點火爐爐膛溫度不均的原因分析及解決方案

王 浩

(中冶長天國際工程有限責任公司,湖南 長沙 410205)

1 概 述

點火爐是燒結工序的咽喉設備,一般安裝于機頭布料裝置后[1]、燒結機1#～3#燒結風箱之上的位置。點火爐通過氣體燃燒在爐膛建立高溫區域,為燒結機的正常生產提供初始能量[2],點燃混合料中配有的固體燃料。在主抽風機的作用下,煅燒帶逐步下移,燒結混合料在燒結機尾部完成燒結過程,再經過破碎、冷卻、篩分,得到成品燒結礦[3]。

點火是燒結工藝流程中的一個重要環節,其效果甚至決定著燒結礦的質量和產量[4]。如果點火爐供熱不足、爐膛溫度低,會導致燒結餅強度差;若供熱過多、爐膛溫度過高,則會導致料面過融,透氣性差,影響后續燒結過程的進行。所以點火爐必須具有足夠的點火強度,并保證整個爐膛溫度場的均衡穩定。

2 設備結構及使用效果

福建省某鋼廠的燒結機點火爐配置有四排共44個點火燒嘴,采用高爐煤氣為燃料。該廠的高爐煤氣熱值較低,約3 013.8 kJ/m3(標準)。為提高點火溫度、保障點火效果,該點火爐還設計有一臺機上式空氣預熱爐,利用多管式換熱器將助燃空氣預熱至250 ℃。點火爐本體主要由燒嘴、耐火內襯、爐殼鋼結構及爐前管道等部分組成[5],其斷面圖如圖1所示。熱電偶安裝于點火爐頂耐火內襯測溫孔內,左右各1支,相對燒結機中軸線對稱。

圖1 點火爐斷面圖

高爐煤氣從點火爐左側引入,空氣經預熱后從點火爐右側引入。空煤氣經爐前管道進入燒嘴混合,再經火道進入爐膛燃燒。其中空煤氣集管管徑均為273 mm,燒嘴前煤氣支管管徑為60 mm,空氣支管管徑為76 mm。空煤氣集管上均設有手動閥門,可以調節集管空煤氣流量。但在各個燒嘴前支管上,未再設置支管閥門,不能進行單燒嘴空煤流量控制。

該點火爐投產后,爐膛兩側溫度差異較大,點火爐爐膛右側溫度比左側高出80～100 ℃,且兩側料面點火效果存在明顯區別。現場操作人員嘗試著通過空煤氣集管閥門來改善燒結料面情況,但收效甚微,當左側料面正常點著時,右側料面出現大面積過融;而當右側料面正常點著時,左側料面又出現了大面積黃料。點火效果的差異導致燒結礦質量不均,對后續工序進行產生了不利影響。另外,爐膛兩側溫度不均也可能導致點火爐兩側耐火內襯膨脹不一致,導致耐火內襯出現裂縫或斷裂現象,損壞點火爐結構安全。

為解決該問題,現場操作人員逐一排查燒結機各工藝參數,發現兩側工況一致,爐膛負壓控制正常,兩側風箱翻板開度一致,且未發現風箱有堵塞現象。技術人員經過多次調整和排查仍未能有效解決問題,后經深入分析,認為該問題可能是由于進入各個燒嘴空煤氣流量,燒嘴燃燒提供的熱量不同導致的。

3 建模仿真分析

3.1 Fluent程序求解計算

為證實該觀點,設計人員用Fluent仿真程序進行建模分析。Fluent是計算流體流動和傳熱學等的程序,是目前較為流行的商用CFD軟件包,可以解算涉及流體、熱傳遞等工程問題[6]。

按Fulent程序求解的步驟,技術人員先對點火爐爐前煤氣管道進行建模,以靠近集管末端的燒嘴為1#,集管起始端燒嘴為11#,依次排列,如圖2所示。然后生成計算網格,選擇求解器及求解方程,確定介質物性及邊界類型、邊界條件,設置求解方法及流場初始化[7]后進行求解計算。

圖2 爐前煤氣管道建模及燒嘴支管編號

3.2 求解結果

為保證計算結果的準確性和通用性,選擇集管介質輸入流量從2 000 m3/h(標準)到4 000 m3/h(標準)多個工況進行求解計算,得到以下結果,如圖3～圖7所示。

圖3 速度云圖2 000 m3/h(標準)

圖4 速度云圖2 500 m3/h(標準)

圖5 速度云圖3 000 m3/h(標準)

圖6 速度云圖3 500 m3/h(標準)

圖7 速度云圖4 000 m3/h(標準)

根據Fluent程序的輸出結果,各工況下各燒嘴前煤氣支管的流量如表1所示。

表1 各工況下各燒嘴前煤氣支管的流量 m3/h(標準)

3.3 數據分析

分析各燒嘴前支管的煤氣流量可知,從燒嘴1#爐前支管至燒嘴11#爐前支管,煤氣流量呈遞減趨勢,即越靠近集管末端的支管煤氣流量越大,起始端支管流量最小。以燒嘴1#煤氣流量為基準數,流量差異如表2所示。

表2 各燒嘴流量差異 %

燒嘴1#的煤氣流量相比燒嘴11#高5%。同理,結合現場點火爐空煤氣管道布置可知,燒嘴11#的空氣流量相比燒嘴1#高5%。

4 爐膛溫度不均原因分析

為保證點火爐爐膛溫度場均衡,每個燒嘴噴入爐膛的空煤氣流量必須一致。根據煤氣的熱值及成分,可計算出其燃燒所需要的空氣量,高爐煤氣的理論空煤氣比例一般取0.78～0.85。在實際生產中,只有空煤氣比例適中時,燒嘴所噴射出的火焰才強勁有力且燃燒溫度高。根據仿真結果分析,當調節空煤氣集管閥門,使燒嘴1達到最佳燃燒狀態時:

(1)進入燒嘴11#的煤氣量較燒嘴1#少5%,燃燒產生的熱量少。

(2)進入燒嘴11#的助燃空氣量,較燒嘴1#多5%;除助燃所必需的空氣外,多余部分均進入爐膛后吸熱變成1 100 ℃的煙氣后,被主抽風機吸入大煙道排走,帶走大量熱量。

(3)進入燒嘴11#噴出的煤氣量少而空氣量大,不能達到最佳空燃比,影響的煤氣燃燒效率。

各燒嘴噴出的空煤氣流量不一,導致兩側溫度偏差。進入點火爐左側燒嘴的煤氣量小而空氣量大,導致左側爐膛的溫度低于右側。

5 解決方案及實用效果

根據仿真結果,解決爐膛左右兩側溫度分布不均的問題,必須平衡各支管的空煤氣流量,可以在各燒嘴前增加支管閥門。

后來業主單位利用停機檢修時間,在各個燒嘴的空氣支管上加裝了通風蝶閥,煤氣支管上安裝了不銹鋼球閥,通過閥門對每個燒嘴的空煤氣流量進行調節,解決了爐膛左右兩側溫度不均衡的問題,燒結機臺車料面點火均勻,保證了點火效果,強化了燒結礦質量。同時,各燒嘴噴出的火焰狀態明顯改善,燒結礦能耗減少了1.6 m3/t(標準),取得了良好的節能效果,節約了燒結成本。