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        優化組合型節能、長壽、高風溫頂燃式熱風爐設計理念

        優化組合型節能、長壽、高風溫頂燃式熱風爐設計理念

        • 分類:四段式技術
        • 作者:
        • 來源:
        • 發布時間:2021-05-15 20:24
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        【概要描述】

        優化組合型節能、長壽、高風溫頂燃式熱風爐設計理念

        【概要描述】

        • 分類:四段式技術
        • 作者:
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        • 發布時間:2021-05-15 20:24
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        優化組合型節能、長壽、高風溫頂燃式熱風爐設計理念

        建國以來,我國引進和自主發明創造的熱風爐爐型種類頻多。引進的爐型有日本新日鐵外燃式熱風爐、霍戈文內燃式熱風爐、PW外燃式熱風爐、卡魯金頂燃式熱風爐;我國自主研發的熱風爐爐型有符政學大功率頂燃式熱風爐、首鋼套筒頂燃熱風爐、張思德頂燃式熱風爐、豫興懸鏈線頂燃式熱風爐、賽迪豫興旋流交錯頂燃式熱風爐、柳鋼型頂燃式熱風爐。根據燃燒方式又分為長焰混合燃燒熱風爐技術、短焰混合燃燒熱風爐技術、無焰混合燃燒熱風爐技術三種結構形式。根據燃燒器的結構形狀又分為短焰型燃燒器、型燃燒器、大功率頂燃無焰型燃燒器。每種結構形式的熱風爐和結構形式的燃燒器均有各自的優點和缺陷,如果將各種爐型的優點集中優化為一種性價比合理、結構穩定、混合均勻、燃燒完全的節能、長壽、高風溫型熱風爐,煉鐵熱風爐長期影響風溫、燃料比、壽命的共性問題將不復存。

        一、 不同燃燒技術燃燒結構特點分析

        目前,頂燃式熱風爐有長焰混合燃燒、短焰混合燃燒、無焰混合燃燒三種形式。下面具體分析三種燃燒技術的優劣特點。

        1)長焰混合燃燒器技術

        長焰混合燃燒器結構類型頻多,分布在上世紀末期和本世紀初期的各種熱風爐結構形式中,混合燃燒模式均是擴散預混長焰燃燒技術。其特點是空氣過剩系數大、一般達到1.1-1.5之間才能實現煤氣完全燃燒,并且熱風爐燃燒室必須具備足夠的混合燃燒空間,才能彌補長焰混合燃燒造成的混合不均勻、燃燒不完全的缺陷,由于空氣過剩系數過大,帶進熱風爐內部的冷空氣量大,產生的煙氣量也大,對風溫有一定的降低幅度影響、廢氣成分中一氧化碳排放含量仍然較高,尤其外形如保齡球狀頂燃式熱風爐預燃室煤氣、空氣分層預混旋流混合燃燒技術存在爆震燃燒的特征,解刨的預燃室結構空氣噴嘴完好率100%,但煤氣噴嘴損壞率高達100%予以證明爆震存在,預燃室在送風和燃燒過程中還存在有較大的溫差,對預燃室結構穩定性有一定的影響,如果達到節能、長壽、高風溫的燃燒技術,需要進一步進行技術改進。

        2)短焰混合燃燒特征

        賽迪豫興型頂燃式熱風爐,外形如保齡球狀,在熱風爐頂部采用煤氣、空氣交錯旋流短焰混合燃燒模式,混合相對均勻,火焰較短、燃燒相對較完全、風溫相對較高、空氣過剩系數小,一般為1.05-1.06,廢氣量小,排放比較環保,是節能型爐型,預燃室在送風和燃燒過程中的溫差較小,預燃室結構穩定性強。

        3)無焰混合燃燒特征

        符政學型、段潤新型、柳鋼型熱風爐,外形如保齡球狀,采用的是內預混無焰混合燃燒模式,特點是窺視孔觀察其混合燃燒無火焰焰苗,混合燃燒效果很好、風溫較高、空氣過量系數為1.02-1.03,排放環保。柳鋼型熱風爐段潤新型熱風爐和符政學熱風爐的區別在于柳鋼及段潤新熱風爐熱風出口設置在預燃室內,送風和燃燒過程預燃室溫度較高,對耐火材料的性能要求更高。而無焰混合燃燒熱風爐設置的煤氣環道截面積小于空氣環道的截面積,主要目的防止回火,這會對煤氣吃進量有明顯的限制,無焰混合燃燒技術進一步優化改進,解決好回火缺陷,無焰混合燃燒型熱風爐將是節能、穩定、長壽、高風溫熱風爐的發展方向。

        目前,長焰、短焰、無焰三種混合燃燒模式從目前實踐應用角度驗證,短焰混合燃燒技術屬于較節能、操作安全的成熟技術。雖然三種形式的混合燃燒模式均在使用,但隨著國家環保政策的逐步加強,使用單位越來越重視高效、環保、節能技術的應用。如果重點加強無焰混合燃燒技術進一步的研究優化,無焰燃燒將逐漸取代短焰和長焰混合燃燒技術,實現真正的節能、高效技術的應用。

        二、熱風爐燃燒室特點分析

        熱風爐是否穩定長壽、關鍵在于長期高溫工況環境的燃燒室結構。

        新日鐵熱風爐燃燒室錐形拱頂獨立支撐在爐殼之上的結構、保齡球狀熱風爐錐形拱頂直接砌筑在熱風出口大墻之上的燃燒室結構,霍戈文熱風爐燃燒室懸鏈線拱頂獨立支撐在爐殼之上的結構。有資料記錄燃燒室拱頂使用壽命長達44、實現風溫1250-1280度熱風爐的是荷蘭克魯斯鋼鐵公司72500m³高爐霍戈文內燃式燃燒室懸鏈線拱頂結構,新日鐵燃燒室錐形拱頂使用風溫1250-1280度,其燃燒室壽命在我國上海寶鋼也有32年的長壽使用記錄還在繼續服役。錐形拱頂砌筑在熱風出口大墻之上的頂燃式熱風爐截止目前還很難查到有超過10以上穩定的記錄。

        盡管頂燃式熱風爐在我國已經有30-40年的使用歷史,煤氣、空氣分層預混旋流混合燃燒的頂燃式熱風爐在我國也有十幾年的使用歷史,盡管頂燃式熱風爐風溫高、占地面積小、投資省,但是頂燃式熱風爐的缺陷造成的燃燒室熱風出口結構損壞、垮塌嚴重影響鋼鐵企業的經濟效益和節能環保指標。如果能很好的借鑒新日鐵外燃式熱風爐的錐形燃燒室拱頂結構和霍戈文的懸鏈線拱頂燃燒室結構設計理念,對現有頂燃式熱風爐燃燒室結構進行徹底的優化改進,頂燃式熱風爐也一定是穩定長壽、節能、高風溫、低投資的頂燃式熱風爐技術。

        需要優化的頂燃式熱風爐,主要存在兩大結構缺陷;一是預燃室煤氣噴嘴的損壞率高達100%、空氣噴嘴率完好率也是100%;二是燃燒室熱風出口和拱頂的損壞率高達90%以上(2017927日由河鋼集團宣鋼整體搬遷樂亭鋼鐵項目組,組織的含中冶京誠、河鋼集團、豫興公司在內的六家專業公司唐鋼國際會議室面對面技術交流會上,河鋼專家肯定熱風出口和拱頂損壞率在90%以上)。預燃室結構的損壞對實現高風溫沒有太大的影響,但是燃燒室結構的損壞對高風溫的影響是致命的,目前筆者收集的燃燒室結構損壞案例高達150多座,涉及到450m³-5000m³級別高爐配套的頂燃式熱風爐。為此,河北省中鐵裝備制造公司的4座高爐配套的頂燃式熱風爐就出現熱風出口和錐形拱頂燃燒室結構不穩定、爐殼發紅、燒穿、熱風出口和錐形拱頂內襯頻繁垮塌狀態,該公司決策層反復研究討論在不停產條件下,逐步對現有的1號、2號、32500m³高爐配套的9座頂燃式熱風爐燃燒室部位實施切割爐殼進行優化改造為豫興四段式頂燃式熱風爐結構,改造周期歷時一年,頂燃式熱風爐改造期間實施一燒一送一大修制度,直接降低風溫和改造投資超億元以上,自2017910號至今已經采取切割爐殼的大修改造竣工8座熱風爐,第9座熱風爐計劃在20189月底前完工(見照片五)。在國內類似中鐵裝備制造的大修改造業主越來越多。

        2017927號,由河鋼集團樂亭整體搬遷項目部組織的在國內熱風爐技術具有影響的含中冶京誠在內的六家企業進行為期一天的面對面技術交流會,大家一致討論決定采用豫興提出的在中鐵裝備制造進行切割爐殼大修改造實踐的四段式頂燃式熱風爐作為河鋼樂亭鋼鐵基地配套的頂燃式熱風爐爐型。目前,河鋼集團樂亭鋼鐵基地4X3000m³級別高爐配套的豫興四段式頂燃式熱風爐結構(見照片五)正在緊鑼密鼓的設計施工之中。簡而言之豫興四段式熱風爐燃燒室結構就是把現有的錐形拱頂和熱風出口直段連體結構進行分離,將燃燒室集中的應力通過將錐形拱頂獨立支撐在熱風爐爐殼之上與熱風出口大墻實施分離為轉移至爐殼之上,這樣的結構徹底解決了結構垮塌和局部爐殼高溫隱患。

        如果,將新日鐵外燃式熱風爐錐形拱頂燃燒室結構和霍戈文燃燒室結構的理念相結合,將使燃燒室拱頂結構像新日鐵和霍戈文拱頂結構一樣,使用壽命超過30年至44,頂燃式熱風爐才能實現長壽節能的高風溫。所以,燃燒室結構是熱風爐長壽最關鍵的技術結構。

         

        3 霍戈文懸鏈線拱頂技術的核心(參見設計圖片一、照片二、照片三和照片四  

        1)核心技術之一

        懸鏈線拱頂采用霍戈文高溫長壽硅磚結構形式,懸鏈線拱頂鉸鏈結構,設置有60個獨立的關節板塊結構,關節之間特意設計的膨脹縫是配合關節磚在烘爐升溫或停爐降溫至硅磚晶形轉變過程中,體積變化,各板塊獨立變形,相互間不干涉,在高溫環境下可以實施自由獨立蠕動轉動運動,且第一層硅磚和第二層輕質磚之間設計有30-50毫米的夾層孔隙,采用高溫熔融后自動閉合的功能設計。置在拱角之上的板塊結構,板塊之間設置有15mm的上下直通,板塊的上下關節磚之間高度為1-1.2。除此之外,拱頂第一層和第二層磚之間還專門設有均壓孔匹配均衡硅磚拱頂襯內外壓力。這些設置均是對大型高爐熱風爐依據爐型的直徑和拱頂高度經過精細計算設計預留的。

        2)核心技術之二

        功能設計的懸鏈線拱頂之特殊要求是,內環重質磚與中環輕質磚之間采用泡沫板填充,泡沫板在升溫至200左右甚至溫度更低條件下,全部將泡沫板融化掉,充分保留拱頂襯之間的膨脹空隙。同時,為了是拱頂結構的穩定性和膨脹系數過大造成與保溫層結構無法實施吻合貼緊,除了關節磚上部的拱頂磚、每隔四層磚設置一層墊硬紙板鋪置后砌磚層、這些層硬質紙板燒失后,可以解決硅磚加熱后向上疊加累積膨脹,起到遞減吸收膨脹的作用。硬紙板燒失后的拱頂磚形成凸凹槽緊密環扣一體的燃燒室拱頂結構。

        3)核心技術之三

        在拱頂部位中下部板塊結構中的兩層關節磚的間隙采用木楔,當加熱燃燒至一定溫度時,木屑燃盡,關節磚隨燃燒室輕體膨脹和壓力作用而自由進行微小轉動調節作用。而每一組關節磚的凹凸接觸面積和受力是經過計算的,制品經過細磨加工組裝,凸凹組合接觸面嚴實無縫隙率達70%以上,該組磚通過設計,可以支撐上部拱頂磚重量和膨脹運動受力的作用,受力合理,不會出現斷裂現象。

        4)核心技術之四

        板塊之間的膨脹縫是特設的功能性縫隙,硅磚膨脹后不得實現完全閉合,完全閉合板塊轉動受限,不利于板塊自由膨脹變化,硅磚內襯后面和輕質磚之間的聚乙烯板經過烘爐后融化形成縫隙,對后面的輕質磚的高溫和壓力作用有限,不會燒壞輕質拱頂層材料。                

        5)核心技術之五

        燃燒室拱頂襯和輕質磚之間填充泡沫板,泡沫板消融后,硅磚拱頂內襯的自然閉合是經過詳細計算設計的,在硅磚線膨脹結束后,硅磚內襯膨脹縫隙遠遠不能抵消硅磚的膨脹量,增加多層硬紙板,環鋪3mm,經過高溫燒失后被膨脹吸收。兩層拱頂自然閉合,即使有微小的層縫隙,由于設置的均壓孔的作用,也不會造成大量高溫褚留在夾層縫隙之間,且輕質硅磚就起到高溫作用。在武鋼、鞍鋼、唐鋼、沙鋼等25座大型高爐配套設計及實踐中已經得到穩定長壽使用驗證。

         

        4 優化組合新的頂燃式熱風爐

        通過對霍戈文熱風爐燃燒室拱頂核心技術和新日鐵外燃式燃燒室錐形拱頂結構的研究,將兩種燃燒室核心技術融合進新的四段式頂燃式熱風爐燃燒室拱頂結構之中,實施長壽、節能、高風溫的四段式頂燃式熱風爐技術應該是當之無愧。

        由于頂燃式熱風爐的爐體低、占地面積小、風溫高、見效快等諸多優越特點已經成為主流熱風爐技術,在進行優化頂燃式熱風爐的過程中,改善分層預混旋流長焰混合燃燒技術缺陷,使其節約燃料、減少一氧化碳排放、提高風溫、減少預燃室結構溫差、避免延時點火爆震燃燒對煤氣燃燒器噴嘴的損壞,縮小空氣過剩系數是其主要的優化部位,對預燃室結構的持續優化改進,才能符合國家環保、節能、改善人民最佳居住環境政策的需要。而頂燃式熱風爐熱風出口及錐形拱頂致命結構垮塌缺陷,即使采用了局部結構優化、高檔耐高溫的優秀耐火材料,但對于疊加累積膨脹造成的破壞隱患仍存,當這些隱患爆發之日就是企業損失之時,借鑒新日鐵獨立支撐錐形拱頂長壽實踐,是解決頂燃式熱風爐現存拱頂垮塌和隱患的唯一經典實踐案例。采用霍戈文燃燒室核心技術,會使頂燃式熱風爐更加長壽、節能、高風溫。

         

        5 小結

        采用頂部預燃室短焰燃燒的燃燒器,燃燒器結構與下部斷開支撐在爐殼之上,采用獨立支撐的燃燒室錐形拱頂,錐形拱頂結構與上下部斷開支撐在爐殼之上,采用鑲嵌有熱風出口的燃燒室直段結構,該直段結構與上下部位斷開獨立支撐在爐殼之上,下部的蓄熱室結構坐落在爐基之上,形成了預燃室、燃燒室錐形拱頂、熱風出口直段、蓄熱室四段式段段脫開,不受任何漲縮等應力約束;將高膨脹的硅磚燃燒室錐形拱頂結構設計為拱頂內襯與保溫內襯各自獨立、不受各自漲縮約束的椎體結構,新的長壽、穩定、節能、高風溫四段式頂燃式熱風爐綜合技術將為鋼鐵行業的高效高產發揮更大的優勢和作用。

         

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