楊躍
1 技術(shù)應(yīng)用背景
高爐噴煤是改變高爐用能結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)，也是鋼鐵企業(yè)節(jié)能和降低生產(chǎn)成本的重要技術(shù)措施。用價格低廉的噴吹煤，部分替代價格昂貴且資源短缺的冶金焦煤，不僅降低了生鐵成本，同時也減少了煉焦生產(chǎn)對環(huán)境的污染。另外，噴吹煤粉已成為高爐強(qiáng)化冶煉、爐況調(diào)整的重要手段，對高爐生產(chǎn)操作具有重要意義。
國家標(biāo)準(zhǔn)《高爐煉鐵工藝設(shè)計規(guī)范》(GB50427-2008)要求，新建或改造的高爐必須設(shè)置噴煤設(shè)施。因此，采用噴煤設(shè)施已成新建、改建高爐的必備設(shè)施之一。
2 寶鋼工程噴煤技術(shù)研發(fā)歷程
從20 世紀(jì)90 年代開始，寶鋼工程就致力于高爐噴煤技術(shù)的研究開發(fā)和設(shè)計，雖然起步較晚，但發(fā)展很快，并走出了一條引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)、與外方合作設(shè)計，到全部設(shè)備、技術(shù)國產(chǎn)化的自主集成創(chuàng)新的道路。
1998 年投入生產(chǎn)的寶鋼一號高爐，噴吹設(shè)計能力為200kg/t，設(shè)備的最大能力為220kg/t。寶鋼工程參與合作設(shè)計，其中噴吹系統(tǒng)為國外引進(jìn)技術(shù)。
2005 年新建成投產(chǎn)的寶鋼四號高爐，噴煤設(shè)計制粉能力180t/h，噴吹設(shè)計能力220kg/t，設(shè)備最大能力250kg/t。噴煤系統(tǒng)完全由寶鋼工程自主技術(shù)集成，包括系統(tǒng)技術(shù)總成、工廠設(shè)計和非標(biāo)設(shè)備設(shè)計等工作。
2006 年寶鋼二號高爐快速大修，噴煤設(shè)計制粉能力66t/h，噴吹設(shè)計能力220kg/t，設(shè)備最大能力250kg/t。寶鋼工程承擔(dān)了噴煤系統(tǒng)技術(shù)總成、工廠設(shè)計、非標(biāo)設(shè)備設(shè)計、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計及編程等設(shè)計上作。
2013 年寶鋼三號高爐快速大修，噴煤設(shè)計制粉能力120t/h，噴吹設(shè)計能力220kg/t，設(shè)備最大能力250kg/t。寶鋼工程以EP 的方式承擔(dān)了噴煤系統(tǒng)工程設(shè)計、非標(biāo)設(shè)備設(shè)計、設(shè)備供貨、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計及編程等設(shè)計工作。
3 寶鋼大型高爐噴煤技術(shù)特點
寶鋼工程在噴煤的工程設(shè)計中充分汲取了寶鋼在特大型高爐噴煤系統(tǒng)長時間操作運(yùn)行過程中所積累的寶貴經(jīng)驗和教訓(xùn)，通過不斷的創(chuàng)新和發(fā)展，形成了擁有自己特色的噴煤技術(shù)。
寶鋼現(xiàn)有5000m3 級大型高爐的噴煤系統(tǒng)總體布置均采用制粉、噴吹設(shè)施在同一構(gòu)筑物內(nèi)集中布置的直接噴吹工藝形式，其具有節(jié)省投資、節(jié)約能耗以及簡化操作和維修等特點。
3.1 制粉及收粉工藝技術(shù)
制粉系統(tǒng)采用成熟、可靠的中速磨負(fù)壓工藝，立式干燥氣發(fā)生爐，布置緊湊合理，并利用高爐熱風(fēng)爐廢氣作為制粉主要干燥介質(zhì)。收粉采用低壓長袋高濃度煤粉袋式收粉器的一級收粉工藝，具有收塵效率高、清灰能力強(qiáng)、設(shè)備阻力小等特點，最新設(shè)計的三號高爐噴煤系統(tǒng)實測排放濃度小于10mg/Nm3。
3.2 制粉尾氣再循環(huán)技術(shù)
磨煤機(jī)在制粉過程需要熱氣體作為干燥煤粉的熱源和輸送煤粉的載體，國內(nèi)常規(guī)做法都是將熱風(fēng)爐廢氣加熱后作為煤粉干燥及輸送氣體，這樣可以利用熱風(fēng)爐廢氣的顯熱，同時還降低了制粉工藝系統(tǒng)中的氧濃度，既減少了燃料消耗又確保了系統(tǒng)的安全。但在制粉系統(tǒng)啟動、停機(jī)、低負(fù)荷運(yùn)行及熱風(fēng)爐廢氣溫度過高時，需要摻入冷風(fēng)(新鮮空氣)來達(dá)到控制系統(tǒng)溫度，其結(jié)果是導(dǎo)致系統(tǒng)的氧含量升高，大大降低了系統(tǒng)的安全性。
為克服這一缺陷，寶鋼工程開發(fā)了熱風(fēng)爐廢氣與制粉尾氣結(jié)合使用的尾氣再循環(huán)工藝和控制技術(shù)。即通過將主排風(fēng)機(jī)排出的廢氣用管道引一部分接至磨煤機(jī)廢氣入口，以代替在系統(tǒng)啟動、停機(jī)、低負(fù)荷運(yùn)行及熱風(fēng)爐廢氣溫度過高時進(jìn)入系統(tǒng)的冷空氣，這樣可以確保系統(tǒng)的氧含量不超過8%，避免了由于系統(tǒng)氧含量升高給系統(tǒng)帶來的不安全因素。另外，在系統(tǒng)正常生產(chǎn)時，再循環(huán)氣流量是作為一個重要的控制參數(shù)，通過兩個調(diào)節(jié)回路進(jìn)行串聯(lián)式調(diào)節(jié)，可以精確地控制系統(tǒng)的負(fù)壓、流量等參數(shù)。
3.3 噴吹精度控制技術(shù)
噴吹系統(tǒng)采用一個煤粉倉，三個噴吹罐的三罐并列、噴煤總管加分配器的直接噴吹工藝技術(shù)。
煤粉噴吹量計量準(zhǔn)確性及各風(fēng)口的煤粉分配均勻性對高爐生產(chǎn)具有重要影響，是衡量噴吹技
術(shù)水平的重要指標(biāo)。寶鋼噴煤系統(tǒng)采取以下措施來保證噴吹總量的準(zhǔn)確性，小時噴吹量精度誤差一般小于1%。
1)噴吹罐稱量。每個噴吹罐上裝有一套3 個電子秤傳感器，為保證電子秤稱量準(zhǔn)確，設(shè)計中每個噴吹罐都配置獨立的支撐系統(tǒng)來防止由于其它噴吹罐裝料時導(dǎo)致地基偏斜而發(fā)生的傳感器讀數(shù)錯誤，同時噴吹罐還裝有防扭轉(zhuǎn)裝置來防止在裝料和增壓階段引起的旋轉(zhuǎn)，引起讀數(shù)錯誤。
2)系統(tǒng)控制。噴吹計量系統(tǒng)采用串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過將噴吹罐電子秤每次定時采樣得到的累計噴煤量與設(shè)定的同時間內(nèi)累計的噴煤總量進(jìn)行比較和計算，將其結(jié)果作為噴吹罐與高爐熱風(fēng)壓差調(diào)節(jié)的設(shè)定值，通過壓差調(diào)節(jié)控制噴煤量。此外，在噴吹總管上還設(shè)置有調(diào)節(jié)閥實現(xiàn)噴煤量閉環(huán)控制，確保噴吹計量的準(zhǔn)確性。
將噴吹支管的分配精度誤差控制在4%以下，主要采用以下兩方面措施。一是采用具有高分配精度的瓶式分配器，其具有良好的分配均勻性，阻力損失小、耐磨性好、結(jié)構(gòu)和加工簡單等特點；二是通過將分配器安裝在爐頂大平臺上，噴吹支管當(dāng)量長度相等設(shè)計。即噴吹支管采用相同的管道內(nèi)徑，相等的管道長度，每根管線間長度誤差不大于1%，所有噴吹管線采用相似的彎曲角度。
3.4 自動控制系統(tǒng)
寶鋼高爐噴煤自動化控制系統(tǒng)采用三電一體化結(jié)構(gòu)配置，設(shè)計對自動控制系統(tǒng)進(jìn)行了全面優(yōu)化，將少數(shù)手動控制設(shè)備納入自動控制范圍，使控制程序更加合理。系統(tǒng)可實時顯示設(shè)備運(yùn)行狀況和工藝參數(shù)值，具有完善的操作、計算、通訊、顯示、記錄、跟蹤和報警功能，極大地簡化了生產(chǎn)操作，減輕了操作人員的勞動強(qiáng)度。
同時噴煤系統(tǒng)的控制軟件程序還融入了寶鋼獨有的大型高爐高噴煤比操作經(jīng)驗和操作模式，使整個系統(tǒng)操作控制更加智能化，運(yùn)行也更加可靠穩(wěn)定。
3.5 安全噴煤技術(shù)
噴煤系統(tǒng)按照全部噴吹煙煤進(jìn)行系統(tǒng)的安全設(shè)計，為確保系統(tǒng)安全運(yùn)行，主要采取的安全措施如下:
1)以熱風(fēng)爐廢氣為主與燃燒高爐煤氣的煙氣配制成合格的惰性干燥氣，確保制粉系統(tǒng)末端袋式收粉器出口含氧量小于12%。
2)在磨煤機(jī)入口管道、袋式收粉器出口管道設(shè)置含氧量和CO 檢測裝置。當(dāng)系統(tǒng)氧含量或CO含量超上限時發(fā)出報警信號；當(dāng)系統(tǒng)氧含量或CO 含量超上上限時發(fā)出緊急報警信號，人工確定緊急停機(jī)。緊急停機(jī)時系統(tǒng)自動充入氮氣。
3)嚴(yán)格將磨煤機(jī)出口溫度控制在合理范圍內(nèi)。
4)在磨煤機(jī)出口的氣粉輸送管道、袋式收粉器上設(shè)置防爆門。
5)干燥氣發(fā)生爐設(shè)置點火程序控制和熄火安全保護(hù)裝置。同時在干燥氣發(fā)生爐區(qū)域設(shè)置CO氣體固定式監(jiān)測裝置和CO 值高于預(yù)定值的報警信號。
6)系統(tǒng)中的煤粉設(shè)備及管道均考慮了防靜電接地措施，法蘭之間用導(dǎo)線連接。
7)噴吹罐的加壓、流化全部采用氮氣。煤粉倉的流化采用氮氣，同時在煤粉倉頂部設(shè)置含氧量和CO 檢測裝置，確保煤粉倉內(nèi)的含氧量小于12%。
8)在系統(tǒng)的溫度、壓力超標(biāo)時，有報警顯示，緊急時可自動停機(jī)，同時系統(tǒng)還設(shè)有緊急操作按鈕，緊急時可自動地向安全方向轉(zhuǎn)移。
9)制粉噴吹站按敞開式設(shè)計，保證通風(fēng)良好，同時在制粉噴吹站內(nèi)設(shè)置消防水滅火系統(tǒng)和必要的消防器材。
3.6 快速大修設(shè)計
短期快速大修已成為特大型高爐大修的重要技術(shù)方向。寶鋼二號、三號高爐大修實施的是短期化快速大修，其中二號高爐停爐工期98 天，三號高爐停爐工期76 天，噴煤系統(tǒng)與高爐大修同步建成投產(chǎn)。寶鋼工程通過聯(lián)合建設(shè)單位、制造廠、施工單位等，從設(shè)計、設(shè)備供貨，西配合施工等方面采取措施，確保了噴煤系統(tǒng)與高爐大修同步建成。
寶鋼工程高爐噴煤在工程設(shè)計上采用三維輔助設(shè)計，有效地避免了噴煤設(shè)備、各種介質(zhì)管道與制粉噴吹站鋼結(jié)構(gòu)之間的相互干涉，實現(xiàn)無差錯設(shè)計，提高設(shè)計質(zhì)量，從而為噴煤系統(tǒng)在高爐短期化大修的施工打下了堅實的基礎(chǔ)。同時，為確保在規(guī)定時間內(nèi)完成噴煤大修改造工作，工藝設(shè)備、管線閥組等采取模塊化設(shè)計、大件設(shè)備整體供貨，或分段供貨、工廠預(yù)組裝等措施，盡量減少現(xiàn)場在線施工的時間。圖1 為寶鋼三號高爐制粉噴吹站三維設(shè)計模型。
4 寶鋼工程高爐噴煤技術(shù)應(yīng)用效果
寶鋼工程高爐噴煤采用自主技術(shù)集成的工藝技術(shù)，關(guān)鍵設(shè)備自主開發(fā)，實現(xiàn)了設(shè)備全部國產(chǎn)化，并在工程設(shè)計上應(yīng)用三維設(shè)計，在高爐短期化大修工期內(nèi)實現(xiàn)了與高爐同步建成投產(chǎn)，并成功投入運(yùn)行。
多年的生產(chǎn)實踐表明，寶鋼工程噴煤制粉、噴吹能力達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平，部分指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平，為高爐的穩(wěn)定運(yùn)行，實現(xiàn)高產(chǎn)、低耗做出了巨大貢獻(xiàn)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，同時也體現(xiàn)了寶鋼工程在高爐噴煤方面的技術(shù)實力和工程能力。
寶鋼股份一號高爐(容積4063m3)1999 年9 月創(chuàng)造了月均噴煤比260.6kg/t，焦比249.7kg/t 的最好成績，其他幾座高爐也長期維持200kg/t 以上的噴煤比。近年，隨著高爐原燃料條件質(zhì)量的變差，以及在操作和技術(shù)管理上要求高爐長期穩(wěn)定高噴煤率、低能耗、高產(chǎn)能煉鐵，四座高爐噴煤比基本維持在190-200kg/t 的經(jīng)濟(jì)合理水平。
5 技術(shù)團(tuán)隊
寶鋼工程高爐噴煤技術(shù)團(tuán)隊是伴隨著寶鋼噴煤技術(shù)發(fā)展逐步成長的。從1998 年成功引進(jìn)、設(shè)計寶鋼一號高爐噴煤系統(tǒng)開始，公司培養(yǎng)了一批高爐噴煤技術(shù)方面專業(yè)人才，先后承擔(dān)了寶鋼股份二號、三號、四號高爐，以及羅涇COREX 爐等重大工程項目的噴煤系統(tǒng)工程，是我國該領(lǐng)域從引進(jìn)設(shè)計、國內(nèi)設(shè)備成套供貨、系統(tǒng)總承包到技術(shù)設(shè)備全部國產(chǎn)化的成功實踐者。
在高爐噴煤技術(shù)國產(chǎn)化研發(fā)過程中，鍛煉了一批以高級工程師黃進(jìn)春為首的專業(yè)化技術(shù)團(tuán)隊，他們深入寶鋼噴煤生產(chǎn)現(xiàn)場與操作人員緊密結(jié)合，充分的交流與溝通，認(rèn)真聽取意見和要求，反復(fù)完善和優(yōu)化設(shè)計方案，為項目的成功打下了堅實的基礎(chǔ)。
目前，寶鋼工程技術(shù)團(tuán)隊還在不斷改進(jìn)和創(chuàng)新噴煤系統(tǒng)技術(shù)，并將進(jìn)一步推廣和應(yīng)用，為客戶創(chuàng)造更多的社會和經(jīng)濟(jì)效益。