第44卷 第1期 2009年1月钢铁Iron and Steel Vol.44,No.1J anuary 2009新型顶燃式热风炉燃烧技术研究陈冠军1, 胡雄光1, 钱 凯1, 马金芳2(1.首钢技术研究院,北京100041; 2.首钢迁钢公司,河北迁安064404)摘 要:在首秦公司引进、消化俄罗斯卡卢金顶燃式热风炉技术基础上,分析其技术优点和存在的不足,自行设计热风炉炉型、燃烧器结构多种方案,采用仿真、试验等手段研究了煤气、空气旋角、位置和布置方式变化的基本规律,并优选了一种可行方案,在迁钢2号高炉预热炉上进行应用试验。
仿真和冷态试验结果表明,新开发的热风炉具有结构紧凑,工艺设计简单,炉顶、炉墙温度较低,燃烧完全等优点。
投产应用表明,该热风炉运行良好,风温达到预期目标,满足了高炉炼铁生产需要。
该技术的开发和应用,可以为国内大型高风温热风炉设计提供参考。
关键词:热风炉;高风温;仿真;燃烧中图分类号:TF57813 文献标识码:A 文章编号:04492749X (2009)0120079203Study of C ombustion T echnology of N ew T op C ombustion BF StoveC H EN Guan 2jun 1, HU Xiong 2guang 1, Q IAN Kai 1, MA Jin 2fang 2(11Shougang Research Institute of Technology ,Beijing 100041,China ;21Shougang Qiangang Company ,Qian ’an 064404,Hebei ,China )Abstract :Based on imported Russian Kalugin top combustion BF stove in Shouqin ,analyzing the advantages and dis 2advantages of it ,different structures of BF stove were designed.The angle of gas and air jets ,reasonable structure of BF stove were studied then through simulation and experiment ,a suitable design was accepted and tested.Simu 2lation and test indicates that new developed BF stove is of compact structure ,simple in design ,has lower tempera 2ture at top and wall.The operation indicated that the BF stove runs well ,blast temperature satisfies iron 2making.Such BF stove technology could be used to design large high temperature stove.K ey w ords :BF stove ;high blast temperature ;simulation ;combustion基金项目:北京市科委资助项目(2006技27)作者简介:陈冠军(19722),男,硕士,高级工程师; E 2m ail :chenguanjun2002@ ; 修订日期:2008201224 炼铁工序能耗占钢铁工业总能耗的70%左右,21世纪炼铁工业发展的重点是节能和环保。
热风炉是炼铁生产过程的重要设备,它消耗高炉煤气占高炉生产煤气的50%～70%,其投资约占高炉的50%～60%,随着高炉炼铁技术的不断进步,热风炉正向高效环保、长寿、高风温和紧凑经济化方向发展。
提高风温有利于提高高炉产量、降低能耗、提高生铁质量、增加喷煤量和降低生产成本。
国际先进的热风炉技术主要有荷兰霍戈文内燃式热风炉、俄罗斯卡卢金顶燃式热风炉和日本新日铁外燃式热风炉,其热风炉稳定风温高达1250℃以上,使用寿命高达30年以上。
国内热风炉技术水平与国际热风炉尚有较大差距,主要以引进和消化国际先进热风炉技术为主,如宝钢4000m 3以上高炉配备日本新日铁外燃式热风炉[1],首钢和武钢高炉上配备荷兰霍戈文内燃式热风炉,莱钢、济钢和首秦等引进俄罗斯卡卢金顶燃式热风炉。
顶燃式热风炉是把燃烧室移到热风炉拱顶,提高了格子砖的使用面积,减少占地面积,与内燃式热风炉比较,投资成本相对较低,是今后热风炉技术的发展方向。
首钢自20世纪70年代末,就成功开发了拥有自身专利技术的顶燃式热风炉[2],近年在炼铁厂热风炉系统中,由于采用金属燃烧器结构和使用高炉煤气条件限制,其平均风温约为1100℃,并且出现过燃烧口烧塌现象,无法达到热风炉的高风温和长寿命要求。
2002年,首钢2号高炉热风炉大修改造,采用霍戈文矩形陶瓷燃烧器,并预热空气温度600℃,为实现1250℃高风温创造了条件。
2003年在首秦公司一期工程1号1200m 3高炉热风炉项目上引进俄罗斯卡卢金顶燃式热风炉,同时结合首钢实际,应用3座热风炉加2座预热炉的新型结构布置、空煤气双预热、混风炉和热风炉操作自动化等技术,不仅可以保证热风炉风温1250℃,整体寿命30年以上,而且可以实现高炉大喷煤降焦,大幅度降低高炉生产成本。
该热风炉系统于2004年3月点火烘炉,2004年6月6日送风。
同时,二期工程1780m 3高炉热风炉项目也采用该技术,2号高炉2006年5月31日送风投产。
钢 铁第44卷通过消化、吸收,掌握了卡卢金顶燃式热风炉的技术优点[3],但也发现其炉内中心区存在负压区、炉墙过厚等问题。
为达到首钢顶燃式热风炉的升级换代,实现热风炉技术创新,结合首钢一业多地、结构调整的具体实际,从2003年至2007年课题组共进行热风炉技术方案研究15余种,不仅掌握了热风炉煤气、空气旋角、位置和布置方式变化的基本规律,同时提出了可行的最佳方案。
预热炉方案在引进、消化和吸收卡卢金顶燃式热风炉基础上开发设计,具有结构紧凑、工艺设计简单、炉顶炉墙温度较低、燃烧完全等优点,能满足今后1250℃高风温使用要求。
目前已在迁安迁钢2号高炉预热炉上进行应用,并于2007年1月4日投产使用,该技术的开发和应用,可以为国内大型高风温热风炉设计提供参考。
1 迁钢2号高炉预热炉理论研究通过卡卢金顶燃式热风炉技术的理论仿真研究和冷态试验[3]验证的实例,在开发新型顶燃式热风炉燃烧技术时,采用此技术路线确定技术方案,结合迁钢工程预热炉项目进行应用,完成热风炉燃烧新技术开发。
1.1 研究初始条件高炉高温预热炉是对霍戈文内燃式热风炉的助燃空气进行预热,预热温度520～600℃,同时对内燃式热风炉用高炉煤气进行预热,预热温度130～180℃。
空气煤气入口均采用质量流量入口边界条件,炉顶底部的格子砖表面设定为压力出口条件,出口压力100Pa。
湍流模型采用标准k2ε模型,辐射模型为Discrete Ordinates模型。
在热风炉换向周期内,采用定常模型。
通过改变预热炉燃烧器结构、喷口数目、垂直夹角、水平夹角等条件,分别设计预热炉方案15余种,对其进行仿真研究。
1.2 影响因素分析1.2.1 空煤气水平偏角对流场的影响通过对不同界面温度分布和速度分布,可以看出由于空煤气采用不同的水平夹角,延缓了空煤气的混和速度,同时使部分煤气从中心进入炉膛,改变了空煤气混合的位置,使高温区出现在炉膛中心附近。
空煤气水平偏角如果相差太大或整体偏角太小,都会引起偏流现象的产生,不利于温度的均匀分布。
1.2.2 空煤气多排、多角度布置对流场的影响通过空气双排、多角度布置和煤气双排、多角度布置的温度场分布仿真,可以看出,在空气双排、多角度布置方案中,相对单排方案,炉壁低温区的范围增加,有利于延长热风炉寿命,但由于煤气的偏流,高温区偏离炉膛中心。
而煤气双排多角度方案中,流场偏向空气运动轨迹,炉内形成稳定的下降气流,煤气的多角度设计使下降气流外存在稳定的旋流,避免了偏流现象的产生,但由于空气通道没有做相应调整,煤气下降速度过快,不能与空气充分混和,形成了部分煤气没有完全燃烧就进入格子砖的情况。
空煤气的多排、多角度布置方案,可以更加灵活地改善热风炉内流场的分布情况,而空气或煤气仅一种采用多排喷口设计容易造成空煤气的混和不均,高温区偏向炉壁某一侧等问题,故建议空煤气喷口均采用相应的多排多角度设计。
112.3 空煤气总管位置对流场的影响通过空煤气入口互相垂直时热风炉流场分布的仿真研究表明,空煤气总管存在的夹角对流场的整体分布影响不大,只是格子砖表面的温度分布随总管间的夹角增大转动了一定的角度,在温度分布较均匀的情况下,不会产生不利影响。
112.4 大炉顶采用大炉顶结构后,由于炉顶空间的增大,多处形成旋流,形成了局部高温区。
煤气进入炉膛后在中心形成旋流,并分为上行和下行两部分,下行气流受空气旋流的积压被束缚在炉膛中心区域,经过空气入口形成的旋流区后开始向两边扩散并与空气混和燃烧。
格子砖表面由边缘到中心出现由低到高再降低的环状温度分布。
1.3 设计优选方案空煤气双通道、多角度的设计使空煤气充分混和,流场形成的中心下降气流在边缘稳定环流的约束和保护下稳定下降,到达格子砖表面后向边缘扩散进行温度的均匀分布,形成了中心高边缘低的环状温度分布。
热风炉格子砖截面的温度分布见图1,可以看出,相邻温度环的温差小,中心高温区与边缘低温区的温差小,格子砖表面温度分布中心有一定的偏移。
2 预热炉冷态试验研究2.1 冷态试验工况和气流分布冷态试验共进行6次,试验1和试验2主要分别在空气和煤气通道通气情况下进行垂直方向气流速度测试,试验3至4主要在空气通道通气情况下・8・第1期陈冠军等:新型顶燃式热风炉燃烧技术研究进行格子砖表面垂直和水平方向气流速度测试,试验5主要在空气通道通气情况下进行格子砖表面垂直和水平方向气流速度测试,试验6主要进行飘带试验。
冷态试验格子砖试验1的流场分布如图2所示,其他试验流场分布图略。
2.2 冷态试验结果分析(1)无论是飘带试验还是气流速度测试均表明,气流由炉顶向下旋流,其中边缘气流速度高,中心气流速度低。
气流垂直速度都是从中心向边缘逐步递增,在相同流量情况下,随半径夹角变化,其变化规律基本一致,气流分布指数也相同,但是气流水平速度大于气流垂直速度。
(2)炉内格子砖面不同高度的速度测试表明,离格子砖面越高,其气流分布越不均匀,靠近格子砖的位置,其气流分布均匀。