引進技術(shù)在遷鋼3號高爐噴煤系統(tǒng)中的應(yīng)用.doc

編號：RG/QF-03-2-215 版次：B/0 頁次：1/6引進技術(shù)在遷鋼3號高爐噴煤系統(tǒng)中的應(yīng)用孟祥龍，張福明，王維喬(北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司)摘 要：闡述了引進DANIELI CORUS公司先進技術(shù)在遷鋼3號高爐噴煤系統(tǒng)中的應(yīng)用實踐，采用中速磨煤機制粉，一級大布袋收粉，三罐并列，主管加分配器以及濃相長距離直接噴吹工藝，其中噴吹罐的工作周期及能力配置、流態(tài)化措施及氣力輸送系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)與高爐能力緊密匹配，實現(xiàn)功能最大化利用及節(jié)能減排，整套工藝達到國際先進水平。關(guān) 鍵 詞：特大型高爐；噴煤；引進技術(shù)高爐噴煤是現(xiàn)代高爐煉鐵生產(chǎn)廣泛采用的技術(shù)之一，噴吹煤粉從當(dāng)年簡單的以煤代焦和提供熱量的思路出發(fā)，到如今已經(jīng)成為調(diào)劑爐況熱制度、改善爐缸工作狀態(tài)、降低燃料消耗以及節(jié)能減排等方面的重要技術(shù)措施1。高爐大型化已經(jīng)成為趨勢，噴煤工藝各環(huán)節(jié)應(yīng)做出相應(yīng)改進，以滿足高爐大型化的需求，其中裝備水平、煤粉流態(tài)化措施、長距離濃相輸送以及風(fēng)口均勻噴吹技術(shù)等方面已經(jīng)引起重視2。遷鋼3號高爐(4000m3)于2010年1月8日點火投產(chǎn)，其配套的制粉噴煤系統(tǒng)在噴吹部分的設(shè)計過程中引進了荷蘭DANIELI CORUS公司的先進技術(shù)，希望能對今后國內(nèi)的高爐噴煤設(shè)計工作起到參考作用。1 工藝設(shè)計方案11 工程概況3號高爐設(shè)計利用系數(shù)24，日產(chǎn)鐵量9600Ld，設(shè)計噴煤比190kg/t，小時噴煤量達到77th。配套制粉噴煤工藝設(shè)備能力達到250kg/t，按照噴吹煙煤和無煙煤混合煤設(shè)計，采用中速磨制粉、一級大布袋收粉、并罐直接噴吹、單主管單分配器工藝，噴煤罐充壓及流化采用氮氣，煤粉輸送采用壓縮空氣?；驹O(shè)計情況見表1。12 工藝流程原煤由皮帶機從原料場儲煤筒倉運至噴煤主廠房，并向原煤倉加煤，原煤倉中的原煤經(jīng)稱重式給煤機進入中速磨煤機，干燥劑采用熱風(fēng)爐廢煙氣與混風(fēng)爐燃燒高爐煤氣產(chǎn)生的高溫?zé)煔獾幕旌蠚?，排粉風(fēng)機形成負壓將干燥劑吸入磨煤機，配合原煤在磨煤機中進行粉碎和干燥。粒度較大的顆粒經(jīng)粗粉分離后重新磨制，合格煤粉沿管道進入布袋收集器，收集后的煤粉經(jīng)收集器灰斗后進入煤粉倉，煤粉倉下設(shè)置3個高壓并列式噴吹罐，煤粉經(jīng)下煤管道進入噴吹罐中，并作為噴吹罐操作周期的一部分。離開噴吹罐的單一煤粉流在補氣器中與輸送氣體混合，然后將煤粉送到高爐附近。煤粉與輸送氣體在補氣器中混合，并通過輸煤管線進入分配器，分配器將該單流平均分配到各噴吹管線，各噴吹管線再將煤粉送到高爐各風(fēng)口。3號高爐噴煤系統(tǒng)采用的主管路加分配器的噴吹模式，是目前國內(nèi)高爐噴煤工藝廣泛采用的一種噴煤形式，噴吹部分簡要流程如圖1所示。2 引進的先進技術(shù)21 輸煤總管縮徑設(shè)計與末端方管設(shè)置在與DANIELI CORUS合作中，輸煤主管的設(shè)計有兩點與以往思路不同：(1)輸煤主管的管內(nèi)徑沿著煤粉運行方向是逐級遞增的(見表2)。在噴煤主廠房補氣器出口處使用的是內(nèi)徑1197mm圓管，到末端已經(jīng)逐級遞增至內(nèi)徑1333mm。輸煤主管輸送煤粉和壓縮空氣時，由于壓損，氣體體積增大，引起速率逐漸增大。采取輸送管線內(nèi)徑逐級增大的措施，可以補償增大的輸送速率所帶來的管道腐蝕、壓降和氣耗增大等一系列問題。但在計算時，不能無限的擴大內(nèi)徑，這是由于在輸送過程中，要時刻保證輸送速率大于沉積速率，才能使煤粉被輸送氣體順利輸送。(2)在輸煤主管末端進入分配器之前加入了1段長6m的方形管道，垂直布置，即表2中的第5段管道。由于煤粉和壓縮空氣兩相流在沿著一定長度的圓管運行后，會出現(xiàn)壓力場和速度場不均勻的現(xiàn)象，主要體現(xiàn)為其運行軌跡沿著管道中心線呈螺旋狀前進。這種不均勻性會造成管線內(nèi)出現(xiàn)固態(tài)沉積，進入分配器后的煤粉不能均勻的被分配到各支管中，從而引起各支管的噴煤量差異，更進一步的影響整個爐況。因此，在進入分配器入口，輸送管線豎直段的最后一段采用方形管，避免這種不均勻現(xiàn)象，以保證分配器平穩(wěn)分配煤粉。22 煤粉倉和噴吹罐的能力配置煤粉倉和噴吹罐是噴吹環(huán)節(jié)儲存煤粉的重要裝置，其幾何參數(shù)的設(shè)計會對噴煤過程的周期操作產(chǎn)生直接影響，3號高爐的煤粉倉及噴吹罐設(shè)計參數(shù)見表3。三罐并列式噴吹形式是1、2、3號罐之間進行輪流交替噴吹，罐與罐切換之間存在倒罐周期。與兩罐并列式不同的是，三罐并列式倒罐周期基本就是倒罐操作時間，一般不專門考慮等待時間。倒罐周期由幾個特定的工作階段組成，包括單罐噴吹時間t、噴吹罐減壓放散時間tp、裝煤時間tz、充壓時間tc、保持時間td。國內(nèi)經(jīng)驗當(dāng)滿足t12514(tp+tz+tc+td)時，應(yīng)設(shè)置3罐并列式的布置形式。從表4中噴吹罐工作周期各階段的時序來看，滿足t12514(tp+tz+tc+td)，因此選擇了3罐并列的方式，這與國內(nèi)以往的經(jīng)驗也吻合。由于保持時間td內(nèi)噴吹罐要求不斷補充氣體以保證工作壓力，因此工作周期的精準(zhǔn)設(shè)計不但能夠節(jié)約能源，而且對實際操作具有指導(dǎo)意義，應(yīng)引起重視。23 煤粉倉與噴吹罐的煤粉流態(tài)化措施原煤經(jīng)過磨煤機磨制后進入煤粉倉和噴吹罐中后，由于自重或者環(huán)境壓力的原因，顆粒間相互接觸，形成固定床狀態(tài)，而且在靠近容器底部的出粉口有被壓實效果，即使在制粉環(huán)節(jié)已被處理成含有少量水分的細小顆粒，仍然很難靠自重流出。在煤粉倉和噴吹罐的出粉口設(shè)置流化裝置將解決這一問題。煤粉倉內(nèi)屬于非高壓環(huán)境，但由于一般情況下煤粉倉容積較大，料柱也較高，內(nèi)部煤粉的重力將最終作用于下部出料口。3號高爐采用了流態(tài)化板設(shè)備來保證煤粉順利出倉。煤粉倉在其底部下封頭處設(shè)置流態(tài)化板裝置，板上形成若干個圓孔(如圖2所示)，流態(tài)化氣體不間斷的從下到上流過流態(tài)化板，在流態(tài)化板上部空間煤粉出口管道處形成連續(xù)流態(tài)化的煤粉，流態(tài)化的煤粉通過下煤管道被輸送至噴吹罐。流態(tài)化氣體使用氮氣，保持煤粉時刻處于惰性環(huán)境下，防止燃燒和爆炸。噴吹罐屬于壓力容器，內(nèi)部氣體及煤粉處于高壓狀態(tài)，而且通常其高徑比也較煤粉倉大，在其下部出粉口位置煤粉顆粒緊密連接。噴煤罐的流態(tài)化效果將直接影響到能否為高爐快速均勻的輸送煤粉，需要更加精確的控制流化氣體流量及壓力，實際流態(tài)化氣體的操作要滿足大于煤粉流態(tài)化速度而小于懸浮速度。3號高爐的噴吹罐與其配套的煤粉倉采用了相同的流態(tài)化措施，即在下椎體封頭處設(shè)置了流態(tài)化板，流態(tài)化板的安裝位置和結(jié)構(gòu)與煤粉倉基本相似，并采用下出料形式。流態(tài)化氣體的流量及壓力控制需同時考慮噴吹罐內(nèi)環(huán)境壓力及煤粉自重的影響，經(jīng)過詳細計算并結(jié)合生產(chǎn)實踐方可確定。24 煤粉的濃相輸送技術(shù)以往國內(nèi)高爐的噴煤系統(tǒng)一般采用稀相輸送方式，通常固氣比僅為1015kg煤粉kg氣體，輸送能力低，能源消耗大，而且高速行進的煤粉對管道及設(shè)備的磨損大，增加檢修負擔(dān)。3號高爐噴煤主管中的固氣比設(shè)計為35kg煤粉kg氣體，相比較稀相是個不小的提升。在濃相輸送技術(shù)的運用中，輸煤主管道內(nèi)輸送氣體的速度與噴吹罐正常工作時的壓力是設(shè)計要點。噴煤總管道輸送氣體速度Va、直接影響輸送管路中的固氣比和輸送速度，應(yīng)控制在煤粉的臨界流態(tài)化速度Vx，和懸浮速度Vx之間。實際生產(chǎn)中保證VcVsVx是依靠調(diào)整輸送氣體與煤粉在輸煤總管中的比例來實現(xiàn)的，設(shè)計中在噴煤主管道上設(shè)置了二次補氣器來調(diào)整煤粉輸送濃度，本次采用的補氣器的結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。噴吹罐正常工作壓力也同樣制約著噴煤濃度。國內(nèi)某研究通過試驗和理論計算的結(jié)果表明，一般情況下，噴煤濃度隨著噴吹罐工作壓力增加而降低。當(dāng)噴吹罐壓力為14MPa時，最大輸送濃度只能達到42kg煤粉kg氣體，再加上二次補氣，則只能達到30kg煤粉kg氣體左右；當(dāng)噴吹罐壓力為03MPa時，最大輸送濃度能達到148kg煤粉kg氣體，加上二次補氣也可達至90kg煤粉kg氣體3。煤粉在不同的罐壓下能夠達到的最大質(zhì)量濃度不同，但實際體積濃度卻相同。這是因為噴吹罐壓力增大后，氣體隨著煤粉輸送過程中，煤粉顆粒間會壓縮進更多質(zhì)量的氣體，噴吹罐的壓力越大，能夠達到的質(zhì)量濃度越低。當(dāng)然噴吹罐的壓力不可無限降低，其要求應(yīng)滿足能夠克服噴煤系統(tǒng)兩相流輸送管路總阻損后將煤粉順利輸送至高爐風(fēng)口。兩相流輸送管路總阻損包括兩相流輸送管道阻損和各個部件的局部阻損，具體包括噴煤罐出口流量調(diào)節(jié)閥、二次補氣器、輸煤主管、煤粉分配器、噴煤支管、縮徑噴嘴和噴煤槍等阻損之和，要通過詳細計算才能確定。3號高爐噴吹罐的最大設(shè)計工作壓力為142MPa。25 煤粉的均勻噴吹技術(shù)煤粉進入分配器后經(jīng)過各噴煤支管到達風(fēng)口噴槍繼而噴入高爐，其均勻性將直接影響到爐缸熱狀態(tài)。噴吹的均勻性是衡量噴吹質(zhì)量的重要指標(biāo)，這也是引進的DANIELI CORUS噴煤技術(shù)的主要優(yōu)點之一。3號高爐采用了“瓶式”分配器(如圖4所示)，并對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行了調(diào)整，解決了以往此類型分配器，煤粉和輸送氣體在其內(nèi)部產(chǎn)生渦流，阻力大易積粉的問題，效果比較理想，能夠達到生產(chǎn)要求。要保證各支管噴吹均勻，除了確保在分配器中煤粉均勻分配外，在噴煤支管的設(shè)計上，利用每個管道里阻損均等的原理，使煤粉均勻分配到每個風(fēng)口，實現(xiàn)了各風(fēng)口噴吹煤粉的均勻性控制在4的誤差范圍內(nèi)。國內(nèi)常用以下經(jīng)驗公式計算噴煤支管阻損Pb：Pb=PbPf式中Pb噴煤支管起點的壓力，MPa；Pf噴煤支管終點的壓力，MPa；固氣比，kg煤粉kg氣體；Gb噴煤支管載氣流量，kg/s；Lb噴煤支管當(dāng)量長度，m；Db噴煤支管內(nèi)徑，cm。由于噴煤支管起點的壓力Pb、噴煤支管終點的壓力Pf、固氣比對于各個支管相同，同時要求各支管載氣流量Gb和噴煤支管內(nèi)徑Db相同。在3號高爐噴煤系統(tǒng)的設(shè)計中將分配器置于爐頂平臺(標(biāo)高57m)，增加噴煤支管的垂直段比例，減小阻損以提高煤粉分配均勻程度，同時使各支管當(dāng)量長度Lb相等，實現(xiàn)各支管等阻損。3 系統(tǒng)運行情況本系統(tǒng)自2010年1月投產(chǎn)，輸送及噴吹在短期內(nèi)即達到設(shè)計要求。經(jīng)過2年多的運行，該系統(tǒng)可靠、平穩(wěn)、順利，各項指標(biāo)均良好(2012年部分生產(chǎn)指標(biāo)見表5)。4 結(jié)語(1)隨著高爐不斷大型化，噴煤工藝技術(shù)及裝備水平應(yīng)不斷提升以滿足爐容擴大后的要求。(2)煤粉倉與噴吹罐的設(shè)計，包括外形尺寸與工作周期之間的相互配合，對節(jié)能減排和指導(dǎo)操作具有積極意義。(3)煤粉流態(tài)化與濃相輸送等技術(shù)與國際先進水平尚存在差距，仍有進一步提升空間。5 參考文獻1 Wu k，Ding R C，Han Q，et a