編號：RG/QF-03-2-215 版次：B/0 頁次：1/6引進技術在遷鋼3號高爐噴煤系統中的應用孟祥龍，張福明，王維喬(北京首鋼國際工程技術有限公司)摘 要：闡述了引進DANIELI CORUS公司先進技術在遷鋼3號高爐噴煤系統中的應用實踐，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、流態化措施及氣力輸送系統等關鍵技術與高爐能力緊密匹配，實現功能最大化利用及節能減排，整套工藝達到國際先進水平。關 鍵 詞：特大型高爐；噴煤；引進技術高爐噴煤是現代高爐煉鐵生產廣泛采用的技術之一，噴吹煤粉從當年簡單的以煤代焦和提供熱量的思路出發，到如今已經成為調劑爐況熱制度、改善爐缸工作狀態、降低燃料消耗以及節能減排等方面的重要技術措施1。高爐大型化已經成為趨勢，噴煤工藝各環節應做出相應改進，以滿足高爐大型化的需求，其中裝備水平、煤粉流態化措施、長距離濃相輸送以及風口均勻噴吹技術等方面已經引起重視2。遷鋼3號高爐(4000m3)于2010年1月8日點火投產，其配套的制粉噴煤系統在噴吹部分的設計過程中引進了荷蘭DANIELI CORUS公司的先進技術，希望能對今后國內的高爐噴煤設計工作起到參考作用。1 工藝設計方案11 工程概況3號高爐設計利用系數24，日產鐵量9600Ld，設計噴煤比190kg/t，小時噴煤量達到77th。配套制粉噴煤工藝設備能力達到250kg/t，按照噴吹煙煤和無煙煤混合煤設計，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。基本設計情況見表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，原煤倉中的原煤經稱重式給煤機進入中速磨煤機，干燥劑采用熱風爐廢煙氣與混風爐燃燒高爐煤氣產生的高溫煙氣的混合氣，排粉風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，收集后的煤粉經收集器灰斗后進入煤粉倉，煤粉倉下設置3個高壓并列式噴吹罐，煤粉經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口。3號高爐噴煤系統采用的主管路加分配器的噴吹模式，是目前國內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21 輸煤總管縮徑設計與末端方管設置在與DANIELI CORUS合作中，輸煤主管的設計有兩點與以往思路不同：(1)輸煤主管的管內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徑1197mm圓管，到末端已經逐級遞增至內徑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，會出現壓力場和速度場不均勻的現象，主要體現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出現固態沉積，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，避免這種不均勻現象，以保證分配器平穩分配煤粉。22 煤粉倉和噴吹罐的能力配置煤粉倉和噴吹罐是噴吹環節儲存煤粉的重要裝置，其幾何參數的設計會對噴煤過程的周期操作產生直接影響，3號高爐的煤粉倉及噴吹罐設計參數見表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。國內經驗當滿足t12514(tp+tz+tc+td)時，應設置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，這與國內以往的經驗也吻合。由于保持時間td內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設計不但能夠節約能源，而且對實際操作具有指導意義，應引起重視。23 煤粉倉與噴吹罐的煤粉流態化措施原煤經過磨煤機磨制后進入煤粉倉和噴吹罐中后，由于自重或者環境壓力的原因，顆粒間相互接觸，形成固定床狀態，而且在靠近容器底部的出粉口有被壓實效果，即使在制粉環節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置流化裝置將解決這一問題。煤粉倉內屬于非高壓環境，但由于一般情況下煤粉倉容積較大，料柱也較高，內部煤粉的重力將最終作用于下部出料口。3號高爐采用了流態化板設備來保證煤粉順利出倉。煤粉倉在其底部下封頭處設置流態化板裝置，板上形成若干個圓孔(如圖2所示)，流態化氣體不間斷的從下到上流過流態化板，在流態化板上部空間煤粉出口管道處形成連續流態化的煤粉，流態化的煤粉通過下煤管道被輸送至噴吹罐。流態化氣體使用氮氣，保持煤粉時刻處于惰性環境下，防止燃燒和爆炸。噴吹罐屬于壓力容器，內部氣體及煤粉處于高壓狀態，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，實際流態化氣體的操作要滿足大于煤粉流態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化措施，即在下椎體封頭處設置了流態化板，流態化板的安裝位置和結構與煤粉倉基本相似，并采用下出料形式。流態化氣體的流量及壓力控制需同時考慮噴吹罐內環境壓力及煤粉自重的影響，經過詳細計算并結合生產實踐方可確定。24 煤粉的濃相輸送技術以往國內高爐的噴煤系統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備的磨損大，增加檢修負擔。3號高爐噴煤主管中的固氣比設計為35kg煤粉kg氣體，相比較稀相是個不小的提升。在濃相輸送技術的運用中，輸煤主管道內輸送氣體的速度與噴吹罐正常工作時的壓力是設計要點。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，應控制在煤粉的臨界流態化速度Vx，和懸浮速度Vx之間。實際生產中保證VcVsVx是依靠調整輸送氣體與煤粉在輸煤總管中的比例來實現的，設計中在噴煤主管道上設置了二次補氣器來調整煤粉輸送濃度，本次采用的補氣器的結構形式如圖3所示。噴吹罐正常工作壓力也同樣制約著噴煤濃度。國內某研究通過試驗和理論計算的結果表明，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量的氣體，噴吹罐的壓力越大，能夠達到的質量濃度越低。當然噴吹罐的壓力不可無限降低，其要求應滿足能夠克服噴煤系統兩相流輸送管路總阻損后將煤粉順利輸送至高爐風口。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節閥、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計工作壓力為142MPa。25 煤粉的均勻噴吹技術煤粉進入分配器后經過各噴煤支管到達風口噴槍繼而噴入高爐，其均勻性將直接影響到爐缸熱狀態。噴吹的均勻性是衡量噴吹質量的重要指標，這也是引進的DANIELI CORUS噴煤技術的主要優點之一。3號高爐采用了“瓶式”分配器(如圖4所示)，并對其內部結構進行了調整，解決了以往此類型分配器，煤粉和輸送氣體在其內部產生渦流，阻力大易積粉的問題，效果比較理想，能夠達到生產要求。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口，實現了各風口噴吹煤粉的均勻性控制在4的誤差范圍內。國內常用以下經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噴煤支管當量長度，m；Db噴煤支管內徑，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和噴煤支管內徑Db相同。在3號高爐噴煤系統的設計中將分配器置于爐頂平臺(標高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，同時使各支管當量長度Lb相等，實現各支管等阻損。3 系統運行情況本系統自2010年1月投產，輸送及噴吹在短期內即達到設計要求。經過2年多的運行，該系統可靠、平穩、順利，各項指標均良好(2012年部分生產指標見表5)。4 結語(1)隨著高爐不斷大型化，噴煤工藝技術及裝備水平應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計，包括外形尺寸與工作周期之間的相互配合，對節能減排和指導操作具有積極意義。(3)煤粉流態化與濃相輸送等技術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