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叶天护新文求 4 天然气冲天炉 N e w T e c h n o l o g y i n t h e C u p o l a P a r t I V Na t u r a l Ga s Cu p o l a 业。 张 明 海威科兴铸造机械有限公司， 山东威海市 2 6 4 2 0 5 摘要 介绍 了天然气冲天炉的优越性与局限性、 结构特点， 天然气燃烧特性， 以及天然气冲天炉的熔炼作 关键词 天然气冲天炉， 天然气， 熔炼作业 中图分类号 T G 2 3 2 ． 1 文献标识码 A ； 文章编号 1 0 0 6 - 9 6 5 8 2 0 0 9 0 4 4 最早 的天然气 冲天炉 出现于上世 纪初 的前 苏 联 ， 来源于当时苏联人对燃油冲天炉的改进 。 上世纪 6 0 ～ 7 O 年代， 英国、 美国、 德国等先后开始了天然气 冲天炉的研发。天然气 冲天炉避免了焦炭中的 S与 其它有害元素进入铁液 ，在球铁生产中可避免脱 S 的麻烦。 天然气属于清洁能源， 吨铁液熔化的燃料费 用低于燃焦冲天炉 ， 随着我 国“ 西气东输” 工程 的发 展， 该炉在我国有广泛 的应用前景。 1 天然气冲天炉的优越性和局限性 天然气冲天炉的突出优点为吨铁液燃料成本低 于燃焦冲天炉 ， 表 l 为两种冲天炉燃料费用的对 比。 天然气完全燃烧生成 C O 和水蒸气 ，燃料 的燃烧效 率高于焦炭燃烧，同时炉气中包含大量辐射能力强 的水蒸气 ， 炉气辐射能力强 ， 加热效率高 ， 燃料利用 率高 ， 因此吨铁液燃料成本低 。相对与燃焦冲天炉 ， 天然气冲天炉的其它优越性与局限性见表 2 。 表 1 天然气与燃焦冲天炉吨铁液燃料费用的对比 对 比项 目 燃焦 冲天炉 天然气 冲天炉 备 注 燃料消耗指 燃 焦 冲天炉 铁焦 比按 8计 ， 1 2 5 k g ／ t 7 5 N m／ t 天然气 冲天炉燃料 消耗一 般 杯 为 7 0 8 0 Nm3 ／ t 2 ． 2元／ 2 ． 1 元／ 焦炭 价格按照当前二级 冶金 燃料单价 焦计算，天然气按当前民用 k g焦炭 Nm 价格计算 吨铁燃料费 2 7 5 Y r _l t 1 5 7 ． 5 元／ f 吨铁燃料费用相差 1 1 7 ．5元／ t 收稿 日期 2 0 0 9 0 4 1 3 文章编号 2 0 0 9 0 6 1 56 表 2 天然气冲天炉的其它优越性与局限性 优越性 局限性 1 ． 铁液不能炉 内增 1 ． 熔炼性能可调范围大。熔化率、 铁液温度 碳。炉中不存在铁液 调节范围很大， 可方便中断或者继续熔炼作业 增碳过程， 如果铁液 2 ． 工作场地整齐干净。使用管道输送的天然 需要增 碳 ， 只能通过 气， 避免了焦炭存储、 运输和挑选的烦恼， 使用 在电炉中添加增碳 方便、 容易调节和控制， 工厂环境整洁 剂达到增碳目的 3 ． 污染物排放量少。天然气 冲天炉 的尾气 中 2 ．炉气氧化性 强。 不 包含 S O 、 无 异昧 、 C O含量很 低 ， 对空 气 的 金 属 元 素 烧 损 率 高 污染程度低； 炉渣量少于燃焦冲天炉， 炉渣中 于燃焦冲天炉 ， 要求 的有 害物质少 ；生产球铁时不产生脱硫渣 ， 固 炉 料 氧 化 锈 蚀 程度 态废渣少 ， 有利 于保护环境 低 4 ．有利于除尘系统 。由于炉气中的粉尘含量 3 ．存在爆炸 、 中 低， 因此除尘系统负荷小、 投资低、 运行费用低 毒可能性。需要加倍 5 ．铁液不受炉料污染 。碳 、 硅 、 锰 等元素 的烧 注意 安全生 产 ， 严 格 损率稳定 ， 不增硫， 生产球铁不需要进行脱硫， 遵守操作规程， 防止 铁液化学成分稳定 冲天炉爆炸 、 甲烷中 毒 2 天然气及其燃烧 2 ． 1 天然气 天然气是地下岩层中以烃为主的混合气体的统 称， 包括油田气、 气田气、 煤层气、 泥火山气和生物生 成气等 ，其主要成分甲烷的体积分数约为 9 3 ％ 9 8 ％， 另外包含少量的乙烷 、 丙烷 、 丁烷 、 氢气 、 二氧 化碳、 氮气、 硫化氢等。 2 ． 2 天然气的燃烧 天然气冲天炉的热量主要来源于甲烷的燃烧， 甲烷在氧气中燃烧 的化学反应为 CH4 2 0 ， C O， 2 H2 0一 △H C F M T 中国铸造装备与技术 4 ／ 2 0 0 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 其中 ， A H 8 0 2 ． 2 3 k J ／ mo l ， 即在标准状态下 ， 每摩 尔 1 6 g 甲烷在氧气中燃烧 ， 放出的热量为 8 0 2 ． 2 3 k J 低发热值 。标准状态下每立方米 甲烷为 4 4 ． 6 4 mo l O ． 7 1 4 k g ／ N ms ， 燃烧可以放出 3 5 8 1 1 ． 5 5 k J的热 量 ， 需要 2 N m 的氧气 合 9 ． 5 2 N m 空气 。 天然气冲天炉除了空气量不足时 ，炉气 中可能 存在微小碳粒外 ， 其中不存在焦炭 ， 因此基本不存在 C O 还原为 C O的反应 ， 炉气 中 C O的含量几乎等于 零。 因此天然气冲天炉的燃料利用率高， 除了物理显 热外 ， 炉气 中基本不包含化学潜热 ， 炉中的冶金反应 也不 同于燃焦冲天炉 。两种 冲天炉 的燃烧学对 比如 表 3 。 表 3 天然气与燃焦冲天炉的燃烧学对比 对 比项 目 天然气冲天炉 燃焦冲天炉 备 注 c H 4 0 2 C 02 2 H2 O C 02 C02 c H 4 C O 2 H c l o z c o 天 然气 甲烷 完全燃烧需 要 一 定 的过量 燃烧反应 H2 o H o C C 0 2 2 C 0 空气 CO 1 ， 02 C02 CO 1 02 CO2 燃烧 比 r ／ “ 一1 0 0 一0 ． 4 - 0 ．6 燃料 的反应热 3 5 8 1 1 ． 5 5 k J ／ N m 天然气 k c 2 3 8 0 2 1 0 2 6 8 k J g 焦炭 k 为碳在焦炭 中的质量分数 固定碳 含量 燃烧所需干燥空气 9 ．5 2 Nm 3 ／ N m 天然气 4 ． 4 5 k c 1 r b Nm 3 ／k g 焦炭 完全燃烧 N 2 7 1 ． 5 7 9 时的炉气 C O 2 9 ． 5 2 1 成分 ％ 1 9 ．0 O H2 0 g 生成的炉气 总量 6 ． 7 6 2 N m 3 ／ N m 天然气 c 5 ． 3 7 8 3 ．5 1 1 N m 3 ／ k g 焦炭 尾气 中余热 的形式 主要为物理显热 、 基本无化学潜热 主要为化学潜热 、 同时有 物理显热 3 热交换与冶金反应 天然气冲天炉的燃烧、 炉气成分、 热交换方式等 与燃焦冲天炉有很大区别 ， 其中的热交换 、 冶金反应 明显区别于燃焦冲天炉 。 1 影 响铁液温度的主要因素不同于燃焦冲天 炉 与燃焦 冲天炉相 比，天然气冲天炉 的过热 区不 存在焦炭与铁液的对流换热 ，同时炉气 中的三原子 气体 c o 与水蒸气 含量很大 ， 辐射 能力强 ， 因此铁 液过热主要依靠辐射 约 占 9 5 ％ 进行。 炉气温度 、 铁 液滴的直径 、 辐射换热 系数等因素 ， 影响天然气冲天 炉 的铁液温度。 2 F e 、 S i 、 M n 等元素烧损率较高 与燃焦冲天炉相比， 炉内不存在焦炭， 炉气主要 为 C O ， 基本不存在 C O， 炉气氧化性强。金属元素的 烧损发生在铁液与炉气 的接触过程中。影响铁液氧 化烧损的主要因素为空气过量系数 、铁液滴穿过炉 气的时间或距离等。 控制元素烧损， 应该首先在保证 天然气完全燃烧的前提下， 减少空气过量系数； 冲天 炉的结构在充分保证铁液过热的前提下 ，应该减少 炉气与铁液之间的作用时问。 o F M 3 1 “中国铸造装备与技术 4 ／ 2 0 0 9 表 4为天然气 冲天炉 的炉气 c o 、 H 0 之间 、 炉气与金属 用 M代表 之间可能进行的一些冶金反 应 ，可以进一步解释在空气过量的条件下 ，炉气 中 C O与 H 的来源 。表 5为某天然气冲天炉空气过量 系数与 S i 、 Mn元素烧损率的关系。表 6为天然气冲 表 4 天然气冲天炉中的冶金反应 反应 名称 反 应式 热效 应 说明 炉气中 C O 使金属烧 c o 与金属的氧 C 0 升M MO C O 吸热 损 ， 因此炉气 中含 少量 化 反应 C 0 H2 0 g 与 C O H 20 C O H 2 C O 2 弱放热 水蒸气与 C O进行水煤 反应 气反应， 因此炉气含 H H 与 MO的还原 H2 M o M H 2 0 放热 空气过量系数对炉气 反应 氧化性有直接影响 表 5 某天然气冲天炉的空气过量系数与元素烧损率 元素烧损率／ 质量百分数， ％ 空气过量系数 硅 锰 1 1 5 ～2 0 1 8 - 2 0 1 - 2 40 ～ 6 0 5 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 天炉与燃焦冲天炉元素烧损的对比。 4 天然气冲天炉的结构 4 ． 1 天然气冲天炉的类型 天然气冲天炉 与燃焦 冲天炉一 样 ， 有多种结构类型 ， 见表 7 。 4 ． 2 结构与其它 天然气 冲天炉除了天然气燃烧 部分的结构外 ， 其余结构相同于燃焦 冲天炉。 4 ． 2 ． 1 水冷长炉龄天然气冲天炉 当前 的天然气冲天炉一般为水 冷长炉龄冲天炉 ， 包含加料 口、 预热 段 、 水冷熔化段 、 水冷炉栅 、 天然气喷 嘴、 连续出铁槽 、 前炉等， 如图 l 。 其中 a 的天然气喷 嘴 烧嘴 设置在水冷炉栅之下， 结构简单、 修炉方 便， 应用最为广泛 ； b 在炉外设置天然气燃烧室 ， 通 表 6天然气与燃焦冲天炉元素烧损率的对比 燃焦冲天炉 天然 气冲天炉 元素 增减率 质量百分数， ％ 增减率 质量百分数， ％ 铁 - 0 ． 5 一 l l ～ 2 碳 3 ～ 8 - 3 - 1 O 硅 一 l 5 ～ 2 O 一 1 8 2 5 锰 - 2 0 ～ 2 5 - 2 0 ～ 2 5 硫 4 0 ～ 8 O 0 磷 0 O 注 一 负 表示减少 ， 正 表示增加 表 7 天然气冲天炉的类型 分类依据 结构类型 说 明 回收炉 气物理显热 或者利用 外加燃 料热 风 热风 装置 ， 可降低天然气消耗 ， 提高燃烧温度 、 铁 送风温度 液温度与熔化率 冷风 铁液温度偏低 、 天然气 消耗量较高 普通空气 铁液温度偏低 、 天然气消耗量较高 送风中的 可 以有 效提高铁液 温度 、 提高熔化 率 ， 降 低 氧浓度 加氧送风 燃料消耗 普通炉衬 适用于简单机械化 车间的单班生产 炉龄长短 水冷长炉龄 适用于 自动化 流水线长期连续生产 有焰喷嘴 适应于热风温度较高的天然气冲天炉 喷嘴类型 无焰喷嘴 适应于冷风天然气冲天炉 前炉轴线呈铅垂态 ， 与燃焦 冲天炉 的固定前 、 上] 前炉形式 炉相同 卧式 前炉轴线呈水平态 ， 分为 固定式和 回转式 58 过火道将高温炉气引入炉缸 ， 结构 比较复杂 ， 修炉难 度大； c 采用卧式固定前炉 。 4 ． 2 ． 2 水冷炉栅 水冷炉栅是天然气冲天炉的关键部件，其作用 为支持炉料 ， 应该有一定 的强度和抗弯曲能力 ， 同时 应该结构简单 、 性能可靠 、 便于检修 、 更换 ， 制造成本 低。 表 8 天然气有焰喷嘴的基本结构 喷嘴类型 基本结构示意图 原理与性能特点 结构最 简单 ， 容 易制造 ， 天然 气与空 套 管 式 气 流 向 平 行 混 合 ，天 然 气 与 空 气 的 混 合 l 2 效果较差 ， 火焰 长度 1 ．天然气进 口2 昆合室 较大 3 ．空气进 口 天然 气 或 空气 在螺 旋叶 片 的作 用 下 ，在旋转 中混合 ， 混合效果较好 ， 结构 半 喷 射 式 两 多 较 复 杂 左 图 喷 嘴 的 助 燃 空气包 含一 次 风 与主空气 两部分 ， 一 次 风量 可 以通 过调 风盘调节 涡流式 西 空气进入蜗壳 后，通过切向流道旋 转进入混合室与天 然气混合 ，混合效果 最好 ， 但结构最复杂 o F M T 中国铸造装备与技术 4 ／ 2 0 0 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 ． 2 ． 3 天然气喷嘴 天然气喷嘴也称天然气烧嘴， 其性能参数包括 天然气流量 、 火焰长度、 火焰角度等 ， 分有焰喷嘴与 无焰喷嘴两类， 其中有焰喷嘴的基本结构见表 8 。 4 ． 2 ． 4 耐火球 耐火球也有人称之为瓷球 、 石墨球 。 耐火球包含 碳素材料与硅酸盐成分， 耐火度高， 起均热 、 传热和 铺垫作用。 水冷炉栅上铺垫有耐火球， 每批炉料中也 需添加一定量的耐火球 ， 以补充耐火球 的消耗 。国内 某铸造厂天然气冲天炉使用的耐火球来 自欧盟， 价 格很高， 其性状如表 9 ， 供参考。 表 9 耐火材料球的性状 直 72 ／ m m 质量／ k g 密度／ k g d in - 3 颜色 加入量 ％ 1 5 0 3 ． 5 1 ． 9 8 黑 批 铁质 量的 1 ． 0 5 一 1 ．4 5 天然气 冲天炉的熔炼作业 天然气冲天炉的修炉、 加料 、 冷却水控制等完全 相 同于燃焦冲天炉 ， 表 1 0介绍 了天然气 冲天炉的熔 炼作业 中的特殊事项。 表 1 O 天然气冲天炉的熔炼作业 序号 名称 。 作 业 说 明 l 铺垫球形垫层 在水冷炉栅上铺垫一定厚度 约 5 0 0 m m 的球形耐火材料垫 层 2 吹扫炉膛 开风清扫炉膛内可能积存的天然气， 防止点火引起天然气爆炸 天然气烧嘴的点火程序为 先开风、 后开气、 再点火， 使天然气燃烧并逐步增大天然气的量和风量 ， 预热冲天炉约 4 0 ～ 6 0 m i n 或称烘炉。 天然气的供气压力一般为 1 0 ～ 3 5 k P a 。 预热开始时， 只点燃一个喷嘴， 然后随炉温提高逐步增加燃烧喷嘴。 3 点火与预热 炉体预热达到可以投料的判别经验为 ①过桥与前炉底应呈耀眼白亮色 ； ②从出铁口 或出渣口 插入直经为 1 0 r a m低碳 钢棒， 经一分钟发生表面熔化， 将钢棒拔出时， 有火花飞溅现象 炉膛预热完成后 ， 在炉内分层按 比例加入金属炉料、 熔剂和耐火垫层球， 开始熔化。天然气燃烧产生的热气流首先通过 垫层球、 加热金属炉料使其熔化， 上升的炉气预热固态金属炉料， 同时使石灰石分解熔融。脱离炉料的热尾气通过热交换 器被冷却， 同时产生热风供给冲天炉， 尾气由布袋除尘器净化后排人大气 4 装料和熔化 金属炉料熔化产生的铁液 ，在通过球形垫层、 高温炉气的过程中， 被进一步加热落入炉缸， 通过连续式渣铁分离槽去除炉 渣， 最后进入回转前炉。如果炉膛预热充分， 该炉装料时即开始熔化 ， 装料开始约 1 5 m i n 后 ， 即可以在连续出铁槽看见铁 液。天然气冲天炉的炉渣量少， 熔化开始 2 个小时左右， 连续出铁出渣槽才开始出渣 1 ． 天然气冲天炉的操作控制比燃焦冲天炉简单， 其熔化控制主要为风气比控制， 1 N m 天然气的空气量约为 l 0 1 O ．5 5 风气比控制 N m ， ， 即风气比为 l 0 ～ 1 0 ．5 。在熔化率一定的条件下调节风气比， 可以采用定风调气的方法， 也可以采用定气调风的方法 2 ．增加天然气的供应量、 同步增加风量 ， 可以提高天然气冲天炉的熔化率 观察冲天炉加料口的炉气颜色和温度， 可判断空气 风 量是否合适。如果炉气中夹有黑烟， 说明空气量不足， 需要增大 6 风气 比观察 风 量。观察火焰绿中带红 ， 上升有力 、 稳定 ； 出渣 口火焰喷 出长度 3 0 0 - d O 0 m m， 颜色呈淡黄 色； 从燃烧 室观察孔看火焰呈 白 色、 耀跟， 看不清过桥或火口； 炉渣呈草绿色说明气风比合适。如果天然气供应量未变， 而炉气温度降低， 说明风量过大 1 ．停止加料后 ， 随料面降低， 逐步减少天然气与空气的供应量。天然气冲天炉必须按照先停气 停火 、 后停风的顺序停 火停风 ， 防止冲天炉爆炸伤人， 操作人员中毒 7 停火停风 2 ．有热风换热器的冲天炉， 停止加料后 ， 继续保持热风换热器的送风量， 逐步开启放风阀， 防止热风换热器损坏。 停炉后 完全打开放风阀、 继续送风， 待换热器完全冷却后再停风 甲烷的着火温度为 6 4 5 ～ 8 5 0 ℃， 燃爆临界体积浓度为 5 ． 0 ％～ 1 5 ． O ％， 在半封闭燃烧室空间， 遇明火必发生极其猛烈的爆 炸。天然气冲天炉容易发生爆炸事故， 每次点火前必须首先用空气吹扫炉膛， 去除炉内残存的天然气， 必须严格防止冲天 8 安全生产 炉爆炸。 空气中含有 2 5 ％～ 3 o ％E p 烷时， 会对人产生轻度麻痹作用， 致人头晕。 如果空气中甲烷含量超过 3 0 ％， 会使人窒 息死亡， 必须注意现场通风， 严格防止甲烷中毒 o F M T 中国铸造装备与技术 4 ／ 2 0 0 9 5 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m