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文献翻译
Dome Combustion Hot Blast Stove For Huge Blast Furnace
巨型高炉顶燃式热风炉
巨型高炉顶燃式热风炉2017 年 2 月 24 日—— 2017 年 3 月 1 日
ZHANG Fu-ming , MAO Qing-wu , MEI Cong-hua , LI Xin , HU Zu-rui
（北京首钢国际工程技术有限公司，北京100043，中国）
摘要：在首钢京唐5 500m3巨型高炉（BF）设计中，开发了顶燃式热风炉（DCHBS）技术，对DCHBS过程进行优化和整合，确定合理的热风炉（HBS）技术参数，并通过计算流体力学（CFD）建立了数学模型。传输理论研究了热风炉燃烧和气体流量，热风炉的速度场分布结果，实现一氧化碳密度场和温度场。建立了物理模型试验和热试验装置，并通过试验验证了数值计算结果和调查。采用了三维仿真设计，对热风炉进行了工艺流程及布局优化设计。采用两套小型DCHBS将燃烧空气再加热至520-600℃。以高炉气体作为燃料燃烧，热风炉炉膛温度可超过1420℃。根据DCHBS技术特点，设计合理的耐火结构，采用有效的技术措施，对热风炉炉壳间应力腐蚀进行了优化和设计。爆炸温度持续上升，燃烧单一的高炉气体时月平均爆破温度达到1 300℃。
关键词：顶燃式热风炉；高炉温度；陶瓷燃烧器；高温燃烧空气再热；CFD
热风温度是现代高炉（BF）炼铁的重要技术特点和发展方向。加热鼓风温度可以减少燃料消耗，提高高炉的能源利用效率。当鼓风温度可以提高100℃时，焦炭速度可以节省15-20kg / t，可以对粉煤发生有利条件（PCI）。在首钢京唐5 500m3高炉，三种热风炉（HBS）技术包括内部HBS，外部HBS和拱顶燃烧HBS都被研究和分析过。在首钢DCHBS技术[1]和俄罗斯Kalugin DCHBS [2]的基础上，两种技术的优势得到了整合，北京首钢卡鲁金（BSK）新的DCHBS技术得到了开发和规划。这是DCHBS技术首次应用于世界范围内5 000m3级巨型高炉[3]。
1拱顶燃烧热风炉
1.1对DCHBS的技术进程的优化集成
在首钢京唐5500m3高炉的设计中，研究并分析了全世界5000m3级巨型高炉现有13套的技术设备和运行条件。全球4000m3级高炉主要使用外部HBS，有几个例外，使用的是内部HBS。5000 m3的大型高炉全部使用外部HBS。全球范围内没有DCHBS对超过4 000m 3高炉的应用。通过现代研究方法，包括HBS燃烧，气体和空气流动和热传递理论，计算流体动力学（CFD）模拟，物理模型流场分析，冷相和热相试验性试验等，在HBS上进行了一系列设计和研究，并且设计和开发了适用于巨型高炉的BSK-DCHBS技术。
BSK-DCHBS结合了首钢型和Kalugin型DCHBS的技术优势，主要技术特点如下：1） DCHBS圆形陶瓷燃烧器布置在工作条件适应的拱顶位置，可满足燃烧功率大，燃烧效率高，使用寿命长的气体和燃烧空气的多功能条件。环形陶瓷燃烧器采用旋风式渗透燃烧技术，可确保燃烧空气和燃气的完全混合和燃烧，并提高火焰温度和穹顶温度。 2）圆顶空间用作燃烧室，独立燃烧室被取消，炉灶的热稳定性得到提高。陶瓷燃烧器布置在圆顶位置。高温烟气在旋风条件下均匀分布。可以有效地增加再生室格子砖表面上的高温气体的均匀性和热传递效率。 3）再生室使用高效的检查砖。 格子砖通道直径相对减小，格子砖的加热面增加，从而提高了热风炉的传热效率。 4）HBS烟气余热用于预热气体和燃烧空气。燃烧空气通过预热炉预热到520℃以上，只使用高炉气体鼓风温度就可达到1300℃。 5）HBS高温高压系统采用低应力设计理念。通过对材料结构优化的材料结构优化设计，稳定转移1300℃高温高温可以实现爆破[4]。
1.2确定DCHBS的参数
世界上5000m3级的大多数大型高炉都采用4个HBS来改善HBS的稳定运行。经海外操作实践认可，当4个HBS在交错的平行操作条件下操作时鼓风温度可提高30℃[5]。考虑到世界范围内5000m3大型高炉HBS操作实践，为了实现长使用寿命，高效率和稳定运行，首钢京唐5500m3 高炉采用“两次燃烧，两次爆破”交错平行燃烧喷砂工艺配置4个顶燃式热风炉。根据不同的HBS操作模式，合理的HBS操作周期是可以减少HBS热积累的。使用高炉气体可以达到1300℃的高温喷吹温度。当4个喷射口平行喷射时，HBS燃烧时间为60min，喷射时间为48min，加热时间为12min。
1.3技术规格
首钢京唐5 500m3BF-BSK DCHBS的设计鼓风温度为1300℃（最高温度为1310℃），拱顶温度为1420℃（最高温度为1450℃），设计寿命以上25年以上。HBS燃料仅为高炉气体。HBS烟气余热回收装置用于对气体和燃烧空气进行再加热。将两套小型炉设计成再加热燃烧空气，可以再加热至520℃以上。通过软化水封闭循环冷却系统来冷却HBS高温阀门。HBS系统的燃烧，爆破和转换可以全自动控制。 采用交错平行燃烧喷砂模式，使用高炉气体作为燃料，可实现1300℃的鼓风回火，使用其他燃烧喷砂模式时，喷砂温度可达到1250℃[6]。BSK-DCHBS的主要技术指标如表1所示。
表1.BSK-DCBS的主要技术规格
2 DCHBS的传输理论
2.1 CFD的燃烧特性
基于流体动力学质量守恒，动量守恒和能量守恒理论，建立控制方程、原始条件和边界条件，并通过BSK-DCHBS上的CFD数值模型进行了数值计算。研究了BSK-DCHBS燃烧过程的传输理论。分析了BSK-DCHBS燃烧室内流场，流场，浓度场和温度场的分布，根据研究结果优化了HBS和燃烧器的设计结构，燃烧室内的HBS温度分布更均匀。图1至图4是BSK-DCHBS燃烧室内速度场，流量曲线场，一氧化碳浓度场和温度场的模拟计算结果[7 ]。
图1. DCHBS的流速场分布
图2.DCHBS的流量曲线分布
图3.CO浓度场分布
图4.DCCBS的温度场分布
2.2物理模型试验
为了验证数值计算结果的正确性，根据原始设计模型参数，数值计算的原始条件和边界条件，以类似的原理建立了HBS燃烧器的有机玻璃物理模型，高效率旋风分离器DCHBS的物理模拟试验单元建立在1:10比例尺度上。通过物理模型试验研究，可以实现以下目标：1）可以测量物理模型试验单元的速度，压力和温度等，并与CFD数值计算结果进行比较，以验证数值计算的正确性。 2）根据类似的结果，使用常温空气来模拟BF气体，并且使用加热空气来模拟燃烧空气。物理模型的流场通过调节燃烧空气和燃气的流量进入第二模拟区。欧拉无量纲数基本上不变。根据测量的压力损失测量BSK HBS的实际压力损失，以便比较和验证流场数值计算结果。 3）通过测量圆形燃烧器不同位置的气体流量，验证了气体分布的均匀性。 4）通过调整燃烧空气和燃气喷嘴的结构和角度，气体流量均匀分布;对HBS设计的实际陶瓷燃烧器进行优化。数值计算结果通过物理模型模拟试验验证。
2.3热态仿真试验
HBS热态模拟试验更详细地研究了DCH-BS燃烧，流体动力学和热传递的传输理论。为首钢京唐5 500m3 高炉HBS建立了1:10规模的两个热试炉，采用“一炉燃烧-一炉爆破”模式模拟HBS的实际工作条件。在两个热试炉上，装备了289个温度测量点和相应的气流测量点，并进行了几次HBS热试验。通过在线监测在试验HBS的燃烧条件和爆破条件下再生室格子砖的温度变化，考虑压力测量和烟气元件测量，可以分析试验炉内的温度场分布和燃烧条件。HBS热试验可以验证指导DCHBS燃烧和传热过程的核心计算结果，为实际的HBS优化设计和合理的砖体配置提供理论和试验依据。
3研究与设计
3.1 3-D模拟设计
在设计中，研究HBS工艺布置，并考虑现有的首钢矩形工艺来设计和开发新的矩形工艺布置。新的HBS矩形工艺布局具有紧凑的工艺布局，平滑和短流程工艺，减少热风主热交换器的主要长度显着地以非对称矩形排列，热风垂直排列位于4条矩形区域的外部。独立的HBS框架布置成支撑起重机和阀门。一个桥式起重机可满足HBS区域的所有等效维护要求。
由于DCHBS燃烧器布置在圆顶位置，所有管道和阀的安装位置相对较高。在HBS热膨胀的影响下，管道系统应力和热膨胀移动更复杂，并且对管道系统的要求设计和应力计算更准确。特别是对于HBS区域中的管线系统设计，合理的应力，易于安装，操作和维护应被视为一般。为了提高设计精度和合理布置管道，采用3-D计算机辅助优化设计，实现HBS的紧凑布置和合理流动。图5是DCHBS的3-D模拟设计 首钢京唐1号高炉。
图5.首钢京唐1号高炉的DCCBS 3-D模拟设计
3.2燃烧空气高温预热技术
为了达到1 300℃的爆破温度，采用一般的技术措施提高HBS火焰温度和穹顶温度。在首钢[8]开发的燃烧空气高温预热技术的基础上，增长使用寿命的燃气和燃烧空气二段预热技术的设计和开发[9]。
其主要技术原理如下：分离式热管换热器用于回收HBS烟气余热，预热气体和燃烧空气。预热后气体和助燃空气的温度可达200℃左右。这个循环称为1级双预热。两套小型燃烧空气高温炉预热用于将燃烧空气预热到520℃以上。用于燃烧空气预热炉中的气体和燃烧空气来自热管热交换器1级预热。两个预热炉可以选择性地操作，以预热用于HBS燃烧的一些燃烧空气。预热后的燃烧空气温度可达到1200℃，其与来自第一级预热的燃烧空气混合。混合燃烧空气温度受控在520-600℃下进行。这种工艺称为2段预热。该工艺是一种自动预热工艺。燃烧空气和气体的物理热量可以显着增加。HBS拱顶温度可以增加至1420℃或更高。可以有效提高鼓风温度，改善HBS的一般热利用率。图6是燃烧空气和气体预热系统工艺流程图。
图6.燃烧空气和燃气预热的工艺流程图
3.3圆形陶瓷燃烧器
为了充分利用圆顶空间，在再生室中燃烧气体并均匀分布高温气体，采用旋风式渗透燃烧技术。圆形陶瓷燃烧器气体和燃烧空气的喷嘴沿着周边切线布置。两个燃气喷嘴环向下倾斜设置在燃烧器顶部，两个燃烧空气喷嘴环向上倾斜设置在燃烧器底部。可以将预混合流在预混室内以确定的速度混合并向下旋转，加强气体和燃烧空气的渗透混合，以实现气体的完全燃烧。为了实现气体的均匀分布，设计了合理的圆形陶瓷燃烧器预混室和圆顶几何结构。通过烟气流在穹顶空间收缩，膨胀，旋风和回流，气体可以燃烧完全和高温烟气可以均匀分布。图7是圆形陶瓷燃烧设计结构。
图7.用于BSK-DCHBS圆形陶瓷燃烧器的设计结构
BSK-DCHBS圆形陶瓷燃烧器适用于预热助燃空气的燃烧条件为600℃，再热温度为200℃。燃烧器采用旋风式渗透燃烧型，燃烧空气和燃气流量调节范围大，完全均匀混合。在高温烟气进入再生室格子砖之前，燃烧完成，可以抑制部分高温并减少NOx排放。燃烧后，高温烟气流场分布均匀，CFD数值计算和物理模型模拟试验结果证明HBS内的流场能满足设计要求。
3.4间质应力腐蚀防护
夹层应力腐蚀存在于高炉HBS中。主要原因是当HBS圆顶温度超过1 400℃时，NOx的形成增加，其浓度达到350times;10-6或以上。与HBS内壁的冷凝水结合，形成腐蚀酸。腐蚀酸渗透深处，沿应力作用从壳体位置沿着晶格膨胀和破裂。HBS操作期间的脉冲压力和疲劳应力增强了腐蚀和开裂HBS高温区壳层间应力分离成为影响HBS生产和改善鼓风温度的限制条件。
在BSK-DCHBS设计中，HBS圆顶的最大设计温度控制在1450℃之内，正常工作温度控制在1420℃，以确保HBS的安全温度运行，控制NOx的形成和防止层间应力的有效腐蚀。还采用低合金微晶耐蚀钢。消除了壳体制造过程中产生的焊接应力。在HBS高温区壳体的内壁上施加耐腐蚀涂层。在耐腐蚀涂层上使用一层耐酸喷涂材料，以提高HBS外壳的抗晶间腐蚀的能力HBS外壳。
3.5折光材料
为了实现BSK DCHBS的1300℃高温喷砂温度，延长其生产寿命，热鼓风耐火材料和砌筑结构被设计和优化。采用低应力退火，采用有效的措施消除或减少材料系统的热应力，机械应力，相变应力和压应力。根据不同HBS区域的工作条件，使用不同的折射材料实现对HBS耐火材料的优化选择。在HBS高温区域，使用具有高耐温性和良好蠕变性能的硅砖。在中温区，红柱石砖和低蠕变
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