三座熱風(fēng)爐采用“一燒兩送熱并聯(lián)”創(chuàng)新工藝

馮燕波，唐文權(quán)，陳秀娟

（中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司，北京，100176）

0 引言

熱風(fēng)爐是長(zhǎng)流程煉鐵工藝中的主要設(shè)施之一，它能夠?yàn)楦郀t提供連續(xù)不斷的熱風(fēng)。在我國(guó)，大多數(shù)的高爐配備了三座熱風(fēng)爐，主要操作方式為“兩燒一送”，即：兩座熱風(fēng)爐中任一座處于燒爐期或換爐期，第三座熱風(fēng)爐處于送風(fēng)期。這樣的操作方式難以得到理想的熱風(fēng)溫度（據(jù)資料顯示，2017 年全國(guó)熱風(fēng)爐平均風(fēng)溫僅為1142 ℃），而且換爐頻繁。將三座熱風(fēng)爐“兩燒一送”的傳統(tǒng)操作制度改為“一燒兩送熱并聯(lián)創(chuàng)新工藝”，可以同時(shí)獲得提高風(fēng)溫和節(jié)能減排的雙重效果。

1 高爐熱風(fēng)爐的座數(shù)

目前高爐熱風(fēng)爐的座數(shù)通常有三種配置形式：一座高爐配兩座熱風(fēng)爐、一座高爐配三座熱風(fēng)爐以及一座高爐配四座熱風(fēng)爐。

二十世紀(jì)50～60 年代，日本和德國(guó)的高爐大多只建兩座熱風(fēng)爐。當(dāng)時(shí)，日本有6 座高爐均配套建設(shè)了兩座熱風(fēng)爐，其中最大高爐容積為1790 m3。直到現(xiàn)在，我國(guó)冶煉鎳鐵的小高爐還在使用兩座熱風(fēng)爐。兩座熱風(fēng)爐“一燒一送”，采用了間接傳熱的基本操作制度，任意時(shí)間段內(nèi)都有一座熱風(fēng)爐在送風(fēng)，另一座熱風(fēng)爐在燃燒或換爐。一座熱風(fēng)爐的換爐時(shí)間加上燃燒時(shí)間等于送風(fēng)時(shí)間，即燃燒時(shí)間小于送風(fēng)時(shí)間。

兩座熱風(fēng)爐的最大問題是沒有考慮熱風(fēng)爐需要檢修時(shí)如何保證高爐的正常生產(chǎn)，當(dāng)一座熱風(fēng)爐需要檢修時(shí)，高爐只能停爐。為了滿足單座熱風(fēng)爐檢修時(shí)高爐不停產(chǎn)和提高風(fēng)溫的需要，日本、韓國(guó)等國(guó)家的高爐改為一座高爐配建四座熱風(fēng)爐的形式，熱風(fēng)爐系統(tǒng)采用“兩燒兩送”的工作制度。兩座熱風(fēng)爐送風(fēng)時(shí)還可以采用“交錯(cuò)并聯(lián)”的操作制度，與兩座熱風(fēng)爐同時(shí)送風(fēng)相比，可以提高20～25 ℃的風(fēng)溫。

俄羅斯3200 m3以上的大高爐大多配套建設(shè)四座熱風(fēng)爐，歐洲的一些國(guó)家一座高爐大多配套建設(shè)三座熱風(fēng)爐。我國(guó)3000 m3級(jí)以上的高爐大多數(shù)配套建設(shè)四座熱風(fēng)爐，3000 m3級(jí)以下的高爐大多數(shù)配套建設(shè)三座熱風(fēng)爐。

三座熱風(fēng)爐有兩種操作制度：一種是“兩燒一送”操作制度，另一種是“半交錯(cuò)并聯(lián)”操作制度（1/2時(shí)間一座熱風(fēng)爐送風(fēng)，1/2 時(shí)間兩座熱風(fēng)爐同時(shí)送風(fēng)）。也許是因?yàn)楹笳呖刂茝?fù)雜，也不能提高風(fēng)溫，使用有局限性。我國(guó)配套建設(shè)三座熱風(fēng)爐的煉鐵廠幾乎全部都采用了“兩燒一送”操作制度。

2 三座熱風(fēng)爐和四座熱風(fēng)爐的比較

2.1 三座熱風(fēng)爐和四座熱風(fēng)爐的投資比較

配套建設(shè)三座熱風(fēng)爐的投資要比建設(shè)四座熱風(fēng)爐省，但是不能簡(jiǎn)單說成是省掉了一座熱風(fēng)爐的投資。首先，設(shè)計(jì)三座或四座熱風(fēng)爐的格子磚總重量基本上是相等的，例如國(guó)外某鋼鐵公司5513 m3高爐的三座熱風(fēng)爐格子磚總重9782 t，我國(guó)北方某鋼鐵公司5576 m3高爐四座熱風(fēng)爐格子磚總重9951 t。也就是說，高爐容積相同時(shí)，配套建設(shè)三座熱風(fēng)爐的其中一座熱風(fēng)爐要比配套建設(shè)四座熱風(fēng)爐的其中一座熱風(fēng)爐大33.3%左右。其次，當(dāng)三座熱風(fēng)爐采用“兩燒一送”操作制度時(shí)，一座熱風(fēng)爐送100%的熱風(fēng)；而四座熱風(fēng)爐采用“兩燒兩送”操作制度時(shí)，每座熱風(fēng)爐送50%的熱風(fēng)，三座熱風(fēng)爐配置的所有閥門和支管面積要比四座熱風(fēng)爐配置的閥門和支管面積大一倍，因此不能簡(jiǎn)單說成是省掉了一座熱風(fēng)爐。

2.2 三座熱風(fēng)爐和四座熱風(fēng)爐的風(fēng)溫比較

三座熱風(fēng)爐采用“兩燒一送”操作制度，送出的穩(wěn)定風(fēng)溫是單爐送風(fēng)末溫；四座熱風(fēng)爐采用“兩燒兩送交錯(cuò)并聯(lián)”操作制度后送出的穩(wěn)定風(fēng)溫≈單爐送風(fēng)末溫+1/4（單爐送風(fēng)初溫-單爐送風(fēng)末溫）。在拱頂溫度相同、換爐排放總能耗相等的條件下，三座熱風(fēng)爐“兩燒一送”時(shí)的送風(fēng)溫度要比四座熱風(fēng)爐“交錯(cuò)并聯(lián)”時(shí)低20～25℃。

2.3 三座熱風(fēng)爐和四座熱風(fēng)爐的燒爐時(shí)間比較

四座熱風(fēng)爐可以看成是兩套熱風(fēng)爐系統(tǒng)，每套熱風(fēng)爐系統(tǒng)中的兩座熱風(fēng)爐采用“一燒一送”操作制度，使用合理的燒/送時(shí)間比；而三座熱風(fēng)爐采用“兩燒一送”的操作制度，實(shí)際上是把二座熱風(fēng)爐放入到了燃燒行列，浪費(fèi)了大量燃燒時(shí)間。三座熱風(fēng)爐“兩燒一送”時(shí)，由于具有富裕的燒爐時(shí)間，理論上可以在保持拱頂溫度一定的條件下，用縮短送風(fēng)時(shí)間來提高風(fēng)溫，但是要付出耗能增排的代價(jià)。

3 最小燒/送時(shí)間比

兩座熱風(fēng)爐和四座熱風(fēng)爐都采用了基本操作制度——“一燒一送”。對(duì)單座熱風(fēng)爐來說，燃燒期后接著送風(fēng)期，燃燒時(shí)間可以小于送風(fēng)時(shí)間（前面已經(jīng)討論過）。

某鋼鐵公司4000 m3級(jí)高爐配置四座熱風(fēng)爐，采用“兩燒兩送交錯(cuò)并聯(lián)”操作制度時(shí)，燃燒時(shí)間86 min、換爐時(shí)間 14 min、送風(fēng)時(shí)間 100 min，燒/送時(shí)間比0.86，在不產(chǎn)生晶間應(yīng)力腐蝕的前提下，獲得了1250 ℃的高風(fēng)溫。筆者暫且把0.86 看作為最小燒/送時(shí)間比。

三座熱風(fēng)爐如果采用“一燒兩送熱并聯(lián)”操作制度時(shí)，單座熱風(fēng)爐送50%的高爐用熱風(fēng)，暫且把最小燒/送時(shí)間比定為0.43。

4 熱風(fēng)爐換爐排放能耗

對(duì)這個(gè)問題過去觸及甚少，人們也不太重視。自從2015 年巴黎氣候變化大會(huì)以后，各國(guó)都提出了減排目標(biāo)，我國(guó)作為能耗大國(guó)，要求更高。煉鐵行業(yè)要推出一項(xiàng)新工藝離不開這方面的論證。

4.1 三座熱風(fēng)爐和四座熱風(fēng)爐排放能耗比較

高爐熱風(fēng)爐采用間接換熱方式，一座熱風(fēng)爐先燃燒后送風(fēng)，在送風(fēng)結(jié)束轉(zhuǎn)換到燃燒時(shí)必須放掉爐內(nèi)的高壓高溫空氣（含富化的氧氣）。一座4000 m3級(jí)高爐配套的四座熱風(fēng)爐，按照單爐送風(fēng)時(shí)間100 min 計(jì)算，每天排放次數(shù)=1440/100×2=28.8 次，年排放能耗約為2000 多噸標(biāo)準(zhǔn)煤。

三座熱風(fēng)爐和四座熱風(fēng)爐比較排放能耗時(shí)不能只比排放次數(shù)，因?yàn)槿鶡犸L(fēng)爐的單座熱風(fēng)爐爐內(nèi)空間約為四座熱風(fēng)爐的4/3 倍。三座熱風(fēng)爐“兩燒一送”單爐送風(fēng)時(shí)間為 66.7 min 時(shí)（21.6 次/天）的排放總能耗與四座熱風(fēng)爐“兩燒兩送”單爐送風(fēng)時(shí)間100 min 時(shí)的排放總能耗相等。

4.2 提高熱風(fēng)溫度不能靠增排

九十年代初，國(guó)外曾有文章倡導(dǎo)在拱頂溫度在1350 ℃條件下就足以達(dá)到1250 ℃的高風(fēng)溫，單爐送風(fēng)時(shí)間定為30 min。但是，單爐送風(fēng)時(shí)間從66.7 min 縮短到30 min，每天需換爐排放48 次，排放總能耗要增加到原來的2.22 倍。這相當(dāng)于是用增排換風(fēng)溫，在實(shí)際操作時(shí)是不可取的。

5 三座熱風(fēng)爐采用“一燒兩送熱并聯(lián)”新技術(shù)后的效果

5.1 采用“一燒兩送熱并聯(lián)”，可以提高送風(fēng)溫度

采用“一燒兩送”操作制度時(shí)，要靠延長(zhǎng)單爐送風(fēng)時(shí)間來滿足最小燒/送時(shí)間比，但是延長(zhǎng)送風(fēng)時(shí)間會(huì)降低送風(fēng)溫度。因此，單純將“兩燒一送”改為“一燒兩送交錯(cuò)并聯(lián)”，雖然可以減少換爐排放能耗，但要降低送風(fēng)溫度，顧此失彼，顯然不是上策。

采用“兩燒一送”或“一燒兩送交錯(cuò)并聯(lián)”操作制度時(shí)，為了要向高爐送出穩(wěn)定風(fēng)溫，需要不斷摻入冷風(fēng)（冷風(fēng)溫度～200 ℃）降溫（稱為“混風(fēng)”）。我國(guó)煉鐵行業(yè)中，熱風(fēng)爐混風(fēng)管上裝的調(diào)節(jié)閥幾乎都是剛性密封蝶閥，在需要閥門全關(guān)時(shí)關(guān)不死，也不敢關(guān)死。因此，混風(fēng)蝶閥（調(diào)節(jié)閥）在全關(guān)時(shí)（閥門處在零位時(shí)）還在漏入冷風(fēng)，導(dǎo)致熱風(fēng)溫度又要降低～5℃或更多。

采用“一燒兩送熱并聯(lián)”時(shí)，兩座送風(fēng)溫度高低不同的熱風(fēng)爐自己互兌，不需要混入冷風(fēng)，操作時(shí)可以把混風(fēng)管完全切斷，不但可以把送風(fēng)時(shí)間長(zhǎng)引起的風(fēng)溫降彌補(bǔ)回來，還可以進(jìn)一步提高送風(fēng)溫度。表1 中，采用“一燒兩送熱并聯(lián)”比采用“兩燒一送”換爐排放能耗減少50%，同時(shí)提高風(fēng)溫25 ℃。

三種操作制度向高爐送出的穩(wěn)定風(fēng)溫可以用以下公示計(jì)算[1]：

（1）“兩燒一送”：送風(fēng)溫度=單爐送風(fēng)末溫

表1 熱風(fēng)爐換爐排放次數(shù)和高爐圍管前風(fēng)溫比較

5.2 降低熱風(fēng)主管承受的最高風(fēng)溫

我國(guó)熱風(fēng)爐的混風(fēng)點(diǎn)大都設(shè)在熱風(fēng)主管的中后部，“兩燒一送”操作制度時(shí)，混風(fēng)點(diǎn)以前的熱風(fēng)主管接受的是送風(fēng)初溫；改用“一燒兩送熱并聯(lián)”后，該部分熱風(fēng)主管接受的是混合后的風(fēng)溫，減輕了熱風(fēng)主管承受高風(fēng)溫的負(fù)擔(dān)，延長(zhǎng)了熱風(fēng)主管的使用壽命。

5.3 改善高爐的不穩(wěn)定工況

高爐風(fēng)機(jī)如果采用等風(fēng)量操作時(shí)，在充壓時(shí)間（約10 min）內(nèi)，約有10%的風(fēng)量用作充壓，進(jìn)入高爐的風(fēng)量和熱量減少了10%左右。使用“一燒兩送熱并聯(lián)”后，這種不穩(wěn)定工況可以減少50%。

5.4 提高熱風(fēng)爐格子磚的利用率

采用“一燒兩送熱并聯(lián)”操作后，大大延長(zhǎng)了單爐送風(fēng)的時(shí)間，很大程度上提高了熱風(fēng)爐中下部格子磚的利用率；在新設(shè)計(jì)熱風(fēng)爐時(shí)，可以減少格子磚的數(shù)量，節(jié)約投資。

6 結(jié)語

三座熱風(fēng)爐如果采用“一燒兩送熱并聯(lián)創(chuàng)新工藝”，可以有效提高送風(fēng)溫度，降低換爐排放的能耗，提高熱風(fēng)爐格子磚的利用率，降低熱風(fēng)主管承受的最高風(fēng)溫，改善高爐的不穩(wěn)定工況。