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1、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10003以上容积的高炉200座：其中50003级高炉有2座，32003级高炉有16座，250028003级高炉有4
2、2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=1.10，热风炉烟气温度为250350，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,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
3、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
4、重量大。约大2025% 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34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
5、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11001150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200220左右的水平。,显然，在上述
6、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12001250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
7、论依据 一般来说，热风炉的拱顶温度要高于高炉鼓风温度80150，而热风炉的炉温系数是0.920.98,也即高炉煤气的理论燃烧温度t理乘以炉温系数,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QdCp gtgCp kLntk/ VyC p y (1) 式中 : Qd 高炉煤气的低热值， Kj/ Nm3 tg 、tk 煤气及空气的预热温度， ； C p g 、C p k 、C p y 分别为煤气、空气、烟气
8、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Q d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=3150 KJ/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
9、温度。,2.空气两次预热、煤气一次预热的组合预热系统,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,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146kJm3左右。转炉吨钢煤气产生量约80Nm3t，发热值约7500kJNm3。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3
10、400kJNm3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（55003）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
11、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12503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,表5 A、B两种系统计算结果比较,注:A系统为空气扰流子换热器,B系统为管式换热器。,由上表看出,A系统与B系统相比较,有以下几点不同: (1) 我们有意降低B系统煤气的预热温度,即只预热到250的条件下,即或如此,B系统换热设备总重比A系统重了21.96t和82.4t。 (2)B系统1比A系统每小时多烧12222Nm3/h高炉煤气,则一年多烧107.065106Nm3高炉煤气,折合人民币642.39万
12、元。B系统2比A系统每小时多烧4400Nm3/h高炉煤气,则一年多烧38.54106Nm3高炉煤气,折合人民币231.264万元。,(3)B系统1换热器排烟温度还有300,也就是说热风炉烟气余热没有得到充分利用,白白浪费了可利用的余热资源。如果这些烟气再能从300降低到180并加以回收利用,则相当于每小时节约了11207Nm3/h高炉煤气,一年可节约98.17332106Nm3/h高炉煤气,折合人民币589.04万元。 B系统2换热器排烟温度也是180,和A系统一样。但是却有62602Nm3/h烟气直排烟囱,余热没有得到利用,白白浪费了可利用的余热资源。如果这些烟气再能从320降低到180并加
13、以回收利用,则相当于每小时节约了4080Nm3/h高炉煤气,一年可节约35.7408106Nm3/h高炉煤气,折合人民币214.445万元。 (4)B系统不但不节能,反而增加了能耗。,4.采用“前置燃烧炉+空气、煤气板式换热器”技术,板式换热器、扰流子换热器（或称带插入件的管式换热器）、热管换热器几乎同是在20世纪70年代末、80年代初问世的。热管换热器由于其独特的工作原理、高效传热性能、较宽的工作温度范围，而被广泛应用于炼铁高炉热风炉烟气余热回收；扰流子换热器（或称带插入件的管式换热器）也由于其传热效率大大高于老式的管式换热器以及它具有高达600800的工作温度范围，而被广泛应用于轧钢加热炉
14、烟气余热回收，以预热空气和煤气，并且可以使空气、煤气达到较高的预热温度；板式换热器由于其换热板是0.61.20厚度的不锈钢板（最厚1.2），两种流体分别从板的两侧面流过进行热交换，因此适用于低温流体传热，尤其是两种液体传热，所以多用在化工、食品、电力行业。用在高炉热风炉回收烟气余热或更高的工作温度范围，在国内尚未见报道。,采用“前置炉+板式换热器”技术与采用“前置炉+管式换热器”技术类似，具有如下缺点： 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 设备工艺布置的某些不合理性 煤气板式换热器存在使用可靠性、安全性隐患。 其重量要轻些，但因为用不锈钢板片，其价格要
15、比它们高得多 板片之间只有20间隙，表面呈波纹状，容易积灰，无法在线吹扫,5.带“前置炉（或称附加燃烧炉）的组合预热系统”节能判别指标 以如下三个基础条件为依据界定前置炉临界煤气消耗量： （1）在采用本组合预热系统之前，热风炉已经进行空气、煤气双预热并且平均风温已达t11150； （2）采用高风温组合预热系统后，平均风温为t21230； （3）每提高10风温，焦比降低1.85Kg/t。,GgGjbGd （1） Gg（24Vg1）/Gt （2） Gjb(（t2t1）/10)gjb2 （3） Gd24Wd3/ Gt （4） VgljGt(t2t1)gjb (2/2401)Wd(3/1 （5）,上述式中： Gt高炉日产生铁量 t/日 Gg吨铁前置炉煤气消耗量 ce/t gjb每提高10风温，焦炭降低数量。gjb=1.85 Kg/t Gjb吨铁降低焦炭数量 ce/t,Gd吨铁增加的电耗量 ce/t Wd组合预热系统增加的电功率 Kw 1、2、3分别为高炉煤气、焦炭、电折算成标准煤的系数。分别为0.10748、0.97、0.1229。 由式（5）可知前置炉煤气消耗量如果小于等式右边两项的差值，则组合预热系统就节能，反之则不节能。 根据上述各式，代入表5有
