熱風(fēng)爐余熱回收利用技術(shù)及裝置評(píng)述

甄常亮 程翠花  胡金波  閆寶忠

（河北鋼鐵集團(tuán)唐鋼公司 煉鐵部）

摘  要：熱風(fēng)爐煙氣余熱資源回收潛力巨大已成業(yè)內(nèi)共識(shí)，通過(guò)對(duì)目前該領(lǐng)域幾種應(yīng)用技術(shù)及裝置的闡述，為鋼鐵企業(yè)提高余能利用率，降耗煉鐵工序能耗提供參考。

關(guān)鍵詞：熱風(fēng)爐，余熱，回收利用

Review on technique and device of recycling

hot blast stove residual heat

Zhen Changliang，Cheng Cuihua，Hu Jinbo，Yan Baozhong

（Ironworks of Hebei Iron & Steel Group Tangshan Iron & Steel Group Co.,Ltd.）

Abstract：The huge potential for recovery of hot blast stove residual heat was accepted by metallurgy industry, several techniques and devices of recycling hot blast stove residual heat were shown separately in this paper, it can be considered as reference for improving residual heat utilization efficiency in iron and steel enterprises, and reducing the iron making process energy consumption.

Keywords：hot blast stove，residual heat，recycling

熱風(fēng)爐煙氣作為煉鐵工序重要的余熱資源，煙氣溫度通常在200-300℃，屬于低溫余熱資源，但由于煙氣流量大且連續(xù)穩(wěn)定，物理顯熱總量巨大[1-2]。經(jīng)測(cè)算，煉鐵系統(tǒng)熱風(fēng)爐廢氣余熱總量達(dá)到17.2kgce/t，若能實(shí)現(xiàn)充分回收利用，煉鐵工序能耗可降低約4%-5%。

因此，在能源形勢(shì)日益緊張的背景下，高爐熱風(fēng)爐余熱利用的意義尤顯重要。以下就當(dāng)前幾種熱風(fēng)爐煙氣余熱利用技術(shù)及裝置分別進(jìn)行闡述。

1 預(yù)熱助燃空氣和煤氣技術(shù)

通過(guò)不同形式換熱裝置回收熱風(fēng)爐煙氣余熱以預(yù)熱助燃空氣、煤氣是熱風(fēng)爐煙氣余熱回收利用的主要方式。該項(xiàng)技術(shù)目前廣泛應(yīng)用于冶金企業(yè)，已成為高爐節(jié)能降耗的重要手段。

式中，t理為理論燃燒溫度，℃； Q空、Q煤為分別為空氣、煤氣帶入物理熱，kJ/m3； Qdw為高爐煤氣低位發(fā)熱值，kJ/m3；V產(chǎn)為燃燒產(chǎn)物體積，m3；C產(chǎn)為燃燒產(chǎn)物熱焓，kJ/（m3·℃）。

由上述公式可以看出，單燒高爐煤氣時(shí)，提高理論燃燒溫度主要有兩種方法：1）通過(guò)混入焦?fàn)t煤氣等高熱值煤氣對(duì)高爐煤氣進(jìn)行富化燃燒，提高煤氣發(fā)熱值，適用于焦?fàn)t煤氣資源豐富的冶金企業(yè)。2）采用空氣煤氣雙預(yù)熱技術(shù)，在無(wú)預(yù)熱裝置時(shí)，Q空、Q煤兩項(xiàng)熱收入

基本可以忽略不計(jì)；而空氣、煤氣雙預(yù)熱到200℃時(shí)，理論燃燒溫度能提高約150℃。由此可見(jiàn)，空氣煤氣雙預(yù)熱技術(shù)可以有效提高理論燃燒溫度，具有廣泛的適用性。以下針對(duì)幾種常用預(yù)熱技術(shù)裝置及其運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)行舉例說(shuō)明。

1.1 熱管式換熱器

熱管是一種經(jīng)氣-液相變和循環(huán)流動(dòng)來(lái)傳遞熱量的高效傳熱元件，熱管式換熱器廣泛應(yīng)用于煙氣余熱回收領(lǐng)域，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占地小、安全穩(wěn)定、換熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，但易阻塞、運(yùn)行維護(hù)難度大。

鞍鋼1號(hào)高爐于2003年4月安裝分離式熱管換熱器[3]，無(wú)需增加外部熱源以及輔助動(dòng)力介質(zhì)消耗，利用熱風(fēng)爐廢煙氣余熱預(yù)熱空氣和煤氣，取得良好效果，最高風(fēng)溫曾達(dá)到1205℃，其工藝流程見(jiàn)圖1。

1.2 板式換熱器

板式換熱器是一種煙氣-空氣/煤氣直接換熱的換熱設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行維護(hù)方便、換熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，但也由于換熱面積增加，導(dǎo)致其設(shè)備體積較大。板式換熱器是煙氣和空氣/煤氣直接換熱，設(shè)備的密封效果直接關(guān)系系統(tǒng)運(yùn)行的安全，尤其是應(yīng)必須避免煙氣和煤氣的接觸導(dǎo)致燃爆事故。

在此基礎(chǔ)上，為一進(jìn)步提高換熱效果，附加燃燒爐的雙預(yù)熱技術(shù)在煉鐵領(lǐng)域得到了普遍應(yīng)用。即在熱風(fēng)爐和助燃空氣之間，增設(shè)專(zhuān)門(mén)的燃燒爐和引風(fēng)機(jī)，利用燃燒爐產(chǎn)生的高溫?zé)煔夂蜔犸L(fēng)爐煙道廢氣混合，強(qiáng)化助燃空氣的預(yù)熱效果。

湘鋼2010年月3投產(chǎn)的2號(hào)高爐，為解決沒(méi)有焦?fàn)t煤氣使用條件下的高風(fēng)溫問(wèn)題，在全國(guó)同類(lèi)型高爐中，首次采用燃燒爐+全焊接波紋板式預(yù)熱器系統(tǒng)，預(yù)熱煤氣和助燃空氣[4]。其工藝流程布置如圖2所示。

空氣、煤氣雙預(yù)熱技術(shù)目前廣泛應(yīng)用于冶金行業(yè)，可以利用大部分熱風(fēng)爐煙氣余熱（約占80%以上）。但隨著高爐煉鐵技術(shù)的不斷進(jìn)步，燃料比、高爐煤氣熱值呈現(xiàn)不斷降低的趨勢(shì)，加之熱風(fēng)爐排煙溫度限制，單燒高爐煤氣的前提下，空-煤氣雙預(yù)熱技術(shù)對(duì)理論燃燒溫度的提升幅度有限。因此，若要進(jìn)一步提高理論燃燒溫度，需要借助其它技術(shù)手段。

2 焦炭預(yù)熱干燥技術(shù)

山鋼股份萊蕪分公司[5]煉鐵廠針對(duì)外購(gòu)焦炭質(zhì)量不穩(wěn)定、水分波動(dòng)大、影響高爐爐況順行等問(wèn)題，設(shè)計(jì)并應(yīng)用熱風(fēng)爐廢氣預(yù)熱干燥焦炭系統(tǒng)：包括防爆型引風(fēng)機(jī)、配套管道及閥門(mén)、測(cè)溫?zé)犭娕�、焦倉(cāng)、防爆型軸流風(fēng)機(jī)等組成。

該項(xiàng)技術(shù)考慮焦倉(cāng)上方因進(jìn)料無(wú)法密封，需在每個(gè)焦倉(cāng)上方安裝排煙氣管道，排氣管內(nèi)安裝防爆型管道式軸流風(fēng)機(jī)（流量25000 Nm3/h）將煙氣抽出，可保證焦炭上料小車(chē)皮帶處為負(fù)壓，減少含CO 煙氣的排出概率。為確�，F(xiàn)場(chǎng)安全，防止煤氣中毒事件發(fā)生，在焦倉(cāng)上方安裝固定式煤氣報(bào)警儀。焦炭預(yù)熱干燥技術(shù)改造后工藝流程見(jiàn)圖3。

為確保安全，張店鋼鐵煉鐵廠[6]在風(fēng)機(jī)入口前安裝煤氣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)煤氣濃度達(dá)到l％時(shí)，遠(yuǎn)程控制報(bào)警；當(dāng)煤氣濃度達(dá)到3％時(shí)，實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖保護(hù)停機(jī)，避免過(guò)量煤氣進(jìn)入焦炭倉(cāng)，對(duì)槽上工作人員安全構(gòu)成威脅。

根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用熱風(fēng)爐煙氣余熱對(duì)焦炭進(jìn)行烘干，尤其適用水熄焦等品種或雨季高爐生產(chǎn)，可以有效降低入爐焦炭水分3至5個(gè)百分點(diǎn)，確保高爐順行，降低高爐的焦炭消耗。

此外，預(yù)熱器能力及預(yù)熱溫度允許的條件下，也可考慮自熱風(fēng)爐預(yù)熱器空氣出口處接預(yù)熱后空氣對(duì)礦石、焦炭等進(jìn)行烘干，以降低礦槽崗位人員煤氣中毒的危險(xiǎn)系數(shù)。

3 煤粉制備的干燥氣

熱風(fēng)爐煙氣含有2-3%殘余氧氣、排煙溫度約250℃，是煤粉干燥的適宜熱源，尤其適用高爐工序與制粉工序布局較近的生產(chǎn)系統(tǒng)。對(duì)于熱風(fēng)爐廢氣管線過(guò)長(zhǎng)、溫降大或者煙氣引風(fēng)機(jī)能力較低的工藝系統(tǒng)，熱風(fēng)爐煙氣余熱利用率偏低，煤粉烘干系統(tǒng)還通常需要輔以煤粉燃燒爐等其它熱源。

唐鋼煉鐵部北區(qū)共兩個(gè)制粉站，使用熱風(fēng)爐煙氣+燃燒爐煙氣對(duì)煤粉進(jìn)行烘干，其主要流程見(jiàn)圖4所示。

目前，噴煤制粉用熱風(fēng)爐煙氣經(jīng)過(guò)管道輸送到制粉工序的溫度一般在200℃以下，與煤粉燃燒爐高溫?zé)煔饣旌虾�，將煤粉預(yù)熱至70℃以上，單系列煤粉加工能力在20t/h以上。

唐鋼煉鐵部制粉系統(tǒng)設(shè)置煤粉燃燒爐，利用高爐煤氣燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔馀c熱風(fēng)爐煙氣混合為煤粉制備干燥過(guò)程提供熱源，二者互為補(bǔ)充，提高熱風(fēng)爐煙氣余熱利用率，可以有效降低甚至完全取消燃燒爐高爐煤氣消耗。

4 其它余熱利用方式

上述三種熱風(fēng)爐煙氣余熱利用方式目前在行業(yè)應(yīng)用較為普遍，但由于設(shè)計(jì)或生產(chǎn)能力匹配等原因，熱風(fēng)爐廢氣仍有部分通過(guò)煙囪放散至大氣，造成少量余熱損失。因此，有必要開(kāi)展其它熱風(fēng)爐煙氣余熱應(yīng)用途徑的研究和拓展。

4.1 生產(chǎn)熱水

冶金企業(yè)中，通過(guò)回收置換熱風(fēng)爐煙氣余熱，應(yīng)用于助燃空氣和煤氣的雙預(yù)熱以及原燃料烘干等途徑，取得了良好的節(jié)能效果。但由于熱風(fēng)爐燃燒系統(tǒng)產(chǎn)生煙氣總量大，仍有部分煙氣直排到大氣中，會(huì)造成能源浪費(fèi)。在空氣預(yù)熱器與煙囪之間加裝熱水發(fā)生器回收利用這部分余熱生產(chǎn)熱水供職工洗浴[7]，既節(jié)約加熱洗浴用水的蒸汽消耗，又可降低煉鐵工序的綜合能耗，其流程如圖5所示。

熱風(fēng)爐煙氣生產(chǎn)洗浴熱水是煙氣余熱利用的一種補(bǔ)充形式，可根據(jù)企業(yè)實(shí)際情況參考選用。

4.2 熱風(fēng)爐余熱制冷

針對(duì)鋼鐵企業(yè)煙氣具有熱負(fù)荷不穩(wěn)定、煙氣含塵量大、且有一定腐蝕性等特點(diǎn)，董輝教授[8]等人提出用熱媒式換熱器作為溴化鋰吸收式制冷機(jī)組的高壓發(fā)生器，熱媒選用化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，流動(dòng)性、余熱性良好，具有高沸點(diǎn)、高閃點(diǎn)的礦物有機(jī)油，由于該油性能穩(wěn)定，溫度容易控制，不會(huì)腐蝕換熱器，從而可以保障系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期有效地回收熱量。

由于熱媒溫度不斷變化，為了保證制冷機(jī)組制冷量穩(wěn)定， 需要對(duì)制冷機(jī)組高壓發(fā)生器進(jìn)行改進(jìn)，可以通過(guò)加設(shè)調(diào)節(jié)閥來(lái)控制高壓發(fā)生器中的換熱面積，從而使驅(qū)動(dòng)熱源供應(yīng)的熱能基本穩(wěn)定。熱風(fēng)爐煙氣梯級(jí)利用工藝流程如圖6所示。

5 結(jié)論

（1）利用不同形式的換熱器將熱風(fēng)爐煙氣余熱置換并預(yù)熱助燃空氣和煤氣，在冶金領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛，技術(shù)相對(duì)較為成熟。但對(duì)于單燒高爐煤氣的熱風(fēng)爐燃燒系統(tǒng)，受高爐煤氣熱值下降及排煙溫度的影響，雙預(yù)熱技術(shù)存在一定局限性。

（2）直接應(yīng)用熱風(fēng)爐煙氣進(jìn)行焦炭烘干、煤粉制備等工藝，工藝操作、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以有效提高熱風(fēng)爐煙氣利用水平，但應(yīng)增加煤氣成分監(jiān)測(cè)及控制措施，以保障現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的安全。

（3）利用熱風(fēng)爐煙氣余熱生產(chǎn)熱水、制冷等工藝，可作為煙氣余熱利用的補(bǔ)充形式，適用于煙氣余熱資源少量放散的生產(chǎn)系統(tǒng)，鋼鐵企業(yè)可以根據(jù)各自實(shí)際情況參考選擇。

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