點(diǎn)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(zé)任公司,湖南 長沙 410205)

1 概 述

點(diǎn)火爐是燒結(jié)工序的咽喉設(shè)備,一般安裝于機(jī)頭布料裝置后[1]、燒結(jié)機(jī)1#～3#燒結(jié)風(fēng)箱之上的位置。點(diǎn)火爐通過氣體燃燒在爐膛建立高溫區(qū)域,為燒結(jié)機(jī)的正常生產(chǎn)提供初始能量[2],點(diǎn)燃混合料中配有的固體燃料。在主抽風(fēng)機(jī)的作用下,煅燒帶逐步下移,燒結(jié)混合料在燒結(jié)機(jī)尾部完成燒結(jié)過程,再經(jīng)過破碎、冷卻、篩分,得到成品燒結(jié)礦[3]。

點(diǎn)火是燒結(jié)工藝流程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié),其效果甚至決定著燒結(jié)礦的質(zhì)量和產(chǎn)量[4]。如果點(diǎn)火爐供熱不足、爐膛溫度低,會(huì)導(dǎo)致燒結(jié)餅強(qiáng)度差;若供熱過多、爐膛溫度過高,則會(huì)導(dǎo)致料面過融,透氣性差,影響后續(xù)燒結(jié)過程的進(jìn)行。所以點(diǎn)火爐必須具有足夠的點(diǎn)火強(qiáng)度,并保證整個(gè)爐膛溫度場的均衡穩(wěn)定。

2 設(shè)備結(jié)構(gòu)及使用效果

福建省某鋼廠的燒結(jié)機(jī)點(diǎn)火爐配置有四排共44個(gè)點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn))。為提高點(diǎn)火溫度、保障點(diǎn)火效果,該點(diǎn)火爐還設(shè)計(jì)有一臺(tái)機(jī)上式空氣預(yù)熱爐,利用多管式換熱器將助燃空氣預(yù)熱至250 ℃。點(diǎn)火爐本體主要由燒嘴、耐火內(nèi)襯、爐殼鋼結(jié)構(gòu)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(diǎn)火爐頂耐火內(nèi)襯測溫孔內(nèi),左右各1支,相對燒結(jié)機(jī)中軸線對稱。

圖1 點(diǎn)火爐斷面圖

高爐煤氣從點(diǎn)火爐左側(cè)引入,空氣經(jīng)預(yù)熱后從點(diǎn)火爐右側(cè)引入?？彰簹饨?jīng)爐前管道進(jìn)入燒嘴混合,再經(jīng)火道進(jìn)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(shè)有手動(dòng)閥門,可以調(diào)節(jié)集管空煤氣流量。但在各個(gè)燒嘴前支管上,未再設(shè)置支管閥門,不能進(jìn)行單燒嘴空煤流量控制。

該點(diǎn)火爐投產(chǎn)后,爐膛兩側(cè)溫度差異較大,點(diǎn)火爐爐膛右側(cè)溫度比左側(cè)高出80～100 ℃,且兩側(cè)料面點(diǎn)火效果存在明顯區(qū)別。現(xiàn)場操作人員嘗試著通過空煤氣集管閥門來改善燒結(jié)料面情況,但收效甚微,當(dāng)左側(cè)料面正常點(diǎn)著時(shí),右側(cè)料面出現(xiàn)大面積過融;而當(dāng)右側(cè)料面正常點(diǎn)著時(shí),左側(cè)料面又出現(xiàn)了大面積黃料。點(diǎn)火效果的差異導(dǎo)致燒結(jié)礦質(zhì)量不均,對后續(xù)工序進(jìn)行產(chǎn)生了不利影響。另外,爐膛兩側(cè)溫度不均也可能導(dǎo)致點(diǎn)火爐兩側(cè)耐火內(nèi)襯膨脹不一致,導(dǎo)致耐火內(nèi)襯出現(xiàn)裂縫或斷裂現(xiàn)象,損壞點(diǎn)火爐結(jié)構(gòu)安全。

為解決該問題,現(xiàn)場操作人員逐一排查燒結(jié)機(jī)各工藝參數(shù),發(fā)現(xiàn)兩側(cè)工況一致,爐膛負(fù)壓控制正常,兩側(cè)風(fēng)箱翻板開度一致,且未發(fā)現(xiàn)風(fēng)箱有堵塞現(xiàn)象。技術(shù)人員經(jīng)過多次調(diào)整和排查仍未能有效解決問題,后經(jīng)深入分析,認(rèn)為該問題可能是由于進(jìn)入各個(gè)燒嘴空煤氣流量,燒嘴燃燒提供的熱量不同導(dǎo)致的。

3 建模仿真分析

3.1 Fluent程序求解計(jì)算

為證實(shí)該觀點(diǎn),設(shè)計(jì)人員用Fluent仿真程序進(jìn)行建模分析。Fluent是計(jì)算流體流動(dòng)和傳熱學(xué)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(shù)人員先對點(diǎn)火爐爐前煤氣管道進(jìn)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(jì)算網(wǎng)格,選擇求解器及求解方程,確定介質(zhì)物性及邊界類型、邊界條件,設(shè)置求解方法及流場初始化[7]后進(jìn)行求解計(jì)算。

圖2 爐前煤氣管道建模及燒嘴支管編號(hào)

3.2 求解結(jié)果

為保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和通用性,選擇集管介質(zhì)輸入流量從2 000 m3/h(標(biāo)準(zhǔn))到4 000 m3/h(標(biāo)準(zhǔn))多個(gè)工況進(jìn)行求解計(jì)算,得到以下結(jié)果,如圖3～圖7所示。

圖3 速度云圖2 000 m3/h(標(biāo)準(zhǔn))

圖4 速度云圖2 500 m3/h(標(biāo)準(zhǔn))

圖5 速度云圖3 000 m3/h(標(biāo)準(zhǔn))

圖6 速度云圖3 500 m3/h(標(biāo)準(zhǔn))

圖7 速度云圖4 000 m3/h(標(biāo)準(zhǔn))

根據(jù)Fluent程序的輸出結(jié)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(biāo)準(zhǔn))

3.3 數(shù)據(jù)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(zhǔn)數(shù),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(jié)合現(xiàn)場點(diǎn)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(diǎn)火爐爐膛溫度場均衡,每個(gè)燒嘴噴入爐膛的空煤氣流量必須一致。根據(jù)煤氣的熱值及成分,可計(jì)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(shí)際生產(chǎn)中,只有空煤氣比例適中時(shí),燒嘴所噴射出的火焰才強(qiáng)勁有力且燃燒溫度高。根據(jù)仿真結(jié)果分析,當(dāng)調(diào)節(jié)空煤氣集管閥門,使燒嘴1達(dá)到最佳燃燒狀態(tài)時(shí):

(1)進(jìn)入燒嘴11#的煤氣量較燒嘴1#少5%,燃燒產(chǎn)生的熱量少。

(2)進(jìn)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(jìn)入爐膛后吸熱變成1 100 ℃的煙氣后,被主抽風(fēng)機(jī)吸入大煙道排走,帶走大量熱量。

(3)進(jìn)入燒嘴11#噴出的煤氣量少而空氣量大,不能達(dá)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(dǎo)致兩側(cè)溫度偏差。進(jìn)入點(diǎn)火爐左側(cè)燒嘴的煤氣量小而空氣量大,導(dǎo)致左側(cè)爐膛的溫度低于右側(cè)。

5 解決方案及實(shí)用效果

根據(jù)仿真結(jié)果,解決爐膛左右兩側(cè)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(yè)主單位利用停機(jī)檢修時(shí)間,在各個(gè)燒嘴的空氣支管上加裝了通風(fēng)蝶閥,煤氣支管上安裝了不銹鋼球閥,通過閥門對每個(gè)燒嘴的空煤氣流量進(jìn)行調(diào)節(jié),解決了爐膛左右兩側(cè)溫度不均衡的問題,燒結(jié)機(jī)臺(tái)車料面點(diǎn)火均勻,保證了點(diǎn)火效果,強(qiáng)化了燒結(jié)礦質(zhì)量。同時(shí),各燒嘴噴出的火焰狀態(tài)明顯改善,燒結(jié)礦能耗減少了1.6 m3/t(標(biāo)準(zhǔn)),取得了良好的節(jié)能效果,節(jié)約了燒結(jié)成本。