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自主创新 打造大型高炉竞争力 ——湛江高炉工艺装备技术特点

自主创新 打造大型高炉竞争力 ——湛江高炉工艺装备技术特点

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  • 发布时间:2020-09-28 10:46
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【概要描述】宝钢湛江钢铁基地两座5050m3高炉,是当今全球最新、最现代化的大型高炉工程之一。该工程由国内承担设计和部分设备成套,关键设备均采用了国产装备,实现了高炉工艺、技术、设备的自主设计和自主集成,达到了特大型高炉工艺装备技术的国际先进水平。

自主创新 打造大型高炉竞争力 ——湛江高炉工艺装备技术特点

【概要描述】宝钢湛江钢铁基地两座5050m3高炉,是当今全球最新、最现代化的大型高炉工程之一。该工程由国内承担设计和部分设备成套,关键设备均采用了国产装备,实现了高炉工艺、技术、设备的自主设计和自主集成,达到了特大型高炉工艺装备技术的国际先进水平。

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  宝钢湛江钢铁基地两座5050m3高炉,是当今全球最新、最现代化的大型高炉工程之一。该工程由国内承担设计和部分设备成套,关键设备均采用了国产装备,实现了高炉工艺、技术、设备的自主设计和自主集成,达到了特大型高炉工艺装备技术的国际先进水平。

  高炉于2013年3月开展设计,同年5月动工建设,1号高炉于2015年9月25日建成投产,2号高炉于2016年7月投产。

  湛江高炉顺利投产,标志着我国特大型高炉技术又迈上一个新台阶。本文全面总结了湛江高炉工程设计、高炉工艺装备技术特点,以有效推进我国炼铁技术的发展。

  1 湛江高炉工艺及装备主要特征

  宝钢湛江高炉的工艺及装备的主要特征具体体现在以下几个方面。

  1)两座高炉的矿、焦槽合并平行布置,焦炭采用分散筛分、集中称量,烧结矿、块矿采用分散筛分、分散称量的工艺流程。回收槽下小块焦,与矿石混装入炉。设置有中间斗,可提高上料能力和装料灵活性。

  2)采用串罐无料钟装料设备,减小了布料偏析对炉况的影响,为高炉操作稳定打下良好的基础。采用了完全国产化BCQS布料器,设置了均压煤气回收装置。

  3)高炉内型采用三段式炉身结构,有利于控制气流分布。采用全铸铁冷却壁,配合良好的操作技术,使高炉的适应能力更强。采用了纯水串联的密闭循环冷却系统。炉缸采用了横行铸铁冷却壁,超微孔大块炭砖。设置了完善的检测系统,炉体设计寿命22年。

  4)出铁场采用了紧凑型平坦化布置,设置了全国产化的液压泥炮、开口机、移盖机;铁口上方风口平台宽敞,设置上出铁场高架道路。

  5)水渣系统采用转鼓工艺,两个出铁场各设置一套转鼓系统和干渣坑,水渣蒸汽采用80m烟囱高空排放。

  6)4座顶燃式热风炉,采用两烧两送交错并联的送风制度,设计风温1300℃。设置烟气余热回收,并配置前置预热炉进一步提高助燃空气温度。图1为湛江1号高炉顶燃式热风炉。

  

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  7)喷煤系统采用了并罐、总管加炉前分配器的喷吹方式,设计煤比220kg/t,制粉能力250kg/t。

  8)煤气净化设施采用干法布袋除尘工艺,采用大直径除尘器,上进上出的布置工艺,既有利于煤气均匀分布,也方便了设备操作维护。

  9)TRT是国内5000m3级特大型高炉上首套全国产化设备,采用了多项新技术,大大提升了特大型高炉TRT国产化技术水平。

  10)鼓风站配置了 3台AV-100轴向进气静叶可调式轴流压缩机组,其中1号和2号鼓风机为MAN企业制造,3号鼓风机为陕鼓制造,配套55000kW电机均为日本TMEIC企业制造。

  11)高炉本体冷却采用了纯水密闭循环冷却系统,其二次冷却采用板式换热器,高炉生产新水消耗量270m3/h,新水单耗量约0.56m3/t铁水。

  12)出铁场和矿焦槽采用了布袋除尘器,还设置了一套屋顶除尘装置,有效改善了出铁场的环境。矿槽和焦槽分别设置除尘系统,便于除尘灰的有效回收利用。

  13)自动化系统从生产全局出发,根据生产工艺的连贯性、分布位置及控制要求,对控制系统分区域、分级进行配置,采用网络技术,构成生产工艺对象的三电自动化控制系统。该系统由基础自动化系统L1、过程控制系统L2和生产制造实行系统MES共三级组成。

  14)本工程的炉顶设备、热风炉、煤气净化、鼓风脱湿系统为国内成套供货。

  2 湛江高炉主要工艺设计参数

  湛江高炉的主要工艺设计参数见表1。

  

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  3 优化设计,降低成本,提升高炉竞争力

  高炉是一个复杂的冶炼系统,对工艺、装备、控制技术等有着很高的要求。多年来,由于国外领先供货商的技术垄断,中国大型高炉的关键核心装备还是依赖于引进,增加了钢铁企业建设和运营成本,影响了产品的竞争力。国内设计单位与宝钢共同努力,在湛江钢铁高炉工程集中采用了大量自主研发的最新技术,极大地降低了工程投资,主要技术指标达到国际一流水平,使中国大型高炉技术竞争力走在了世界前列。

  3.1 总体设计优化打造低成本高效率的高炉

  湛江钢铁作为宝钢“二次创业”的项目,对成本控制十分严格,我国设计单位发挥一流的总体设计能力,在设计过程中始终以高效生产为准绳,让低成本、高效率、具备竞争力的高炉成为现实。

  从设计初期起,坚持成熟、可靠、适用的设计理念,采用仿真等技术手段优化工程设计。比如铁水运输通过仿真分析,将铁水鱼雷罐车平均运输距离缩短到了900m,创造了国内大型鱼雷罐车短距离铁水运输的纪录,大大减少了物流成本、能耗成本和运营成本。通过大量的优化,使湛江高炉单位炉容的投资做到了最低,同时,结合湛江地区地质复杂、台风雷雨多、潮湿腐蚀性气候等特点,充分研究海边建厂的经验,组织专家团队进行论证,综合研究复杂地基处理的各种技术,采用抗台风、防腐蚀的先进技术,确保工程施工的高效性、实用性和安全性。

  为控制工程投资,设计方和投资方开展了多版可行性研究与初步设计,在确保工艺方案可行的前提下,并结合宝钢4座高炉建设、生产运行经验,进行大量工艺方案优化。如通过反复对比设计,将出铁场面积减少1000多平方米;将铜、铸铁冷却壁结合的配置方式改为全铸铁冷却壁,有效降低了工程总投资。这些优化不是想当然的决定,而是经过了反复论证才得出的结论。

  3.2 高炉炉型的优化

  消化吸取宝钢3号高炉经验,对内型设计进行了充分研究,采用双炉身角设计,使气流与炉料的运动更相适应,使炉身适应操作气流变化的能力更强,炉况稳定性更好。目前,湛江1号高炉投产后,经受了“彩虹”台风休风和几次定休的考验,炉子恢复生产较快,铸铁冷却壁和双炉身角发挥了重要作用。

  3.3 高炉冷却系统设计的优化

  基于宝钢3 号高炉采用全铸铁冷却壁安全运行19年的实绩,以及全铸铁冷却壁高炉自身的优势,如全铸铁冷却壁更容易操作,即使出现炉况不顺,也容易恢复等;目前铸铁冷却壁制造质量和维护技术也有了较大提升,即便是炉役后期有损坏,也可通过计划休风快速修复;高炉操作实践发现,铜冷却壁容易导致炉墙结厚,渣皮易脱落导致边缘气流难于控制,高炉操作对各种影响因素更加敏感、调控难度加大;因此,经过反复研究,决定采用全铸铁冷却壁配置,有利于操作,同时也有效降低了工程投资。

  湛江高炉采用了一串到顶的冷却水系统配置,总水量减少,但单管水量却增加,效率更高,投资和成本降低。

  纯水I系统冷却炉底水冷管、炉缸横形冷却壁、炉腹至炉喉冷却壁,经炉顶脱气罐脱气后返回泵站,在高度上分为三段,三段串联,便于系统进行热负荷检测和系统检漏。

  纯水II系统为纯水I系统的回水增压系统,该系统分为三个支路并联,分别冷却风口中套、直吹管、热风炉阀门。

  该系统的最大特点是纯水II增压系统的入口水全部是经过了炉顶脱气罐脱气的,有效减少了增压系统带气运行的风险。实践证明,在脱气后增压循环会导致增压系统水温升高太多的担心是不必要的,纯水II系统的排水温度比纯水I系统仅高约2-3℃。

  3.4总图布置的优化

  1)半岛式布置,比一般情况下铁水运距缩短,高炉到炼钢的平均距离缩短到了900m,大大减少了铁水温降;

  2)为进一步控制铁水罐运输过程中的温降,在出铁场的罐口区域增加防雨设施。

  两座高炉的中控室合并布置在两座高炉之间,通过高架通道连接两座高炉。这种布置形式具有布置紧凑、占地面积小及土建投资省的优点,以及人员操作岗位也可以减少、生产维护人员进一步集中,便于生产管理。

  两座高炉矿焦槽系统、循环水系统和喷煤系统也合并布置,有效节省了投资和占地。

  4 自主创新实现大型高炉主要装备的自主集成

  4.1 全国产化环保无料钟炉顶打破国外技术封锁

  大型高炉无料钟炉顶技术以往长期被国外企业垄断,2009年,成立了湛江钢铁高炉大型无料钟炉顶联合攻关小组,瞄准国际一流水平,开发具有国内自主常识产权和核心竞争力的高炉无料钟炉顶设备。

  在4年多时间里,研发团队历经理论研究、样机制造、试验研究,1:1试验装置开展冷态、热态及模拟布料测试,通过布料器的液压复合控制等创新思路和关键技术突破,终于研发出具有自主常识产权的大型无料钟炉顶设备,如图2。

  

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  BCQS无料钟炉顶较进口设备具有结构简单、故障率低、投资低等特点,主要体现在:

  ◇ 创新性开发布料器液压复合控制技术,布料器α角控制精度±0.1°以内,达到国际领先水平;

  ◇ 布料器采用新型水冷及密封结构,设备冷却强度提高,密封可靠,冷却水消耗10-15t/h,氮气耗量在800Nm3/h以下,降低了设备运行成本;

  ◇ 采用卡挂式布料溜槽安装结构,拆卸安装方便,更换时间可控制在4h以内,溜槽更换时间较国外同类产品减少1/2以上;

  ◇ 改进布料器导轨结构,将整体式导轨改为装配式结构,并增加润滑措施,配合布料器三缸液压同步控制技术,克服导轨磨损问题,延长布料器整体使用寿命。

  湛江1号高炉投产以来,炉顶装料设备运行情况良好,主要性能指标达到国际先进水平,成功替代进口产品,完全满足大型高炉的使用要求。

  4.2 自主创新顶燃式热风炉,高温长寿效果显著

  顶燃式热风炉由于其高风温、低投资、结构稳定等特点,已成为目前热风炉技术发展的方向,但宝钢的外燃式热风炉结构形式和操作方式也有自身特色。设计汲取了宝钢经验,对湛江顶燃式热风炉进行了改进,集成涡流喷射燃烧技术和宝钢外燃式热风炉管系技术,使湛江顶燃式热风炉技术更臻完善。其主要技术优势有:

  1)依据外燃式混风室的成熟设计理念,为4座顶燃式热风炉配置4座独立混风室,改善热风出口炉壳及耐材的工作条件,解决顶燃式热风出口容易出现管壳发红等问题;同时还降低了热风主管和支管的风温,有利于提高管系的结构稳定性和寿命;

  2)各孔口采用自锁式组合砖技术,有效改善各孔口的受力状况,提高砌体的结构稳定性;

  3)根据热风管系的布置,采用分析App优化波纹管、拉杆配置,并设计与管系相适应的耐材砌体结构,确保热风管道耐材在1300℃的风温下长期安全运行;

  4)为热风炉配置前置燃烧炉及烟气余热回收系统,在单烧高炉煤气的条件下,实现1300℃的高风温。

  4.3 联合攻关实现大型高炉关键装备的国产化

  4.3.1 TRT

  湛江高炉每座配套建设一座干式TRT,透平主机采用干式轴流反动式透平机,配套上水冷式无刷励磁同步发电机,额定功率33MW。

  当高炉短期休风时,为避免频繁启停机,TRT发电机可转换成电动机运行。为确保TRT机组安全运转,所有的安保信号均与快速切断阀联锁,当其中某一信号输出时,该阀自动快速关闭,使机组停止运转,同时配套设置的减压阀组中的快开阀同步开启,以保证炉顶压力的稳定。

  目前,全球运行的5000m3级特大高炉的TRT主要由日本企业垄断。本工程的TRT是通过联合攻关开发的5000m3级特大型高炉首套国产化设备,采用了多项新技术,大大提升了特大型TRT国产化技术水平。

  1)改进安保系统控制,确保在极端重故障状态下TRT及减压阀组具有“三断(断油、断电、断信号)保护” 功能。

  2)改进关键零部件材料适用性。通过开发性能更好的新型TRT阻垢缓蚀剂,有效改善对设备的腐蚀和冲刷;采用改进的热喷涂工艺,并增加喷丸工艺,进行叶片表面处理,有效提高了涂层与叶片材料基体的结合性。

  3)优化透平设备结构。开发新叶形及流道设计,改进扩压器结构形式,以减少阻损,提高发电量。

  4.3.2 鼓风站

  鼓风站配置了3台鼓风机,其中3#鼓风机组为国内制造,为全国产化首台5050m3高炉鼓风机,气动性能和机械性能等各项指标均满足了设计要求,各主要指标与德国MAN鼓风机相当,达到了国际先进水平。该项目的试车成功,标志着我国已实现了5000m3以上高炉鼓风技术的突破。

  鼓风机组结构形式及运行特点:

  1)采用轴向进气的结构形式,相比传统的径向进气的结构形式,可减小进气管道的损失,降低整机功耗约1%;同时该结构形式可以降低风机机组安装平台高度,降低基础投资费用。

  2)风机轴承箱与机壳固定,转子与机壳的同轴度调整更加容易。

  3)机壳由静叶承缸、静叶调节缸和外缸共三层组成,完整的外缸对静叶调节结构形成有效的保护,防止灰尘的进入和噪音外泄,保持静叶承缸和调节缸的温度均匀,有效防止了入口空气温度较低时机壳前部的结露。

  4)控制系统在保护机组安全的同时,与高炉生产相结合,可实现定风量、定风压、热风炉充风、富氧控制等一系列高炉生产工艺控制要求。

  5 注重节能、环保,守护湛江碧海蓝天

  5.1 竖直环保筛

  湛江高炉槽下烧结矿和焦炭的筛分均采用新型竖直环保筛,占地面积小,工艺布置简洁,更换筛网及维修方便;其物料筛分充分,筛分效率高;结构紧凑,整体密封性好,避免粉末飞扬,环保效果好。

  5.2 煤气干法除尘及喷淋塔

  高炉煤气干法布袋除尘已取代湿法除尘得到广泛应用,但普遍存在故障率高、运行不稳定等问题。在汲取国内各钢厂尤其是宝钢股份干法除尘成功运行经验的基础上,湛江高炉干法除尘采用了符合大高炉高效、环保的工艺技术和设备。

  主要技术特点包括:大直径除尘器,煤气顶进顶出,既有利于煤气均匀分布,也便于设备维护,提高了运行的安全性;输灰采用浓相流态化气力输灰技术,使输灰系统稳定运行,并提高输灰设备的使用寿命;在输灰管道上设置自动排堵装置,减轻人工维护工作量;净煤气管道内壁喷涂耐酸耐湿热重防腐涂料,增加了管道的防腐性能,提高了管道的使用寿命。

  为保证高炉煤气柜安全及降低全厂煤气管网投资,煤气管网温度需控制在≤60℃。为此,在减压阀组和TRT后,配套了一座喷淋塔。该装置不仅能将净煤气温度降至允许的温度范围,同时可使氯离子及酸性物质析出,溶入喷淋水中;通过塔内格栅均流装置,使煤气气流均匀分布;让降压后的紊乱煤气直接进入塔内缓冲;塔体外部采用多层保温隔声包扎。这些措施使得喷淋塔取代了原来传统工艺中消音器的作用,节省了投资,提高了可靠性。

  喷淋塔集高炉煤气除酸、降温、脱水、消音等功能于一身,是世界上5000m3级特大型高炉上的首次完整运用,为解决大高炉煤气全干式布袋除尘工艺引起的煤气管网及设备腐蚀问题,提供了一种有效解决方案。

  5.3 均压煤气回收

  炉顶均压煤气放散是目前炉顶区域最主要的粉尘污染源和噪音源。本工程采用了中冶赛迪自主常识产权的炉顶干法均压煤气回收技术。炉顶均压煤气经旋风除尘器及均压煤气回收设施,在煤气净化系统的喷淋塔后汇入净煤气管网,实现废弃能源回收、节能、减少碳排放和粉尘排放的目的,同时还降低了成本。该装置可实现85%以上均压煤气回收,每座高炉减少煤气放散2600万Nm3/年,减少CO2直接排放约1.2万t/年,减少粉尘排放约400t/年,实现煤气回收效益250万元/年,同时基本消除炉顶放散噪音,延长消音器等设备寿命,具有良好的环保和经济效益。

  5.4 热风炉热均压

  热风炉炉内高压气体回收,是将热风炉排压释放的高压气体通过充、排压管道,充入另一座正在充压的热风炉中,实现对排压气体的回收利用。该技术能够减少送风过程中的风量、风压波动幅度,有利于高炉炉况稳定,同时还回收利用了热能和压力能。从湛江1号高炉运行效果看,风压波动可减小到约10kPa。

  5.5 鱼雷罐车加盖

  本工程380t鱼雷罐车设有加盖装置。鱼雷罐车加盖后,既能降低运输过程中鱼雷罐车和铁水的温降,又可以抑制烟气的排放,达到节能减排的目的。生产实践证明,鱼雷罐车加盖后,能够大大减少烟气的排放,铁水温降比未加盖状态下明显减小,起到了很好的节能减排效果。

  5.6 除尘设施

  矿槽、焦槽分别设置除尘系统,捕得的矿粉被送至烧结利用,而焦粉送至配煤槽利用,大幅提高了其利用率。

  在C1、C2出铁场各配置一套除尘设备,通过合理设置除尘点及风量分配,在不影响工艺操作前提下实现尘源封闭,优化除尘器结构,装填国产优质覆膜滤料,在适宜滤速下实现低阻运行、高效集尘和低含尘排放,达到国家特别排放限值要求。出铁场除尘系统表现出良好的控尘集尘效果。

  6 湛江高炉的生产效果

  高炉投产后,生产指标稳步上升,1号高炉利用系数最高2.37 t/(m3·d),燃料比最低480 kg/t,煤比最高183kg/t,风温最高1280℃,顶压最高0.255MPa。出铁场铁口、摆动溜槽等部位均取得了很好的除尘效果,主要设备运行情况良好。2号高炉投产后,在2016年10月至2017年2月,高炉产量处于波动爬升阶段,2017年2月高炉利用系数达到2.32 t/(m3·d)。在高炉生产的过程中,高炉大块焦比逐渐降低。在焦比下降的过程中,高炉煤比增加,而燃料比也有下降趋势,基本稳定在490kg/t 左右。随着生产的进行,2号高炉风温也稳步增加,CO利用率稳定在50%左右,另外,2号高炉风温还有提高潜能。湛江2号高炉各项指标优异,已处于世界大型高炉先进水平。

  7 结论

  宝钢湛江5050m3高炉工程的建设工期28个月,其检查后的顺利投产,实现了5000m3以上特大型高炉装备的高度自主集成和自主创新,并且主要技术指标均达到国际一流水平,每吨铁水成本比宝钢上海低100元以上,具有了更强的竞争力。

  在设计中,采用的自主集成技术有高炉本体工艺系统、顶燃式热风炉、高炉粗煤气干式除尘、高炉主工艺控制系统和软硬件等多项核心技术;采用了自主研发的BCQS串罐无料钟炉顶、国产大型高炉鼓风机组、国产炉前设备、国产TRT等关键设备。

  自主集成的技术和国产化的关键设备使高炉投产后实现了能耗低、物耗低、零废弃和循环利用的环保目标,达到了清洁生产、资源节约的要求,提升了我国大型高炉的整体工艺技术水平。

  (廖建锋 文辉正 邹忠平 敖爱国)

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