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高炉煤气双蓄热式钢包烘烤器的设计及研究

刘竹昕，张卫军

(东北大学材料与冶金学院)

摘 要：介绍北兴特钢高炉煤气双蓄热式钢包烘烤器的工作原理及结构，对比于普通烘烤器及单蓄热式钢包烘烤器，总结了其高效利用低热值燃料的优点，分析选取空、煤气射流比的相关因素。

关 键 词：钢包烘烤器；双蓄热；高炉煤气；射流比

钢包是钢铁生产工艺流程中关键的热工设备，从最初作为运送钢水的工具转化为钢水精炼工艺的重要部分。对钢包烘烤器的要求也逐渐提高，包括钢包烘烤温度高且均匀，低耗能、低污染，采用低热值燃料等。整体而言，钢包烘烤器存在的主要问题有[1]：烘烤时间长、烘烤质量差、烘烤温度低、能耗高。目前，普通钢包烘烤器的热效率低于30%，排烟温度在1000℃左右，排烟热损失占燃料燃烧能量的50%～70%。虽然蓄热式技术正在逐步取代传统的套筒式或自身预热式烘烤技术，但局限于空气单蓄热，热效率低于60%；空、煤气双蓄热的钢包烘烤器能够实现低热值煤气的利用，热效率能达到80%以上[2]，然而，国内钢包烘烤器在采用低热值燃料方面成功的案例并不多。

1 改造实例

以齐齐哈尔北兴特殊钢公司双蓄热钢包烘烤器设计为例。原100t钢包烘烤器使用的燃料是焦炉煤气，使用自身预热式烧嘴，使用期间存在包盖冒火严重、烘烤时间长、烘烤系统热效率低于20%、钢包上下温差大、环境污染严重等问题，难以满足钢包烘烤要求，影响钢包内衬使用寿命和连铸拉坯速度及质量。

对原钢包烘烤器进行蓄热式改造，利用低热值的高炉煤气作为燃料，采用空、煤气双蓄热手段解决高炉煤气发热量低、燃烧不充分等问题。通过蓄热式改造，降低钢铁厂高炉煤气放散量，节约燃料，大幅提高热效率，降低排烟温度，烘烤快且均匀。

2 设计参数

北兴特钢钢包及烘烤技术参数如下。

烘烤形式          立式烘烤器

包盖直径          3200mm

钢包高度          4600mm

钢包初始温度      常温

排烟温度          <200℃

排烟形式          引风机排烟

预热方式          空、煤气双蓄热

燃烧介质          高炉煤气

煤气耗量          3212m3/h

煤气压力          >8000Pa

燃料热值          3134kJ/m3

煤气管道          350mm

空气管道          300mm

空气预热温度      850℃

换向阀(时间)       四通换向阀(40～60s)

烘烤时间          2h

烘烤温度          <1150℃

最大温差          <40℃

入口射流角度      18°

蓄热室排烟温度    空气170℃

蓄热室排烟温度    煤气136℃

煤气预热温度      800℃

3 双蓄热燃烧技术原理及烘烤系统

蓄热式燃烧技术是一种余热回收技术，它通过蓄热体交替切换成吸热和放热的工作状态来回收废气中的余热、降低排烟温度，达到提高烘烤器热利用率的目的。如图1所示，空气蓄热室4和煤气蓄热室5总称为A侧组织燃烧，对应上方两个蓄热室总称为B侧组织排烟，燃烧产生烟气大部分由引风机抽引经过B侧排出，与蓄热体发生热交换，回收热量、降低排烟温度。换向阀换向(40～60s)，空、煤气经B侧受蓄热体预热，温度升高到800℃左右，混合燃烧产生烟气经A侧排出加热蓄热体，如此循环往复。在此燃烧过程中，空、煤气双蓄热提高了燃料及助燃剂温度，燃烧充分，有效解决高炉煤气热值低、燃烧温度低的问题。空、煤气经过蓄热后，高温气体体积膨胀形成两股射流进入钢包，卷吸周围烟气造成低氧区，形成高温空气燃烧技术。低浓度高温反应可有效降低NOx的生成，排烟温度控制在180℃以下。

4 相对射流速度的讨论

保证火焰长度及钢包烘烤温度[3]，就要设法使空、煤气在有效的钢包体积内加长混合行程，不能使空、煤气过快混合形成局部高温区；空、煤气混合太慢会导致燃料随烟气排出或进入蓄热室，在高温区容易形成二次燃烧，损害蓄热体，降低使用寿命。射流速度比的适当增大，有利于空、煤气混合，使烘烤温度均匀。一方面，钢包烘烤器内两股射流之间存在旋流，射流冲击到包底附近后沿壁面回流[4]。由于气流速度差越大相互干涉作用越强，两股射流中速度相对大的高速射流抽引低速射流向其快速扩散，相互混合形成旋流，这种旋流区覆盖范围越大混合越充分、温度越均匀。另一方面，射流速度受蓄热式烧嘴出口截面积、气体流量及预热温度影响，对于固定的烘烤器气体流量可认为是定值，烧嘴出口截面积可适当增大，而减小截面积则要考虑排烟阻力问题。因此，射流比受预热温度的影响占主体。合理设计蓄热室大小，确定预热温度，得到较大的射流比，能够使空、煤气提前混合，燃烧更充分，温度更均匀。

5 效果

高炉煤气双蓄热式钢包烘烤器在北兴特钢已投入运行，状况良好，具有以下显著效果：

(1)空、煤气双预热到800℃以上，促成高温空气燃烧，使燃烧充分，实现了低热值燃料在烘烤器上的应用，污染物排放少。

(2)四个烧嘴交替工作，钢包内形成了较均匀的温度场。

(3)钢包烘烤器温度达1100℃，烟气排放温度由1000℃降低到150℃左右，热效率达到80%，节约能源，改善车间工作环境。

参 考 文 献

[1]   涂卫国，刘广林，刘日新.高效节能型钢包烘烤器的研究和设计[J].钢铁，2000，35(7)：48-52.

[2]   张志明，林桂源，陈娟英等.蓄热式高炉煤气钢包烘烤装置的试验研究[J].炼钢，2001，17(4)：55-59.

[3]   陈巍，方会斌，秦文.蓄热式钢包烘烤技术的研究与应用[J].冶金能源，2007，26(3)：39-42.

[4]   贾丽娣，张晓光，丁丽华等.蓄热式钢包烘烤流动与传热过程数值模拟[J].冶金能源，2010，29(5)：18-21.