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1、2011 年全国炼铁低碳技术研讨会论文集 济源钢铁公司 5#高炉球式热风炉技术改造的实践 段金周侯士亮陈维汉 （济源钢铁公司炼铁厂、豫兴热风炉工程技术公司） 摘要 ：对济源钢铁公司球式热风炉进行技术改造，将套筒燃烧器改为旋流交错喷射短焰燃烧器（预燃室），将球床蓄热体 改为格子砖蓄热体，从而改善燃烧与传热效果，克服了球是热风炉球床粘结、灰堵、阻力大、使用周期短等弱点，热风温度 提高 50以上，带来明显的经济效益。 关键词 ：球式热风炉技术改造耐火球格子砖套筒燃烧器预燃室 1、概述 济源钢铁公司炼铁厂在2009 年 11 月至 2010 年 2 月期间， 利用高炉大修机会对5#高炉 1#热风炉进行
2、技 术改造，将带套筒燃烧器的球式热风炉（见图1）改造成为带预燃室的采用交错预混燃烧模式的顶燃式热风 炉（见图2） ，并将耐火球蓄热体改为小孔径格子砖。这一工程是在济源钢铁公司和豫兴热风炉工程技术公 司共同努力下完成的。虽然从技术角度上讲，预燃室结构与格子砖作为蓄热体都是成熟技术，在可行性上都 没有问题。但在实际应用上，将两者应用在球式热风炉基础上还是第一次，不失为是一种较为大胆的尝试。 最终确定技术改造方案是济源钢铁公司与豫兴热风炉工程技术公司反复论证的结果。在具体实施过程中又遇 到了一些设计上、技术上、以及砌筑上的诸多问题，经双方充分交换意见后都逐一进行了合理的处理。最终 于 2010 年
3、1 月底点火烘炉并在2 月中旬成功投入使用。运行结果表明，所有的技术参数均满足设计要求， 拱顶温度和热风温度明显好于原球式热风炉。这是热风炉改造上的一次成功的尝试。 2、技术改造方案的论证 5#高炉1#热风炉的技术改造方案是在济源钢铁公司与豫兴热风炉工程技术公司经过多次技术交流后的 产物。具体而言，对采用不改动拱顶形状的喷嘴垂直上喷的燃烧模式，还是改动过拱顶增加预燃室结构的燃 烧模式； 对采用类似于卡卢金形式的喷嘴分层喷射旋流混合的燃烧器结构，还是采用豫兴技术的喷嘴交错喷 射混合的燃烧器结；对采用什么规格的小孔径格子砖，以及原有的拱形炉箅子是否更换、不更换的技术措施 等问题都进行了充分的论征。
4、最终确定了改动炉壳增加预燃室并采用豫兴技术的燃烧器结构，蓄热体采用小 孔格子砖，在采用耐火球铺设在拱形炉箅子上作为过度之后，将其堆砌在蓄热室中的技术方案。 在燃烧器的选择上，彻底摒弃基于套筒燃烧器的长焰燃烧模式。因为套筒燃烧器是边混合边燃烧，火焰 长度长，过量空气系数高，燃烧温度低，进而热利用效率就低，是既不节能、又不能获得高风温、且不环保 的气体燃料的燃烧方式。同时，从拱脚上喷的方式使得流场结构非常不均匀，蓄热体的利用率极低。采用带 预燃室的顶燃式热风炉，在预燃室中煤气与空气喷嘴环形交错布置，煤气与空气喷射进入预燃室后能快速且 均匀混合，并实现完全且充分的燃烧。这是一种获得高燃烧效率、高热风
5、温度、环保且节能的热风炉性能的 必然选择。这也是在比较几种带预燃室热风炉燃烧器喷嘴结构之后的选择。 采用小孔径格子砖是为了在原有球式热风炉蓄热体高度改变不大的前提下的技术方案。格子砖用于热风 炉作为蓄热体已有半个世纪的使用历史，本身是十分成熟的应用技术。随着人们对热风炉传热技术认识的深 入和对除尘技术掌握程度的提高，格子砖使用的孔径越来越小，直至 20 毫米小孔径格子砖已经在曹妃甸5500 高炉热风炉配置的预热炉上使用。采用小孔径格子砖能使格子砖的堆积高度明显下降，有的热风炉蓄热体已 经达到 11.2 米的高度。 从不同规格的格子砖与不同直径的耐火球的面体比参数可以发现，12.6mm 40mm
6、 孔径格子砖的特征几 乎与 40mm90mm 耐火球是一致的。由于格子砖是有序堆放而耐火球是随机的堆砌，故格子砖是通孔型的 活面积，而球床是不定自由型的活面积。显然，后者的积灰堵塞要大于前者，相互间的无序作用力也大于前 者，进而易损坏的程度也就大于前者。因此，在性能相当的基础上进行互换，格子砖就能显现出其突出的优 势。这样采用合适的小孔格子砖去取代球床蓄热体，就成为球式热风炉改造的一种有效办法。这也就有效地 克服了球式热风炉易积灰、易堵塞、 易粘结、 易损坏、 流阻大的缺陷， 以及克服由此带来的球床使用寿命短、 运行费用高的致命弱点。 基于上述分析，准备对济源钢铁公司5#高炉的四座球式热风炉进
7、行改造，采用小孔格子砖蓄热体去取 代耐火球； 采用带预燃室的燃烧器代替套筒燃烧器。具体做法是 :小孔格子砖采用1618mm 格孔而孔间 距为 1.81.7 的小孔径格子砖，以对应平均直径为50mm 耐火球的空隙率和体面比的几何特征，于是蓄热 体的高度在相同工况下变化不大；燃烧器采用豫兴型燃烧器结构，其煤气与空气的交错混合、旋切喷射， 能实现煤气与空气快速混合与完全充分的燃烧。 2011 年全国炼铁低碳技术研讨会论文集 3、热风炉技术改造的设计与实施 按照上述方案，由豫兴公司进行设计计算确定性能与结构参数，并提供全套的设计图纸。设计计算是在 原有运行参数的基础上进行的，改造后的热风炉其热工参数如
8、表1 所示。 表 1 济钢 450m3高炉热风炉在不同蓄热体时的设计计算参数表 项目名称球床蓄热体格子砖蓄热体 热风炉设计初始参数的给定 高炉容积（ m ) 450 450 高炉风量（ Nm min) 1,600 1,600 过量空气系数 1.050 1.050 煤气的发热量kj/m 3 3,260 3,260 冷风入口温度() 150.000 150.000 鼓风压力 (MPa) 0.300 0.300 平均废气出口温度() 300 300 未预热煤气温度() 100 100 预热后空气温度() 200 200 燃烧与热工计算的结果 计算拱顶温度() 1,376 1,376 验证热风温度()
9、 1,224 1,224 烟气进入烟囱前温度() 194 213 计算热风炉总效率 0.79 0.78 煤气、空气消耗量计算值 热风炉座数 4.000 4.000 鼓风时间t 1.000 1.000 燃烧时间t 1.850 1.850 换风时间dt 0.150 0.150 单一热风炉煤气耗量(Nm 3/h) 28,489 28,952 单一热风炉空气耗量(Nm 3/h) 18,802 19,107 单一热风炉烟气量(Nm 3/h) 43,585 44,293 本体结构参数的计算 蓄热室烟气流速选择(Nm/s) 1.402 1.630 蓄热室计算内直径(m) 5.860 5.860 燃烧室通道直
10、径(m) 6.342 6.342 燃烧室设计高度（m) 13.411 12.831 校核后的蓄热体高度（m) 8.100 9.720 耐火球直径或格孔直径(mm) 50 17 单位体积格砖加热面积 81.574 74.642 三座热风炉总加热面积（m 2） 51,654.436 56,709.331 单位鼓风加热面积m2/(m 3/min) 32.125 35.269 单位炉容加热面积(m2/m 3) 114.788 126.021 管路尺寸及流动参数确定 冷风管径选择(mm) 800.000 800.000 热风管直径选择(mm) 900.000 900.000 煤气管径选择(mm) 900
11、.000 900.000 助燃空气管径选择(mm) 800.000 800.000 烟气管直径选择(mm) 1,100.000 1,100.000 煤气管中煤气流速(m/s) 16.996 17.272 空气管中空气流速(m/s) 18.002 18.295 冷风管冷风流速(m/s) 17.210 17.210 热风管热风流速(m/s) 48.187 48.187 单炉烟气流速 (m/s) 25.340 26.700 压头、风量与助燃风机选择 总阻力损失压头(mmH2O) 269.669 268.839 风机压头选择350.570 349.491 2011 年全国炼铁低碳技术研讨会论文集 风机
12、流量选择m 3/h 48,885.115 49,679.203 在设计方案得到济源钢铁公司审批后就进入施工前的准备阶段。首先完成了燃烧器与锥段拱顶的设计与 制作，生产了不同材质的小孔径格子砖，改造了炉壳结构、煤气与空气进气管与阀门的位置。在拆除原有炉 体之后重新进行炉体的砌筑（因炉体老化开裂严重）。 4、热风炉技术改造后的效果与改进意见 1#热风炉技术改造完成后，经烘炉于2010 年 2 月上旬投入实际运行，至今已运行10 个多月，整体运行 状态良好，拱顶温度1340 度左右，平均热风温度在联合（二烧二送）送风时（2 小时）在1190 度上下， 单独送风时 （1 小时） 1240 度左右， 烟
13、气温度300 度上下； 与其它几台套筒式热风炉（未改） 比较， 相同状态下单独送风温度提高约50 度左右，排烟温度比较低，在300 度上下；炉壳表面温度在70 度以下， 仅热风出口周围有80 100 度的表面温度； 烟气随机抽查结果，氧含量为1%以下（还有调节的余地） ，一氧 化碳为零（ 0ppm） ，对照的2#炉氧含量为1.4%左右，一氧化碳几乎为零（45ppm） ；经核算热风炉热效率达 到 78.7%。整体实现了低过量空气系数下的完全充分燃烧，实现了高热风温度、低排烟温度的高传热效率的 运行状态，达到了节能增效、低污染、低排放的要求。 不足之处在于小孔格子砖的孔径小，堆放时很容易造成格孔通
14、孔率下降，甚至出现格孔全部堵死的现象： 其一是小孔径格子砖定位凸凹槽设计偏小，加上运输、现场施工搬运等过程造成进一步的不同程度磨损，其 二是拱形炉箅子用耐火球堆放成平面后再安放格子砖很难保证基础的平整性。格孔定位小再加上基础不平 整，使得格孔的通孔率不高。由此，在导致蓄热体格子砖的流动阻力加大外，还使得气流分布变得不均匀。 因此，在后续的2#热风炉改造中采用了锥孔格子砖，格孔直径相应增加到17mm，并采用较大的凸凹 槽来实现格孔间互通，以提高格子砖的通孔率。此外，炉箅子换成适于堆砌格子砖的平面结构，以便在减少 阻力损失前提下增强传热和使气流分布变得更为均匀。 2#热风炉改造已经完成并于2010
15、 年 11 月投入使用，近一个月的运行实践表明，与另一座球式热风炉并 联运行时热风温度维持在1200 度上下，单独送风时（1 小时送风）热风温度在1250 度左右， 2 小时送风热 风温度在122 度 0 度左右，其拱顶温度在1350 度上下。其送风阻力明显小于1#炉。实测烟气数据为氧含量 为 1.3%以下，而一氧化碳仅为10ppm，整体燃烧状态良好，但过量空气系数偏大，还有减少助燃空气量的 余地，其对应的燃烧温度还有提升的可能。由于现场操作者担心拱顶温度会因此偏高而不愿意减少空气量。 整体而言2#炉改造后的效果要好于1#炉，故决定先将1#的格子砖换成改进的小孔锥形格子砖，之后再 进行另外两台热风炉的改造。可以相信，一旦改造过程全部结束，热风炉的运行状态将变得更好，热风温度 将长期在1250 度以上运行。 图 1 球式顶燃式热风炉结图构 图 2 球床改为格子砖的顶燃式热风炉结构图 （图 2a 炉箅子未改动、图3b 炉箅子改动） 图 2a 图 2b