Оптимизированная система дутья для эффективной работы доменной печи

Система дутья для доменной печи

Доменная печь (ДП) производит жидкое железо (горячий металл) восстановлением рудного заряда восстанавливающими газами. Восстанавливающие газы производятся реакцией кислорода с коксом и углем. Этот кислород является частью обогащенного горячего воздушного дутья, которое дуют и распределяют внизу ДП через прямые трубы, дуйные трубы (blowpipes) и дюйеры. Этот комплект соединен с главной бустл-трубой (bustle pipe). Объем воздуха, обогащенного кислородом и дуемого для процесса в ДП, обеспечивают дуйные машины (воздуходувки). Эти дуйные машины забирают воздух из атмосферы и сжимают его до требуемого давления. Этот сжатый воздух, который после сжатия имеет температуру около 200 °C, обогащают кислородом и дуют в горячие котлы (пейчи), где температура поднимается до 1200–1250 °C. Этот горячий дутьевой воздух затем подается в бустл-трубу через горячий дутьевой коллектор (hot blast main). Системы дутья современных крупных доменных печей работают с температурами дутья до 1350 °C и давлениями дутья до 5 кгс/см² (изб.). Весь процесс типично показан на Рис. 1.

Основные компоненты системы дутья доменной печи состоят из: (i) дуйной машины (воздуходувки), (ii) холодного дутьевого коллектора, (iii) горячего котла вместе с его системой сгорания, (iv) горячего дутьевого коллектора, (v) бустл-трубы, (vi) дуйных труб и дюер, известных как дюйерные стоки (tuyere stocks), (vii) набора клапанов, и (viii) контрольно-измерительных приборов.

Дуйная машина (воздуходувка)

Дуйная машина — первое оборудование в системе дутья. Она расположена в дуйном отделе и предназначена для подачи холодного дутья в горячие котлы при желаемом постоянном объемном расходе и давлении. Поэтому защита от насоса — очень важный контроль для дуйной машины ДП. Обычно для ДП предусматривают две дуйные машины. Она забирает объем воздуха из атмосферы и сжимает его до нужного давления и дует в холодный дутьевой коллектор. Сжатый воздух обычно имеет температуру 150–250 °C, что является температурой, возникающей от тепла сжатия в дуйной машине. Дующие машины либо паровые турбинные, либо электродвигательные. Дуйная машина должна работать для выполнения условий воздушного расхода, которые в свою очередь определяются эксплуатационным состоянием ДП. Также они должны иметь очень высокий уровень надежности, так как производительность ДП во многом зависит от работы дуйной машины.

Для генерации дутьевого воздуха большинство ДП оснащены центробежными турбонаддувами с тремя или четырьмя ступенями. Для некоторых очень крупных ДП две дуйные машины работают параллельно. Однако для очень крупных ДП осевые надувки могут использоваться более эффективно. Современные ДП имеют либо осевые, либо осево-радиальные изотермические компрессоры, спроектированные для обработки больших объемов воздушных потоков в относительно небольших корпусах с сохранением отличных КПД.

Холодный дутьевой коллектор

Холодный дутьевой коллектор соединяет дуйную машину и горячие котлы. Он обычно не облицовывают, так как температура холодного дутья обычно между 150–250 °C. Однако на некоторых печах в целях экономии энергии холодная дутьевая линия изолируют. На конце холодного дутьевого коллектора у котлов находятся холодные дутьевые клапаны для котлов и линия микшера (mixer line), оснащенная бабочковым клапаном. Для поддержания постоянной температуры горячего дутья к ДП термопара в горячем дутьевом коллекторе управляет этим бабочковым клапаном в линии микшера и пропорционирует количество воздуха, подаваемого в кол, и количество, обходящего его.

Когда нагретый колл впервые идет на дутье, температура нагретого воздуха намного выше желаемой температуры горячего дутья, поэтому значительная часть воздуха должна обходить колл. По мере удаления тепла из колла и снижения температуры, бабочковый клапан линии микшера должен постепенно закрываться и заставлять больше воздуха проходить через колл. В некоторых автоматических системах смены коллов положение регулирующего клапана используется как сигнал, инициирующий смену колла.

Холодный дутьевой коллектор также оснащен сбросным клапаном (snort valve), обычно расположенным بالقرب ДП, который открывается, когда необходимо быстро снизить давление дутья. Это сбрасывает холодное дутье в атмосферу и поддерживает избыточное давление в холодной дутьевой линии, чтобы газ из печи не мог вернуться к дуйной машине. Из-за быстрого сброса воздуха при открытии сбросного клапана он обычно оснащен глушителем.

На заводах, где дутье обогащают кислородом, кислород можно добавлять под атмосферным давлением на вход турбонадувки или под давлением в холодном дутьевом коллекторе. Влага добавляют в холодном дутьевом коллекторе, когда это требуется для контроля влажности дутья.

Горячий колл (пейч)

Горячий колл — установка для непрерывной подачи горячего дутьевого воздуха в доменную печь. Прежде чем дутье доставляется к дюерам ДП, оно предварительно нагревается прохождением через регенеративные горячие коллы, которые нагреваются преимущественно сгоранием доменного печного газа (ДП-газ). Таким образом, часть энергии верхового газа возвращается в ДП в виде чувствительного тепла. Эта дополнительная тепловая энергия, возвращаемая в ДП как тепло, существенно снижает потребность ДП в коксе и облегчает впрыск вспомогательного топлива, такого как пневматизуемый уголь, в замену дорогому металлургическому коксу. Это повышает эффективность процесса. Горячие коллы современной ДП имеют следующие характеристики:

• Достижение высокой эффективности сгорания — достижение высокой эффективности сгорания даже при работе только на ДП-газе.
• Меньшее тепловое излучение от корпуса колла.
• Низкие строительные затраты.
• Высокий срок службы колла — ожидаемый срок службы современного колла около 40 лет.
• Полное устранение коррозионного трещинообразования под напряжением.
• Низкая концентрация несгоревшего CO над верхней поверхностью шамотных шашек (checker bricks).

Большинство ДП оснащены тремя горячими коллами, хотя в некоторых ДП их четыре. Коллы — высокие цилиндрические стальные конструкции, облицованные изоляцией и почти полностью заполненные шамотными шашками (checker bricks), где накапливается тепло, а затем передается дутьевому воздуху. Каждый колл примерно по диаметру равен ДП, а высота колонны шашек составляет около 1,5 высоты рабочей части ДП. На современных ДП соотношение размера колла к размеру печи еще больше. Горячие коллы описаны отдельно в статье https://www.ispatguru.com/generation-of-hot-air-blast-and-hot-blast-stoves/.

Горячий дутьевой коллектор и бустл-труба

Горячее дутье подается из горячих коллов в доменную печь через крупный огнеупорно выстеленный канал — горячий дутьевой коллектор (hot blast main). Постоянная высокая температура горячего дутья критична для эффективной работы ДП. Конструкции горячего дутьевого коллектора вместе с бустл-трубой должны учитывать движения системы и остаточные расширения для безаварийной эксплуатации. Проектировщик горячего дутьевого коллектора ДП сталкивается с несколькими уникальными вызовами. Горячий дутьевой коллектор — обычно труба большого диаметра, подверженная ряду компонентов термического расширения. Система компенсаторов должна быть спроектирована для компенсации термических перемещений в направлениях X, Y и Z соединений колла, коллектора и бустл-трубы. Термические перемещения вызваны вариациями температуры оболочки, обусловленными средой, а также вариациями температуры тяг и конструкций из-за изменения окружающих условий. Необходимо также учесть силы и перемещения, накладываемые на колловые соединения и конструкции, а также напряжения в системе трубопроводов горячего дутья. Наконец, компенсаторы должны работать на протяжении длительной кампании ДП с минимальными требованиями к обслуживанию.

Клапаны и арматура

Существует большое количество клапанов и арматуры, необходимых для системы дутья. Некоторые из основных клапанов приведены ниже.

• Холодный дутьевой клапан — предназначен для полного разделения колла ДП от холодного дутьевого коллектора. Устанавливается на горизонтальном холодном дутьевом коллекторе рядом с коллом.
• Сбросной клапан (snort valve) — устанавливается в главной линии холодного дутья. Клапан имеет сбросное устройство. Используется для регулирования количества холодного дутья, подаваемого в коллы, без создания обратного давления на надувку, так как излишки воздуха сбрасываются через сбросное устройство, механически связанное с главным клапаном для пропорционального открытия/закрытия.
• Горячий дутьевой клапан — предназначен для разделения горячего колла ДП от горячего дутьевого коллектора при работе колла в режиме «на нагреве» или полном разделении от ДП. Устанавливается в горизонтальном горячем дутьевом коллекторе рядом с коллом.
• Атмосферный клапан — предназначен для выпуска колла ДП в дымоход.
• Газовый дроссельный клапан — предназначен для управления газом, подаваемым в горелку горячего колла, и полного выпуска газового канала горелки при нормальной эксплуатации и в случае отказа питания. Устанавливается на вертикальном участке газового канала.
• Смесительный дроссельный клапан — предназначен для регулирования расхода холодного дутья. Монтируется на вертикальном участке холодного дутьевого коллектора рядом с коллом.
• Дымоходный клапан — предназначен для разделения колла ДП от дымохода.
• Сепараторный клапан — предназначен для быстрого перекрытия секции линии микшера в случае остановки подачи дутья в печь. Устанавливается на горизонтальном участке холодной линии микшера.

Бустл-труба

Крупногабаритная круглая труба, огибающая доменную печь на уровне выше мантии, называется бустл-трубой (bustle pipe). Она используется для распределения горячего дутьевого воздуха из горячего дутьевого коллектора в печь через ряд сопел, называемых дюерами. Бустл-труба внутренне облицована огнеупором для изоляции и защиты внешней стальной оболочки от высокотемпературного воздуха внутри.

Дюйеры и дюйерные стоки

Дюйеры — небольшие трубы, пропускающие горячий воздух из бустл-трубы в доменную печь. Это специально оформленные сопла, через которые горячее дутье впрыскивается в доменную печь. Они сделаны из меди и обычно водяноохлаждаются, так как напрямую подвергаются температуре печи. Они расположены вокруг ДП как спицы на втулке велосипедного колеса. Дюйерный сток (tuyere stock) — это сборка гусиной шеи (gooseneck), компенсатора (expansion bellow), соединительной трубы, колена (elbow), заглядинки (peep hole), дуйной трубы (blow pipe), фиксирующей сборки и натяжного устройства. Дюйерные стоки, как связь между бустл-трубой и дюерой, адаптируются к относительным перемещениям между системой подачи горячего дутья и доменной печью.

Дуйная труба (blowpipe), соединяющая систему горячего дутья с дюерой, входит в механически обработанное сферическое седло у основания дюеры. Дюйерный кулер (tuyere cooler) и дюйера водяноохлаждаются. На современных ДП, использующих температуры горячего дутья выше 1150 °C, водяные проходы корпуса дюеры спроектированы для поддержания скорости воды выше 20 м/с, а водяные проходы носа дюеры — для поддержания скорости воды выше 28 м/с для улучшения скорости теплообмена. В некоторых современных ДП нос дуйной трубы также водяноохлаждается, хотя в большинстве старых печей это не делается. Топливная впрыскная lança входит через стенку дуйной трубы и обычно сбрасывает топливо слегка от центра и примерно на 50 мм назад от носа дуйной трубы. Некоторые ДП оснащены двойными впрыскными системами, имеющими два отверстия в дуйной трубе для облегчения множественных дюйерных топлив. С увеличением использования пневматизованного угля как дюйерного топлива, размещение впрыскной ланцы становится более критичным для предотвращения удара о внутреннюю поверхность дюеры и для лучшего сгорания угля. Дуйная труба прижимается к дюере натяжением в штанге (bridle rod), соединяющей дюйерный сток с рубашкой рва. Пружина на конце штанги позволяет ограниченное движение при расширении и сжатии дуйной трубы при изменении температуры горячего дутья. Сама дуйная труба — легированная стальная труба, облицованная огнеупорным материалом для предотвращения перегрева металла.

Основные компоненты дюйерного стока плотно соединены полированными коническими поверхностями посредством последующего плотного расположения следующей части в предыдущей. Таким образом, плотно подогнанные конические поверхности обеспечивают герметичность стыка. Нарушение рабочего нагревательного цикла, а также любая утечка одного из стыков в дюйерном стоке приводит к обгоранию конструктивных элементов и отказам.

Дюйера, дюйерный кулер и дуйная труба работают в условиях самых тяжелых температур. Дюйерный кулер размещен в груди печной облицовки. Сопло сопряжено с дюерой, которая уже на 250–350 мм глубоко внутри корпуса ДП.

Дуйные трубы обычно изготавливают из стали с покрытием специальной керамической огнеупорной выкладки. Дюйеры делают из меди. Раньше художественные дюйеры делали из прессованных медных листов, толщиной стенки до 8 мм. В наши дни дюйеры обычно делают из центробежно литой меди, что обеспечивает максимальный эксплуатационный ресурс дюеры за счет высокой технологичности, дающей наивысшую гомогенность материала и отсутствие микропоров. Однако этот метод немного дороже изготовления дюер вакуумной литьем. Последний также иногда применяется в производстве дюер и имеет меньшую стоимость конвертации, но есть возможность легкой негомогенности материала. В любом случае, литейный метод производства дюер почти вытеснил применение сварной конструкции дюер из-за их меньшей эксплуатационной емкости, несмотря на более низкую производственную стоимость, которая также связана с литьем полых медных дюйерных кулеров. Дюйерный кулер также изготавливают методом литья и делают из меди (реже из бронзы). Он монтируется в груди печной облицовки и фиксируется через фланец с дополнительной сваркой к рубашке рва.

Дюйера ДП охлаждается водой, подаваемой со скоростью 15–25 м³/ч непосредственно на внутреннюю поверхность дюеры. Температура нагрева сливаемой охлаждающей воды не должна превышать 15 °C. Давление охлаждающей воды, подаваемой на лицо дюеры и дюйерного кулера, обычно не превышает 5–10 кгс/см². Использование меди (содержание мин. 99,5% Cu) как конструкционного материала позволяет эффективно удалять тепло от конуса дюеры, работающей в экстремально горячих условиях.

На задней стороне дюйерного стока на центральной линии дуйной трубы и дюеры находится небольшое отверстие, через которое можно вставить стержень для очистки материала из дуйной трубы. Отверстие закрыто колпачком, который можно открыть при необходимости, но газообъемен при закрытии. В этом колпачке, называемом дюйерным колпачком или викетом (wicket), есть стеклянный заглядинка, позволяющая оператору осматривать внутренность печи прямо перед дюерой. Верхняя часть стока соединена шарнирным соединением с огнеупорно выстеленным соплом гусиной шеи, к которому он зажимается шпорами и ключами, вписывающимися в седла подвесных штанг. Каждая гусиная шея в свою очередь соединена фланцами и болтами с шейкой, выходящей радиально от внутреннего диаметра бустл-трубы. Дюйерные стоки спроектированы для долгого срока службы и удобства обращения. Схемы типичной компоновки дюйерных стоков показаны на Рис. 2.