高爐長壽和環保低碳技術的設計應用

趙艷霞

（中冶京誠工程技術有限公司，北京 100176）

0.引言

河北唐山地區某新建2300m3高爐，是以高爐長壽、節能減排和循環經濟為設計理念設計的新一代大型高爐。在高爐設計中，立足高起點、高水平，充分考慮了中國鋼鐵工業近年來的發展狀況對高爐技術的最新要求，以“成熟、可靠、先進、實用、安全、環保”為原則，在高爐設計中采用了有針對性的技術創新，實現了高爐長壽和環保低碳，技術指標達到同級別高爐先進水平。

1.精料和小塊焦回收技術

精料是高爐實現高產、低耗、優質的重要基礎。本高爐采用優質的入爐原料，入爐結構為燒結礦：球團礦：塊礦=85%：7%：8%，入爐礦石綜合含鐵品位≥59%。

1.1 槽下分散篩分、分散稱量

1#、2#兩座高爐的礦槽和焦槽并列共柱合建布置，3#、4#兩座高爐的礦槽和焦槽并列共柱合建布置。兩座高爐槽下新建燒結礦槽10個、球團礦槽4個、塊礦槽4個、雜礦槽4個和焦炭槽10個。礦石和焦炭在槽下均采用分散篩分，分散稱量，篩分后由各自的供料皮帶經過上料主皮帶轉運至爐頂。

1.2 小塊焦回收利用

焦槽下方設有手動閘門、振動給料機和振動篩，焦炭經過篩分后，≥25mm的焦炭裝入焦炭分散稱量斗，然后逐個打開稱量斗閘門，焦炭經過槽下皮帶和上料主皮帶轉運至爐頂料罐。＜25mm的篩下的碎焦經過碎焦運輸皮帶運送至碎焦篩分樓，其中10mm～25mm的合格的焦丁貯存在焦丁倉中，按程序要求稱量后與礦石混裝入爐。

設置小塊焦回收利用設施，回收10mm～25mm小塊焦與礦石按比例混裝入爐。本設計小塊焦的加入量約為30kg/tFe。

該工藝流程實現了資源利用最大化，為提高生產效率、降低原燃料消耗、保證高爐的穩定生產創造條件。

2.PW二代半爐頂和均壓煤氣回收技術

2.1 PW二代半爐頂技術

爐頂上料采用串罐無料鐘爐頂設備，料罐有效容積65m3。該爐頂設備可以采用多種方式布料及爐頂壓力0.25MPa的高壓操作，以利于提高煤氣利用率，改善料柱透氣性，從而延長高爐爐襯壽命。水冷傳動齒輪箱是無料鐘爐頂的核心設備，本設計采用PW二代半技術，該結構的水冷齒輪箱為密閉加壓水冷結構，冷卻循環無須維護（無須清潔水槽和冷卻板酸洗），大大降低了氮氣和補充水消耗，延長傾動齒輪的壽命。氮氣消耗量要求在1000Nm3以下。冷卻水量和氮氣用量比傳統的齒輪箱大大降低，真正做到了節能降耗。

2.2 均壓煤氣回收技術

高爐生產中，爐頂裝料設備向爐內裝料時，料罐中的均壓煤氣通常都是直接對空排放的，這部分放散煤氣的主要成分是CO、CO2、N2和灰塵。料罐排壓放散次數一天大約288～336次，含塵量10g/Nm3以上，放散量與料罐容積和爐頂壓力有關。料罐排壓放散時產生噪音和粉塵污染，不但對大氣環境直接造成污染，而且也浪費了能源[1]。本高爐為滿足環保要求，減輕環境污染，實現超低排放，采用了中冶京誠自主創新的爐頂均壓煤氣回收技術。

高爐爐頂均壓煤氣回收技術是利用中冶京誠專利技術的“氣體上進上出”式均壓煤氣回收除塵器，作為高爐料罐排壓放散煤氣的緩沖、凈化回收裝置，對高爐爐頂裝料過程中向大氣排放的含塵煤氣進行凈化回收處理。該方案采用了除塵器筒體內徑為6000mm。均壓煤氣回收系統流程圖如圖1所示。

圖1 爐頂均壓煤氣回收系統流程圖

由圖1可以看出，經過爐頂小旋風除塵器一次除塵后的受料罐放散煤氣，通過均壓煤氣管路進入均壓煤氣用除塵器，再經過除塵器進行二次除塵后進入濾袋區域進行精除塵，除塵后的煤氣接入凈煤氣管網。均壓煤氣的控制模式可以按照時間模式或壓力模式進行控制，當自然回收過程達到設定時間或達到設定料罐壓力后，煤氣回收閥關閉，將料罐內剩余的少量煤氣正常放散，自然回收過程結束。煤氣回收干式布袋除塵器布置在現有布袋除塵備用倉位置附近，占地面積小，布置緊湊、美觀。

該自然回收過程運行情況穩定良好，實際回收時間與理論計算值吻合，由于回收時間短，對爐頂裝料作業率幾乎沒有影響?；厥盏木鶋好簹鈱裘簹夤芫W壓力無沖擊。經測算，該回收過程煤氣回收量占煤氣放散量的85%以上，噸鐵煤氣回收量達到了8.6Nm3/tFe，年減少粉塵排放量為225t/年，年減少能源消耗為1965t/年，年減少直接碳排放量為9270t/年，回收煤氣用于發電的經濟效益為337萬元/年。由此看出，該專利技術的使用，不僅減輕環境污染，實現超低排放，還可取得較好的經濟效益。

本設計現采用的回收工藝為自然回收工藝，由于自然回收過程仍有少量的煤氣需要二次放散，在鋼鐵行業節能減排的環保政策日益嚴苛的情況下，后續生產還可以考慮在自然回收系統的基礎上，通過在爐頂增加引射器、引射閥及相關閥門和管路等配套設施，實現高爐均壓放散煤氣的全回收。即通過引射器將料罐內剩余低壓煤氣強制回收進入管網，引射工作氣體采用一次均壓用凈煤氣，當料罐內壓力降至微正壓時，直接打開上密和上料閘進行裝料，避免煤氣二次放散。均壓煤氣引射全回收系統流程圖見圖2。

圖2 均壓煤氣引射全回收系統流程圖

若在自然回收系統的基礎上增設均壓煤氣全回收設施，經過理論計算，與自然回收工藝相比較，該全回收過程煤氣回收量達到98.8%以上，噸鐵煤氣回收量較自然回收增加1.5Nm3/tFe，年減少粉塵排放量增加為40t/年，年減少能源消耗增加346t/年，年減少直接碳排放量增加1633t/年，回收煤氣用于發電的經濟效益增加59萬元/年。由以上數據可以看出，增設均壓煤氣全回收設施對于減排增效有著重要的意義。

該均壓煤氣回收工藝操作簡單、控制靈活，可設置為3種控制模式：常規均排壓、全回收和自然回收，在主控畫面可以根據實際生產情況進行自主切換。當采用自然回收模式時，將系統切換至均壓放散煤氣回收相應通道，通過該控制閥組的開關時間（或壓差）工作模式設定，對料罐均壓放散煤氣進行部分回收，料罐內殘余煤氣則直接通過放散管道排空。當選擇全回收模式時，打開相應控制閥門，進行均壓放散煤氣全回收模式，即避免均壓放散煤氣二次放散，實現零排放。當因高爐需要停止均壓放散煤氣回收工藝時，系統將切斷均壓放散煤氣流程，不能影響高爐正常生產。

3.高爐長壽技術

高爐長壽是新一代大型高爐的設計要求和設計理念，而延長高爐壽命是一項綜合技術。本設計在選擇合理的高爐內型及冷卻結構、采用優質的耐火材料、配置高效的冷卻系統以及全面的爐體檢測技術等方面進行了深入研究。

3.1 合理的高爐內型

矮胖型高爐降低了料柱高度，原燃料在下降過程中內摩擦力以及爐墻與爐料間摩擦力相對減小，高爐料柱阻損降低，透氣性改善，有利于強化冶煉[2]。本高爐的爐型設計上選擇了適宜的Hu/D值，適當加大爐腰直徑，Hu/D值降低，是適當矮胖的爐型。高爐的爐腹角和爐身角對高爐強化冶煉和高爐長壽至關重要，通過總結比較，確定設計爐腹角為77.560°，爐身角為82.395°。適宜的死鐵層深度可以減輕由于鐵水在爐缸的環流產生的對爐缸耐火材料的沖刷，起到保護爐底、延長高爐爐底壽命的作用。本高爐設計選取死鐵層深度占爐缸直徑的比值為21.2%。

3.2 優質的爐缸爐底耐材結構

爐缸爐底侵蝕機理主要為鐵水環流，渣鐵化學侵蝕，鐵水、鉛、鋅及堿金屬對炭磚的滲透脆化，熱應力破壞[3]等。采用水冷爐底結構和優質炭磚加低導熱、抗鐵水侵蝕能力強的優質剛玉質陶瓷杯材料，可以將1150℃鐵水凝固線控制在陶瓷杯以內，有效地保護炭磚，從而延長爐底爐缸的壽命。

本設計中爐底采用水冷形式，冷卻水管布置在爐底封板以下，耐材結構為高導熱的大塊炭磚結合抵抗熱應力強的“隔熱”大塊剛玉質陶瓷杯結構，爐缸爐底具體配置見圖3。即水冷爐底封板上砌筑1層國產大塊超高導石墨炭塊，其上依次砌筑2層國產大塊微孔炭塊和1層進口SGL大塊超微孔炭磚9RDN，爐底炭磚總厚度～2000mm。鐵口及以下容易出現異常侵蝕的爐缸區域環砌進口SGL大塊超微孔炭磚9RDN；爐底滿鋪炭磚上面砌筑大塊剛玉質陶瓷墊，厚度為800mm，爐缸炭磚內側砌筑大塊剛玉質陶瓷杯。

圖3 爐缸爐底耐材結構

通過對爐底爐缸溫度場進行模擬計算，結果見圖4，從圖中可以看出1150℃鐵水凝固線控制在陶瓷杯耐材以內，800℃和600℃的等溫線也控制在陶瓷杯以內，說明該爐底爐缸結構，炭磚工作的溫度區間可以控制在600℃以下，熱面容易較早地形成渣鐵凝結層，使爐缸爐底內襯與熾熱的鐵水隔離開，有效地保護炭磚，從而延長爐底爐缸耐材的壽命。

圖4 爐缸爐底溫度場等溫線分布

風口區域組合磚采用Si3N4-SiC材質，與剛玉磚比較，其具有較好的抗熱震性，可以防止爐料中鋅和堿金屬等有害元素的破壞作用。風口組合磚下部采用密封技術，鋪設銅密封板，一方面防止有害元素（如鋅、堿金屬等）對炭磚的侵蝕；另一方面防止風口漏水對炭磚和炭素搗料的破壞。

在投產后有些高爐出現竄煤氣通道，煤氣與堿金屬會對炭磚和冷卻壁造成破壞，從而嚴重影響高爐壽命。可見，冷卻壁與爐殼之間的耐火材料選擇尤為重要。本高爐設計通過反復比較和對某些大高爐成功應用的調研，選用了自流澆注料代替常規的無水壓入泥漿，達到了預想效果。

3.3 合理的爐體冷卻結構

本設計采用全冷卻壁結構，爐底爐缸部位采用光面灰鑄鐵冷卻壁，共分為5段（含風口段），材質為HT150；爐腹、爐腰及爐身下部關鍵部位采用了導熱性好、易快速形成渣皮的銅冷卻壁，共分為4段；爐身中上部采用鑲磚球墨鑄鐵冷卻壁，共分為6段，材質QT400-20。爐喉鋼磚采用一段式水冷結構，材質為鑄鋼。高爐實現100%水冷。

爐腹、爐腰及爐身下部是制約高爐長壽的關鍵因素，其冷卻設備材質及結構的選取尤為重要。本設計采用4段帶復合孔的銅冷卻壁，壁體厚度115mm，燕尾槽內冷鑲Si3N4-SiC磚。爐腹銅冷卻壁與風口冷卻壁的過渡銜接直接影響該部位的壽命，本設計中爐腹區域銅冷卻壁的安裝角度略大于設計爐腹角，銅冷卻壁背部采用凸臺結構，如圖5所示。這種形式可以使風口冷卻壁和銅冷卻壁遠離回旋區，保證了風口組合磚的厚度，防止該部位出現安全隱患。

圖5 銅冷卻壁和風口鑄鐵冷卻壁銜接

3.4 軟水密閉循環冷卻系統

高爐軟水密閉循環冷卻系統具有冷卻效率高、水量消耗少、無腐蝕、不結垢、無污染等優點，對高爐長壽提供可靠的保證。

本設計軟水密閉循環冷卻系統中用的軟水由高爐軟水泵站送至高爐爐底，共分為3部分：（1）供爐底及風口大套冷卻，爐底水冷管排水與風口大套串聯冷卻，富裕的冷卻水由旁通管排入回水總管中；（2）供高爐冷卻壁冷卻，冷卻壁水管采用豎向一串到頂的串接方式連接，同時采用分區冷卻，將水管分為4個區域，便于檢漏；（3）供風口中套冷卻。以上3部分冷卻水最終全部匯合至軟水回水總管，回水經過脫氣和穩壓裝置后排至高爐軟水泵房，經過二次冷卻后再循環使用。

為了保證高爐冷卻水均勻冷卻，本設計聯管采用了等阻損方案，合理配置各段冷卻壁不同數量水管間的連接方式，使圓周方向每根支管的總阻損基本相同，從而達到冷卻水均勻分配，。

3.5 完善的爐體檢測手段

為保證高爐的運行安全，提高爐襯破損狀況的可預測性，設置完善的檢測裝置尤為重要。本設計中設置了常規熱電偶用以檢測和推斷爐底爐缸及冷卻壁損壞情況；在高爐軟水密閉循環冷卻系統中，設置了完善的溫度、壓力、流量、液位的檢測，保障冷卻系統安全運行。除此以外，還采用了鐵口區爐殼測溫、爐頂紅外攝像儀、爐身靜壓裝置、爐頂熱成像儀、風口攝像儀、高爐爐底爐缸侵蝕模型、高爐冷卻水溫差和熱負荷模型等一系列先進的檢測技術，為高爐長壽起到支撐保障作用。

4.高風溫、富氧噴煤技術

本設計為在單一高爐煤氣條件下實現1250℃的風溫，每座高爐配置3座旋切頂燃式熱風爐。采用高混合性能燃燒器，孔徑為Φ25mm的19孔新型高效格子磚，支柱加橫梁支撐結構爐箅子。為了提高熱風爐的熱效率，減少富化煤氣用量，采用換熱效率高的板式換熱器，利用煙氣余熱，將助燃空氣和混合煤氣溫度預熱到200℃。

在獲得高風溫的基礎上，通過全廠能源平衡，選擇AV80-15電動全靜葉可調軸流鼓風機，鼓風富氧3.5%，噴煤比為160kg/tHM，采用一分二總管加分配器的直接噴吹方式，煤粉制備用干燥劑由高爐熱風爐廢氣與高溫煙氣混合而成。

5.煤氣干法除塵和TRT技術

本設計采用重力除塵器+長袋低壓脈沖干法除塵工藝。爐頂煤氣發生量為540000Nm3/h，凈化后含塵量≤5mg/m3的精制煤氣經TRT系統或凈煤氣減壓閥組后壓力降至～10kPa送至凈煤氣總管。干法布袋工藝節省了濕式煤氣清洗系統的水量消耗和污泥處理，同時有利于提高煤氣的物理熱，提高TRT電能回收量和熱風爐燃燒溫度。TRT采用干式軸流、兩段反動式透平型式，發電機裝機容量為20000kW。

6.環保除塵技術

本設計礦槽及爐前均采用布袋除塵工藝，凈化效率高，不受粉塵比電阻影響。

每座高爐槽上槽下合并設1套除塵系統，在供礦、返礦皮帶處設密閉罩密封。槽上除塵系統采用抽風槽除塵方式。槽下供料系統灰塵較大，為改善槽下操作環境，確保抽塵效果，采用環保篩，密封效果較好。對礦槽、焦槽槽下下料稱量及給料系統等部分產塵點采取密閉罩進行抽風，礦槽除塵風量700000m3/h。

每座高爐出鐵場均設置除塵系統，除塵器采用低壓長袋脈沖布袋除塵器，爐頂除塵的管道直接接入出鐵場除塵系統，不另設獨立系統。出鐵口除塵采用頂吸加側吸方式，在風口平臺端部設置頂吸除塵罩，在出鐵口兩端設置頂部聯通的側吸除塵罩，為了加強攏煙效果，頂吸罩盡量做大，在側面設便于拆卸的擋煙鋼板。除塵系統按3個出鐵口管路設置電動閥，通過爐前控制，根據出鐵情況進行切換。每座高爐設置兩套除塵器，風量各為950000m3/h。

7.結語

本高爐以工藝流程為主線，以高爐長壽、節能減排和循環經濟為設計理念，采用了精料和焦丁回收、PW二代半爐頂設備、均壓煤氣回收工藝、高爐長壽、高風溫富氧噴煤、煤氣干法除塵和TRT、環保除塵等一系列節能降耗的技術創新，實現了高爐長壽和環保低碳，技術指標達到同級別高爐先進水平。