熱風爐煙氣簡析

杜春松，印民

（中冶賽迪工程技術股份有限公司，重慶401122）

熱風爐煙氣是熱風爐生產(chǎn)過程中煤氣與空氣燃燒后的混合氣體，其作為煤氣燃燒產(chǎn)生的化學熱的載體，是加熱格子磚、預熱空煤氣的熱源媒介；同時，煙氣中含有酸性氧化物，屬于具有一定腐蝕性和窒息性的氣體。做好煙氣設計是高風溫熱風爐的重要工作，煙氣循環(huán)利用是節(jié)能減排的發(fā)展要求，煙氣治理排放則是美好環(huán)境的社會需要。

1 高溫煙氣的生成及溫度影響因素

1.1 高溫煙氣的生成

熱風爐高溫煙氣是煤氣與空氣按一定比例在熱風爐燃燒室內(nèi)燃燒后的產(chǎn)物，其攜帶的熱量是高爐冶煉過程中送風物理熱量的來源，其能達到的最高溫度決定了熱風爐拱頂能被加熱的最高溫度，從而也確定了送風的最高初始溫度，而煙氣的最高溫度取決于煤氣的熱值及燃燒過剩空氣系數(shù)（過?？諝庀禂?shù)為1時的燃燒溫度為煤氣理論燃燒溫度）。在熱風爐設計及操作中，為了在有限條件下取得最高初始送風溫度，通常采取應用高熱值煤氣，降低過?？諝庀禂?shù)，提升空煤氣預熱溫度，采用富氧燃燒等手段來提升燃燒溫度，以產(chǎn)生高溫煙氣，但要取得周期性的高風溫，還需增大熱風爐的加熱面積，并采取正確的燒爐、送風操作。

1.2 煙氣溫度影響因素

1.2.1 煤氣成分對煙氣溫度的影響

現(xiàn)有鋼鐵企業(yè)高熱值煤氣均不足，大部分企業(yè)的熱風爐燒爐均采用全燒高爐煤氣的方式。由于高爐冶煉操作追求效益，降低燃料比，故煤氣熱值呈下降趨勢，有些企業(yè)高爐煤氣CO含量已降低至20%以下；還有些企業(yè)高爐煤氣含水量大，由于煤氣飽和水含量對煤氣的熱值影響很大，造成高爐煤氣熱值降低到了2 800 kJ/m左右。在這種情況下，必須采取高效燃燒器配置低過?？諝庀禂?shù)、提高空煤氣預熱溫度、降低煤氣含水量等措施，才能通過全燒高爐煤氣產(chǎn)生達到一定目標的高溫煙氣。

高爐煤氣CO體積百分比與熱值、燃燒溫度的關系如圖1所示。其中高爐煤氣為干煤氣，煤氣中H體積百分比為2.5%，其余（CH烴類）可燃成分熱值忽略，過?？諝庀禂?shù)為1.06，空煤氣雙預熱溫度180℃。由圖1可以看出，CO含量對高爐煤氣熱值及燃燒溫度的影響較大，呈現(xiàn)出線性關系。

圖1 高爐煤氣CO體積百分比與熱值、燃燒溫度的關系Fig.1 Relationship between CO Volume Percentage of Blast Furnace Gas and Calorific Value,and Relationship between CO Volume Percentage and Combustion Temperature

1.2.2 過剩空氣系數(shù)的選擇對煙氣溫度的影響

過?？諝庀禂?shù)的選擇是根據(jù)煤氣熱值、燃燒器的性能綜合確定的。在實踐操作中，根據(jù)煙氣中CO及殘氧濃度動態(tài)調(diào)整，其設定的比例值大小對當前煤氣流產(chǎn)生的最高燃燒溫度影響很大，也是整個燒爐期間一個關鍵控制指標。當過剩空氣系數(shù)控制在1時，燃燒溫度達到最高值，隨著系數(shù)的增大，燃燒溫度呈下降趨勢，其變化速率基本相同。

過?？諝庀禂?shù)與燃燒溫度關系如圖2所示。已知參與燃燒的空煤氣均預熱至溫度180℃，煤氣熱值為3 180 kJ/m。由圖2可以看出，過剩空氣系數(shù)對燃燒溫度的影響十分顯著，過剩空氣系數(shù)要在追求高溫煙氣和煤氣完全燃燒中平衡選擇，故熱風爐燃燒器及燃燒室的設計非常關鍵。

圖2 過?？諝庀禂?shù)與燃燒溫度的關系Fig.2 Relationship between Excess Air Coefficient and Combustion Temperature

綜合上述情況可知，在煤氣熱值條件受限的情況下，只能通過高效燃燒器配置低過剩空氣系數(shù)、提高空煤氣預熱溫度等手段產(chǎn)生經(jīng)濟的高風溫，富化煤氣及富氧燃燒雖可提高煙溫，但生產(chǎn)成本相比而言還是較高。

2 高溫煙氣中NOX、SOX的危害及防治

2.1 NOX、SOX的生成途徑

2.1.1 NO的生成途徑

燃料在燃燒過程中生成NO的途徑有以下三種：①燃料型，由燃料中的氮化物熱分解后氧化產(chǎn)生；②瞬時型，由于空氣中的N與燃料中的碳氫離子團反應產(chǎn)生；③熱力型，空氣中的N在高溫下氧化生成。熱風爐內(nèi)高溫煙氣中的NO主要是煤氣燃燒產(chǎn)生高溫，高溫區(qū)空氣中N達到了與O反應的熱力條件而生成，故主要屬于熱力型；同時，由于煤氣中的少量碳氫化合物會在燃燒時產(chǎn)生烴（CH）等，CH撞擊燃燒空氣中的N分子會生成CN、HCN并被瞬間氧化成NO，故也有部分屬于瞬時型。NO排放量與溫度的關系如圖3所示。

圖3 NOX排放量與溫度的關系Fig.3 Relationship between NOXEmission and Temperature

由圖3可以看出，熱力型NO的產(chǎn)生與溫度有很大的關系，燃燒期的火焰溫度超過1 420℃后，N與O更容易結合形成NO，故應控制燃燒溫度在1 420℃以下十分重要。

2.1.2 SO的生成途徑

煙氣中SO主要來自高爐煤氣，而高爐煤氣中的S主要來自原燃料。原燃料中大部分S會隨渣鐵排出，部分S以HS和有機硫氣體等形式進入高爐煤氣中，在高爐煤氣燃燒過程中，硫化物發(fā)生熱分解并被氧化生成SO，故SO的生成途徑主要屬于燃料型。

2.2 NOX、SOX對熱風爐裝置的危害

煙氣中NO、SO會在鋼殼內(nèi)表面溶解于冷凝水，形成硝酸、亞硝酸、硫酸、亞硫酸的混合酸液，在電化學作用下破壞鋼板的晶間結合鍵，造成晶間應力腐蝕，進而在熱風爐內(nèi)應力的作用下出現(xiàn)爐殼鋼板裂縫，并沿晶界向鋼材母體延伸、擴大。晶間應力腐蝕機理如圖4所示，鋼板晶間開裂如圖5所示。

圖4 晶間應力腐蝕機理Fig.4 Corrosion Mechanism for Intergranular Stress

圖5 鋼板晶間開裂Fig.5 Intergranular Cracking of Steel Plate

除上述典型的晶間應力腐蝕外，酸液與Fe的直接接觸還會發(fā)生置換反應，對鋼殼內(nèi)表面造成直接腐蝕，逐漸降低鋼板的有效厚度及強度。同時，酸液還會腐蝕殼體內(nèi)表面的噴涂料及隔熱磚，造成耐材失效，產(chǎn)生空洞及間隙，導致爐殼內(nèi)竄風，帶來爐殼表面溫度升高等危害。另外，酸液在管道閥門、波紋管等設備處長期存在，也會造成管道上設備的腐蝕。

2.3 NOX、SOX的防治

2.3.1 NOx的防治

研究表明，高溫低氧燃燒可以降低高溫燃燒條件下NO的生成與排放，與常規(guī)燃燒相比，高溫低氧燃燒的重要特征是穩(wěn)燃范圍顯著增大，火焰體積變大而呈彌漫狀，不僅燃燒空間中平均溫度水平低，而且整個溫度場趨于均勻。常規(guī)燃燒會出現(xiàn)過?？諝庀禂?shù)為1的局部區(qū)域，形成局部的熾熱高溫點，熾熱點的存在以及高氧氣濃度必然導致NO的大量生成。

目前已有將高溫低氧燃燒器用于加熱爐等領域并取得成功的相關案例，但現(xiàn)階段熱風爐的燃燒器燃燒均屬于常規(guī)燃燒，尚沒有相關高溫低氧燃燒的熱風爐燃燒器報道?，F(xiàn)階段，想要避免熱風爐燃燒時NO的大量生成，必須研究高效燃燒器，在燃燒過程中，在一定程度上避免更多熾熱點的產(chǎn)生，同時控制燃燒溫度使其不超過1 420℃。

2.3.2 SO的防治

煙氣中SO含量與燃燒溫度沒有直接關系，因此要想控制煙氣中SO含量，需在源頭上控制原燃料中硫含量，主要控制燒結礦、球團礦、焦炭及噴煤煤粉中帶入的S量，同時對含S較高的高爐煤氣進行預先脫硫處理。

2.3.3 防腐蝕措施

為了防止NO、SO對爐殼鋼板的腐蝕，設計及施工采取的措施主要有：

（1）使用抗腐蝕的熱風爐爐殼專用鋼板，例如使用含鉬低合金鋼板。

（2）熱風爐爐殼內(nèi)表面涂刷耐酸高溫漆，并噴涂耐酸耐火材料。一般使用的涂層料有環(huán)氧樹脂，防腐膠質水泥，由石墨、樹脂和黏結劑組成的ACT抗酸涂料，煤焦油環(huán)氧樹脂等。

（3）控制腐蝕區(qū)鋼殼周圍溫度使其高于露點溫度，防止冷凝水生成，進而防止了冷凝水與NO和SO反應成酸。最常用的辦法是用鋁板給熱風爐做外保溫，使該部位爐殼溫度在120～200℃。

（4）采取措施減少應力的產(chǎn)生或消除應力，例如進行低應力設計，采用整體退火、振動時效法等減少或消除焊接殘余應力。

（5）采用干法除塵或煤氣脫水、脫硫措施，降低煤氣的含水、含硫量。

3 高溫煙氣的換熱

蓄熱式熱風爐煙氣為格磚換熱，溫度隨位置和時間的變化而發(fā)生連續(xù)變化，滿足傅立葉熱傳導方程的變化描述。煤氣燃燒會產(chǎn)生高溫煙氣，高溫煙氣在較短的時間內(nèi)擴散混合，溫度略有降低，且過?？諝庀禂?shù)不同，降低幅度不同。在熱風爐正常燒爐過剩空氣系數(shù)（1.03～1.10）情況下，混合煙氣溫度會較燃燒溫度降低30～50℃。在燃燒周期內(nèi)，混合煙氣會將熱風爐高溫區(qū)大墻、拱頂、上部格磚熱面加熱至接近自身溫度水平。其中，大墻、拱頂磚通過爐殼散熱形成穩(wěn)定的熱流強度并維持平衡；頂層格轉通過格磚表面高溫逐步橫向導熱至格磚體內(nèi)部，直至頂層格磚內(nèi)外溫度基本相等，頂部格磚熱量傳輸達到平衡。此時，混合煙氣在頂部流動過程中的熱傳遞達到了平衡，混合煙氣溫度在頂部基本不再下降。隨著時間變化，混合煙氣最高溫度逐漸向下移動，熱量逐步向下儲存，換熱路徑逐漸縮短，排放煙氣溫度逐漸升高。當排放煙氣溫度升高至400～450℃時，格磚上部一定高度范圍內(nèi)的格磚內(nèi)外部溫度與最高混合煙氣溫度接近，即達到了該混合煙氣溫度條件下的極限蓄熱能力，下部格磚蓄熱也達到了一定的熱儲備量，繼續(xù)蓄熱將造成操作周期延長，排放煙氣溫度升高，給鑄鐵爐箅子帶來風險，并造成煤氣耗量增加。

通過分析不同時期格磚中心溫度與表面溫度的差值變化，可以掌握格子磚在燃燒過程中蓄熱傳熱過程的特性和規(guī)律。某一高度上格磚表面及內(nèi)部溫度隨時間變化趨勢縱橫圖如圖 6。由圖 6（a）可以看出，除燃燒初期外，格磚溫度隨時間基本呈直線變化；由圖6（b）可以得出格磚內(nèi)部的溫度分布情況。

圖6 某一高度上格磚表面及內(nèi)部溫度隨時間變化趨勢縱橫圖Fig.6 Magic Square for Variation Tendency of Surface and Internal Temperatures of Checker Bricks at a Certain Height with Time Variation

根據(jù)熱風爐煙氣、格磚傳熱特點，在確定了最高煙氣溫度、最高排放溫度后，需將熱量儲備最大化才能實現(xiàn)周期平均送風溫度的最高化，在設計及燒爐操作上需注意以下幾點：

（1）選用蓄熱能力強、換熱好的耐材作為蓄熱體，減少輕質磚的用量，選擇對流換熱系數(shù)、導熱換熱系數(shù)大的材質制造格磚。

（2）高風溫長壽熱風爐應具有足夠大的蓄熱面積，對于同等直徑的熱風爐，選擇單位體積加熱面積大的小孔徑格子磚，推薦37孔Φ25mm、Φ20mm格磚，同時確保單位風量格磚重量在1 t以上。

（3）設計合理的煙氣量，計算格磚孔內(nèi)煙氣流速，將流動雷諾數(shù)提高至2 320以上，超過湍流換熱臨界值；確定混合煙氣最高溫度向下移動的合理速度及最終高度，確定達到設定排放煙氣溫度所需要的合理時間。

（4）操作方面，燃燒初期宜采用大煤氣量燒爐；燃燒后期宜采用中小煤氣量燒爐并調(diào)小過剩空氣系數(shù)，或在燃燒周期后半段時間內(nèi)采用富氧助燃方式燒爐；燃燒后期通過手段提升混合煙氣溫度至條件下的最高水平，對上部格磚進行二次蓄熱，同時加強中下部蓄熱。

4 煙氣的利用與排放

隨著鋼鐵工業(yè)發(fā)展，熱風爐煙氣的利用與治理越來越受到業(yè)內(nèi)的重視，熱風爐煙氣除利用余熱預熱空煤氣、引用部分煙氣混兌干燥制粉煤粉外，其余均通過煙囪實施高空排放，未考慮污染源的治理及相關綜合利用措施。

4.1 煙氣的利用

熱風爐煙氣主要成分如表1所示。其中，O的含量根據(jù)燒爐過?？諝庀禂?shù)的配置變化及換爐排壓過程排除的空氣量而變化，其余成分的變化可忽略。從煙氣成分可以看出，熱風爐煙氣具有一定的惰性，將熱風爐換爐排壓收集的空氣統(tǒng)一排放至煙囪，同時控制好燒爐，降低煙氣中O含量，可將煙氣具有較高的惰性的特點加以利用。另外，煙氣中CO含量也比較高，可對煙氣進行充分循環(huán)利用，減少碳排放。

表1 熱風爐煙氣主要成分Table 1 Main Components in Flue Gas from Hot Blast Stove

目前國內(nèi)已有的利用煙氣的相關領域有：

（1）熱風爐煙氣余熱預熱空煤氣，提高理論燃燒溫度，回收能源并提高熱風爐送風風溫。

（2）熱風爐煙氣用于與噴煤制粉系統(tǒng)干燥氣發(fā)生爐產(chǎn)生的煙氣進行混兌，調(diào)控磨煤機干燥用廢氣的溫度，用于干燥及運送粉煤至收集布袋。

（3）熱風爐煙氣用于礦焦槽槽體內(nèi)的原燃料的干燥及預熱，提升原燃料溫度并脫除部分水分，可節(jié)約冶煉焦炭，干燥及預熱后的煙氣通過除塵后排放。

（4）將熱風爐煙氣凈化、加壓、脫濕后，潔凈煙氣可以替換部分冶煉區(qū)域使用的N，如煤氣布袋反吹、除塵粉煤的輸送、爐頂齒輪箱的密封等，配合真空變壓吸附制氧技術可大大的降低冶煉區(qū)對深冷空分制氧站的氮氧需求量，降低生產(chǎn)成本。

另外，根據(jù)新的碳循環(huán)理念，目前還有很多煙氣利用課題處于研究、實驗之中，例如：

（1）煙氣凈化、加壓、脫濕后，可以作為煤粉噴吹輸送用氣，配合高風溫噴入高爐，由于煙氣中含有CO，會發(fā)生反應C+CO=2CO，增加爐內(nèi)CO濃度，加強間接還原反應，且與高爐冶煉鼓風發(fā)生反應2C+O=2CO相比，減少了一半的C消耗；但該反應為吸熱反應，每摩爾CO還原為CO需要吸收約280 kJ/mol的熱量，會影響風口區(qū)熱量，經(jīng)過計算，噴煤煙氣帶入的CO全部還原成CO需要的熱量，折算為高爐鼓風顯熱，大致需要消耗20℃風溫的熱量。

（2） 對煙氣中 N、CO進行變壓吸附提純后可用于對N、CO純度有要求的區(qū)域，但由于吸附成本較高，僅適合應用于附加值較高的領域，工業(yè)生產(chǎn)尚不能實現(xiàn)。

4.2 煙氣的排放

2019年國家生態(tài)環(huán)境部、國家發(fā)展和改革委員會、工業(yè)和信息化部、財政部、交通運輸部關于推進實施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見中的環(huán)大氣［2019］第35號文件要求，熱風爐煙氣顆粒物排放≤10 mg/m、SO≤50 mg/m、NOx(以 NO計)≤200 mg/m，并于2019年4月22日開始實施?？梢钥闯觯獙崿F(xiàn)超低排放，熱風爐區(qū)域前后鏈條還需要做一些必要工作：

（1）采用高效除塵裝備處理高爐煤氣，目前普遍采用干法布袋除塵設施，除塵后煤氣粉塵含量需降低到5 mg/m以下；在燒爐過程中，其余的粉塵主要來源于助燃空氣、爐體和管道內(nèi)耐材剝落的粉塵，做好相關工作，控制排放煙氣顆粒物小于10 mg/m不難達到。

（2）煙氣中SO主要來自高爐煤氣，由于凈化處理煙氣成本較高，要實現(xiàn)熱風爐煙氣SO的超低排放，可以對高爐煤氣進行脫硫處理，高爐煤氣脫硫方法較多，主要有醇胺法、吸收吸附等。通過對高爐煤氣中HS和有機硫氣體的有效脫除，可以實現(xiàn)熱風爐煙氣SO的超低排放。

（3）根據(jù)NO的生成途徑及熱風爐的燃燒特點，控制熱風爐煙氣NO超低排放主要是要控制熱風爐燃燒過程中熱力型NO的產(chǎn)生量，需采用高效燃燒器，控制局部熾熱點數(shù)量，控制燃燒溫度均勻且低于1 420℃。

5 結論

熱風爐煙氣是蓄熱式熱風爐的重要工作介質，在熱風爐設計及生產(chǎn)過程中，可以通過相關措施在有限條件下最大限度的提高煙氣溫度、增加格磚蓄熱，同時控制氮氧化物、硫氧化物的大量生成對熱風爐裝置的不利影響。

（1）根據(jù)NO、SO的產(chǎn)生機理及對熱風爐裝置的危害，在工程建設時需根據(jù)設計的參數(shù)要求同時做好相關防護措施的設計及施工，后期生產(chǎn)中要控制高爐煤氣硫含量、控制熱風爐燒爐溫度等措施，做到預防、監(jiān)控、處理的多方式措施，保障熱風爐全生命期的安全綠色生產(chǎn)。

（2）裝置配套采用高效燃燒器+高效預熱器+高效儲熱格磚的模式在煤氣熱值有限的情況下，提升熱風爐的送風溫度；在燒爐操作上采取先大后小的煤氣量燒爐、控制調(diào)節(jié)過?？諝庀禂?shù)，實現(xiàn)二次蓄熱的操作模式，增加蓄熱量，提升熱風溫度。

（3）熱風爐煙氣具備成分穩(wěn)定、具有一定惰性等特點，具有多元利用的空間，除余熱利用外，還應該加大推廣通過凈化、加壓、脫濕等相關處理技術實現(xiàn)煙氣替換氮氣的利用，同時開發(fā)其二氧化碳及氮氣成分的更多其它用途，達到碳循環(huán)及節(jié)能減排的目的。

（4）通過對熱風爐用高爐煤氣的脫硫處理及燃燒溫度控制，可以將煙氣中的氮氧化物、硫氧化物控制在一定的水平，不需要對煙氣實施單獨的脫硫脫硝就能滿足熱風爐廢氣的超低排放要求，避免增加不必要的環(huán)保設施而造成生產(chǎn)運營成本的增加。