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高压操作对高炉节能的影响


2013 年第 3 期 ?炼 铁?

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高压操作对高炉节能的影响
熊拾根
(中冶赛迪工程技术股份有限公司炼铁事业部 重庆,401122)

[摘 要] 当前我国大中型高炉的炉顶压力普遍在 0.20 MPa 以上,高压操作促进了高炉操作水平提高,在提高生产效 率的同时,起到了提高煤气利用率、降低焦比、促进低硅冶炼、减少粉尘吹出等节能减排效果。一座年产 250 万吨铁水的大 型高炉,顶压从 0.20MPa 提高到 0.23MPa,一年约可节约 37270 吨标准煤,带来 3000 多万的节能效益。 [关键词] 高炉 炉顶压力 高压操作 节能

高炉炉顶压力超过 30kPa 的操作为高压操作, 高压操作能够给高炉带来减少炉顶粉尘吹出、提高 煤气利用率、强化冶炼、促进低硅冶炼等好处。高 压操作在促进操作水平提高的同时,还能带来显著 的节能效益。本文从量化分析的角度,以一座大型 高炉顶压从 0.20MPa 提高到 0.23MPa 为例计算,对 高压操作的节能效益进行初步计算分析。

高炉炉内煤气流速的大小直接影响到料柱的 阻力和煤气的利用率,提高炉顶操作压力可以降低 炉内煤气流速,使煤气与料层充分接触而提高煤气 的利用率。 具体原因在于, 在煤气量不变的前提下, 炉顶压力提高后,煤气体积缩小,煤气上升速度降 低,增加了矿石与煤气的接触时间,有利于矿石的 还原;煤气体积缩小后,单位体积的 CO 含量显著 提高,CO 还原氧化铁的动力学条件得到显著改善, 使间接还原得到充分发展,不仅提高高炉的生产率, 还能够有效降低高炉的能耗。目前国内宝钢高炉炉 顶操作压力一般维持在 0.23 MPa 以上,煤气中 CO 3 的利用率达到 51%的高水平。国内某 3000m 级高炉 的煤气利用率平均也达到了 49%以上,在顶压提高 到 230kPa 后,煤气利用率接近 50%,如图 1 所示。

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国内外高压操作概况

炉顶压力早年主要受到炉顶装料设备的制约, 一直处于很低的水平。从 1970 年开始,由于采用 无料钟装料设备技术,炉顶压力逐步达到 0.1MPa 及以上,美国、日本、前苏联、西欧等发展较快, 先后达到 0.15MPa~0.25MPa。 而我国发展相对较慢, 1956 年中国在鞍山钢铁公司 9 号高炉率先采用高压 操作,虽然到 1990 年中国高压高炉的生铁产量占 3 全国高炉总产量的 60%以上,尤其是 1000m 级以上 的高炉均已实现了高压操作,但顶压水平基本在 0.10~0.17MPa 之间。随着炉顶设备的发展,近年 来我国已有了很大的提高,在上世纪 80 年代末期 3 仅有宝钢炉顶压力突破 0.20MPa,而现今 2000m 级 以上的高炉一般都在 0.20MPa 以上,特大型高炉的 [1] 炉顶设备设计压力可达 0.3MPa。 目前国内操作 压力最高为 0.27MPa 左右。世界特大型高炉炉顶压 力见表 1。

图 1 国内某大型高炉煤气利用率与顶压的关系 高压操作在降低煤气流速的同时,由于炉内高 压对风口前的一次气流分布具有调节作用,有利于 提高煤气利用率,降低燃料比。据统计,炉顶煤气

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高压操作对高炉节能的影响
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2.1 提高煤气利用率,降低焦比

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CO2 含量增加 1%,可降低燃料比约 20kg/t。早期当 炉顶操作压力在较低水平的情况下,每提高炉顶压 力 0.01 MPa,可降低燃料比约 1%~2%,但现代高 炉炉顶压力已经提高到 0.15~0.25 MPa 时,顶压 进一步提高所带来的节耗效果有所减弱,每提高炉 顶压力 0.01 MPa,降低燃料比的幅度在 1%以下。 国内某高炉顶压每提高 1kPa, 燃料比平均可以降低 0.54kg/t,如图 2 所示。 表 1 世界部分特大型高炉炉顶压力一览表
厂名、炉号 宝钢 4 号 宝钢 2 号(2) 宝钢 1 号(3) 宝钢 3 号 曹妃甸 沙钢 水岛 3 号 水岛 4 号 君津 3 号 君津 4 号 大分 1 号 大分 2 号 千叶 6 号 施威尔根 2 号 有效容 积m
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最大风压 MPa 0.55 0.55 0.55 0.55 0.55 0.55 0.5 0.5 0.58 0.58 0.57 0.57 0.55 0.55

炉顶设备设计 压力 MPa 0.3 0.28 0.28 0.25 0.3 0.3 0.3 0.27 0.3 0.3 0.27 0.27 0.3 0.28

炉顶实际操作压 力 MPa 0.268 0.251 0.25 0.249 0.24 0.278 0.276 0.27 0.263 0.27

4747 4706 5046 4350 5500 5800 4359 4826 4822 5555 4883 5245 5153 5513

气流速降低后,煤粉燃烧更为充分,有利于提高煤 比, 降低焦比。 而且压力提高后改善了料柱透气性, 使料柱能够接受更多的煤量,也有利于提高煤比、 降低焦比。 2.2 提高高炉透气性,增加产量 提高炉顶操作压力,炉内煤气流速降低,料柱 阻力损失降低,使风压和顶压的压差(全压差)减 小。另一方面,作用于炉料的浮力也相应降低,炉 料容易下行,因而也有利于炉况的稳定顺行。当高 炉能够稳定顺行的前提下,能够进一步提高焦炭负 荷,从而降低焦比。图 3 反映了高炉全压差随着顶 [3] 压的升高而降低的关系。

图 3 国内某大高炉全压差与顶压的关系
0.283 0.257

图 2 国内某大高炉压力与燃料比的关系 该高炉以年产 250 万吨铁水计算,顶压从 0.20MPa 提高到 0.23MPa ,每年可降低燃料消耗 0.54?30?250?10=40500 吨,约折合 36000 吨标 准煤。 另外在现在采用大喷吹后,提高炉顶压力也是 提高煤粉燃烧率重要的技术措施。提高炉顶煤气压 力后, 减小煤气流速, 延长煤粉在炉内燃烧的时间, 降低煤气压力差。据测算,煤粉在炉缸的燃烧时间 在 0.01~0.04s 内,其加热速度为 103~106K/s,煤

同时,高炉顺行时能够通过更多的炉腹煤气量, 使生铁产量提高。当炉顶压力较低时(小于 0.15 MPa) , 通过经验公式计算, 每提高炉顶压力 0.01 MPa, 大约可增加风量 3%, 也就是说在焦比不变的情况下, 产量提高 3%左右。但是随着风量的逐步提高,煤气 发生量也随之增大,煤气流速增大,煤气通过料柱 阻损增大。当风量超过一定界限时,高炉下部渣铁 在滴落带的滞留量增加,导致透气性阻力系数 K 值 升高,高炉将会出现难行、管道等,甚至悬料等严 重炉况。故当炉顶压力较高时(大于 0.15 MPa), 每提高炉顶压力 0.01 MPa,产量提高的幅度减小, [3] 为 1.1±0.2%左右。 由于产量提高所带来的降低焦比已在 2.1 中计 算,这里不再重复计算。 2.3 提高 TRT 发电能力 现今炉顶 TRT 回收发电量能够达到高炉风机耗 电的 30%以上,当风机机型已定的情况下,风机的 耗电量受风压的影响已不大,而当提高顶压,降低 全压差后,TRT 的发电量增加。TRT 对余压的压力 能几乎能全部回收,当顶压从 0.20MPa 提高到

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0.23MPa,TRT 的发电能力可提高 15%左右。也就是 说,如果原有发电能力为 30kwh/t 铁,可提高 4.5kwh/t 铁。高炉年产 250 万吨铁水,每年可多发 电 4.5?250=1125 万 kwh,折合 1270 吨标准煤。

图 4 国内某大高炉顶压与利用系数的关系 2.4 利于低硅冶炼,降低燃料消耗 由于硅的还原是一个吸热反应,需要消耗大量 的热量, 高炉实现低硅冶炼, 可大大节约燃料消耗。 根据硅还原的反应式:SiO2+C= [Si]+CO,当炉顶压 力提高时,CO 分压提高,不利于 SiO2 的还原反应, 而有利于降低生铁 Si 含量。国内该高炉顶压每提 高 10 kPa,Si 含量大致可降低 0.12 左右,如图 5 所示。

据鼓风机生产厂家分析,炉顶压力提高到 0.4MPa,鼓风机的压比将达到 7~8。在采用单台机 组完成此压比条件下,轴流鼓风机的叶片级数和主 轴长度将增加,这将会对主轴的挠度、转子及机组 的振动提出更高的要求。尽管目前高压比高炉鼓风 机组没有实际运行的业绩、在制造上尚存在一定的 难度,但从设计技术上是能实现的,同时随着高炉 大型化、高顶压的发展,鼓风机制造技术将会突破 高压比带来的一些技术难点。 3.2 原燃料条件的变化 当原燃料指标差,尤其是粉化率高时,应适当 降低顶压。当全压差异常高,透气性差,气流波动 大,高炉不接受风量,可结合调整布料制度,适当 疏松边缘,降低压差,可以降低原燃料在炉内进一 步粉化的程度,从而改善了透气性。当高炉不接受 风量时,也应适当降低压差。此时高炉一般透气性 欠佳,如果再采用高顶压,有可能出现悬料,伴随 发生管道和滑料,对高炉的稳定操作带来不利。 所以高顶压不是在任何情况下都适用的,当原 燃料条件差尤其是粉化率高,高炉不接受风量,透 气性差的情况下,建议应适当调低顶压,改善高炉 的透气性。

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结语

图 5 国内某大高炉顶压与铁水 Si 的关系 低硅冶炼所带来的焦比降低也在 2.1 中进行 了计算。

近年来我国在炉顶高压操作方面已经取得了 很大的进步。高压操作在强化冶炼的同时,还能提 高煤气利用率,降低焦比,促进低硅铁水冶炼,减 少粉尘吹出量,所带来的节能效益是显著的。一座 年产 250 万吨铁水的大型高炉,顶压从 0.20MPa 提 高到 0.23MPa,一年大约可节约 37270 吨标准煤, 带来 3000 多万的经济效益。 参考文献
[1]. 肖 崇 恕 . 高 炉 超 高 压 操 作 规 律 的 探 讨 . 鞍 钢 技 术 ,1991 年 第 10 期 , 25-26 [2]. 周 传 典 主 编 . 高 炉 炼 铁 生 产 技 术 手 册 . 冶 金 工 业 出 版 社 .2005 , 362-364 [3]. 项 钟 庸 王 筱 留 等 主 编 . 高 炉 设 计 - 炼 铁 工 艺 设 计 理 论 与 实 践 . 冶 金 工 业 出 版 社 . 2007 , 183-186

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影响高压操作的因素

从优化操作的角度,高压操作是值得鼓励的, 但是高压操作还受到多个因素的制约和影响。只有 充分认识这些因素,并在日常生产和维护中加以注 意,才能使高压操作发挥应有的作用。 3.1 鼓风机的出口压力

(收稿日期:2013-05-23)


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