高效预热技术研究的发展与应用

高效预热技术的发展与应用刘全兴（青岛钢铁有限公司）摘要：全面论述了我国高效预热技术研究开发与应用的现实重大意义。高效预热技术研究不仅广泛应用于冶金行业，近年来，已经拓展应用到电力、建材、石油化工和环保等领域。介绍了以高温空气燃烧技术为代表的多种用低热值煤气获得1200℃高风温的具有自主知识产权工艺方法与应用情况。对焦炉煤气等高热值燃料的综合利用的新趋势、高温空气燃烧技术给冶金企业能源结构带来的变化、利用低热值煤气获得高风温的工艺方法的理论研究和应用情况进行了评述。关键词：高炉热风炉新技术高风温高温空气燃烧1.前言在过去的二十几年里，自国家“九五”重大科技攻关项目开展以来，研究人员开发了利用低热值高炉煤气获得高风温的新工艺——高温空气燃烧技术、热风炉自身预热技术和附加加热换热系统和辅助热风炉法，并且取得了许多成功的经验。高效预热技术研究不仅广泛应用于冶金行业，近年来，已经拓展应用到电力、建材、石油化工和环保等领域。开展高效预热技术研究是国家能源安全的需要。是建立资源节约型、环境友好型社会，实现可持续发展和和谐社会的需要。钢铁工业快速发展,2011年钢铁厂总数已超1800余家,产能达6.835亿吨/年。由于原、燃料涨价，制造成本压力越来越大，工厂对高效换热技术引起普遍关注，纷纷采用,节能潜力巨大。高效换热技术系一门特殊的“交叉学科”;涉及到能源、燃气、燃烧、工程热物理、冶炼工艺、耐火材料等专业。这种技术也是一种热工设备的组合，它具有较高的灵活性。煤气及高效换热技术已经应用到所有钢铁生产工序。要很好的解决高效换热技术中燃烧——流动——传热三大问题。企业渴望应用节能降耗的新工艺、新技术、新材料，以解决低风温炉子为重点,获得可观的经济效益。高效换热技术的基础研究与应用研究相结合发展迅猛，大型化、多样化、高效化，大大缩小了我们与世界先进水平的差距。设计、施工、生产、管理等部门选择高效换热技术和建立生态与绿色炉窑成为首选。2.能源综合利用应用的新趋势2.1焦炉煤气将有更宝贵的用途和价值焦炉煤气化学成分：H250%～60%；CH425%～27%；CO6%～7%；恰恰H2、CH4、CO是宝贵的化工原料。化工合成工业中，H2一般由天然气、石油液化气、重油及煤炭转化得到，设备投资大。采用变压吸附技术（即PSA），分离H2、CH4、CO等工艺简单、技术成熟、投资少。分离出的H2一部分可以作为冷轧薄板光亮退火的还原性保护气体。分离出的H2、CH4、CO可以作为生产甲醇30万t/年、或生产二甲醚20万t/年、或生产合成氨16万t/年、或生产尿素49万t/年。2.2混合煤气的使用价值将越来越小高焦混合煤气、发焦混合煤气、高天混合煤气等需投资专用的混合设备,输送设备和储存设备。高炉煤气（双预热）、焦炉煤气（单预热）采用蓄热式燃烧技术后的节能潜力均较大，并且其热值稳定性好、安全性好、燃烧温度的可控性也好。混合煤气采用空气单预热蓄热式燃烧技术后，燃烧温度可控性、安全性能满足工艺要求，但其节能率比单独使用高炉煤气、焦炉煤气低10%以上。混合煤气采用空、煤气双预热蓄热式燃烧技术后，虽然其节能率与单独使用高炉煤气、焦炉煤气相当，但由于其热值的稳定性差及焦油、硫等杂质对系统的影响大，导致系统的运行稳定性较差，燃烧温度的可控性差，随之导致安全性也差，维修成本也高。（但如果热值稳定，焦油、硫等杂质很低，做双预热混合煤气方案是可行的）2.3高炉煤气的回收应用将受到钢铁企业的各方面广泛应用高炉煤气直接用于加热炉的总效率为70%～90%。高炉煤气用于锅炉发电的总效率为30%～45%。高炉煤气用于锅炉发电的投资大于用于加热炉的投资。2.4蓄热式高温空气燃烧技术给冶金企业能源结构带来的变化随着蓄热式燃烧技术在中国钢铁工业的全面推广,将给中国乃至国际钢铁企业带来以下变化：①高炉煤气在很多加热设备上已完全能替代高热值燃料，高炉煤气的利用价值将会越来越受到企业的重视。②高炉煤气锅炉发电和用于产生混合煤气，将不是回收高炉煤气的最佳方案。③混合煤气存在和使用的价值将越来越小。④钢铁行业利用电来作为加热、保温等补充热能的手段，其生产成本将会越来越高。高温空气燃烧技术必然将改变钢铁企业能源结构。高温空气燃烧技术（HighTemperatureAirCombustion(HTAC)）是二十世纪九十年代开发成功的一项燃料燃烧领域中的新技术。HTAC包括两项基本技术手段：一是燃烧产物显热最大限度回收（或称极限回收）；二是燃料在低氧气氛下燃烧。燃料在高温下和低氧空气燃烧，燃烧和体系内的热工条件与传统的（空气为常温或低于600℃以下，含氧≥21%）燃烧过程有明显区别。这项技术将对世界各国以燃烧为基础的能源转换技术带来变革性的发展。3.燃烧介质预热的理论基础高炉炼铁使用高风温是当今世界炼铁技术发展的方向。高风温是强化高炉冶炼、降低焦比、增加产量的有效措施。热风温度每提高100℃可降低焦比20-25kg/t铁，同时可增产3％～5％，还可允许增加喷吹煤粉40kg/t铁，或增加喷吹重油25kg/t铁，相应地进一步降低焦比。根据能量平衡原理，在不借助富化煤气来提高其热值的条件下，欲获得1200℃以上的高风温，预热燃烧介质，提高燃烧介质的温度，进而提高理论燃烧温度是获得高风温的有效方法。由理论燃烧温度定义式可知，在QDW一定的情况下，煤气的物理热Qg，空气的物理热Qa与理论燃烧温度Tf均成正比。因此，把常温下的助燃空气和煤气预热，使Qg、Qa增加，无疑会提高Tf。Tf的高低决定了热风温度的高低。提高Qa、Qg的影响：提高Qa的影响：一般来说，对于热值在3700kJ/m3高炉煤气燃烧时，助燃空气温度提高100℃，约提高理论燃烧温度35℃。若将理论燃烧温度由1350℃提高到1500-1600℃，则需将助燃空气温度预热到700-800℃。提高Qg的影响：预热煤气的效果要优于预热助燃空气，这是由于煤气的体积大于助燃空气的体积，即空气与煤气之比小于1。同样，要使Tf提高到1600℃，将煤气预热到600℃就可以了。每提高100℃煤气温度，理论燃烧温度Tf可以提高48℃。对于发热值为3000kJ/m3的高炉煤气，其温度每升高1℃，将吸热1.4512kJ/m3，而燃烧该热值的1m3高炉煤气所需要的空气量仅吸热0.8306kJ/m3。在这种情况下，高炉煤气温度升高到250℃，会使理论燃烧温度升高130℃，而助燃空气温度升高到250℃，理论燃烧温度仅升高73℃。助燃空气和煤气双预热：助燃空气和煤气两者都预热时，提高理论燃烧温度的效果为两者分别效果之和。当燃烧高炉煤气时，若将空气过剩系数n从1.10降为1.05，tf还将提高约20℃。高炉煤气转炉和煤气的燃烧温度特性分别如表1和表2。表1高炉煤气的燃烧温度特性高炉煤气温度/℃205001000205001000空气预热温度/℃202020100010001000火焰最高温度/℃96511451353130014401650表2转炉煤气的燃烧温度特性高炉煤气温度/℃2020500500201000空气预热温度/℃205002050010001000理论燃烧温度/℃166518801830203521202440火焰最高温度/℃1165131512801425148517084.高温空气燃烧技术在获得高风温方面应用4.1利用低热值煤气获得高风温的工艺方法利用低热值煤气获得高风温的工艺方法：(1)高炉煤气富化法；(2)金属换热器法；(3)自身预热法；(4)富氧助燃法；(5)掺入热风法；(6)辅助热风炉法等。其中最具典型意义的金属换热器法、热风炉自身预热法和辅助热风炉法基本上代表了当今高温空气燃烧技术在利用低热值煤气获得高风温方面的发展新趋势。4.2附加加热换热系统--金属换热器法应用良好附加加热换热系统(AdditionalPreheatingHeat-exchangeSystem)由德国迪林根(Dilingen)罗尔5号高炉(2220m3)采用这种工艺技术。在罗尔5号高炉采用的附加加热换热系统中，建有两台金属换热器、一座燃烧炉，利用循环的废气可将助燃空气预热到500℃，同时把煤气预热到250℃，用单一的低热值（3000kJ/m3)高炉煤气可把风温提高到1285℃。这种金属换热器法是一种热工设备的组合，具有较高的灵活性，独立于热风炉而存在，可以根据高炉状态的变化灵活地调节空气和煤气的预热温度，从而提高或降低热风温度，减少或增加预热空气和煤气量。实用新型专利“带有附加燃烧炉的热风炉预热装置”(专利号ZL96225818.0)在鞍钢11号高炉(2580m3)、邯钢1#、3#、6#，山西临汾、太钢3#、4#，山东淄博、青钢3#、4#、宝钢梅山2#(1280m3)、辽宁北台等厂都先后应用此工艺技术，效果显著。4.3高炉热风炉自身预热法发展成熟高炉热风炉自身预热法(self-preheatingprocess)是我国首创。到目前为止，还没有检索到国外的有关文献。该工艺方法于1966年7月在我国山东济南铁厂3号高炉（100m3）由吕鲁平首先采用，并获得国家发明专利。发明至今，已走过整整40年不平凡的历程。大体上可划分为三个阶段：（1）发明、原始创新阶段；（2）理论探索、改进阶段；（3）工艺改进、大高炉应用阶段。这期间不少炼铁、热工科技人员进行了大量研究。鞍钢先后在2座2580m3高炉上，10号（1994年）和7号（2002年）都应用这种具有自主知识产权的热风炉自身预热工艺技术。随着这一技术的发展与应用，相应的理论探索也取得了重要进展。通过计算机数值模拟，验证了这一技术独特的优越性和耐火材料的合理性4.4辅助热风炉法发展方兴未艾用两座辅助小型热风炉，燃烧过剩的高炉煤气，交替预热大热风炉的助燃空气，经调温后供大热风炉燃烧用。大幅度提高助燃空气物理热，实现1200℃以上高风温。此工艺技术可节省大量的高热值煤气，多利用高炉煤气，经济效益显著。首钢和鞍钢的两座3200m3高炉采用这种辅助热风炉法。济钢在2005年2#高炉（350m3）上应用了高温空气燃烧技术，即纯烧高炉煤气用蓄热式热风炉预热助燃空气。该技术利用“搭梯子”的方法新建了两台用于高温空气燃烧的小型热风炉。2005年8～9月份，该预热系统进行了试运行，煤气温度可以预热到200℃；小型热风炉炉内温度达到900℃；助燃空气温度达到400℃。用于助燃空气预热的小型热风炉在操作中实现了自动化控制，运行证明完全能够满足燃烧送风自动切换和根据设定温度自动调节的要求。德国和日本某些高炉也曾用蓄热式热风炉来预热助燃空气。以上几种工艺技术在理论上具有如下创新点：(1)破除了低温余热回收传统观念，大幅度地提高燃烧介质预热温度。虽然在系统中增加了一定的能量和投资，但综合分析总能耗和效益的关系，产出远远大于投入。(2)以利用劣质燃料为基本点，经工艺转化后以低价值的高炉煤气获取高价值的高温热量。节省昂贵的高热值煤气供给更急需的部门，达到能源合理配置，创造更大的经济效益和社会效益，是“资源节约型”工艺技术。(3)燃烧介质预热后带入的物理热比同样数量的化学热更有用。这是因为燃烧介质预热后烟气温度下降，热效率提高，或者烟气带走的热量与不预热时相同，回收的热量更有价值。(4)预热燃烧介质不仅可以节约燃料，而且还可以提高燃烧温度和改善燃烧过程。4.5高炉热风炉（蓄热式加热炉）预热油页岩油气蓄热式加热炉（热风炉）是冶金、化工、机械、食品、造纸等行业的重要热工设备，是通过不断地进行燃料在燃烧室中的燃烧过程，以及烟气与冷风在蓄热室中的传热过程来为加热设备提供高温的热风。基于不同行业的特点，对热风的种类及要求是不同的，但稳定而持续地满足工艺需要的热风温度是对蓄热式加热炉的一致要求。此外，环保节能也正在成为蓄热式加热炉设计所必须重点考虑的问题。因此，在用户选定炉型结构与提出风温要求的前提下，设计出能实现高强度燃烧与绿高效率传热相结合的、适应负荷变化而性能可控的、结构稳定而性能优化的蓄热式加热炉，就是蓄热式加热炉设计的重要原则。油页岩（又称油母页岩）是一种高灰分的含可燃有机质的沉积岩，它和