首鋼股份3號高爐爐頂新型噴霧降溫系統應用實踐

林春山，張猛超，宋少華，羅德慶，王榮剛，王 彬

(北京首鋼股份有限公司，河北 遷安 064400)

在冶煉過程中，爐頂煤氣流控制不合理會導致高爐爐頂溫度驟然升高。在高爐降料面過程中，為控制頂溫在合理的溫度區間內，需要采取爐頂打水控制頂溫的方法，若打水量過多或者霧化效果差，極易引起爐內爆震現象發生[1,2]，引發安全事故。為合理控制爐頂溫度，各高爐都在積極優化噴水降溫設備[3,4]。當爐頂煤氣溫度達到或超過規定溫度時，自動控制噴水降溫，從而保護無料鐘爐頂設備及粗煤氣系統中的干法布袋除塵裝置能夠正常運轉。針對首鋼股份3號高爐(4000 m3)原有噴水降溫設備的使用情況和不足，技術人員開發了一套新型噴霧降溫系統，安裝在3號高爐使用，霧化降溫效果良好。

1 原有降溫設備現狀

首鋼股份3號高爐原有噴水降溫設備，安裝在高爐爐殼頂部的錐體上，用以控制爐頂溫度。經過多年使用實踐，技術人員發現3號高爐爐頂原有噴水降溫裝置通過噴頭直接向爐內打水降溫的方式存在如下不足，給高爐生產帶來諸多不便。

(1)采用普通打水噴頭，霧化效果差，不能有效控制其霧化狀態，換熱面積小，降溫效果差；

(2)打水噴頭噴射長度在2 m左右，覆蓋面積??；

(3)未安裝防堵塞裝置，在爐內惡劣的環境條件下，易堵噴頭而弱化溫控功能；

(4)原有噴水設備實際打水量約80 t/h，無法滿足降料面時打水量240 t/h的需求；

(5)爐頂溫度控制系統智能化水平低，在爐頂局部溫度升高的情況下，不能自動實現定向打水降溫。

2 新型噴霧降溫系統

在分析了原有噴水降溫設備不足，結合高爐現場實際條件，3號高爐技術人員開發了一套新型噴霧降溫系統。

2.1 新型噴霧降溫系統工作原理

利用超細水霧的水-汽相變原理，在爐頂溫度上升到設定值時自動啟動霧化噴頭，將高度霧化的直徑約為70-200 μm超細水霧噴入爐頂，由于水霧分散度高，能迅速吸收煤氣中熱量，以最少水量降低煤氣溫度，不會導致爐頂壓力上升，較好起到保護爐頂設備的目的。

2.2 新型噴霧降溫系統設計參數

為滿足3號高爐日常生產和日后降料面降溫的實際需求，系統采用單流體霧化噴頭向高爐內噴射經過霧化的、顆粒細小的水滴，與高溫煤氣結合后，迅速蒸發并且帶走熱量，實現高溫煤氣的快速高效降溫。新型噴霧降溫系統設計參數見表1。

表1 新型噴霧降溫系統設計參數

2.3 新型噴霧降溫系統設計結構

3號高爐新型噴霧降溫系統設計結構示意，見圖1。系統水源取自32.6米平臺風口高壓凈環水DN500供水主管(其上設置供水閘閥)，引一根DN250供水管引到44.9米爐喉平臺，分2根DN150供水支管至該平臺西南角和東南角的分流柜，供水支管與分流柜間設置DN150的氣動球閥和電磁流量計。每個分流柜各設置6路小支管，小支管上設置DN40的氣動球閥和Y型過濾器，結構設計見圖2。分流柜小支管外接Φ49×6無縫鋼管至爐頂原有打水噴頭處，安裝12個霧化噴槍，霧化噴槍與小支管通過金屬軟管連接。

圖1 新型噴霧降溫系統設計結構示意圖

圖2 新型噴霧降溫系統分流柜內部設計結構

2.4 新型噴霧降溫系統PLC控制原理及性能

新型噴霧降溫系統的PLC控制系統受高爐主PLC上位機的控制，高爐主PLC采集、顯示及控制噴霧裝置。系統PLC在選型上與高爐主PLC保持一致性，以方便Control NET網絡連接。系統從高爐主PLC通過Control NET網絡獲取上升管煤氣溫度以及其它需要交換的信息，高爐主PLC通過Control NET網絡獲取系統工作狀態。其工藝流程見圖3。

圖3 新型噴霧降溫系統PLC控制流程圖

本系統采用遠程上位監控操作與控制柜本地操作兩種操作模式，操作權限選擇在中控樓操作臺進行。本系統PLC控制程序包括：高爐爐頂噴霧降溫全自動控制程序、高爐爐頂噴霧降溫手動控制程序和爐頂噴嘴吹掃控制程序。系統設計監測功能模塊包括：對整個噴霧系統工藝流程動畫跟蹤顯示，實現有關溫度參數的設定，手動和自動操作控制和設備故障畫面顯示。

新型噴霧降溫系統性能特點主要有：

(1)噴霧系統煤氣溫度控制信號：上升管煤氣平均溫度由高爐本體PLC柜輸出1路經轉換、隔離的4-20 mA信號(對應溫度范圍0～1 000 ℃)給噴霧控制柜，對應上升管四點平均溫度Te。

(2)控制溫度Te大于300 ℃開始爐喉噴霧, 控制溫度Te≤250 ℃則停止噴霧，以控制進布袋煤氣溫度≤250 ℃。

(3)能夠實現每點根噴槍的開關控制，一般情況下噴霧系統啟噴時，采用六噴槍模式(圓周方向間隔均布)(即Te大于280 ℃)，計算機根據上升管煤氣溫度自動增、減噴霧噴槍的數量以調整噴霧量。

(4)為防止噴嘴堵塞，在未噴霧期間程序定期以自動脈沖方式對噴嘴進行吹掃。各噴嘴每隔8～24小時(吹掃周期可以調整)依次吹掃一次，每次每個噴嘴吹掃3～5秒。

(5)噴霧系統每日自動進行電氣設備及噴槍點檢，如出現噴嘴堵塞或設備故障，將顯示堵塞的噴槍位置或故障設備位置，并提示報警。計算機將會調整噴霧模式，彌補該噴槍堵塞后的噴霧量。

3 新型噴霧降溫系統應用效果

3.1 降料面使用效果

2020年7月8日8:06，首鋼股份3號高爐開始降料面工作，20:30停氣，至9日4:00風口全部見空，5:56正式停風，整個降料面總計耗時21小時50分鐘。本次降料面實際所耗風量為4 933 912 m3，共打水2 598.74噸。本次降料面進入爐身中下部后頂溫趨于平穩，半小時打水量呈降低趨勢，1:30進入爐腹中下部后半小時打水量開始升高，見圖4。3號高爐整個降料面噴霧降溫期間，爐頂溫度平均值在330 ℃左右，干法入口溫度控制在合理范圍之內，降料面全程無爆震現象發生，起到了保護爐頂設備的良好預期效果。降料面結束后，爐內堆尖較小，處于風口中心線以上高度約2米，邊緣與爐墻距離約4米，堆尖形狀達到預期效果。

圖4 半小時打水量與頂溫變化趨勢圖

3.2 爐頂設備降溫效果

在日常生產過程中，當爐頂溫度上升到設定值時，該系統能夠以最少水量降低煤氣溫度，從而有效保護爐頂設備安全穩定運行。12套噴槍使用正常，未發生堵塞，較好起到了保護爐頂設備的目的。