高炉煤气用于烧结机点火炉的工艺改造
2010-12-28陈培钰 展之发 高金涛 李士琦
摘要:为节约点火成本、实现高炉煤气循环利用,将高炉煤气用于烧结机点火炉。论述了最火炉工艺改造方案、改造前后的主要技术参数、经济技术指标,改造后经济、社会效益明显。
关键词:高炉煤气;点火炉;工艺改造;烧结
Application of Blast Furnace Gas to Process Reconstruction of Ignition Furnace of Sintering Machine
CHEN Pei-yu,ZHAN Zhi-fa,GA0 Jin-tao,LI Shi-qi
AbstractIn order to save ignition cost and achieve the cyclic utilization of blast furnace gas,the blast furnace gas is used in ignition furnace of sintering machine. The process reconstruction scheme of ignition furnace,main technical parameters and economic technical indexes before and after reconstruction are described. The economic and social benefits are obvious.
Key wordsblast furnace gas;ignition furnace;process reconstruction;sintering
1 概述
    目前各钢铁企业烧结厂使用的烧结机,几乎都是从下部抽风的带式烧结机[1]。抽风烧结是将各种粉状含铁原料,配入适宜数量的熔剂和燃料(焦粉或无烟煤粉),混匀造球后,布到烧结机台车上进行点火、抽风,在高温和一系列物理化学变化的作用下,部分混合料颗粒表面发生软化和熔化,产生一定液相,当抽风冷却时,液相将矿粉颗粒粘结成块。这些块经过破碎、冷却、筛分后,形成具有一定化学成分和物理性能的烧结矿供高炉炼铁。这一过程称为烧结生产过程。通过烧结生产得到的烧结矿具有许多优于天然矿石的冶炼性能,高炉使用冶炼性能优越的烧结矿,可极大地改善高炉冶炼效果。烧结系统生产工艺流程见图1。
烧结点火是烧结生产主要工序,布在烧结机台车上的混合料中的燃料经点火后开始燃烧,并借助于抽风,使烧结过程自上而下进行[2]。烧结点火炉点火效果不仅关系到能否提供适宜的点火温度,而且也影响烧结矿产量、质量指标。
    2005年1月,天津钢管公司105m2烧结机幕帘式天然气点火炉投入生产运行,烧嘴设计使用周期为18个月。受公司1座高炉、1台烧结机工艺布局及投产初期高炉生产不顺等因素共同影响,烧结产能相对过剩,从而使得点火炉长期处于高密度、多频次热停工状态,一定程度上缩短了点火炉使用年限。2007年中修过后点火炉部分烧嘴、二次风阻流板、炉膛耐火材料开始出现不同程度的烧蚀脱落。公司从降本增效角度出发,考虑到点火炉接近使用周期,利用2009年高炉大修机会,将高炉煤气用于烧结点火,进行工艺改造,结合公司生产实际,保留单排幕帘式天然气烧嘴备用。2010年1月11日,烧结机高炉煤气点火一次成功。
2 点火炉改造前后主要技术参数
   改造前幕帘式天然气点火炉以2排烧嘴方式布置,每排32个幕帘式烧嘴共同完成料面点火,点火温度控制在(1100±50)℃。改造后高炉煤气点火炉以4排烧嘴方式布置。G1排高炉煤气套筒式预热烧嘴11个,主要进行料面预热,控制温度约500℃;G2(T1)、G3(T2)排高炉煤气、天然气三元烧嘴,分别为10和11个,主要完成料面正常点火,控制温度为(1050±50)℃;T3排幕帘式天然气烧嘴13组共26个,主要在高炉煤气压力或质量不稳定,无法满足烧结点火条件下,以备用点火方式维持生产。
   为改善高炉煤气点火效果,本项目在改造时成功借鉴先进企业成熟经验,将助燃风管道穿过环冷废气管道进行助燃风先期预热。预热后助燃风平均温度160~190℃,最高210~220℃。改造前后点火炉性能参数见表1。
表1 改造前后点火炉性能参数
点火炉性能参数
改造前幕帘式天然气点火炉
改造后套筒式高炉煤气点火炉
点火保温面积/m2
6.6
12.6
点火排数量/排
2
4
点火保温时间/min
1.52
2.90
点火温度/℃
1100±50
1050±50
助燃空气预热后温度/℃
160~190
幕帘式烧嘴数量/个
64
26
三元烧嘴数量/个
21
套筒式预热烧嘴数量/个
11
3 高炉煤气点火初步实践
    高炉煤气点火类型分为全高炉煤气点火、全天然气点火、高炉煤气主烧天然气伴烧3种方式,另外还包括高炉煤气、天然气小火保温等短时间调整操作。
3.1 点火介质作业时间与消耗
    选取2009年12月21日22时45分至2010年4月20日17时进行实践数据采集。此阶段内全高炉煤气组织生产1621.26h,消耗高炉煤气1557.4×104m3;全天然气组织生产866.13h,消耗天然气288594m3。全高炉煤气点火时间比例随生产逐步稳定明显增加。实践阶段高炉煤气、天然气不同点火介质消耗、对应烧结矿产量、全高炉煤气点火时间占实践阶段各月点火时间的比例见表2。
表2 实践阶段不同点火介质消耗、对应产量及高炉煤气点火时间比例
技术指标
2010年1月
2010年2月
2010年3月
2010年4月
全高炉煤气生产
高炉煤气消耗量/m3
18.4×104
494.8×104
502.6×104
401.6×104
烧结矿产量/t
28853
65745
83149
72434
全天然气生产
天然气消耗量/m3
182959
30826
53269
21540
烧结矿产量/t
72973
10392
18968
8340
高炉煤气主烧、
天然气伴烧
高炉煤气消耗量/m3
4.528×104
4.083×104
天然气消耗量/m3
636
1001
烧结矿产量/t
432
612
全高炉煤气点火时间占月点火时间比例/%
24.93
86.43
78.57
87.74
3.2 改造后工艺操作细化
   为确保生产现场高炉煤气点火作业安全、规范,改造后公司技术部门指导烧结作业区,对煤气点火操作参数、主要岗位工艺要求进行了明确规定。
   ① G1、G2、G3三排全高炉煤气烧嘴点火生产时,点火温度控制在(1050±50)℃,仅用T3单排天然气烧嘴点火生产时,点火温度控制在(1100±50)℃;
    ② 生产初期,高炉煤气、助燃空气比例参照空气过剩系数为1.3情况,按体积比1:(0.9~1)左右控制[2]
    ③ 点火炉下方1~3号风箱闸板相对开度分别按30%、50%、20%控制;
    ④ 料层厚度力争700mm以上,同时细化混合、主控岗位操作,确保混合料温度≥65℃,大于3mm粒级比例≥60%,烧结机总管负压控制在-9~-16kPa;
    ⑤ 焦粉或无烟煤粉经四辊破碎机破碎后,粒径≤3mm颗粒所占比例按质量分数为(80±2)%控制[3]
3.3 高炉煤气点火炉生产实践
    高炉煤气压力、质量稳定,烧结系统G1排高炉煤气套筒烧嘴、G2、G3排高炉煤气三元烧嘴共同点火组织生产;遇短时间高炉煤气压力或质量不稳,导致点火效果不佳时,点燃G1、G2、G3三排高炉煤气烧嘴,同时点燃T3排天然气幕帘式烧嘴进行辅助点火,待高炉煤气压力、质量、点火效果恢复正常后,关闭T3排天然气点火烧嘴,恢复全高炉煤气点火;遇高炉休风、炉况不顺及高炉煤气压力、质量不能满足点火条件时,切断高炉煤气,关闭高炉煤气烧嘴阀门,仅点燃T3单排天然气烧嘴组织生产。
    以全高炉煤气连续点火时间≥70h,全天然气连续点火时间≥30h为基准,选取不同点火介质典型生产阶段,汇总经济技术指标进行对比分析。
   ① 全高炉煤气、全天然气点火经济技术指标
    实践阶段全高炉煤气、全天然气点火典型生产阶段经济技术指标见表3。
表3 全高炉煤气、全天然气点火典型生产阶段经济技术指标
经济技术指标
全高炉煤气点火
全天然气点火
典型生产阶段总用时/h
496.20
472.58
点火介质小时平均耗量/(m3·h-1)
9399.76
384.49
单位质量烧结矿点火介质
平均单耗/(m3·t-1)
57.20
2.49
烧结机台时产量/(t·h-1)
164.33
154.21
烧结机利用系数/(t·m-2·h-1)
1.57
1.47
单位质量烧结矿湿基燃料单耗/(kg·t-1)
62.57
65.90
单位质量烧结矿干基燃料单耗/(kg·t-1)
57.57
60.63
成品率/%
74.67
73.84
    由表3看出:全高炉煤气点火时,单位质量烧结矿点火介质平均单耗约57.2m3/t;烧结矿台时产量、成品率指标由全天然气点火时的154.21t/h、73.84%分别提高至164.33t/h、74.67%,点火质量较好;单位质量烧结矿湿基燃料单耗指标由全天然气点火时65.90kg/t降至62.57kg/t。
    原因分析:a.高炉煤气G1—G3排点火保温面积较T3单排天然气点火保温面积增加约6m2,点火保温时间延长1.38min,点火效果更加均衡稳定,产量相对增加;T3单排天然气点火时表层烧结矿颜色较高炉煤气点火有所好转,但存在厚度约50~80mm的脆性较大烧结矿层,大多成为系统内循环返矿。b.高炉煤气G1点火排对料面进行500℃左右先期预热,利于料面点火质量改善,成品率指标有所提高;c.T3单排全天然气边缘烧嘴因设计缺陷与台车边缘存在150mm左右间隙,边缘点火不足,一定程度地造成成品率指标下降,固体燃料耗量上升。
    ② 高炉煤气主烧、天然气伴烧经济技术指标
    实践阶段高炉煤气主烧、天然气伴烧典型生产阶段经济技术指标见表4。
由表4可知,系统以高炉煤气主烧、天然气伴烧方式组织生产,天然气平均耗量约191.53m3/h,单耗为1.44m3/t,高炉煤气小时耗量也因高炉煤气热值下滑比全高炉煤气生产明显增加:单位质量烧结矿煤气平均单耗约78.76m3/t,比全高炉煤气点火时单位质量烧结矿煤气单耗57.20m3/t增加约21.56m3/t,增幅约27.38%;小时耗量也由9399.76m3/h左右增加至10459.02m3/h左右,增幅约11.27%。现场操作时先稳定天然气耗量190~200m3/h,然后再根据煤气质量、点火温度变化来适时调整高炉煤气耗量,以确保点火质量满足工艺要求。
表4 高炉煤气主烧、天然气伴烧典型生产阶段经济技术指标
经济技术指标
典型阶段1
典型阶段2
典型阶段3
各阶段平均指标
各典型生产阶段用时/h
2.33
1.00
0.33
1.22
天然气平均小时耗量/(m3·h-1)
191.85
189.00
196.97
191.53
高炉煤气平均小时耗量/(m3·h-1)
10669.53
10420.00
9090.91
10459.02
单位质量烧结矿天然气平均单耗/(m3·t-1)
1.64
1.18
1.20
1.44
单位质量烧结矿高炉煤气平均单耗/(m3·t-1)
91.40
65.13
55.56
78.76
烧结机台时产量/(t·h-1)
116.74
160.00
163.64
132.79
烧结机利用系数/(t·m-1·h-1))
1.11
1.52
1.56
1.26
单位质量烧结矿湿基燃料单耗/(kg·t-1)
65.00
65.75
61.85
65.23
单位质量烧结矿干基燃料单耗/(kg·t-1)
59.80
60.49
59.66
60.01
成品率/%
73.34
74.94
75.07
74.62
表5 2008年11月—2009年4月双排幕帘式天然气点火经济技术指标
天然气平均小时耗量/(m3·h-1)
344.73
单位质量烧结矿天然气平均单耗/(m3·t-1)
2.53
烧结机台时产量/(t·h-1)
136.27
烧结机利用系数/(t·m-1·h-1))
1.30
单位质量烧结矿湿基燃料单耗/(kg·t-1)
65.82
单位质量烧结矿干基燃料单耗/(kg·t-1)
60.56
成品率/%
74.29
3.4 改造前后幕帘式全天然气点火经济技术指标
    为便于改造后T3单排天然气点火与原有双排天然气点火进行比较,汇总2008年11月—2009年4月原有幕帘式双排天然气点火经济技术指标,见表5。
    由表3、5可知:改造后天然气小时耗量由改造前双排点火平均约344.73m3/h增至改造后单排点火384.49m3/h左右,增幅约11.53%。台时产量也因高炉负荷增加而大幅提高,平均由改造前136.27t/h增至改造后154.21t/h左右,增幅约13.17%,由此使得改造前后单位质量烧结矿天然气单耗和湿基燃料单耗指标基本持平,平均维持在2.5m3/t和65kg/t左右,但成品率指标较原有水平略有下降。
   原因分析:①T3单排全天然气边缘烧嘴因自身设计制作缺陷,与台车边缘存在明显间隙,另外,单排点火保温时间缩短,这些因素共同促使边缘及料层表面点火质量变差,成品率下降;②现场操作通常是打开T2点火排1-2、10-11号三元套筒烧嘴进行辅助点火,而套筒式烧嘴用于天然气点火较幕帘式烧嘴燃气利用率偏低,导致改造后天然气耗量明显增加。
4 生产操作参数优化
   结合改造前后经济技术指标对比分析,全高炉煤气点火效果明显优于单排天然气点火。4排烧嘴工艺布置和重点操作参数优化,既满足了公司1座高炉、1台烧结机生产条件下,高炉煤气、天然气频繁转换的现状,又延长了点火保温时间,点火质量更加均衡稳定。
   ① 全高炉煤气点火温度按(1050±50)℃偏上限控制时,料层表面会出现50mm左右熔融矿层,一定程度上降低了料层整体透气性能,优化后点火温度按1000~1050℃控制;
    ② 高炉煤气与助燃空气比例维持体积比为1:(0.9~1)完全可以满足生产工艺要求。自2010年4月25日起,为实现烧结点火工序能耗降低,同时为改善矿层熔融程度和料层透气性能,将高炉煤气小时耗量由实践阶段平均约9399.76m3/h降至8000~8500m3/h,助燃空气控制在9500~10000m3/h,点火温度仍可控制在1000~1050℃。在维持烧结机平均台时产量为164.33t/h情况下,单位质量烧结矿高炉煤气单耗指标由实践阶段平均约57.2m3/t降至调整后51.72m3/t左右,平均降低约5.48m3/t。
5 经济和社会效益
5.1 经济效益
    公司高炉大修后,烧结系统需年产烧结矿140×104t/a,按改造前天然气单耗2.6m3/t,单价2.4元/m3,改造后全高炉煤气点火时间占日历时间85%比例计算,高炉煤气用于烧结点火,年可降低天然气耗量约309.4×104m3/a,节约烧结点火成本约742.56×104元/a。所用高炉煤气均为厂内自产放散废气,所节省天然气消耗即为实际经济效益,项目效益很好。
5.2 社会效益
    高炉煤气用于烧结点火,年可减少CO2气体排放约309.4×104m3,社会效益明显。
6 结语
    ① 高炉煤气用于烧结点火项目改造基本满足生产工艺要求,点火温度按(1050±50)℃偏下限控制,不仅可以改善料层上部熔融层厚度,还可一定程度地改善料层整体透气性能。
    ② 为降低点火工序能耗,并改善烧结矿层熔融程度和料层透气性能,控制高炉煤气耗量为8000~8500m3/h,助燃空气耗量为9500~10000m3/h,可实现单位质量烧结矿高炉煤气单耗指标降至51.72m3/t左右;仅用T3单排天然气点火时,控制天然气小时耗量为384.49m3/h左右,完全可以满足生产工艺要求,单位质量烧结矿天然气单耗指标约2.49m3/t左右。
    ③ 按全高炉煤气点火作业时间占日历时间85%,年产烧结矿140×104t/a,天然气单价为2.4元/m3计算,高炉煤气用于烧结点火每年可减少CO2气体排放量约309.4×104m3/a,节约天然气点火成本约742.56×104元/a。
参考文献:
[1] 王悦祥.烧结矿与球团矿生产[M].北京:冶金工业出版社,2008.
[2] 薛俊虎.烧结生产技能知识问答[M].北京:冶金工业出版社,2005.
[3] 朱苗勇.现代冶金学(钢铁冶金卷)[M].北京:冶金工业出版社,2005.
 

(本文作者:陈培钰1、2 展之发2 高金涛1 李士琦1 1.北京科技大学冶金与生态工程学院 北京 100083;2.天津钢管集团股份有限公司 天津 300301)

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