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高炉制粉喷煤技术的研究与应用


1 技术研发历程
高炉喷吹煤粉可以降低焦炭消耗,减少炼焦污染,调节炉况,促进高炉稳定顺行,强化高炉冶炼。首钢作为我国高炉喷煤技术的开创者和先行者,早在1963年,就进行了系统的研究与试验,并于1964年在国内率先将其在高炉上进行工业化试验。1966年,首钢在全公司的高炉上进行推广应用,当时的年平均喷煤量达159kg/tHM,最高月平均喷煤量达到279kg/tHM,创造了当时的世界纪录。1994年,在首钢1726-2536m3四座高炉上应用,采用集中制粉,间接喷吹,串联罐多管路喷煤。2000年,首钢进行重大技术改进,采用中速磨煤机制粉,布袋一级收粉,双系列串联罐直接喷吹,在首钢两座(1780m3、2536m3)高炉上应用,达到国际先进水平。
2004年,首钢国际工程公司设计的湘钢1800m3高炉,采用中速磨制粉,并列罐间接喷吹。2007年,首钢国际工程公司设计的迁钢2号2650m3高炉,采用并列罐直接喷吹,并实现全自动喷煤操作。2009年,首钢国际工程公司设计的京唐1号5500m3高炉,采用并列罐直接喷吹,全自动喷煤操作,并实现浓相输送。2010年,首钢国际工程公司设计的迁钢3号4000m3高炉,采用并列罐直接喷吹,全自动喷煤。2010年,首钢国际工程公司设计的京唐2号5500m3高炉,采用并列罐直接喷吹,浓相输送,全自动喷煤。
经过几十年的发展,首钢国际工程公司不断完善和优化设计,掌握了从原煤料场到煤粉制备和喷吹的全套高炉喷煤工艺设计。近年来,首钢国际工程公司还参与编制了国家标准GB 50607-2010《高炉喷吹煤粉工程设计规范》。
2 高炉喷吹煤粉技术的主要技术特点
2.1 长距离直接喷吹,紧凑型布局
由首钢国际工程公司设计的首钢2号、3号高炉喷煤工程,完全采用国产化技术和设备,采用紧凑型短流程工艺,实现了煤粉长距离直接喷吹。2号高炉喷煤总管长度达到452m,已被列入第九批《中国企业新记录》。该项工程经有关专家鉴定,达到国际先进水平。
2.2 浓相输送
煤粉喷吹一般按输送浓度可分为稀相输送和浓相输送。稀相输送工艺相对简单,运行比较稳定;而随着煤粉输送浓度的提高,虽然增加了运行不稳定的可能性,但其可以节约大量输送气体的消耗,并且减少了管道磨损,因此其降低了维护和运行费用。为消除输送过程中的不稳定因素,可通过改善喷煤罐底部的流化状态,以及改善输送管道的补气系统和输送管路的布置,来达稳定运行的目的。另外首钢国际工程公司通过吸收国内外先进技术,开发完善了浓相喷煤技术的设计,并将其成功应用于实施项目中。从实际运行效果看,其输送连续,系统运行平稳,固气比可达到大于40kg/kg。
2.3 均匀喷吹
煤粉分配方式现在主要以单管加分配器方式为主,分配器后各支管的煤粉均匀分配有利于高炉运行稳定顺行。目前首钢国际工程公司的设计通常采用支管等阻损布置,通过计算机三维辅助设计软件,喷煤量常规偏差小于4%。
2.4 喷煤的全自动化操作和实时监控
随着设备的大型化和操作的精度等要求的提高,高炉喷煤操作对于自动化控制要求也越来越高。
1)全自动化操作提高了生产效率
全自动喷吹可使储煤场,制粉系统,喷吹系统等过程实现PLC自动控制,不但减少人为主观不确定性和不完全准确性的影响,缓和手工计算与操作和喷煤对炉况影响的滞后性之间的矛盾,还可以大大减少误操作造成的损失,更能进一步减少在岗人员的数量,使得喷煤系统在时间和空间上都大幅度提高了生产效率。
2)喷煤控制精度得到提高
全自动喷吹以中速磨为核心,进行连锁控制,同时实现了对下煤量、煤温、喷煤量、充压稳压自动调节及自动倒罐。在自动控制及计量和调节精度方面,按照高炉要求自动调节,喷煤量计量精度可以控制在1%误差范围内,各风口喷吹煤粉的均匀性控制在4%的误差范围内。与以往手工计算调节控制相比,更加精确合理。
3)实时监测
在线检测系统内的气体成分和温度检测,一旦超过安全范围,自动报警,并进行相应的联锁吹扫或停机等操作。
2.5 三维软件辅助设计
在普通的二维平面设计条件下,由于喷煤系统的管线繁多且错综复杂,管线与管线间或管线与电缆槽间现场发现相互干涉的问题再所难免,这样在现场安装施工时,不但需要返工增加费用,而且延误了施工工期。为将喷煤系统的设计做到更高效、更精细,首钢国际工程公司引入了三维工厂设计软件。该三维工厂设计软件集智能化建模、碰撞检查、出图及报表、全厂漫游等功能于一体,有效提高了设计及施工效率和准确性。
3 典型工程及应用效果
3.1 首钢四制粉
首钢国际工程公司用不到一年的时间完成了首钢四制粉整个工程的设计和施工服务工作,并于2000年11月投产。新的制粉喷煤系统与此前首钢的间接喷吹不同,采用了直接喷煤工艺,即制粉和喷煤同在一所厂房内。制粉系统以两台中速磨作为主要设备,每台生产能力为40t/h(实际出力),制粉总能力为80t/h。两套总管—分配器喷吹系统分别对2号高炉(1780m3)、3号高炉(2536m3)进行直接喷吹,喷吹工艺为双系列串联罐组、总管加分配器,分别为2号和3号高炉的喷吹煤粉。2号高炉喷煤总管总长452m,3号高炉喷煤总管总长358m。喷煤能力按每个高炉煤比200kg/t设计,喷吹煤种为烟煤。
本项工程采用长距离直接喷吹的新工艺,其主要技术特点如下:
1) 采用直接喷煤工艺,简化喷煤流程,在喷吹烟煤时更为安全。厂房布置紧凑,占地面积小,大大节约了投资。2号高炉喷煤总管总长达到452m,当时是国内最长的;
2) 大胆采用大倾角胶带机,在现有场地条件下,使利用旧储煤场的煤成为可能,即节省投资,又减少设备;
3) 采用新型封闭式干燥炉,在满足烟气温度条件下,使整个煤粉输送管道全部处于封闭状态,减少了系统漏风率,降低了氧含量,在喷吹烟煤时更为安全。而且合理地利用了锅炉废气,节约了能源;
4) 采用中速磨煤机制粉,降低制粉运行费用,从而减少煤粉生产成本;
5) 采用高效低压脉冲煤粉收集器一级收粉工艺,简化工艺流程,提高了煤粉收集效率,而且使排尘浓度大大降低,减少了环境污染;
6) 设计中考虑两个系统之间煤粉的互相补充和分配,其结构简单实用,给生产创造许多方便;
7) 贮煤罐与喷煤罐之间设置压力平衡式波纹补偿器,提高连续喷煤过程中的计量精度;
8) 采用自动可调煤粉给料机和高精度煤粉分配器,以流化喷吹为前提,实现时间过程的均匀喷吹,消除了脉动煤流;
9) 提高自动化控制水平,实现喷煤倒罐自动控制和调节。
该工程经生产实践验证,证实是成功的,采用直接喷煤工艺也是非常合理的,为首钢进一步扩大喷煤量,提高煤比,创造了必要的先决条件。该工程当时经专家鉴定达到国际先进水平。另外,设计整体构思非常巧妙,布局合理,尤其是占地面积非常小,对旧厂改造来说值得借鉴,而且该工程总投资也是国内类似同等项目中最少的。
3.2 迁钢4000m3高炉制粉喷煤
首钢国际工程公司设计的迁钢3号高炉,有效容积4000m3,设计煤比正常190kg/tHM,设备能力可达250kg/tHM。在原有煤场基础上进行改造,新建1座配煤间,设置10个圆筒仓,可同时满足厂区内3座高炉24h连续正常喷吹原煤需要;原煤运输本次选用管式皮带机运煤,相比传统皮带机原煤运输,解决了长距离运输时皮带机通廊布置困难和转运站多的问题,同时管式皮带机还具有占地面积小,环保清洁,允许上行或下行皮带同时两个方向输送以及多点物料输入,并可以根据地形位置进行空间曲线布置等优点,而且减少建设费用和时间,此外在厂房东侧还备有一条大倾角皮带机可临时使用汽车进行上煤;新建制粉喷吹厂房,采用直接喷吹工艺,即制粉喷煤同建在一座厂房内,制粉选用弹簧加载的中速磨煤机和一次布袋煤粉收集器收粉,制粉能力可达75t/h;喷吹系统形式为并列喷吹罐布置、单管路加煤粉分配器,其中引进一些先进的设计理念,如采用全自动喷吹控制、喷煤支管煤粉均匀分配等。另外,为保证喷吹气使用稳定设有单独喷煤空压站,且在厂房内设有压缩空气和氮气缓冲储气罐。
该工程投产三年多来,运行良好,各生产指标达到或超过预期水平。
3.3 京唐2座5500m3高炉制粉喷煤系统
首钢国际工程公司自主设计的两座5500m3特大型高炉,是当时国内容积最大的高炉,设计煤比200kg/tHM,设备能力最高可达250kg/tHM。喷吹煤种为烟煤或混煤。采用制粉喷吹合建在一所厂房内。中速磨制粉、一级袋式煤粉收集器、直接喷吹工艺。
每座高炉配备2台中速磨,单台制粉能力为≥75t/h;采用热风炉废气作为煤粉干燥的主要介质。在制粉系统末端设置2台排粉风机作为整个系统的动力源,风机出口设置消音器,以减小系统的噪声污染,使噪音指标低于85dB;系统排放浓度小于20mg/m3。
喷煤系统每座高炉设置3个并列布置的喷煤罐交替向高炉喷煤,它们共用一个煤粉仓,煤粉仓有效容积1200m3,喷煤罐有效容积为90m3,正常喷吹周期为30min。每个喷煤罐为2个出煤口,6根喷煤管最终汇入2根喷煤总管中,分别输送至2台煤粉分配器,再由42根喷煤支管喷入高炉风口。每根总管上都装有煤粉流量计和调节阀,其调节和计量精度小于4%。采用浓相输送技术,固气比在40kg/kg以上,极大降低了输送气体的消耗量;管道内煤粉流速可达2~4m/s,这对于输送管道和弯头几乎不会产生磨损。煤粉分配器的出口设有等阻损装置,喷煤支管路采用等长度设计,偏差小于1m,以保证煤粉分配器各出口均匀分配煤粉量,减少各高炉风口煤粉量分配的不均匀。
喷煤罐的充压、煤粉的输送、系统的流化及防爆吹扫全部采用氮气,避免了火灾和爆炸发生的可能性。系统全自动操作,机旁设手动应急操作。设有温度、压力、流量、重量和料位等的显示、报警等功能。喷煤量按设定值自动调节,如果出现紧急情况,可启动紧急停止按钮,全系统可自动地向安全方向运行。喷煤的倒罐操作、喷吹操作、停止操作、吹扫操作、事故停止操作均为程序自动控制。
首钢京唐钢铁厂高炉喷煤系统的设计和装备达到了国际先进水平,作为国内首座5000m3级以上的高炉,为其他特大型高炉的建设提供了宝贵经验。
4 结语
首钢国际工程公司的制粉喷煤技术源自于百年首钢,但在不断承接国内外项目的同时,也在不断提高和完善。近年来,首钢国际工程公司与国外公司合作,引进并吸收了诸多先进的喷煤技术和设计理念,将其应用于项目当中,同时也为公司培养了一大批中青年技术专家。目前,公司的制粉喷煤工程设计和工程总承包业绩遍布国内外。公司技术团队正按照“引领绿色钢铁未来”追求,以先进的首钢制粉喷煤技术竭诚为社会各界提供最优质的服务,为开创我国冶金技术新的飞跃发展,做出更大的贡献。
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