關鍵性的助推作用。高溫熱風閥的引進、研發和推廣應用解決了高風溫熱風爐閥門的壽命問題。各種不同類型的波紋膨脹器的應用,解決了熱風管道膨脹問題。抗晶間應力腐蝕鋼板的研製成功為高風溫創造了有利條件。  
  2 耐火材料的大幅度進步  
  具有自主知識產權的各種不同類型、不同材質的耐火材料給熱風爐按不同溫度區間選擇不同材質的耐火材料提供了廣泛的選擇空間和可靠保證。  
  各種不同類型結構形式的熱風爐高溫區采用的矽磚和低蠕變高鋁磚,重要部位所需的堇青石、莫來石磚,各交叉口采用的組合磚都能自主設計、製造和砌築,並達到一個相當高的水平。  
  3 耐火砌體塗覆高輻射材料  
  近,濟南慧敏科技開發的新型高輻射材料——微納米高溫遠紅外節能塗料在各種工業爐窯上廣泛應。該高輻射新材料工作溫度:300~1810℃;適合燃氣、煤、油、電等各種燃料種類,可縮短升溫時間;降低排煙溫度;提高爐溫及爐溫均勻度,燃料燃燒充分;提高熱效率,提高工效5%~15%;保護爐襯,延長爐窯使用壽命;節能5%~20%。可用於鍋爐、工業電爐、均熱爐、陶瓷窯爐、石油化工行業的加熱爐、裂解爐、冶金熱風爐、球團豎爐、軋鋼加熱爐等各種工業爐窯的節能。  
  這種遠紅外塗料具有節能作用自20世紀50年代就被專家確定;70年代國外有產品麵世;80年代國內有產品麵世;半個世紀沒有得到全麵推廣,其原因是施工工藝沒有得到良好解決。該材料發射率0.91~0.93;耐火度大於1800℃;附著力2級以上;抗熱振性1200℃;室溫10次以上無脫落;粒度25~780nm。該項新材料自發明問世以來,迅速在各種爐窯上應用,如濟鋼、萊鋼、邯鋼、青鋼、長治、鞍鋼。經檢驗部門檢測及用戶使用,該產品粘接力強,高溫使用不易開裂、脫落,使用壽命長,主要技術指標達到了國際先進水平。  
  基礎理論與應用研究起到了支撐作用  
  2005年9月“高風溫長壽熱風爐研討會”在秦皇島召開,知名教授、博士以及從事熱風爐研究和操作的專家學者聚集一堂,一致認為,提高我國風溫水平是使我國由煉鐵大國向強國轉變的重要標誌之一。並提出熱風爐的設計和操作應首先把1250℃的風溫作為近期目標,把1400℃的風溫作為91成版人抖音app网站進入強國的研究目標。目前,一大批科研人員長期不懈的努力,解決了眾多不同層麵的技術關鍵和研究開發出了具有國際先進水平和實用價值的新工藝、新技術、新材料,都取得了顯著的經濟效益。  
  1 熱風爐傳熱過程數學模型的發展  
  在我國,對熱風爐蓄熱室傳熱模型的研究與應用方興未艾。一些文獻從不同側麵對熱風爐操作與控製進行了積極探索,其中,有些模型已應用於實踐。張宗誠、蘇輝煌應用熱風爐不穩定態傳熱的數學模型較準確地計算出了熱風爐內格子磚和氣體沿著高度方向隨時間變化的溫度分布。從而為預測熱風溫度、廢氣溫度、送風時間和熱效率,以及分析各種不同操作製度下的熱工特征和選擇佳的設計與操作製度提供了可靠的手段。張建來根據熱平衡方程及若幹經驗公式建立了熱風爐熱量控製燃燒數學模型,其要點是以熱量控製熱風爐的燃燒,根據下一周期的加熱風量、風溫來確定所需要的煤氣化學熱,以達到佳燃燒。數學模型的建立為計算機有效控製燃燒提供了基礎模型。根據不同的送風模型進行送風調節,獲得了滿意的結果。此外,熱風爐換爐的自動控製係統、自尋優化控製都是建立在不同的數學模型基礎上的。寶鋼高爐熱風爐數學模型應用20年的實踐證明,用數學模型控製熱風爐燃燒及有關操作製度,選擇合理的熱工參數,及時調整控製變量,可以達到節約能源、提高風溫的效果。由此可見,可靠的數學模型對於熱風爐的自動化操作和節能增效是十分有益的。  
  2 燃燒器冷態、熱態模型實驗研究  
  熱風爐由於空氣預熱溫度較高,使陶瓷燃燒器工作條件惡化,且易產生脈動燃燒。為解決這個問題鞍山鋼鐵學院的教授們與現場結合專門進行了陶瓷燃燒器的冷態、熱態試驗。在熱態模型上測量了不同燃燒能力、不同空氣預熱溫度時燃燒室內溫度分布、廢氣成分、火焰長度及燃燒穩定性等。為開發能適應熱風爐不同工況下陶瓷燃燒器提供了依據並找到了解決燃燒振動的方法。並利用這一熱態模型為上鋼一廠、昆鋼等做了專項試驗研究,取得成功。  
  3 煙氣和冷風均配技術  
  氣流在熱風爐內的行為,早已引起人們的注意。20世紀70年代初,前蘇聯與前聯邦德國分別對此做了模擬試驗研究。近年來,我國也做了大量工作,並已著手采取措施改善氣流在蓄熱室內的分布。20世紀80年代,武漢冶金建築研究所研製成功“熱風爐冷風均勻配氣裝置”。它是由氣流整流器和數個阻流導向板組成。氣流整流器安裝在冷風入口的內側,其作用是整流和均勻分流,阻流導向板安裝在蓖子下空間,通過阻擋和導向破壞渦流,均勻分布氣流。這一技術已成功地應用於攀鋼3號高爐和鞍鋼9號高爐,收到了良好效果。  
  北京科技大學、包頭鋼鐵學院的許多研究人員采用計算機模擬的方法也成功地解析了熱風爐氣流分布不均的實際狀況,並提出了解決問題的方法,得以應用。  
  4 生態熱風爐與綠色熱風爐的建設  
  在利用冶金工廠產生的二次能源,大力推動循環經濟的同時,努力建設“資源節約型、環境友好型”社會。在控製溫室氣體排放方麵,熱風爐還有大量工作要做[7。生態熱風爐與綠色熱風爐的主要特征為:(1)使用低熱值煤氣作為主要燃料,經工藝轉化後以低價值的高爐煤氣獲取高價值的高溫熱量。減少煤氣的放散量,節省昂貴的高熱值煤氣供給更急需的部門,達到能源合理配置,創造更大的經濟效益和社會效益,真正做到“資源節約型”工序;(2)實現係統優化、合理燃燒;(3)煙氣餘熱盡大努力回收利用,如首先采用金屬換熱器預熱煤氣和助燃空氣;其次,還是這部分煙氣供煤粉車間作為幹燥、惰化氣;再次,供解凍庫作為熱氣源用等;(4)開發減排溫室氣體總量的有效措施和相關技術。  
  結語  
  隨著高爐煉鐵技術的快速發展,高爐熱風爐的選擇範圍越來越大。大型化、多樣化、高效化,大大縮小了抖音成年版app下载ioses與世界先進水平的差距。一大批煉鐵及相關專業科技工作者開發出了一係列世界水平的具有自主知識產權的領先技術,填補了國內外熱風爐技術的空白,引起世人關注。1200℃高風溫熱風爐技術的進步與發展,是20多年來廣大高爐熱風爐工作者不懈努力的結果。霍戈文高風溫熱風爐的引進、大型外燃式熱風爐(地得式、新日鐵式)或大型外燃式熱風爐加輔助小熱風爐的組合、頂燃式熱風爐(俄卡魯金頂燃式的引進、球式頂燃式、旋流、旋切頂燃式的開發)、大型外燃式熱風爐自身預熱式在大型高爐上的成功應用、高爐熱風爐煙氣餘熱預熱助燃空氣和煤氣技術及其附加加熱換熱技術組合等都取得了高風溫的實效