高炉热风炉烟气余热回收技术-安徽工业大学-许永贵

高炉热风炉烟气余热回收技术安徽工业大学冶金与资源学院江苏中天能源设备有限公司江西凯斯通环保设备有限公司许永贵一、热风炉烟气余热数量分析二、传统的热风炉烟气余热回收技术三、用热管技术提高高炉鼓风温度的局限性及对策探讨四、全烧高炉煤气实现1250℃送风温度的两种工艺系统五、国内几种实现1250℃送风温度的技术六、“前置炉+空气扰流子换热器+空气、煤气热管换热器”技术的应用根据王维兴“2009年国内外炼铁技术进展评述”一文介绍，目前，我国拥有1350座高炉，大于1000ｍ3以上容积的高炉200座：其中5000ｍ3级高炉有2座，3200ｍ3级高炉有16座，2500～2800ｍ3级高炉有42座。为了便于说明问题，对于不同炉容的高炉，均假定其煤气的低热值为3150KJ/Nm3，煤气初始温度为40℃，空气系数α=1.10，热风炉烟气温度为250～350℃，平均按300℃计算。表1列出了不同炉容高炉热风炉烟气余热数量。表1不同炉容高炉热风炉烟气余热数量各种热工参数高炉炉容m3450100012502000250032004747热风炉煤气消耗量Nm3/h55000100000115000155000200000240000300000热风炉煤气低热值Kｊ/Nm33150315031503150315031503150热风炉空气消耗量Nm3/h362096583575710102044131670158004197505热风炉烟气温度℃250～350250～350250～350250～350250～350250～350250～350热风炉烟气平均温度℃300300300300300300300热风炉烟气量Nm3/h84362153385176393237747306770368124460155烟气余热折合成煤气量Nm3/h11642211672434232809423205080163501烟气余热占热风炉煤气耗量的比例%21.16721.16721.16721.16721.16721.16721.167二、传统的热风炉烟气余热回收技术北科大杨天均教授的文章介绍，热风炉烟道废气余热利用进行双预热的技术大有发展前途。目前热风炉烟道废气余热回收应用于两个方面：作为喷煤制粉系统的干燥介质和输送载体物，也可用作预热煤气和助燃空气。作为制粉系统的干燥介质已广泛采用，节约制粉系统燃烧炉的煤气量，降低了制粉能耗。在烟道设置换热器预热煤气和助燃空气尚未普及。实际上，在20世纪80年代开始，用热管技术回收热风炉烟气余热，以预热煤气和助燃空气且取得了显著的效果。此后，热管换热器在高炉热风炉领域获得了广泛推广应用。但是人们对热管换热器的应用有一个认识过程，而热管技术本身也有一个发展过程。出于安全性考虑，早期,分体式热管换热器得到了较普遍应用，随着时间推移，整体式热管换热器技术不断成熟，尤其是冷、热流体之间的中隔板密封技术得到解决，并且人们认识到分体式热管换热器的诸多缺点，因而整体式热管换热器得到普遍推广应用。图1分体式热管换热器图2整体式热管换热器与整体式热管换热器比较，分体式热管换热器存在如下缺点：换热效率比较低。约低20%设备重量大。约大20～25%占地面积大。投资大。约大20%以上现场施工难度大寿命低。最佳3～4年寿命，而整体式热管换热器10年以上。三、用热管技术提高高炉鼓风温度的局限性及对策探讨提高高炉的鼓风温度是高炉增产、降耗、增效的一项有力的技术途径。目前，世界上正在研究实现高鼓风温度的新技术，诸如蓄热式燃烧技术、高热值燃料加纯氧燃烧技术、风口前电磁加热鼓风技术以及热富氧鼓风技术等，但这些技术尚处于研究开发以及工业实验阶段。国外高炉的鼓风温度一般都在1250℃以上。我国宝钢4350m3高炉鼓风温度达到了1250℃。这主要依靠三方面的措施：（1）采用热管换热器实现热风炉烧炉煤气和助燃空气双预热；（2）掺烧了焦炉煤气；（3）助燃空气富氧。国内其它大、中型高炉的鼓风温度大多维持在1100~1150℃左右，而小型高炉大多数处在1050℃左右的水平。目前国内外的热风炉操作一般都把热风炉拱顶温度控制在不超过1400℃的水平上，以尽可能减少NOx和SOx的生成量。这一拱顶温度保证高炉长期的送风温度1250℃是可行的。因此许多专家认为，我国高炉热风炉的风温目标确定为1250℃是合理的，它既反映了当今国内外热风炉的技术水平，又是我们现在经过力创造条件能够到达的。但是高炉煤气及助燃空气的预热温度tg、tk本身受到热风炉排烟温度及热管工作温度的限制，一般情况下，tg、tk只能达200～220℃左右的水平。显然，在上述两种制约条件下，高炉煤气的理论燃烧温度t理不会高于1450℃。换句话说，仅仅依靠热管换热器预热高炉煤气和助燃空气，最佳情况下可使高炉鼓风温度突破1100℃大关，甚至达到1150℃水平，但要实现1200～1250℃的高鼓风温度目标，不采用其它技术手段是不可能的。为此，本人早在2000年就提出了对策，即提出了“全烧高炉煤气实现1250℃鼓风温度”的“高炉高风温的组合预热系统”。四、全烧高炉煤气实现1250℃送风温度的两种工艺系统在全烧高炉煤气并且煤气不富化、助燃空气不富氧的条件下,采用两种组合预热工艺系统,可以使大、中、小型的高炉热风炉实现1250℃以上的送风温度,从而取得显著的经济效益及社会效益。1.理论依据一般来说，热风炉的拱顶温度要高于高炉鼓风温度80～150℃，而热风炉的炉温系数ξ是0.92～0.98,也即高炉煤气的理论燃烧温度t理乘以炉温系数ξ,就为拱顶温度。如果从最保守的角度考虑,取拱顶温度与高炉鼓风温度之差为150℃,热风炉的炉温系数取0.92,那么热风炉要实现1250℃的送风温度,高炉煤气的理论燃烧温度必须达到1522℃以上。式（1）给出了煤气的理论燃烧温度t理的计算方法：t理＝〔Qd＋Cpg×tg＋Cpk×Ln×tk〕/Vy×Cpy(1)式中:Qd—高炉煤气的低热值，Kj/Nm3tg、tk—煤气及空气的预热温度，℃；Cpg、Cpk、Cpy—分别为煤气、空气、烟气的比热，Kj/Nm3·℃；Ln—实际空气量，Nm3/Nm3；Vy—燃烧产物的体积量，Nm3/Nm3。由式(1)可知,要提高高炉煤气的理论燃烧温度,不可能依赖于提高高炉煤气的低热值Qd,因为随着炼铁焦比的降低，高炉煤气的低热值Qd也大大降低。因而只有依赖于提高助燃空气的预热温度tk和煤气的预热温度tg。作者认为,出于安全考虑,高炉煤气不宜预热到太高的温度,一般以200℃为宜。而助燃空气则可以在所用材质允许范围内被预热到高于400℃以上的温度。理论计算表明,当Qd=3150KJ/Nm3,高炉煤气预热温度tg=200℃,而助燃空气预热温度tk=355℃时,可保证高炉获得1250℃的鼓风温度。2.空气两次预热、煤气一次预热的组合预热系统燃烧参数高炉煤气的低发热值,QdKj/Nm33450335032503150305029502850空气系数α1.101.101.101.101.101.101.10单位助燃空气量LnNm3/Nm30.7210.7000.6790.6580.6370.6170.596实际燃烧产物量VnNm3/Nm31.58761.56971.55181.53391.51601.49811.4802煤气一次预热温度Tg2℃170200200200200200200空气一次预热温度Tk2℃204223200200200200200空气二次预热温度Tk3℃00288355425497570煤气理论燃烧温度t理℃1522152215221522152215221522热风炉炉顶温度td℃1400140014001400140014001400热风炉送风温度ts℃1250125012501250125012501250表2空气两次预热、煤气一次预热系统的送风温度3.空气两次预热、煤气不预热的组合预热系统燃烧参数高炉煤气的低发热值,QdKj/Nm33450335032503150305029502850空气系数α1.101.101.101.101.101.101.10助燃空气量LnNm3/Nm30.7210.7000.6790.6580.6370.6170.596燃烧产物量VnNm3/Nm31.5881.56971.55181.53391.5161.49811.4802干煤气温度Tg2℃80/15080/15080/15080/15080/15080/15080/150空气一次预热温度Tk2℃200200200200200200200空气二次预热温度Tk3℃330/233393/296458/362526/429596/499671/574749/648煤气理论燃烧温度t理℃1522152215221522152215221522热风炉炉顶温度td℃1400140014001400140014001400热风炉送风温度ts℃1250125012501250125012501250表3空气两次预热、煤气不预系统的送风温度五、国内几种实现1250℃送风温度的技术1.采用富氧鼓风、富化高炉煤气及煤气空气双预热技术高炉富氧鼓风或热风炉掺烧部分高热值煤气，提高热风炉燃烧的化学热。高炉富氧鼓风不仅可以强化燃烧，提高燃烧带的温度，提高喷煤量，而且可以提高煤气热值。一般提高l％富氧率大约可提高煤气发热值146kJ／m3左右。转炉吨钢煤气产生量约80Nm3／t，发热值约7500kJ／Nm3。如果把回收的转炉煤气供热风炉使用，其热值大约可提高到3400kJ／Nm3以上。•这种方法可靠，其寿命取决于换热器寿命•生产成本高、多数企业不具备条件•高热值煤气受外部条件制约2.采用“两座预热炉（小热风炉）+1座混风炉”技术首钢京唐公司1#高炉（5500ｍ3）采用这种技术实现了1300℃的送风温度。•这种技术稳妥、可靠、预热炉寿命长。•设备投资大、占地面积大•能源消耗量大•烟气余热未完全回收利用3.采用“前置燃烧炉+空气、煤气管式换热器”技术这种技术缺点较多：•使用老式的管式换热器，由于其综合传热系数低，所以设备体积大、金属耗量大。•烟气余热未得到充分回收利用•附加的高炉煤气消耗量大、不但不节能，反而增加能耗•空气、煤气流动阻力大•设备工艺布置的某些不合理性•煤气管式换热器存在使用可靠性、安全性隐患。取某厂1250ｍ3高炉同样的基本条件进行计算。我们的技术系统称之为A系统，将该技术称之为B系统比较如下:表4两种技术计算的基本数据序号参数名称单位A系统B系统1煤气低发热值QdKj/Nm3315031502热风炉煤气耗量VgNm3/h1100001100003空气消耗系数α1.11.14助燃空气量VkNm3/h72419724195热风炉烟气温度℃3203206煤气初始温度tg1℃80807煤气预热温度tg2℃1852508空气初始温度tk1℃20209空气预热温度tk2℃40030010高炉送风温度Tr℃1257.61257.6表5A、B两种系统计算结果比较序号参数名称单位A系统B系统1B系统21煤气低发热值QdKj/Nm33150315031502热风炉煤气耗量VgNm3/h1100001100001100003助燃空气量VkNm3/h7241972419724194前置炉煤气消耗量Nm3/h920021422136005兑入到前置炉的热风炉烟气量Nm3/h313281679641061216需要从烟囱直接排走的烟气量Nm3/h0759626027热风炉排烟温度℃3203203208换热器后的终排烟温度℃1803001809高炉送风温度Tr℃1257.61257.61257.610前置炉尺寸(内径/外径×高)mmφ2375/φ3435×12466φ3113/φ4173×1412711前置炉耐材及钢材总重t耐材总重:163.19钢材总重:22.235耐材总重:216.74钢材总重:32.44耐材总重:181.0钢材总重:28.712煤气管式换热器重量t99.56131.013空气管式换热器重量※t74.393.