高爐熱風(fēng)爐高風(fēng)溫燃燒技術(shù)概述

吳建霖，鄢 明，趙澤文，黃培真，馮 飛

（1.廣西華銳鋼鐵工程設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，廣西 柳州 545002；2.廣西鋼鐵集團(tuán)有限公司，廣西 防城港 538002；3.廣西柳鋼中金不銹鋼有限公司，廣西 玉林 537624）

1 高爐熱風(fēng)爐概況

目前，高爐向大型化、長壽、高效、高風(fēng)溫、高富氧、大噴煤方向發(fā)展。提高風(fēng)溫能促進(jìn)高爐噴煤量增加，降低焦比和提高鐵水產(chǎn)量，大大節(jié)約資源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，風(fēng)溫在1100～1350℃之間，每提高100℃可降低焦比8～15 kg/t，增加鐵水產(chǎn)量約2%。提高風(fēng)溫可促進(jìn)高爐穩(wěn)定順行、強(qiáng)化冶煉，同時可降低能耗、節(jié)約寶貴煉焦煤資源，因此各鋼企都致力于熱風(fēng)爐高風(fēng)溫技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。

高爐熱風(fēng)爐燃料主要為高爐煤氣，高爐煤氣熱值～3200 kJ/m3，熱風(fēng)溫度一般在1150～1200℃之間。需提高熱風(fēng)溫度就需提高理論燃燒溫度，熱風(fēng)爐理論燃燒溫度t理可用下式表示：

式中：QDW為煤氣低發(fā)熱值，kJ/m3；Q空、Q煤為分別為助燃空氣及煤氣帶人的熱量，kJ/m3；V產(chǎn)為燃燒生成物量，m3；C產(chǎn)為燃燒生成物在t理時的平均熱容，kJ/（m3·K）。

由上式可知為提高理論燃燒溫度可通過如下途徑：增加煤氣的低發(fā)熱值，增加煤氣和助燃空氣帶入的物理熱，或減少燃燒產(chǎn)生的煙氣量。目前已形成了以下幾類技術(shù)并得到工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用。

1）高熱值煤氣（焦?fàn)t煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣）富化燃燒技術(shù)；

2）助燃空氣富氧燃燒技術(shù)；

3）增設(shè)前置燃燒爐雙預(yù)熱技術(shù)；

4）增設(shè)預(yù)熱爐雙預(yù)熱技術(shù)。

2 高風(fēng)溫燃燒技術(shù)

2.1 基本條件

根據(jù)當(dāng)前熱風(fēng)爐設(shè)計(jì)及操作技術(shù)，熱風(fēng)爐燃燒器燃燒空氣過剩系數(shù)為1.1，理論燃燒溫度比拱頂溫度高～70℃，拱頂溫度比送風(fēng)溫度高～120℃；高爐煤氣熱值～3200 kJ/m3，溫度為～60℃，助燃空氣溫度為～30℃，理論燃燒溫度為～1261℃。熱風(fēng)爐出口煙氣溫度～300℃，采用正常雙預(yù)熱系統(tǒng)可將助燃空氣和煤氣預(yù)熱至～180℃，理論燃燒溫度可提升至～1370℃，熱風(fēng)溫度為～1180℃?，F(xiàn)需采用高風(fēng)溫燃燒技術(shù)使熱風(fēng)溫度達(dá)到1280℃。

2.2 高熱值煤氣富化燃燒技術(shù)

若助燃空氣及煤氣僅采用熱風(fēng)爐煙氣進(jìn)行預(yù)熱，其帶入的物理熱變化不大，此時影響理論燃燒溫度的主要因素為煤氣低發(fā)熱值。為提高理論燃燒溫度需摻燒高發(fā)熱值煤氣。鋼鐵企業(yè)中高熱值煤氣主要為焦?fàn)t煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣，其與高爐煤氣成分及發(fā)熱值見表1。

表1 典型高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣、焦?fàn)t煤氣的化學(xué)成分及發(fā)熱值

按照傳統(tǒng)燒爐方法，采用轉(zhuǎn)爐煤氣燒爐有如下一些特點(diǎn)[1]：

1）燃燒轉(zhuǎn)爐煤氣后，傳熱載體總量增加，不利于拱頂熱量的聚集；

2）由于轉(zhuǎn)爐煤氣理論發(fā)熱值低于焦?fàn)t煤氣，使拱頂輻射傳熱效率降低；

3）混入轉(zhuǎn)爐煤氣有利于蓄熱室中下部格子磚對流傳熱的發(fā)展；

4）拱頂溫度不高，廢氣溫度上升加快。

如摻燒轉(zhuǎn)爐煤氣，需對熱風(fēng)爐燒爐操作進(jìn)行調(diào)整，且整個控制流程復(fù)雜，故一般不摻燒轉(zhuǎn)爐煤氣。

焦?fàn)t煤氣低發(fā)熱值高，有利于提高理論燃燒溫度和拱頂溫度，高爐煤氣中混入焦?fàn)t煤氣量與理論燃燒溫度的關(guān)系如圖1所示。

圖1 高爐煤氣中混入焦?fàn)t煤氣量與理論燃燒溫度的關(guān)系

由圖1可知，焦?fàn)t煤氣混入量不超過10%以前，每增加焦?fàn)t煤氣1%，理論燃燒溫度隨之提高18～26℃，隨著焦?fàn)t煤氣混入量的增加，理論燃燒溫度提高趨勢變小。在煤氣和助燃空氣均未預(yù)熱（tm=60℃，tk=30℃）時，焦?fàn)t煤氣混入量約為10%，理論燃燒溫度可提高至1470℃，熱風(fēng)溫度可達(dá)1280℃；在煤氣和助燃空氣均采用熱風(fēng)爐煙氣常規(guī)預(yù)熱（tm=180℃，tk=180℃）時，焦?fàn)t煤氣混入量約為4%，理論燃燒溫度便提高至1470℃，熱風(fēng)溫度可達(dá)1280℃。該方式適用于焦?fàn)t煤氣富余的企業(yè)。

目前常用混入高熱值煤氣的方法有如下幾種：

1）采用三孔型陶瓷燃燒器，混合效果好，但設(shè)備較復(fù)雜，一般用于大型高爐外燃式熱風(fēng)爐。但目前國內(nèi)主要發(fā)展頂燃式熱風(fēng)爐，不太適用。

2）采用引射器混合，簡單方便，混合效果好，但混合比例范圍窄，不便于控制，如操作不當(dāng)易發(fā)生安全事故。

3）建設(shè)高熱值煤氣加壓設(shè)施后直接混合，操作安全，混合效果好，但需增加加壓設(shè)施，增加投資。

2.3 助燃空氣富氧燃燒技術(shù)

熱風(fēng)爐理論燃燒溫度與V產(chǎn)和C產(chǎn)成反比，因此，提高助燃空氣中的氧氣含量（富氧），在燃燒同樣的煤氣量，消耗的助燃空氣量減少，而產(chǎn)生的燃燒熱量不變，生成的燃燒產(chǎn)物量會減少，這樣由廢氣帶走的熱量損耗將會大大降低，熱風(fēng)爐熱效率得到提高[2]。同時助燃空氣中的O2含量增加，減少了助燃空氣中N2含量，則可以降低V產(chǎn)，理論燃燒溫度上升。另外，由于富氧燃燒增加了煙氣中主要輻射性氣體CO2和H2O的含量，特別是CO2的含量增加較多，增強(qiáng)爐氣的輻射能力，強(qiáng)化爐膛輻射換熱，節(jié)約燃料。

助燃空氣富氧率與理論燃燒溫度的關(guān)系如圖2所示。

由圖2可知，富氧率不超過15%以前，每增加富氧率1%，理論燃燒溫度隨之提高11～21℃，隨著富氧率的增加，理論燃燒溫度提高趨勢變小。在煤氣和助燃空氣均未預(yù)熱（tm=60℃，tk=30℃）時，富氧率約為13%，理論燃燒溫度可提高至1470℃，熱風(fēng)溫度可達(dá)1280℃；在煤氣和助燃空氣均采用熱風(fēng)爐煙氣常規(guī)預(yù)熱（tm=180℃，tk=180℃）時，富氧率約為5%，理論燃燒溫度便提高至1470℃，熱風(fēng)溫度可達(dá)1280℃。該方式適用于氧氣能力富余的企業(yè)。

圖2 助燃空氣富氧率與理論燃燒溫度的關(guān)系

熱風(fēng)爐富氧燃燒一般從全廠公輔系統(tǒng)氧氣總管接出支管，通過管道接入熱風(fēng)爐換熱器前的助燃空氣總管，并設(shè)置氧氣流量調(diào)節(jié)裝置，通過程序控制參與熱風(fēng)爐燒爐，其工藝流程如圖3所示。熱風(fēng)爐燒爐控制可采用按加入氧氣量控制，按加入氧氣量與助燃空氣比例控制，按助燃空氣中含氧率控制等3種模式。

圖3 高爐熱風(fēng)爐富氧燃燒工藝流程

2.4 增設(shè)前置燃燒爐雙預(yù)熱技術(shù)

增加前置燃燒爐雙預(yù)熱技術(shù)是一項(xiàng)利用低熱值高爐煤氣獲取高風(fēng)溫技術(shù)，主要是通過增加助燃空氣和煤氣帶入的熱量來提高理論燃燒溫度。助燃空氣預(yù)熱溫度與理論燃燒溫度的關(guān)系如下頁圖4所示，高爐煤氣預(yù)熱溫度與理論燃燒溫度的關(guān)系如下頁圖5所示。

圖4 助燃空氣預(yù)熱溫度與理論燃燒溫度的關(guān)系

圖5 高爐煤氣預(yù)熱溫度與理論燃燒溫度的關(guān)系

由圖4可知，理論燃燒溫度與助燃空氣預(yù)熱溫度成正比，助燃空氣預(yù)熱溫度每提高30℃，理論燃燒溫度提高約10℃；當(dāng)高爐煤氣預(yù)熱溫度為180℃，助燃空氣預(yù)熱至450℃，理論燃燒溫度為1470℃，熱風(fēng)溫度可達(dá)1280℃。由圖5可知，理論燃燒溫度與高爐煤氣預(yù)熱溫度成正比，高爐煤氣預(yù)熱溫度每提高30℃，理論燃燒溫度提高約16.5℃。經(jīng)過線性回歸分析，可得出以下結(jié)果：

式中：t理為理論燃燒溫度，℃；tk為助燃空氣預(yù)熱溫度，℃；tm為高爐煤氣預(yù)熱溫度，℃。

目前國內(nèi)常用的前置燃燒爐預(yù)熱工藝有“前置燃燒爐+板式換熱器”和“前置燃燒爐+擾流子換熱器+熱管換熱器”兩種。

2.4.1 前置燃燒爐+板式換熱器工藝

基本配置是前置燃燒爐、助燃空氣板式換熱器和煤氣板式換熱器，其工藝流程如圖6所示。

圖6 前置燃燒爐+板式換熱器預(yù)熱工藝流程圖

工作原理：高爐煤氣在前置燃燒爐內(nèi)與助燃空氣混合燃燒，燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔猓?000℃以上）與熱風(fēng)爐煙氣（280～350℃）混合至550～650℃的煙氣進(jìn)入助燃空氣板式換熱器將助燃空氣由～30℃預(yù)熱至300～500℃。剩余的熱風(fēng)爐煙氣進(jìn)入煤氣板式換熱器將煤氣由～60℃預(yù)熱至180～220℃。經(jīng)過預(yù)熱后，整個系統(tǒng)的排煙溫度在150℃左右，能源利用率較高。

該工藝的核心板式換熱器有平板不銹鋼板和帶凹凸小半球的花紋不銹鋼板兩種形式[3]。為防止煤氣板式換熱器低溫段發(fā)生結(jié)露腐蝕，一般將煤氣板式換熱器低溫段換熱片材質(zhì)提高為不銹鋼2205。

目前為止，該工藝已在湘鋼2號高爐（2500 m3）、柳鋼2號高爐（2650 m3）、宣鋼10號高爐（2580 m3）、水鋼4號高爐（2580 m3）、方大特鋼新2號高爐（1050 m3）等高爐得到較好應(yīng)用。

2.4.2 前置燃燒爐+擾流子換熱器+熱管換熱器

基本配置是前置燃燒爐、擾流子換熱器和熱管換熱器，其工藝流程如圖7所示。

圖7 前置燃燒爐+擾流子換熱器+熱管換熱器預(yù)熱工藝流程圖

工作原理：助燃空氣和煤氣通過熱管換熱器，利用熱風(fēng)爐煙氣分別預(yù)熱至180℃左右，煤氣直接進(jìn)入熱風(fēng)爐，助燃空氣進(jìn)入擾流子換熱器進(jìn)行二次預(yù)熱至300～550℃。對助燃空氣進(jìn)行二次預(yù)熱的煙氣是由前置燃燒爐產(chǎn)生的高溫?zé)煔馀c熱風(fēng)爐煙氣混合而成。擾流子換熱器屬于管式換熱器，為增加換熱效率，熱管外表面設(shè)置有擾流翅片，內(nèi)部設(shè)置有擾流子。

采用該工藝，由于內(nèi)部阻損較大，僅靠熱風(fēng)爐煙囪的抽力無法滿足正常運(yùn)行要求，一般需設(shè)置一臺煙氣引風(fēng)機(jī)。同時，該系統(tǒng)中還使用了熱管換熱器，雖建設(shè)投資較低，但使用壽命短，一般5 a左右需要更換熱管元件。

該工藝在實(shí)際生產(chǎn)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，包括攀鋼新3號高爐（2000 m3）、柳鋼3號高爐（2000 m3）、通鋼7號高爐（2600 m3）等均使用過該工藝。

近年來，隨著板式換熱器焊接質(zhì)量的提升，板式換熱器的壽命和熱效率優(yōu)勢越來越明顯，更多企業(yè)選擇“前置燃燒爐+板式換熱器”預(yù)熱工藝。

2.5 增設(shè)預(yù)熱爐雙預(yù)熱技術(shù)

這種方式的高溫預(yù)熱是由2座預(yù)熱爐和1個混風(fēng)室組成，預(yù)熱爐采用“一燒一送”的工作制度。預(yù)熱爐實(shí)際就是小型頂燃式熱風(fēng)爐，其工作原理與頂燃式熱風(fēng)爐相同，即通過高爐煤氣燒爐，將熱量存儲在預(yù)熱爐的格子磚內(nèi)。一定比例的助燃空氣（50%～60%）先通過預(yù)熱爐加熱至1000～1100℃，加熱后的助燃空氣與剩余的助燃空氣在混風(fēng)室混合至400～600℃，然后送至熱風(fēng)爐與高爐煤氣混合燃燒，其工藝流程如圖8所示。

圖8 預(yù)熱爐雙預(yù)熱工藝流程圖

該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，使用效果好，可穩(wěn)定獲得1300℃以上風(fēng)溫；但存在占地面積大，投資高，排煙溫度較高等不足。如能將預(yù)熱后煙氣用于噴煤系統(tǒng)、焦炭烘干系統(tǒng)等，這樣更有利于能源綜合利用。

該工藝適用于新建大型高爐，如首鋼曹妃甸3座5500 m3高爐、山鋼日照精品基地2座5100 m3高爐、寶鋼湛江2座5050 m3高爐、柳鋼防城港2座3800 m3高爐等。

3 結(jié)語

以上幾種燃燒技術(shù)都可獲得1250℃以上高風(fēng)溫，且均已成熟使用，但各工藝的經(jīng)濟(jì)效益各不相同。以上幾種方式也可組合進(jìn)行使用，如既富化高熱值煤氣或富氧又進(jìn)行高溫預(yù)熱。各企業(yè)需根據(jù)自身的條件和對高風(fēng)溫的要求，經(jīng)過認(rèn)真比較后選擇。