國(guó)內(nèi)A 高爐升級(jí)改造設(shè)計(jì)的技術(shù)特點(diǎn)

申克政

（中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司，北京 100176）

0 引言

S 公司A 高爐運(yùn)行到爐役后期，爐體冷卻壁破損嚴(yán)重，高爐公輔設(shè)施也經(jīng)過(guò)一代爐役的運(yùn)行，能耗及運(yùn)行維護(hù)成本較高。在國(guó)家環(huán)保要求日益嚴(yán)格的背景下，S 公司擬對(duì)A 高爐進(jìn)行升級(jí)改造。

本次高爐升級(jí)改造，充分考慮現(xiàn)有場(chǎng)地和能利舊的設(shè)備，采用了多項(xiàng)節(jié)能環(huán)保技術(shù)，在不影響現(xiàn)有生產(chǎn)的前提下完成了對(duì)A 高爐的升級(jí)改造。

1 高爐設(shè)計(jì)特點(diǎn)及采用的新技術(shù)

由于高爐在現(xiàn)有廠(chǎng)區(qū)內(nèi)改造，高爐的布置受限制的因素比較多。為了不影響正常生產(chǎn)，經(jīng)與業(yè)主充分討論，調(diào)整布置方案，優(yōu)化占地，做到布置最優(yōu)。

為了和現(xiàn)有的鐵路匹配，合理確定高爐中心的位置，使出鐵場(chǎng)下擺動(dòng)流嘴處鐵路線(xiàn)能與現(xiàn)有鐵路合理對(duì)接。為了維持現(xiàn)有高爐的正常生產(chǎn)，在出鐵場(chǎng)外設(shè)置了一條過(guò)渡線(xiàn)，使現(xiàn)有高爐可以通過(guò)過(guò)渡線(xiàn)進(jìn)入煉鋼車(chē)間，避免受到現(xiàn)有高爐施工的影響。

在高爐設(shè)計(jì)中充分貫徹高效、低耗、優(yōu)質(zhì)、長(zhǎng)壽的方針，采用先進(jìn)實(shí)用、節(jié)能環(huán)保的技術(shù)及設(shè)備，實(shí)現(xiàn)高爐的低碳節(jié)能升級(jí)改造。高爐的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如表1所示。

表1 高爐的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

1.1 爐體系統(tǒng)

1.1.1 高爐內(nèi)型

根據(jù)國(guó)內(nèi)外多座高爐內(nèi)型變化發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)參考國(guó)內(nèi)操作指標(biāo)良好的高爐內(nèi)型，并且根據(jù)本高爐的具體情況，合理確定高爐的內(nèi)型，具體如表2 所示。

表2 高爐內(nèi)型

1.1.2 高爐冷卻結(jié)構(gòu)

高爐冷卻系統(tǒng)直接影響到冷卻設(shè)備的壽命，是制約整個(gè)高爐壽命的關(guān)鍵因素。為保證高爐冷卻可靠，本工程的高爐爐體采用全水冷結(jié)構(gòu)，其中在爐體冷卻設(shè)備、新型組合式冷卻結(jié)構(gòu)、高爐爐底、風(fēng)口大中套采用軟水密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)。為了方便檢漏，風(fēng)口小套、爐頂打水及爐喉鋼磚等采用高壓工業(yè)水冷卻系統(tǒng)。

本設(shè)計(jì)高爐本體采用全冷卻結(jié)構(gòu)，爐腹、爐腰及爐身下部第6—9 段采用鑲磚球墨鑄鐵冷卻壁。由于爐腹和爐腰部位熱負(fù)荷較高，為了加強(qiáng)該區(qū)域的冷卻，采用新型組合式冷卻結(jié)構(gòu)。

基于銅冷卻壁的優(yōu)良性能，開(kāi)發(fā)了新型組合式冷卻結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1），即在鑄鐵冷卻壁的熱面鑲嵌銅冷卻條的結(jié)構(gòu)。它兼有板壁結(jié)合結(jié)構(gòu)及薄壁爐襯的優(yōu)點(diǎn)，主要利用了銅的導(dǎo)熱率高的特點(diǎn)，在銅冷卻條周?chē)纬衫喂痰脑ぃ喈?dāng)于“錨固釘”，起到了“軟板”作用，使得渣皮更穩(wěn)定，克服了銅冷卻壁過(guò)度冷卻帶來(lái)的渣皮頻繁脫落的問(wèn)題。而且可根據(jù)設(shè)計(jì)，合理選擇銅條的間距，因此不會(huì)產(chǎn)生過(guò)度冷卻的問(wèn)題，且投資大大低于銅冷卻壁。銅冷卻條采用鑄造工藝，克服了銅冷卻壁水管與本體焊接易開(kāi)裂的缺點(diǎn)[1]。

圖1 組合式冷卻壁

1.1.3 高爐耐材結(jié)構(gòu)

爐底、爐缸耐材結(jié)構(gòu)：爐底共砌4 層大塊炭磚，在爐底水冷封板上為1 層國(guó)產(chǎn)高導(dǎo)熱炭磚，其上為2 層國(guó)產(chǎn)大塊微孔炭磚，最后為1 層國(guó)產(chǎn)大塊超微孔炭磚；炭磚上再砌2 層剛玉莫萊石陶瓷墊，每層厚度為400 mm，總厚度約800 mm；爐缸異常侵蝕區(qū)和爐缸側(cè)壁環(huán)砌大塊超微孔炭磚，爐缸上部環(huán)砌國(guó)產(chǎn)大塊微孔炭磚；爐缸炭磚內(nèi)側(cè)砌筑陶瓷杯。

風(fēng)口組合磚采用氮化硅結(jié)合碳化硅組合磚，鐵口采用剛玉質(zhì)組合磚加剛玉澆注料的砌筑形式。

爐腹、爐腰與爐身下部第6—9 段球墨鑄鐵冷卻壁鑲氮化硅結(jié)合碳化硅磚，對(duì)爐腹冷卻壁鑲磚的熱面進(jìn)行噴涂。

爐身中部第10—12 段球墨鑄鐵冷卻壁冷鑲焙燒微孔鋁炭磚，爐身上部第13—14 段球墨鑄鐵冷卻壁冷鑲磷酸鹽浸漬黏土磚。

1.1.4 高爐檢測(cè)

高爐爐體系統(tǒng)設(shè)置了完善的流量、壓力、溫度檢測(cè)，還設(shè)置爐頂熱成像、水溫差檢測(cè)系統(tǒng)和熱流強(qiáng)度在線(xiàn)檢測(cè)、爐底爐缸侵蝕模型等主要檢測(cè)項(xiàng)目。

高爐爐頂封罩設(shè)置1 臺(tái)爐頂熱成像儀。熱成像儀用來(lái)觀察爐頂料面煤氣發(fā)展情況和布料溜槽工作情況，還可以通過(guò)圖象處理技術(shù)，在顯示器上顯示爐頂料面溫度。

高爐冷卻壁水溫差與熱流強(qiáng)度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)分析處理后生成實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。此系統(tǒng)可根據(jù)冷卻壁進(jìn)出口冷卻管道的瞬時(shí)流量和水溫差，實(shí)時(shí)計(jì)算出高爐各部位熱流強(qiáng)度。若超過(guò)上限或下限數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)實(shí)施報(bào)警，從而起到高爐衛(wèi)士的作用。

為能夠?qū)崟r(shí)、連續(xù)地監(jiān)控每路銅冷卻條進(jìn)出水溫差，此次設(shè)計(jì)增加銅冷卻條進(jìn)水及出水溫度測(cè)點(diǎn)80 點(diǎn)，除此之外還設(shè)有380 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，配有40 個(gè)流量計(jì)。

爐底、爐缸侵蝕模型是預(yù)先在高爐炭磚內(nèi)埋設(shè)了諸多專(zhuān)用熱電偶來(lái)檢測(cè)高爐爐缸、爐底內(nèi)襯立體空間的溫度分布，通過(guò)建立高爐內(nèi)襯燒蝕數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)的信息處理模擬高爐爐底、爐缸的內(nèi)襯燒蝕狀況，形成自動(dòng)化診斷與報(bào)警系統(tǒng)。使用該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)模擬高爐爐底、爐缸耐材侵蝕狀況，指導(dǎo)高爐安全生產(chǎn)。

為了全面監(jiān)測(cè)高爐爐缸爐底情況，在16 個(gè)圓周方向安插熱電偶，共計(jì)256 個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)。

1.2 熱風(fēng)爐系統(tǒng)

熱風(fēng)爐系統(tǒng)配置有3 座旋切頂燃式熱風(fēng)爐，設(shè)計(jì)采用Φ25 mm 高效熱風(fēng)爐格子磚，設(shè)有2 臺(tái)助燃風(fēng)機(jī)集中送風(fēng)；熱風(fēng)爐采用高爐煤氣為燃燒介質(zhì)，還可通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制燃燒、送風(fēng)溫度和換爐。

本工程采用熱風(fēng)輸送管道膨脹和拉緊裝置專(zhuān)利技術(shù)，在熱風(fēng)管道上設(shè)置了不同形式的波紋補(bǔ)償器以及管道的拉緊裝置，解決了熱風(fēng)管道軸向變形問(wèn)題。

爐箅子及支柱為多種孔型的帶橫梁式結(jié)構(gòu)，爐箅子及支柱設(shè)計(jì)最高允許使用溫度≤450 ℃。

本設(shè)計(jì)采用高效板式換熱器預(yù)熱助燃空氣和煤氣，提高了熱風(fēng)爐系統(tǒng)的熱效率，最終達(dá)到送風(fēng)溫度1 250 ℃的目標(biāo)。此外，為了提高燃燒效率，節(jié)省煤氣，熱風(fēng)爐采用自動(dòng)燒爐系統(tǒng)。

為了實(shí)現(xiàn)超低排放的目標(biāo)，將熱風(fēng)爐煙氣管道與利舊的4 號(hào)高爐脫硫設(shè)施進(jìn)行對(duì)接，以滿(mǎn)足煙氣排放的要求。

1.3 礦槽及上料系統(tǒng)

礦焦槽系統(tǒng)設(shè)雙排貯槽。礦石和焦炭均采用分散篩分、分散稱(chēng)量工藝；采用焦丁與礦石混裝入爐，可提高爐內(nèi)煤氣利用率，獲得節(jié)焦增產(chǎn)的良好效果。

槽上設(shè)2 條運(yùn)礦膠帶機(jī)和1 條運(yùn)焦膠帶機(jī)，每條皮帶均設(shè)有重型卸料車(chē)。為了有效解決槽上環(huán)境除塵的問(wèn)題，重型卸料車(chē)上帶單體除塵器。

為了保護(hù)環(huán)境、改善工人工作條件，槽下系統(tǒng)的振動(dòng)篩、稱(chēng)量漏斗、膠帶輸送機(jī)各轉(zhuǎn)運(yùn)站等產(chǎn)塵點(diǎn)均設(shè)通風(fēng)除塵設(shè)施，膠帶機(jī)采用高效的導(dǎo)料槽密封技術(shù)，實(shí)現(xiàn)下料區(qū)域全密封，并采用多級(jí)密封擋簾、阻力減壓器等設(shè)施進(jìn)一步降低除塵風(fēng)量，加強(qiáng)除塵效果。

高爐采用主皮帶上料，主皮帶的寬度為1 600 mm，傾角11.8°，運(yùn)量為2 600 t/h。

1.4 爐頂系統(tǒng)

采用串罐無(wú)料鐘爐頂裝料設(shè)備，可以減少爐料裝入過(guò)程中的偏析，同時(shí)減少爐頂設(shè)備維護(hù)工作量，改善爐頂環(huán)境。根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算，按正常產(chǎn)量、正常料批，合理確定料罐有效容積40 m3。

采用爐頂均壓煤氣全回收專(zhuān)利技術(shù)對(duì)料罐排壓放散的煤氣進(jìn)行回收，極大地減少了均壓放散過(guò)程中高爐煤氣及噪音對(duì)環(huán)境的污染，將料罐高壓煤氣引至煤氣回收用回收除塵器，經(jīng)除塵和降壓后，最終進(jìn)入公司凈煤氣管網(wǎng)。

當(dāng)自然回收結(jié)束時(shí)，通過(guò)引射器對(duì)料罐內(nèi)剩余的少量低壓煤氣進(jìn)行引射強(qiáng)制回收。引射用高壓工作氣體采用爐頂料罐均壓使用的高壓凈煤氣。通過(guò)引射器強(qiáng)制回收，使料罐內(nèi)的壓力在短時(shí)間內(nèi)降至微正壓，然后可直接打開(kāi)上密封閥和上料閘進(jìn)行裝料，避免了煤氣二次放散，從而實(shí)現(xiàn)了爐頂均壓煤氣100%回收[2]。

1.5 出鐵場(chǎng)及爐前操作

出鐵場(chǎng)平坦化設(shè)計(jì)，采用無(wú)填沙層的出鐵場(chǎng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)。采用固定儲(chǔ)鐵式主溝，實(shí)現(xiàn)渣鐵良好分離；采用全液壓泥炮、開(kāi)鐵口機(jī)，泥炮和開(kāi)鐵口機(jī)同側(cè)布置，提高爐前機(jī)械化、自動(dòng)化程度及可靠性，減輕爐前勞動(dòng)強(qiáng)度。

采用擺動(dòng)流嘴出鐵，可以盡量減少支鐵溝的長(zhǎng)度，降低爐前的工作強(qiáng)度，也可減少生產(chǎn)成本。

1.6 爐渣處理系統(tǒng)

2 個(gè)出鐵場(chǎng)各設(shè)置1 套INBA 水渣處理設(shè)施，轉(zhuǎn)鼓采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，操作簡(jiǎn)單、使用安全、運(yùn)行可靠；轉(zhuǎn)鼓的旋轉(zhuǎn)速度可根據(jù)渣流量和轉(zhuǎn)鼓中的水位自動(dòng)調(diào)節(jié)，瞬時(shí)渣流量可根據(jù)轉(zhuǎn)鼓扭矩計(jì)算得出。

粒化塔和轉(zhuǎn)鼓區(qū)蒸汽設(shè)煙囪集中高空排放，環(huán)保條件好；沖渣水進(jìn)入冷卻塔，冷卻降溫后再進(jìn)行沖渣，冷水沖渣效果好，產(chǎn)生蒸汽少。

脫水轉(zhuǎn)鼓規(guī)格Φ5 000 mm×6 250 mm。轉(zhuǎn)鼓采用鏈條傳動(dòng)，設(shè)有2 套傳動(dòng)裝置，正常生產(chǎn)時(shí)轉(zhuǎn)鼓采用變頻調(diào)速的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)速固定的備用馬達(dá)一般在檢修時(shí)使用。根據(jù)渣流量和轉(zhuǎn)鼓中的水位，系統(tǒng)可自行調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)鼓的旋轉(zhuǎn)速度。

1.7 制粉噴吹系統(tǒng)

制粉噴吹車(chē)間整個(gè)廠(chǎng)房設(shè)計(jì)為全封閉式。制粉系統(tǒng)采用單系列，噴吹系統(tǒng)采用四罐并列、總管加分配器直接噴吹方式，其中2 個(gè)噴吹罐還可實(shí)現(xiàn)向球團(tuán)或另一座高爐的噴吹系統(tǒng)煤粉倉(cāng)輸粉。

1.8 高爐煤氣凈化系統(tǒng)

煤氣除塵系統(tǒng)采用先重力除塵后布袋除塵工藝。高爐煤氣粗除塵采用重力除塵器，除塵灰采用吸排罐車(chē)，避免二次揚(yáng)塵對(duì)環(huán)境造成的污染。

布袋除塵器采用DN=5 200 mm 筒體、煤氣頂進(jìn)頂出的工藝，取得優(yōu)良的除塵效果。

本方案采用關(guān)于高爐干式布袋除塵系統(tǒng)最新的專(zhuān)利及實(shí)用技術(shù)：

1）筒體采用DN=5 200 mm 大口徑，有效地解決了高爐布袋除塵系統(tǒng)占地大的問(wèn)題；

2）氮?dú)怆p側(cè)脈沖噴吹清灰，合理地利用脈沖閥的噴吹能力，有效地保證了良好的清灰效果；

3）煤氣氣流采用頂進(jìn)頂出方式，荒煤氣從筒體頂部中間自上而下，在筒體下部進(jìn)入筒體，均勻反向流動(dòng)擴(kuò)散，保證氣流分配均勻穩(wěn)定，避免側(cè)進(jìn)筒體方式產(chǎn)生局部紊流氣流，造成布袋底部磨擦破損；

4）煤氣閥門(mén)均設(shè)置在除塵系統(tǒng)上部?jī)蓚?cè)，上部設(shè)置有防爆電葫蘆，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備平時(shí)檢修，同時(shí)管道煤氣泄露時(shí)能及時(shí)擴(kuò)散，對(duì)安全生產(chǎn)有極大好處；

5）根據(jù)總圖布置的情況，11 個(gè)布袋筒體采用單排布置形式，節(jié)省占地，降低投資。

1.9 環(huán)境除塵設(shè)施

高爐設(shè)置完善的出鐵場(chǎng)除塵、礦焦槽除塵，滿(mǎn)足國(guó)家及地方超低排放要求。

本高爐設(shè)2 個(gè)出鐵場(chǎng)，共2 個(gè)出鐵口，出鐵制度為對(duì)角輪流出鐵。每個(gè)鐵口除塵點(diǎn)包括出鐵口頂吸1 點(diǎn)、側(cè)吸2 點(diǎn)、撇渣器1 點(diǎn)、渣溝1 點(diǎn)、鐵溝1 點(diǎn)、擺動(dòng)流嘴2 點(diǎn)，共計(jì)8 點(diǎn)。爐頂除塵接入出鐵場(chǎng)除塵系統(tǒng)，本系統(tǒng)除塵設(shè)計(jì)風(fēng)量400 000 m3/h，為變頻控制。根據(jù)高爐的實(shí)際情況，利舊現(xiàn)有400 000 m3/h風(fēng)量出鐵場(chǎng)除塵系統(tǒng)，由2 套除塵系統(tǒng)共同對(duì)本出鐵場(chǎng)進(jìn)行除塵。

槽上除塵系統(tǒng)采用移動(dòng)車(chē)載除塵器加倉(cāng)內(nèi)吸風(fēng)除塵方式。對(duì)礦槽、焦槽槽下下料稱(chēng)量及給料系統(tǒng)等部分產(chǎn)塵點(diǎn)采取密閉罩密封抽風(fēng)，并對(duì)全密封自沉降環(huán)保導(dǎo)料槽進(jìn)行抽風(fēng)。

1.10 高爐自動(dòng)化系統(tǒng)

高爐采用電氣、儀表和計(jì)算機(jī)三電一體化系統(tǒng)，可提高高爐控制的自動(dòng)化水平，確保高爐安全、穩(wěn)定、順利運(yùn)行；還可以加強(qiáng)高爐生產(chǎn)控制和管理，確保鐵水質(zhì)量，降低焦比，提高利用系數(shù)，保證生產(chǎn)的安全性和延長(zhǎng)爐役壽命。

2 采用的節(jié)能環(huán)保技術(shù)和特點(diǎn)

2.1 均壓煤氣全回收技術(shù)

爐頂放散采用均壓煤氣全回收技術(shù)，在原有均壓煤氣系統(tǒng)上增加了引射閥，在放散至低壓時(shí)，引射閥開(kāi)啟，將剩余煤氣引至均壓煤氣筒體內(nèi)，實(shí)現(xiàn)均壓放散煤氣的全回收。在施工過(guò)程中，均壓煤氣回收的時(shí)間約15 s，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求及高爐生產(chǎn)的要求。

2.2 組合式冷卻壁

組合式冷卻壁是在原有鑄鐵冷卻壁和銅冷卻壁的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)的一種新型的冷卻結(jié)構(gòu)，兼有鑄鐵冷卻壁和銅冷卻壁的優(yōu)點(diǎn)。采用組合式冷卻壁，可在增加較少投資的條件下（投資約為銅冷卻壁的20%）[3]，滿(mǎn)足爐體系統(tǒng)的冷卻要求，延長(zhǎng)高爐的使用壽命。

2.3 環(huán)保導(dǎo)料槽

環(huán)保導(dǎo)料槽是關(guān)于礦槽超低排放的專(zhuān)利技術(shù)，礦槽系統(tǒng)落料點(diǎn)都使用了環(huán)保導(dǎo)料槽，將皮帶落料點(diǎn)進(jìn)行合理密封，防止煙塵逸出。加強(qiáng)落料點(diǎn)密封后，除塵系統(tǒng)減少了風(fēng)量損失，事實(shí)證明使用環(huán)保導(dǎo)料槽后，可以降低除塵系統(tǒng)風(fēng)量20%；電機(jī)采用變頻電機(jī)，可減少電量消耗，降低生產(chǎn)成本。

2.4 其他設(shè)計(jì)特點(diǎn)

充分考慮現(xiàn)有場(chǎng)地，合理布置高爐各個(gè)系統(tǒng)，做到物流合理，氣體順暢，生產(chǎn)方便；充分考慮現(xiàn)有設(shè)備設(shè)施，將可利舊的設(shè)備充分利舊。出鐵場(chǎng)除塵利舊1 套40 萬(wàn)m3/h 風(fēng)量的除塵器，與1 套新建的40 萬(wàn)m3/h除塵器一起為出鐵場(chǎng)除塵，滿(mǎn)足超低排放的要求。

利舊現(xiàn)有的熱風(fēng)爐煙氣脫硫設(shè)施。在進(jìn)行總圖布置時(shí)，充分考慮現(xiàn)有脫硫設(shè)施，將煙氣管道接入煤氣脫硫的入口，并且在連接施工接口時(shí)，合理考慮施工時(shí)間，盡量減少對(duì)現(xiàn)有設(shè)備的影響。

利舊現(xiàn)有的地下受料槽。合理布置槽前運(yùn)料皮帶的走向，將現(xiàn)有的地下受料槽和礦槽的槽前準(zhǔn)運(yùn)站進(jìn)行連通，使地下受料槽的物料（焦炭、燒結(jié)、球團(tuán)）可以運(yùn)至礦槽，達(dá)到備用的目的。

3 結(jié)論

1）高爐經(jīng)升級(jí)投產(chǎn)后，產(chǎn)量穩(wěn)步提高，產(chǎn)量穩(wěn)定在5 540 t/d，平均焦比355 kg/t，煤比155 kg/t，燃料比為510 kg/t。熱風(fēng)風(fēng)溫大于1 250 ℃，送風(fēng)時(shí)間60 min，操作指標(biāo)已達(dá)到同類(lèi)高爐先進(jìn)水平。

2）此高爐升級(jí)改造工程充分考慮原有場(chǎng)地空間，充分利用現(xiàn)有設(shè)施，采用了軟水密閉循環(huán)、旋切頂燃式熱風(fēng)爐、均壓煤氣全回收、環(huán)保導(dǎo)料槽等多項(xiàng)先進(jìn)的節(jié)能環(huán)保工藝，保證了高爐的先進(jìn)性。此高爐采用的多種高爐長(zhǎng)壽與節(jié)能環(huán)保技術(shù)穩(wěn)定可靠，經(jīng)實(shí)踐表明，已基本達(dá)到設(shè)計(jì)的預(yù)期。高爐經(jīng)升級(jí)投產(chǎn)后，生產(chǎn)指標(biāo)優(yōu)異，為企業(yè)創(chuàng)造了巨大的效益。