科技成果

TECHNOLOGICAL ACHIEVEMENTS

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TECHNOLOGICAL ACHIEVEMENTS

高效低碳高風(fēng)溫熱風(fēng)爐關(guān)鍵技術(shù)研究與創(chuàng )新

發(fā)布時(shí)間:

2024-05-21 11:47


 一、研究的背景與問(wèn)題

  目前,我國熱風(fēng)爐高風(fēng)溫技術(shù)發(fā)展過(guò)程中存在以下關(guān)鍵難題:

  1、我國高爐風(fēng)溫長(cháng)期停滯在1100~1150℃,與國外先進(jìn)相差約100℃。

  2、熱風(fēng)爐燃燒過(guò)程因燃燒效率低、能量轉化效率低(熱效率<75%),致使燃耗高、能源轉化率低,造成能源浪費和煙氣排放總量高。

  3、熱風(fēng)爐煙氣超低排放的環(huán)保標準日益嚴格。熱風(fēng)爐煙氣中污染物排放標準要求顆粒物、SO2、NOx排放分別低于10、50、200mg/m³。2021年唐山市頒布新標準:顆粒物、SO2、NOx分別低于5、30、100mg/m³。

  4、由于高溫、高壓、高富氧等復雜操作條件,導致熱風(fēng)爐高溫區爐殼、高溫高壓管道和關(guān)鍵部位耐火材料,投產(chǎn)3~5年后出現異常破損、安全隱患和運行故障,制約提高風(fēng)溫、熱風(fēng)爐壽命和安全運行。

  5、頂燃式熱風(fēng)爐在燃燒動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域缺乏深入理論研究,對熱風(fēng)爐燃燒-傳熱過(guò)程“三傳一反”機理研究不足,能量高效轉換、燃燒與傳熱、氣體運動(dòng)規律尚未全面掌握;同時(shí)熱風(fēng)爐智能化精準操控缺乏理論和實(shí)踐深入系統研究。

  6、熱風(fēng)爐設計技術(shù)體系、冷-熱態(tài)實(shí)驗和測試方法、熱風(fēng)管道系統、高效蓄熱室、長(cháng)壽耐火材料、相關(guān)技術(shù)標準規范體系等多方面仍存在缺陷與弊端,制約了頂燃式熱風(fēng)爐技術(shù)提升和推廣應用。

  二、解決問(wèn)題的思路與技術(shù)方案

  本項目研究以高爐熱風(fēng)爐低碳綠色、高效長(cháng)壽為目標,圍繞“雙碳”發(fā)展和超低排放對高爐及熱風(fēng)爐節能減排、減污降碳的新要求、新標準,組建聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)團隊進(jìn)行長(cháng)達10余年系統深入研究。主要研發(fā)內容包括:

 ?、倩谌S空間渦旋燃燒技術(shù)的頂燃式熱風(fēng)爐的研發(fā);

 ?、谔卮笮蜔犸L(fēng)爐超大功率陶瓷燃燒器關(guān)鍵技術(shù)研究;

 ?、垌斎际綗犸L(fēng)爐關(guān)鍵耐火材料體系的研究;

 ?、芨郀t熱風(fēng)系統安全長(cháng)壽技術(shù)研究;

 ?、輧热际綗犸L(fēng)爐改造為頂燃式熱風(fēng)爐的工程化集成創(chuàng )新與應用研究;

 ?、藁跓犸L(fēng)爐耗散結構優(yōu)化的動(dòng)態(tài)精準控制模型開(kāi)發(fā);

 ?、邿犸L(fēng)爐高效清潔與超低排放研究。

  圖1 主要研究?jì)热莺图夹g(shù)路線(xiàn)

 

  項目研究總體技術(shù)思路是通過(guò)理論研究及數字化仿真研究、工程設計及關(guān)鍵技術(shù)研究開(kāi)發(fā)、工程集成應用研究多層次-多維度進(jìn)行系統全面的研究攻關(guān)。圖2為項目總體技術(shù)研發(fā)思路。

  圖2 項目研究總體技術(shù)研發(fā)思路

 

  三、主要創(chuàng )新性成果

  1、研究開(kāi)發(fā)并應用了新一代高效低碳高風(fēng)溫頂燃式熱風(fēng)爐及其關(guān)鍵技術(shù)

  提出了基于耗散結構優(yōu)化的新一代頂燃式熱風(fēng)爐高效清潔燃燒理論與技術(shù);發(fā)明了頂燃式熱風(fēng)爐實(shí)現三維空間渦旋擴散燃燒技術(shù);開(kāi)發(fā)超大功率高效旋流擴散燃燒器及其綜合技術(shù),燃燒器單體燃燒功率達到180MW;集成創(chuàng )新了高效低碳清潔燃燒與能源高效轉換耦合關(guān)鍵技術(shù);熱風(fēng)爐燃燒效率達99.99%,系統熱效率≥85%,熱風(fēng)爐能效比≤1.15。

  (1)現代熱風(fēng)爐燃燒理論研究

  運用現代工程研究方法,研究解析了熱風(fēng)爐燃燒的耗散過(guò)程及其規律?;诤纳⒔Y構理論,以流體力學(xué)、傳熱學(xué)、傳質(zhì)學(xué)、燃燒學(xué)為基礎,建立熱風(fēng)爐內物質(zhì)流、能量流模型。在大型工作站上仿真研究熱風(fēng)爐系統物質(zhì)流、能量流傳輸及變化過(guò)程,獲得溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、濃度場(chǎng)及流場(chǎng)分布并實(shí)現多場(chǎng)耦合。全面應用多種先進(jìn)設計計算方法和實(shí)驗手段,實(shí)現在信息流的精準調控下,物質(zhì)流、能量流動(dòng)態(tài)有序、協(xié)同高效轉換和傳輸。

  圖3 燃燒器多模式耦合研究過(guò)程

 

  圖4 三維渦旋擴散燃燒器仿真研究

 

  (2)超低NOx燃燒熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)研究

  研究解析了熱風(fēng)爐燃燒過(guò)程NOx形成機理及規律。研究表明,在熱風(fēng)爐高溫燃燒時(shí),氣相中的N2和O2在燃燒過(guò)程生成NOx,屬于熱力型NOx生成機制(圖5),影響NOx生成要素包括傳質(zhì)、擴散、混合、溫度、速度、停留時(shí)間等,但主要受燃燒溫度及氣相成分的影響。其中,隨著(zhù)氧濃度、助燃空氣溫度和煤氣溫度的提高,NOx生成速率和生成濃度均相應升高。

  圖5 煙氣溫度對NOx生成速率及生成量的影響

  圖6 操作參數對NOx生成速率及濃度的影響

  圖7 頂燃式熱風(fēng)爐煙氣中NOx隨時(shí)間和拱頂溫度變化的實(shí)測曲線(xiàn)

 

  (3)燃燒耗散過(guò)程優(yōu)化研究

  通過(guò)熱風(fēng)爐燃燒實(shí)測分析,對比研究燃燒效率、燃燒耗散過(guò)程及污染物排放量的關(guān)系(圖8)。研究表明,頂燃式熱風(fēng)爐燃燒效率可高達99.99%以上,因此頂燃式熱風(fēng)爐煙氣中CO含量極低,測試的3座頂燃式熱風(fēng)爐煙氣平均CO含量均<100mg/m³,其中燃燒穩定期煙氣CO含量均<20mg/m³。頂燃式熱風(fēng)爐煙氣中NOx含量總體較低,3座熱風(fēng)爐煙氣NOx含量分別為117.3、95、30mg/m³,因此操作參數精準調控和合理匹配是優(yōu)化燃燒耗散過(guò)程的關(guān)鍵要素。

  圖8 頂燃式熱風(fēng)爐煙氣中NOx、CO和O2含量變化及關(guān)系

 

  2、創(chuàng )新開(kāi)發(fā)出頂燃式熱風(fēng)爐高效、低碳、清潔和低排放燃燒技術(shù)

  運用多場(chǎng)耦合數值仿真模擬、物理模型實(shí)驗研究、熱態(tài)半工業(yè)化試驗研究、熱風(fēng)爐實(shí)際運行測試研究等多種研究模式。研究解析了三維空間渦旋擴散燃燒型高效燃燒器的氣體擴散、混合、傳質(zhì)和燃燒過(guò)程,發(fā)明了基于旋流高效燃燒、強化擴散混合、低NOx和低空氣過(guò)剩系數的超大功率燃燒器。在風(fēng)溫1250℃條件下,噸鐵熱風(fēng)爐燃料消耗≤1.14GJ/t(折算高爐煤氣消耗370m3/t),熱風(fēng)爐煙氣中NOx和CO排放量分別≤50mg/m³和20mg/m³。

  (1)燃燒過(guò)程仿真研究與多場(chǎng)耦合優(yōu)化

  針對新一代頂燃式熱風(fēng)爐技術(shù)研發(fā),進(jìn)行了三維渦旋擴散高效燃燒技術(shù)仿真研究及多場(chǎng)耦合優(yōu)化研究。采用CFD仿真模擬對溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、濃度場(chǎng)及流場(chǎng)分布進(jìn)行理論研究和設計參數耦合優(yōu)化。結合熱風(fēng)爐冷態(tài)、熱態(tài)模型試驗研究分析,指導燃燒器設計及結構參數優(yōu)化。

  圖9 燃燒過(guò)程多場(chǎng)耦合協(xié)同優(yōu)化仿真研究

  圖10 三維空間渦旋擴散燃燒器流場(chǎng)設計與仿真研究

 

  (2)新一代頂燃式熱風(fēng)爐及三維渦旋擴散燃燒器研發(fā)

  創(chuàng )新燃燒器采用錐-柱復合結構,煤氣噴口設置在燃燒器的錐段,空氣噴口設置在圓柱段。煤氣流與空氣流在燃燒空間內,形成多層交叉射流、三維渦旋混合流動(dòng)狀態(tài),混合氣流經(jīng)過(guò)喉口段壓縮整流后,形成負壓區流動(dòng)斷面收縮后再旋流擴張,優(yōu)化了煤氣和空氣的擴散傳質(zhì)進(jìn)程,使得高溫煙氣進(jìn)入格子磚分布均勻。研發(fā)出三維渦旋擴散燃燒技術(shù),實(shí)現煤氣和空氣在垂直方向上的交叉混合、強化燃燒,拱頂空間流場(chǎng)分布均勻,蓄熱室格子磚表面溫度分布均勻(見(jiàn)圖11)?;诙鄨?chǎng)耦合仿真研究和模型研究,本項目所研發(fā)的三維渦旋擴散高效燃燒器溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)分布更加合理,NOx生成大幅度降低(見(jiàn)圖12),在3000m³級高爐應用獲得成功。本項目技術(shù)輸出海外,已推廣應用到印度5800m³高爐。

  圖11 三維渦旋擴散高效燃燒器設計模型及其流場(chǎng)特征

  圖12 新型頂燃式熱風(fēng)爐仿真計算全爐NOx分布云圖

 

  (3)超大型熱風(fēng)爐燃燒過(guò)程耗散結構優(yōu)化研究

  基于已有技術(shù)成果,針對超大型頂燃式熱風(fēng)爐燃燒器存在的技術(shù)難題進(jìn)行研究,攻克技術(shù)缺陷和關(guān)鍵技術(shù)難題(見(jiàn)圖13)。優(yōu)化超大型熱風(fēng)爐燃燒過(guò)程耗散結構,強化超大功率燃燒工況的動(dòng)力學(xué)條件,研發(fā)出新型超大功率燃燒器,實(shí)現了低碳、高效、低耗、低排放的目標。圖14為超大型熱風(fēng)爐多場(chǎng)耦合仿真優(yōu)化研究,圖15為京唐熱風(fēng)爐超大功率燃燒器設計參數優(yōu)化結果,圖16為NOx生成計算結果。研發(fā)的新型超大功率陶瓷燃燒器,成功應用于京唐5500m³高爐熱風(fēng)爐新建及改造工程,取得顯著(zhù)成效:助燃空氣過(guò)剩系數由10%降低到3%;煙氣中CO含量≤20mg/m³;拱頂溫度1350℃時(shí),風(fēng)溫達1250℃,煙氣中NOx排放量低于30mg/Nm³,優(yōu)于唐山市超低排放標準。

  圖13 超大型熱風(fēng)爐燃燒過(guò)程的技術(shù)難題及解決措施

  圖14 超大功率陶瓷燃燒器開(kāi)發(fā)-基于CFD多場(chǎng)耦合仿真優(yōu)化研究

  圖15 超大功率燃燒器設計參數優(yōu)化結果

  圖16 超大型熱風(fēng)爐燃燒時(shí)NOx分布云圖

 

  (4)新一代頂燃式熱風(fēng)爐燃燒過(guò)程實(shí)驗-試驗聯(lián)合研究

  為了驗證仿真計算的結果,深入解析研究熱風(fēng)爐實(shí)際工況的燃燒過(guò)程特性及規律,建立了物理模型和熱態(tài)試驗平臺,針對新一代頂燃式熱風(fēng)爐進(jìn)行了冷態(tài)+熱態(tài)耦合實(shí)驗-試驗聯(lián)合研究(圖17)。冷態(tài)模型主要用于測定空氣、煤氣噴口處的氣體流速,檢驗燃燒器氣體分配均勻性,對仿真計算結果進(jìn)行驗證(如表1所示)。熱態(tài)試驗平臺通過(guò)熱風(fēng)爐半工業(yè)化試驗,模擬實(shí)際熱風(fēng)爐運行狀態(tài),對試驗熱風(fēng)爐燃燒-送風(fēng)過(guò)程進(jìn)行溫度、壓力、成分等多參數試驗測試,對仿真計算采用的數學(xué)模型及結果進(jìn)行再次驗證。

  圖17 頂燃式熱風(fēng)爐冷態(tài)-熱態(tài)聯(lián)合試驗平臺

 

  表1 物理模型實(shí)測速度和溫度平均值和分布指數

  3、創(chuàng )建了新一代頂燃式熱風(fēng)爐工藝及耐火材料設計、制造、選用和配置技術(shù)標準體系。

  建立了頂燃式熱風(fēng)爐節能、熱平衡測試方法、耐火材料配置等一系列技術(shù)標準;解析研究了服役后熱風(fēng)爐耐火材料破損機理及規律,提出了熱風(fēng)爐耐火材料提高服役性能和安全可靠性的技術(shù)措施;基于物相組分優(yōu)化設計和格子磚熱工參數優(yōu)化設計,開(kāi)發(fā)出抗蠕變性能優(yōu)異的高效格子磚和耐高溫熱震性?xún)?yōu)異的莫來(lái)石-紅柱石-堇青石磚;研制并批量生產(chǎn)出熱風(fēng)管道用系列耐火材料和熱風(fēng)爐長(cháng)壽組合磚,研制出不同材質(zhì)的全系列高效高性能格子磚。

  (1)創(chuàng )建頂燃式熱風(fēng)爐工藝及關(guān)鍵耐火材料技術(shù)體系

  主編或參編了10項熱風(fēng)爐耐火材料國家標準(5項)、行業(yè)標準(3項)和團體標準(2項),創(chuàng )建并形成了完整的熱風(fēng)爐耐火材料標準規范技術(shù)體系,如表2所示。牽頭制定的標準涵蓋熱風(fēng)爐節能、熱平衡測定及計算方法等國家標準,還包括頂燃式熱風(fēng)爐用耐火材料技術(shù)規范、熱風(fēng)爐用紅柱石磚、熱風(fēng)爐陶瓷燃燒器用耐火磚等行業(yè)標準,覆蓋了熱風(fēng)爐燃燒、傳熱、節能、減排、耐火材料配置、材料制造、技術(shù)評價(jià)等多維度技術(shù)標準,由技術(shù)到產(chǎn)品,從關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)與領(lǐng)先,發(fā)展成為技術(shù)標準體系的創(chuàng )建與完善。

  表2 本項目研究制定的熱風(fēng)爐及相關(guān)耐火材料技術(shù)標準規范

  (2)研發(fā)頂燃式熱風(fēng)爐陶瓷燃燒器專(zhuān)用關(guān)鍵耐火材料

  根據頂燃式熱風(fēng)爐燃燒器復雜惡劣工況條件,研發(fā)出高荷軟、低蠕變、高抗熱震的陶瓷燃燒器專(zhuān)用莫來(lái)石-紅柱石-堇青石磚,顯微結構如圖18所示。以紅柱石、堇青石為主要原料,利用堇青石低膨脹和紅柱石的富硅玻璃相特性,進(jìn)行材料成分及相結構設計,協(xié)同提升材料高溫性能和抗熱震性能。創(chuàng )新采用M-70燒結莫來(lái)石+紅柱石+堇青石工藝方案,通過(guò)加入堇青石使制品具有優(yōu)良的抗熱震性能,加入紅柱石以提高制品的荷重軟化溫度和抗蠕變性,從而獲得優(yōu)異的綜合高溫性能。多物相協(xié)同優(yōu)化耦合使復合相材料理化性能顯著(zhù)提升,滿(mǎn)足了熱風(fēng)爐核心關(guān)鍵設備陶瓷燃燒器的性能要求。

  圖18 莫來(lái)石-紅柱石-堇青石磚的顯微結構

 

  (3)開(kāi)展半工業(yè)試驗研發(fā)高效格子磚

  以相似原理為理論基礎,首次建立1:10熱風(fēng)爐熱態(tài)試驗平臺,設置289個(gè)熱電偶測溫點(diǎn),實(shí)測蓄熱室吸熱、放熱溫度變化曲線(xiàn),同時(shí)測定速度、壓力分布和煙氣成分等參數,以驗證仿真計算結果。搭建現場(chǎng)測試裝置,首次完整實(shí)測了超大型頂燃式熱風(fēng)爐內部速度場(chǎng)、流場(chǎng)分布,驗證了仿真計算和試驗結果(圖19)。通過(guò)熱態(tài)試驗熱風(fēng)爐半工業(yè)試驗,實(shí)測研究了熱風(fēng)爐燃燒-送風(fēng)期的蓄熱室溫度分布及其規律(圖20、圖21),對比實(shí)測研究了不同孔徑格子磚的熱工性能,為研發(fā)高效格子磚奠定了試驗基礎。

  圖19 熱風(fēng)爐熱態(tài)試驗和實(shí)際熱風(fēng)爐實(shí)測研究

  圖20 試驗熱風(fēng)爐燃燒期蓄熱室溫度分布

  圖21 試驗熱風(fēng)爐送風(fēng)期蓄熱室溫度分布

 

  開(kāi)發(fā)了非穩態(tài)數學(xué)模型計算程序,通過(guò)對熱風(fēng)爐蓄熱室進(jìn)行傳熱計算,研究了格子磚熱工參數對熱風(fēng)爐傳熱性能影響,開(kāi)發(fā)出不同孔徑的熱風(fēng)爐系列高效格子磚(圖22、表3),不同格子磚傳熱參數對比見(jiàn)圖23。高效格子磚體系的成功研發(fā)應用,迅速改變了我國熱風(fēng)爐用格子磚落后的研發(fā)生產(chǎn)狀況,取得了重大技術(shù)突破。

  圖22 高效格子磚實(shí)物照片

 

  表3 系列高效格子磚的熱工參數

  圖23 不同格孔的格子磚加熱面積和蓄熱體積比較

 

  4、研發(fā)了低應力-無(wú)過(guò)熱熱風(fēng)爐爐體及管道長(cháng)壽技術(shù),設計開(kāi)發(fā)了低應力熱風(fēng)爐爐體及熱風(fēng)管道體系

  研究解析了大型熱風(fēng)爐高溫區爐殼、耐火材料和熱風(fēng)管道等關(guān)鍵部位局部過(guò)熱、應力腐蝕疲勞開(kāi)裂及其破損的機理和規律。在5500m³高爐頂燃式熱風(fēng)爐上,首創(chuàng )采用新型耐腐蝕不銹鋼-高強合金鋼的復合爐殼結構,開(kāi)發(fā)了抗腐蝕-低應力的爐殼建造技術(shù)。發(fā)明應用了一系列熱風(fēng)爐維護修復技術(shù),建立了用于爐殼焊后殘余應力消除、爐體及管道智能化監測、評價(jià)等技術(shù)體系。

  (1)熱風(fēng)爐爐殼及管道破損機理研究

  針對爐殼焊縫開(kāi)裂及波紋補償器失效進(jìn)行原位分析、宏觀(guān)觀(guān)察、化學(xué)成分檢測、微觀(guān)金相組織及掃描電鏡觀(guān)察,結合工況條件,對爐殼及波紋補償器破損原因進(jìn)行分析研究。研究揭示了熱風(fēng)爐爐殼焊縫開(kāi)裂主要原因是由于應力破壞(見(jiàn)圖24),主要包括:①焊接殘余應力破壞。爐殼焊接過(guò)程產(chǎn)生的殘余應力,導致?tīng)t殼在服役過(guò)程中焊縫處出現應力集中,造成爐殼焊縫開(kāi)裂、鋼板基體受損;②晶間應力腐蝕。由于熱風(fēng)爐拱頂溫度過(guò)高形成大量NOx,在應力集中的焊縫處與水積聚,腐蝕晶界破壞金屬微觀(guān)結構,從而產(chǎn)生裂紋、開(kāi)裂;③交變應力破損。熱風(fēng)爐燃燒-送風(fēng)交替工作,產(chǎn)生交變應力變化,對爐殼造成破壞。熱風(fēng)爐爐殼在多種破壞因素綜合作用下,更加劇了爐殼破損。

  圖24 爐殼焊縫斷裂處微觀(guān)形貌

 

  (2)熱風(fēng)爐安全長(cháng)壽技術(shù)研究

  基于彈塑性力學(xué)理論,對熱風(fēng)爐爐殼及管道強度進(jìn)行了有限元仿真計算,為爐殼精準設計提供了科學(xué)依據(圖25),京唐3號高爐熱風(fēng)爐首創(chuàng )采用耐腐蝕不銹鋼+高性能合金鋼復合爐殼結構(904L+Q345LK)。

  圖25 熱風(fēng)爐爐殼FEM計算分析研究

 

  研究發(fā)現造成爐殼失效的裂紋主要是爐殼內表面焊縫附近的疲勞裂紋,原因是焊縫附近應力超過(guò)了材料的疲勞極限,為此開(kāi)發(fā)出熱風(fēng)爐焊縫附近局部區域應力監測技術(shù)(圖26、圖27)。與此同時(shí),還開(kāi)發(fā)出一系列兼顧應力控制和爐殼防腐的熱風(fēng)爐爐殼修復技術(shù)。針對拱頂整體修復、局部修復和新建熱風(fēng)爐分別從材質(zhì)、裝配、焊接工藝、應力控制等方向對方案進(jìn)行了優(yōu)化,最大程度考慮了應力控制和防腐問(wèn)題,在生產(chǎn)實(shí)踐中應用取得顯著(zhù)效果。

  圖26  熱風(fēng)爐工作過(guò)程爐殼應力測試研究

  圖27  熱風(fēng)爐工作過(guò)程爐殼最大交變應力檢測結果

 

  (3)低應力-無(wú)過(guò)熱熱風(fēng)爐管道長(cháng)壽技術(shù)研發(fā)

  基于彈塑性結構力學(xué)和材料力學(xué)理論,復雜管系采用專(zhuān)業(yè)管道分析軟件進(jìn)行建模分析(圖28),對管道的支吊架和補償器進(jìn)行優(yōu)化設計,形成了以三角形剛性拉桿為代表的熱風(fēng)爐管道安全長(cháng)壽設計方法和結構(圖29)。開(kāi)發(fā)研制出異形鎖砌結構的組合磚,顯著(zhù)提高砌筑結構穩定性。設計開(kāi)發(fā)了熱風(fēng)管道新型自鎖密閉式砌筑結構(圖30)、補償器內部耐火襯砌筑結構(圖31)。本研究包括熱風(fēng)支管結構優(yōu)化設計、熱風(fēng)管系仿真計算分析、熱風(fēng)管道低應力管系設計、熱風(fēng)支管預變位技術(shù)、熱風(fēng)管道耐火材料結構優(yōu)化等。

  圖28  復雜管道的仿真計算分析

  圖29  低應力熱風(fēng)爐管系優(yōu)化設計結構

  圖30  新型熱風(fēng)管道組合磚結構

  圖31  幾種補償器內部磚襯設計優(yōu)化結構

 

  5、開(kāi)發(fā)了熱風(fēng)爐燃燒動(dòng)態(tài)精準控制模型和智能化信息物理系統(CPS),開(kāi)發(fā)了熱風(fēng)爐爐體及管道系統全天候智能化監測系統

  首創(chuàng )提出熱風(fēng)爐能效比的概念,為熱風(fēng)爐高效低碳、節能減排、提高能效奠定了量化評價(jià)標準。通過(guò)數字化控制實(shí)現了煤氣和助燃空氣流量、熱風(fēng)爐拱頂溫度、送風(fēng)溫度、煙氣溫度及成分的精準控制調節。高爐風(fēng)溫穩定達到1250℃以上,熱風(fēng)爐能效比≤1.15,助燃空氣過(guò)剩系數≤3%,熱風(fēng)爐風(fēng)溫系數≥91.5%,熱風(fēng)爐拱頂溫度與風(fēng)溫差值≤120℃。

  (1)研發(fā)大型頂燃式熱風(fēng)爐智能化控制技術(shù)

  熱風(fēng)爐工作時(shí)燃燒、換爐、送風(fēng)循環(huán)交替運行,屬于典型的耗散結構過(guò)程。本研究通過(guò)建立準確的、多變量參數的熱風(fēng)爐信息物理系統(CPS),基于數字模型對蓄熱和送風(fēng)趨勢進(jìn)行預測,根據預測結果,借助機器學(xué)習構建人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行推演,獲得對空煤氣調節閥的智能化感知和控制決策。熱風(fēng)爐智能化燃燒控制的技術(shù)路線(xiàn)是利用熱風(fēng)爐拱頂溫度、煙氣溫度、煙氣中殘氧檢測值、煤氣和空氣流量等檢測儀表的參數,基于快速燒爐的方法,使計算機自動(dòng)調節煤氣和空氣的流量,在達到燃燒效果的同時(shí)實(shí)現燃燒期的智能化控制(圖32)。熱風(fēng)爐智能燃燒控制系統在京唐2號高爐熱風(fēng)爐系統應用取得顯著(zhù)成效(圖33、圖34),實(shí)現了由傳統的反饋型控制向智能預測型控制的轉變,系統具有了自感知、自適應、自學(xué)習和自決策能力。

  圖32  熱風(fēng)爐燃燒期各階段及優(yōu)化燒爐

  圖33  首鋼京唐2號高爐熱風(fēng)爐智能化控制系統

  圖34  智能控制系統投用前后熱風(fēng)爐操作參數曲線(xiàn)變化情況

 

  (2)開(kāi)發(fā)與應用熱風(fēng)爐紅外在線(xiàn)監控技術(shù)

  開(kāi)發(fā)了紅外成像、溫度檢測和圖像識別綜合技術(shù)的熱風(fēng)爐爐體及管道監測系統,為熱風(fēng)爐系統安全長(cháng)壽和穩定運行奠定了技術(shù)基礎。在首鋼高爐熱風(fēng)爐應用取得顯著(zhù)成效(圖35),實(shí)現了熱風(fēng)爐及管道系統全天候智能化監控。

  圖35 首鋼熱風(fēng)爐及管道智能化監控系統

 

  四、應用情況與效果

  近年來(lái),本項目研究成果及相關(guān)技術(shù),在完成單位9座高爐22座熱風(fēng)爐應用。具體應用情況詳見(jiàn)表4。

  表4 本項目研究技術(shù)及創(chuàng )新成果應用代表性工程業(yè)績(jì)

  以首鋼京唐為例,京唐3號高爐熱風(fēng)爐集成應用了本項目研究成果及關(guān)鍵技術(shù),包括熱風(fēng)爐清潔燃燒和高效傳熱、復合鋼板爐殼、熱風(fēng)管道安全長(cháng)壽等技術(shù),于2019年4月投產(chǎn)至今應用效果優(yōu)異。京唐3號高爐頂燃式熱風(fēng)爐投產(chǎn)5年來(lái),經(jīng)歷了多種復雜工況,燃燒量在設計范圍的30%~120%的工況條件下運行穩定可靠,噸鐵煤氣消耗≤380Nm³/t,煙氣中NOx≤50mg/m³,CO≤20mg/m³,在拱頂溫度1370℃條件下風(fēng)溫達到1250℃,高爐生產(chǎn)高效低碳,達到并超越設計指標。京唐1號、2號高爐,分別于2009年5月和2010年6月投產(chǎn),為了滿(mǎn)足環(huán)保和長(cháng)壽要求對熱風(fēng)爐進(jìn)行了全面技術(shù)升級改造。采用本項目研發(fā)的超大功率陶瓷燃燒器替代原有裝置,大幅度提高了燃燒效率,污染物實(shí)現超低排放。結合熱風(fēng)爐爐殼開(kāi)裂機理研究成果,爐殼采用了復合鋼板及應力消除技術(shù),提高了熱風(fēng)爐爐殼安全性,現已完成2座高爐5座熱風(fēng)爐的改造。2號高爐熱風(fēng)爐應用智能化控制模型,實(shí)現了熱風(fēng)爐動(dòng)態(tài)精準控制。在其他新建和改造項目中,頂燃熱風(fēng)爐應用后,風(fēng)溫和能效均顯著(zhù)提升,煙氣中污染物排放大幅度降低,減污降碳效果突出。

  同時(shí),研究成果已推廣應用國內外240余高爐、780座熱風(fēng)爐。核心技術(shù)獲得俄羅斯、日本、烏克蘭、印度等國專(zhuān)利授權。2021年,與俄羅斯MMK鋼鐵集團簽訂7號1280m³高爐內燃熱風(fēng)爐升級改造燃熱風(fēng)爐EP項目,印度JSW的5872m³高爐新建頂燃熱風(fēng)爐EP項目。突破國外技術(shù)壁壘,技術(shù)輸出國外,引領(lǐng)國際高風(fēng)溫熱風(fēng)爐技術(shù)發(fā)展。

  本項目在首鋼京唐、遷鋼、中天、俄羅斯MMK鋼鐵等國內外高爐熱風(fēng)爐上應用,近3年累計經(jīng)濟效益達21億元,經(jīng)濟、社會(huì )和環(huán)境效益顯著(zhù),推廣應用前景廣闊。


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