热风炉富氧燃烧技术的开发和应用

烟台九州燃油燃气节能科技有限公司：中国富氧燃烧节能领域先行者磁法富氧：中国富氧燃烧节能领域的最新技术热风炉富氧燃烧技术的开发与应用杨福隆1，王连杰1，栾吉益1，高新运1，邵登山2（1济南钢铁股份有限公司第一炼铁厂，山东济南250101；2济南乾能科技有限公司，山东济南250101）摘要：通过对制造富氧空气的几种方法的比较，将膜法富氧技术应用于热风炉，开发了富氧燃烧技术。试验表明，热风炉使用膜法富氧技术将助燃空气含氧量提高到24％左右时，实际可提高风温近40℃。关键词：热风炉；富氧燃烧技术；膜法富氧；热风温度中图分类号：TF544文献标识码：A文章编号：1004-4620（2005）05-0008-03DevelopmentofOxygen-enrichedCombustionTechnologyinHotBlastStoveandItsApplicationYANGFu-long1，WANGLian-jie1，LUANJi-yi1，GAOXin-yun1，SHAODeng-shan2（1NO.1IronmakingPlantofJinanIronandSteelCo.,Ltd.,Jinan250101，China；2JinanQiannengScienceandTechnologyLtd.,Jinan250101,China）Abstract:Comparingfourmethodsofmakingoxygen-enrichedair,osmoticmembraneandoxygen-enrichedtechnologyisusedinhotblaststove,developingtheenriched-oxygenburningtechnology.Experimentsshowthatwhentheoxygencontentofaircanbeincreasedto24%withtheosmoticmembraneandenriched-oxygentechnology,theblasttemperatureisincreasedbyabout40℃.Keywords:hotblaststove;oxygen-enrichedburningtechnology;osmoticmembraneandoxygen-enriched;blasttemperature1前言热风温度是高炉的一项重要技术经济指标，体现了一座高炉的生产和管理水平，也是我国高炉炼铁技术与国外先进水平差距最大的地方。国外先进水平的风温已经达到1300℃，国内风温先进水平也已经达到1250℃，但中小高炉风温水平仍然在1200℃以下。经验数据表明：热风温度每提高100℃，可降低焦比烟台九州燃油燃气节能科技有限公司：中国富氧燃烧节能领域先行者磁法富氧：中国富氧燃烧节能领域的最新技术25kg/t，提高产量3%～4%。济南钢铁股份有限公司第一炼铁厂（简称济钢第一炼铁厂）现有的热风炉为顶燃式和内燃式两种，近年来通过热风炉系统改造、煤气系统净化脱水以及配加焦炉煤气等措施，使风温水平逐渐提高。但是与国内先进企业相比，差距仍然较大，而且随着济钢燃气发电的投产，热风炉烧炉将取消配加焦炉煤气，风温将大大降低。为了进一步提高热风温度，开发应用了热风炉富氧燃烧技术，利用膜法富氧产生的富氧空气作为助燃风进行烧炉。实践证明，这项技术的开发应用，有效地提高了风温，为热风炉不用焦炉煤气而提供较高风温探索出一条新的途径。2富氧方法的选择通常，热风炉采用助燃空气燃烧高炉煤气进行烧炉，所以提高空气中的氧含量，有利于煤气燃烧完全，因空气只是助燃，所以低纯度的氧就能满足要求。而工业上制取富氧空气的主要方法有深冷分离法、变压吸附法和膜渗透法等[1，2]。深冷分离法是将空气经压缩机压缩后，在可逆式换热器中进行换热冷却，除去水分和二氧化碳，仅含氧、氮的近于液化的空气再进入分离塔，最终在分离塔顶部产生较高纯度的氮气，底部产生较高纯度的氧气。这种方法工艺技术成熟，设备运行可靠，制氧能力大，纯度高，但设备占地大，投资高，电耗高，操作复杂。变压吸附的原理是利用分子筛在常温下处于不同压力工况时，对不同气体组分具有不同吸附能力的特性，选择性吸附空气中的氮气而获得纯氧，在较低压力下，分子筛可以解吸而再生。这种方法属于常温工艺流程，设备占地面积少，启动时间较短，操作简单，电耗低，没有液体和稀有产品，可以获得93％左右的氧气。膜渗透法就是利用有机高分子薄膜对空气中的氧气和氮气具有不同程度的渗透能力的特性，在一定压力差的驱动下，完成氮气和氧气的分离，制造富氧空气。同其他方法相比，膜渗透法具有设备简单，投资少，操作方便、安全、启动快，不污染环境，节能效果明显，用途广泛等特点，具有显著的经济效益和社会效益。各种制氧方法的经济效果比较见表1。烟台九州燃油燃气节能科技有限公司：中国富氧燃烧节能领域先行者磁法富氧：中国富氧燃烧节能领域的最新技术表1各种制氧方法的比较项目深冷法（高纯）深冷法（低纯）变压吸附法膜渗透法产量/m3﹒h-150～1000001000～10000050～4000＞1000纯度/%99.695.093.040.0压力/MPa0.02～0.500.02～0.500.010.01电耗/kW.h.m-30.80～0.450.60～0.40＜0.40＜0.40启动时间/h30280.20.1产品成本中略低低最低设备投资高略低略低低综合利用有其它产品无无无操作性复杂较复杂简单简单设备占地大大中中通过各种方法的比较，选择膜渗透法来获得富氧空气，用于热风炉富氧燃烧。相关数据表明：助燃风氧浓度提高1％，热风温度可提高20℃。3膜法富氧的装置及工艺流程膜法富氧的装置由空气过滤器、增压风机、膜法富氧发生器、水环式真空泵、气水分离器等组成，工艺流程见图1。增压风机将通过过滤的正常含氧量空气送入膜装置一端，真空泵从膜装置另一端吸出富氧空气，通过分离器，脱水、稳压后，送至热风炉助燃风机吸风口，与助燃风混合后可为热风炉燃烧提供含氧量为23.8%～25%的富氧空气。膜法富氧首先在5＃高炉热风炉投入使用,采用了两套完全相同的系统，可以并联使用，也可以根据热风炉燃烧情况单套运行。膜法富氧可以作为独立的系统运行，产生的富氧空气通过管道连接到助燃风机吸风口，混合后进行富氧烧炉。烧炉操作简单，没有特殊的工艺要求。烟台九州燃油燃气节能科技有限公司：中国富氧燃烧节能领域先行者磁法富氧：中国富氧燃烧节能领域的最新技术图1膜法富氧工艺流程4膜法富氧技术应用及效果分析4.1调试运行膜法富氧装置于2003年12月30日在济钢第一炼铁厂5＃高炉热风炉安装完毕，2004年1月至3月期间进行了调试和试运行。试运行期间发现富氧空气最大产生量只有6200m3/h,未达到技术要求，并且含水量较大。针对这两个问题，立即进行整改，将膜组件进行扩容，增加了丝网脱水器。整改后于4月份又进行了试运行,富氧空气产生量最大达到了7750m3/h,机组出口处最大含氧浓度达到30.9％,与热风炉助燃空气混合后含氧浓度达到24％左右,完全达到了技术要求。2004年调试运行期间统计数据见表2。表22004年1～4月膜法富氧调试运行数据%日期富氧流量/m3﹒h-1富氧浓度/%混合富氧浓度/%日期富氧流量/m3﹒h-1富氧浓度/%混合富氧浓度/%01-0301-0401-0503-0303-0403-0603-0903-1003-1152005220520053005180560054005500620030.130.330.229.729.931.530.630.231.123.323.223.523.523.623.223.523.423.604-0404-0204-0304-0404-0504-0604-0704-0804-0962006570652066157612760577107735775029.930.230.530.830.330.730.230.630.923.924.124.123.923.823.923.924.023.94.2效果分析为了充分验证膜法富氧的效果，进行了两次对比试验，试验期间热风炉停止配加焦炉煤气，利用膜法富氧和高炉煤气烧炉。第一次试验从2004年4月5日到4月10日。试验分两个阶段：第一阶段自4月5日11:00到4月10日8:40，热风炉利用富氧空气和高炉煤气烧炉；第二阶段自10日的8：40到21：00，停膜法富氧，只用高炉煤气配助燃空气烧炉。烟台九州燃油燃气节能科技有限公司：中国富氧燃烧节能领域先行者磁法富氧：中国富氧燃烧节能领域的最新技术整个试验过程中，热风炉的平均炉顶温度变化见图2，高炉热风温度变化见图3，从图中可以明显地看出应用膜法富氧前后炉顶温度及热风温度的变化趋势。图2第一次试验炉顶温度变化情况图3第一次试验热风温度变化情况在分析数据的过程中，考虑到热风炉的热基础及热惯性，去除了停焦炉煤气后3h和停膜法富氧后3h的热风温度。第一阶段热风炉平均炉顶温度1308℃，高炉平均风温1104.9℃；第二阶段，热风炉平均炉顶温度1282℃，高炉平均风温1067.5℃。两个阶段的风温相差37.4℃，也就是说，热风炉使用膜法富氧技术进行富氧烧炉，在单烧高炉煤气的情况下可提高风温37.4℃。由于受炉况的影响，试验的第二阶段时间相对较短，为了进一步验证膜法富氧的效果，7月5日至7月7日又进行了第二次试验。试验同样分为两个阶段，首先停用焦炉煤气，从5日的11：00至6日的9：30为第一阶段；从6日的9：30至7日的11：00为第二阶段。整个试验过程中的热风温度变化见图4。第一阶段高炉平均风温1088.8℃；第二阶段高炉平均风温1052℃，两者相差36.8℃。两个阶段的风温变化对比见图5。烟台九州燃油燃气节能科技有限公司：中国富氧燃烧节能领域先行者磁法富氧：中国富氧燃烧节能领域的最新技术图4第二次试验热风温度变化情况10001040108011201357911131517192123时间/h温度/℃膜法富氧无富氧图5第二次试验热风温度比较第二次试验时，由于设备原因，未使用空气和煤气双预热，助燃空气和煤气的温度在30℃左右；而第一次试验过程中，预热空气和煤气的平均温度分别为109℃和116℃，整个过程的变化见图6。所以，第二次试验中两个阶段的平均风温较第一次试验均有所下降。801001201405日6日7日8日9日10日时间温度/℃预热空气温度预热煤气温度图6第一次试验预热空气和煤气温度变化情况两次试验过程中，或高炉炉况原因，或是设备原因，使得试验未能严格按照计划进行。因为高炉对风温的需求，试验时间也相对较短，但两次试验结果其提高风温的值仅相差0.6℃，这就充分证明，两次试验的验证是成功的，是有说服力的。也就是说，热风炉使用膜法富氧技术将助燃空气含氧量提高到24％左右时，实际可提高风温近40℃。烟台九州燃油燃气节能科技有限公司：中国富氧燃烧节能领域先行者磁法富氧：中国富氧燃烧节能领域的最新技术如果按每提高100℃风温可降低焦比25kg/t，提高产量3.5%，按照济钢第一炼铁厂二季度生产指标(平均日产铁1260t)计算，应用该项技术可以降低焦比近10kg/t,平均日增产近18t,年效益达800万元。5结论5.1膜法富氧技术应用于热风炉烧炉，是一种由燃烧富化（焦炉）煤气改为单烧高炉煤气的节能工艺，达到了采用低热值高炉煤气获取较高风温的目的，为高炉提高风温探索出了一条新途径。5.2应用膜法富氧技术，产生的富氧空气浓度在30％左右，流量达到7800m3/h以上，与热风炉助燃空气混合后富氧浓度接近24％。5.3膜法富氧系统在5﹟高炉投用以来，运行效果良好，实践证明，以此富氧空气配合高炉煤气烧炉，可以有效地提高热风温度近40℃，增产节焦效益显著。目前，正在向其它高炉推广应用。参考文献：