炉顶洒水新装置在节能降耗上的应用

炉顶洒水新装置在节能降耗上的应用

张玉奎、董琳、刘文法

摘要：技术的发展，降低企业生产成本；时代的进步，人们渴望技术的创新。高炉炉顶洒水新装置就是否定传统降料线打水停炉模式，也是成功解决高炉炉顶洒水喷嘴易堵、耗氮气的世界级难题。开启了节能、环保的窗口，还社会一片蓝天。

关键词：炉顶洒水新装置、喷嘴、降料线、喷雾冷却系统

一、概况

6高炉从05年投产到现在，已有10年历史，随着高炉高强度的冶炼，冷却壁破损、设备磨损都很严重，高炉需要停炉检修。停炉一般采用常压、放散，炉顶插入四根钻孔的水管进行打水降料线法。随着国家新《环保法》推出,,这种方式被淘汰，需要一种新的模式替代。

二、重新安装炉顶洒水系统的必要性

1、 安装的理由

传统模式打水降料线法是利用风口事故水，从事故水管上接一个水包分4个水头，然后用胶管对应接到炉喉东、南、西、北四处喷水处。打水装置是用DN40的水管钻夹角为30⁰C的很多小孔进行喷水，炉顶温度是在主控室外水包上人工控制阀门开闭的大少来实现。整个过程是在常压、放散阀全部打开的前提下实现的。

传统模式打水降料线法的缺点：炉内煤气全部排放到大气中去。浪费资源，污染环境，降料时间长，且噪音大。

为了改变传统的方式的诸多缺点，我们采取一种正常生产降料线法。其特点正好克服传统模式打水降料线法的缺点。实现全电脑控制。实时检测煤气导出管的煤气温度，通过开闭分流柜内控制阀门，调整喷枪的开启数量来调节水量，从而使得四根煤气导出管的平均温度始终稳定在设定的温度范围。工控上位机不但可以对系统参数进行设置，还可以显示相关的参数，包括水的压力、水的流量、导出管煤气冷却后温度、煤气冷却后平均温度、喷枪开启数量。也可以从自动控制转换成人工控制（工艺流程-图1）。

工艺流程图1

这种炉顶洒水新装置，不仅在正常生产降料线法停炉时运行得很好，而且在正常生产过程中也是不错的，且节约氮气（此装置不需要氮气）。常规炉顶洒水雾化效果不理想，借助氮气来达到雾化，消耗大量的氮气（200m3/h左右）。而且设计的水量、水压满足不了停炉的要求，因此需要重新改造。

2、 煤气的回收

这次停炉，高炉风量最多加至5600m3/min，顶压0.225MPa。氧气用到15000m3/h，炉顶打水有专人负责，第一次实现是手动进行操作打水，温度按400℃控制，哪个方位温度快超过了就打开这个方向的手动阀，开阀数目根据实际顶温而定，由于送风后顶温就上升到400℃以上，因此恢复开始到降料面结束，打水没有中断过。

整个过程运行13小时左右，煤气回收300万M3

3、 节能减排

煤气的回收，既节约了资源，又减少了排放，从社会效益上讲，降低噪音，减少了扰民，减轻了操作工人的劳动轻度。同时节约氮气200m3/h左右。

三、安装炉顶洒水系统的可行性

1、炉顶洒水系统功能、安全性

本系统使用单流体雾化喷嘴向高炉内喷射经过雾化的、颗粒细小的水滴，与高温煤气结合后，迅速蒸发并且带走热量，实现高温煤气的降温，高炉正常生产时，对炉顶设备和布袋除尘设备进行保护，高炉大中修时，直接使用本系统进行降料线炉顶煤气喷雾降温，无需煤气对大气放散。系统设有安全旁路，当出现故障（比如水泵故障）时，系统会以预先设定的切换压力切换到备用水泵回路来保障系统的安全运行。

2、 安装炉顶洒水系统的理论依据

2.1设计基础条件

2.1.1 高炉煤气成分（％）：

备注： 1、高炉炉顶煤气含尘量：~20g/Nm3。      

2.、以上煤气成分为设计假定值。

2.1.2高炉本体参数

高炉有效容积：3200 m3

高炉炉喉直径：9600 mm

喷枪安装高度：～43m

2.1.3煤气流量、压力、温度等参数：

煤气流量：最大：65×10⁴ Nm3/h；

        正常：63.5×10⁴ Nm3/h；

        最小：38.1×10⁴ Nm3/h

煤气压力：最高0.28MPa； 正常0.25MPa；

压力正常波动值0.10~0.25MPa；炉顶煤气温度: 最高故障煤气温度：600℃

考虑将料线要求，最高温度600℃

煤气温度正常波动值：150~250℃

要求控制温度

炉顶煤气含尘量：16~24g/Nm3

2.1..4 规定安装位置及喷枪安装要求：

    集成泵站安装在炉喉大平台上，四台分流柜安装在大平台。

2.2技术方案

各模式下的降温能力

2.2.2系统构成:

3、 系统的操作性

3.1控制对象：

   水泵2台（电机功率2*75KW）；气动球阀16台，线圈电压等级为DC 24V。

3.2控制目的：

系统通过自动或手动方式控制喷嘴向高炉炉喉喷雾，使流经上升管的煤气温度控制在预定温度范围内。

3.3控制方式：

喷雾控制方式:分自动、手动及喷嘴吹扫三种方式。

3.4自动控制方式：

设备自带的PLC程序根据上升管煤气平均温度的高低实时启动水泵及开启阀门，自动将上升管煤气温度控制在预定温度范围内（相关温度参数可在监控画面上设定）。

3.5手动控制方式：

选择手动控制方式（图2）时，手动操作开关可随时直接启停水泵、开关气动球型切断阀。

手动控制方式（图2）

3.6喷嘴吹扫控制方式：为防止喷嘴堵塞，在未喷雾期间程序定期以自动脉冲方式对喷嘴进行吹扫，吹扫的周期及吹扫脉冲时间在监控画面上设定（图3）。

操作画面显示（图3）

3.7监控系统：

监控系统上位机位于中控四楼。监控系统的主要任务是对整个喷雾系统工艺流程动画跟踪显示；实现有关参数的设定；手动和自动操作控制。

3.8网络接口：本系统PLC在选型上与主PLC保持一致性，配置以太网接口。高炉主PLC可通过以太网获取本系统工作状态。

4、 系统安装的可行性

炉顶洒水新装置重新安装，必须拆去原有的装置。重新选取安装泵的地址。最后与中南设计院武钢分院商榷，泵的进水管利用原有的洒水管，洒水装置利用原有炉皮外罩，更换内部的洒水机构。泵安装在45米大平台上。

在停炉之前的休风时，进行系统安装和调试。可保证系统安装的可行性。

四、新旧炉顶洒水系统的对比

1、系统观念的突破

炉顶洒水从高炉冷却壁采用软水系统时一起引进，已运行了20多年，在此过程中，发现以上诸多问题，不适合现在时代的发展。特别是炉顶洒水的理念从低压水加氮气雾化改为不用氮气，用高压水代替氮气雾化，用高压水的压力能量差推动雾化装置进出，保证喷嘴不被堵塞的一种全新理念。攻克了高炉炉顶洒水喷嘴易堵、耗氮气的世界级难题。

2、系统方式的更新

2.1单流体全闭式伸缩防堵雾化喷枪

原系统的喷嘴与高炉内部煤气、灰尘直接连通，运行一定时间过后，灰尘与水滴形成水垢，堵塞喷嘴，一代炉龄要更换几次喷嘴。

现喷枪的核心是单流体喷嘴和全闭式伸缩防堵机构，喷嘴端设置有专门的封盖机构，喷嘴工作时，封盖自动打开，喷嘴伸出喷雾，停止工作时，喷嘴缩回，封盖自动关闭，完全实现了喷嘴与粉尘的隔离，克服了喷枪的堵塞问题，无须长期使用氮气进行吹扫，。喷嘴选用麦琴斯达设计制造的单流体雾化喷嘴，喷枪选用麦琴斯达独有的全闭式伸缩防堵专利结构喷枪。其原因是：

八支双管组合喷枪安装在高炉炉喉，通过向喷枪提供一定压力的水产生水雾。它需要最低的水压才能正常工作。如果水压力太低，雾化就不充分，雾滴较大，可能会导致水滴落到炉内的原料或炉壁上，降温效果差，煤气冷却不充分。

双管组合喷枪共八组，每组两支喷枪，每支喷枪前设置有一个手动球阀。单流体双管组合喷枪的外形图请参见图纸。

2.2水路系统

原系统非常简单，一个流量调节阀控制8支喷嘴，无单独和组合喷水，8支全部喷水或不喷。一个环管连接8支喷嘴即可。

2.2.1现水路系统包括：

现水路系统分4个分流柜，分别控制4个区域。每个喷枪内部有2个喷嘴，共有16支喷嘴，比原先水嘴多出一倍。

2.3控制系统

本系统是通过向高炉内喷雾来调节出高炉炉顶的煤气温度的，本系统配备了一套电气控制柜，主要是PLC控制器＋AD/DA转换模块，所有的参数都通过工控上位机直接设定。控制柜内还包括信号隔离模块和低压电气元器件等其它元件。

本系统可以单独和任意组合喷水，可以自动，也可以手动，整个控制系统接入高炉主控室PLC画面进行操作或自动控制（如图）4。

如果系统出现了问题，绝大部分错误都可以由控制器检测到并显示出来，系统会采取一定措施继续工作。

PLC操作画面（图4）

1、      系统效果的显现

3.1、由于降料线前期高压、富氧，消耗了大量中心及炉缸焦炭。打开炉壳后，中心焦堆高度约与风口下直管平齐（即6段冷却壁中下部位置），炉缸焦炭大约两天时间清理完毕，较之前我厂停炉中心焦堆要小得多。

3.2、炉顶雾化打水应用非常成功，有效的控制住了各个方向的顶温；在停炉过程中，避免了大量水与高温料面直接接触，从而避免了打水造成的爆震，停炉过程中，风压基本上一直平稳，波动很小，直至休风。

3.3、放散后，煤气系统水封能承受的最高压力不允许超过0.03MPa，因此放散后风量最高只能达到2800m3/min，延长了降料面时间，如果眼镜阀能正常使用，上升管压力可以提到0.040MPa以下，可以加快空料线及渣铁排放过程。

五、经济效益可视性

1、经济效益计算：

此次停炉回收煤气300万m3,则取得的效益如下：

300×104×3.4×10-3×36.2 =36.9万元

如果安装此系统每年节约氮气：

每立方米氮气0.6元/m3，炉顶洒水耗量：200m3/h。每年每座高炉节约氮气

200*24*365*0.6=105万元

2、 社会效益

减少大气污染，降低pm2.5，还社会一个蓝天。杜绝噪音，减少了扰民，同时减轻了操作工人的劳动轻度。

六、存在总结的地方

1、如果不需要焊补炉皮、更换风口，探尺提前装好了，打水装置也正常，只查水，炉顶可以不赶煤气，小休风时间可以尽量缩短，小休风之前料线降至4m，又可以节约一定的时间。

2、小休风安装的26m探尺在料线降至20m时便已失效，雷达探尺的量程则只有22m，所以料线降至22m以后，只能根据经验及煤气成分判断料面情况，以后停炉降料面，雷达探尺的量程应与厂家协商调至27m以上，机械探尺也应确保正常，以对降料面情况有一个清晰的判断。

3、炉顶洒水系统安装时减少人为耽误，施工时，管道密集，困难重重，废除的氮气管道未说明送入氮气，管道焊接质量以及炉皮保护罩与洒水管道法兰连接密封不严，造成休风时间的拖延。送风后富氧阀门故障O2没有及时送上来，均拖延了空料线过程，如果一切顺利，估算时间可以缩短到13小时以下 。

4、技术进一步完善。炉顶洒水系统喷嘴的长度与炉皮加内衬长度不一致，会造成停炉打水不安全性，施工完毕后，又休风重新返工。

七、结束语

此次，通过6高炉试验，取得了非常好的效果，此系统安全可靠，节能降耗，值得武钢全高炉推广。