高爐熱風爐座數的比較及其優化

□ 唐文權魏翠萍

高爐熱風爐座數的比較及其優化

□ 唐文權1魏翠萍2

目前,國內外高爐設置的熱風爐座數只有三座和四座2種。三座熱風爐的操作制度名義上有3種：兩燒一送、一燒兩送、半并聯。而實際上,三座熱風爐均采用了兩燒一送,四座熱風爐的操作制度則采用兩燒兩送交錯并聯。在對三座和四座熱風爐比較分析的基礎上,得出了高爐熱風爐座數的優化路徑,即采用熱并聯制度。

三座和四座熱風爐；交錯并聯；風溫；能耗；優化

一、 熱風爐座數的變遷

早在20世紀五六十年代,國外有的高爐只設兩座熱風爐。例如,1957—1961年日本有8座高爐(容積326～1 791m3)只設有兩座熱風爐；德國高爐早期也有只設兩座熱風爐的。我國連云港東海鎳鐵廠70m3小高爐至今還在用兩座熱風爐(風溫1 000℃～1 050℃)。

兩座熱風爐采用一燒一送,流程簡單合理,成本較低,但是使用不久,國外企業就將其淘汰。原因有以下兩點：一是當時的耐材質量以及設計施工水平不高,只設兩座熱風爐缺乏安全性,當其中1座熱風爐需要檢修時,高爐就得休風停產；二是高爐逐漸要求提高風溫,在沒有預熱煤氣、助燃空氣的條件下,拱頂溫度提不高,只有采用縮短送風時間的辦法來提高風溫,但是隨著高爐容積的加大,換爐時間增加導致送風時間減少后,燃燒時間不夠用。

目前,國內外高爐設置的熱風爐座數只有三座和四座2種。三座熱風爐的操作制度名義上有3種：兩燒一送、一燒兩送、半并聯(50%時間由1座單爐送風,50%時間由2座并聯送風),實際上都在采用兩燒一送。四座熱風爐的操作制度采用兩燒兩送交錯并聯。本文將重點對三座熱風爐和四座熱風爐進行比較,并提出優化方案。

二、 三座熱風爐和四座熱風爐的比較

1.投資和用地的比較

三座熱風爐比四座熱風爐節省投資和用地,但不能籠統地說是省掉了1座熱風爐。主要表現在以下方面：一是熱風爐的大小不同,三座和四座格子磚總重相等時,單座熱風爐格子磚更重,三座為四座的4/3；二是通風量不同,三座熱風爐兩燒一送,單爐通過100%風量,四座熱風爐兩燒兩送,單爐通過風量為50%；三是閥門大小不同,冷風、熱風閥的通道面積相差一倍,當排壓時間相同時,三座熱風爐的煙道閥也要比四座大。

2.給高爐提供穩定風溫的比較

高爐操作需要穩定的風溫,不論三座還是四座熱風爐送出的風溫都是先高后低,剛換爐時的風溫(送風初溫)高,送風到最后換爐前風溫(送風末溫)低。為了滿足高爐需要的穩定風溫,在送風過程中要兌入冷風,冷風量從最多到零。而實際上,混風管上的調節蝶閥是不可能完全關死的,高爐得到的風溫始終是兌入了冷風后的風溫。

比較風溫時,要在可比的參數下進行。例如,通過熱風爐的風加氧量相等,拱頂溫度相同,格子磚總重相等、磚型相同,冷風、廢氣溫度相同,等等。此外,還需要比較2個方面：一是一次送風時間的比較；二是換爐時排放能耗的比較。

國內外在設計三座或四座熱風爐時,一般所取格子磚總重大致相等。例如,我國京唐5 576m3高爐設四座熱風爐,格子磚總重9 950t。德國斯維爾根NO.25 513m3高爐設三座熱風爐,格子磚總重9 782t。

當三座熱風爐和四座熱風爐格子磚總重相同時,為了便于說清楚問題,在與三座熱風爐進行比較時,先假設四座熱風爐中的兩座熱風爐不是交錯并聯而是同時送風的。可以得出,四座熱風爐中的兩座熱風爐各送50%熱風,一共占用了50%格子磚總重；三座熱風爐兩燒一送,單爐送100%熱風,只占用1/3格子磚總重。可見,前者單位時間送風溫降小；后者單位時間送風溫降大,約為前者的1.5倍。例如,前者兩座熱風爐同時送風,送風初溫1 330℃,送風時間100min,平均溫降1℃/min,送風末溫1 230℃；三座熱風爐兩燒一送,單爐送風初溫也是1 330℃,平均溫降1.5℃/min,為了也得到1 230℃的末溫,其送風時間必須縮短到100/1.5=66.7min。四座熱風爐每天的換爐排放次數=2×1 440/100=28.8次,三座熱風爐每天的排放次數=1 440/66.7=21.6次。三座熱風爐單爐格子磚量為四座熱風爐單爐格子磚量的4/3倍,如果爐內空間也是這種比例時,兩者的換爐排放氣體總量大體相等,符合可比條件。

以上是假設四座熱風爐中的兩座熱風爐同時換爐送風和三座熱風爐的比較。實際操作上四座熱風爐采用交錯并聯送風,下面是繼續用前面的例子進行計算交錯并聯后的結果：

根據以上舉例計算結果,四座熱風爐采用交錯并聯操作制度,在符合可比條件下與三座熱風爐兩燒一送相比,可以提高25℃穩定風溫。

3.散熱損失引起的風溫降比較

三座熱風爐或四座熱風爐送出的穩定風溫不等于高爐得到的穩定風溫。熱風爐送出的穩定風溫減去兩部分風溫降才等于入爐穩定風溫。這兩部分溫降,一是熱風管路散熱損失引起的風溫降；二是混風管上的調節閥關不嚴(也不敢關嚴)漏人冷風引起的風溫降(熱風爐到達送風末溫時,應該不需要兌入冷風,實際上是調節蝶閥關不嚴或不敢關嚴而漏入冷風)。

散熱損失引起的風溫降可參考下列公式進行計算：

式(1)中：tg ,每米管道長度上的溫降；αrk,對流傳熱系數,單位kcal/m2h·℃(可取4～6)；△t,管道表面溫度與氣溫溫差,單位℃(可取當地月平均最低氣溫值)；F,每米管道表面積,單位m2；VF,管內熱風流量,單位m3/h；Cp,濕空氣比熱,單位kcal/m3·℃。

從混風管漏入冷風引起的風溫降無法計算,但可以從主控室操作臺上查算：一是三座熱風爐的送風末溫(拱頂溫度)-管路散熱損失引起的風溫降-圍管溫度=混風管漏風損失的溫降；二是四座熱風爐兩座熱風爐混合后的送風末溫(在混冷風前的熱風管上測得的溫度)-管路散熱損失引起的風溫降-圍管溫度=混風管漏風損失的溫度。經估算,熱風管路散熱損失風溫為每10m管長損失1℃

4.風溫對熱風管路影響的比較

對熱風支管來說,無論三座還是四座熱風爐,承受的最高風溫都是送風初溫。對熱風總管來說,三座熱風爐時受到的最高風溫仍然是送風初溫,采用四座熱風爐交錯并聯,在有效風溫可提高約25℃的情況下,總管承受的最高風溫反而比三座熱風爐低了約25℃。交錯并聯后混合初溫=單爐送風初溫-(單爐送風初溫-單爐送風末溫)/4=1 330-(1 330-1 230)/4=1 305℃。

三、 熱風爐功能優化路徑

依據節能減排的原則,為了提高風溫,得到熱風爐功能優化的路徑是采用熱并聯操作制度。

1.四座熱風爐采用的熱并聯制度

四座熱風爐已經采用交錯(冷)并聯,改用熱并聯后的效果：

一是不兌冷風,入爐穩定風溫可以提高20℃～25℃。熱并聯后送出的穩定風溫=(單爐送風初溫+單爐送風末溫) /2V。

二是切斷混風管路,杜絕漏風,可以再提高風溫x℃(根據工廠不同情況,查取操作臺上混合后兌冷前風溫和圍管風溫進行計算)。

三是對受到熱風管道限制不能過量提高風溫時,其功能可以轉化為降低拱頂溫度或增加送風時間減少換爐排放能耗。

四是對于使用轉爐或焦爐高熱值煤氣的熱風爐,提高風溫的效果也可以轉化為減少甚至取消高熱值煤氣用量。

五是減少熱風爐換爐次數,節省排放能耗,最多可使換爐次數降低一半。

2.三座熱風爐采用的熱并聯制度

三座熱風爐兩燒一送改為一燒兩送熱并聯后：

一是不兌冷風,入爐穩定風溫可以提高20℃～25℃(采用與四座熱風爐換爐排放總能量相同時對應時間,例如四座送風時間取60min,三座兩燒一送取66.7min)。

二是切斷混風管路,杜絕漏風可以再提高風溫x℃(根據工廠不同情況,查取操作臺上單爐送風末溫和圍管風溫進行計算)。

三是在提高風溫同時,換爐能耗減少1/3,甚至更多。

四是對受到熱風管道限制不能過量提高風溫時,其功能可以轉化為降低拱頂溫度或增加送風時間減少換爐排放能耗。

五是對于使用轉爐或焦爐高熱值煤氣的熱風爐,提高風溫的效果可轉化為減少甚至取消高熱值煤氣用量。

四、結束語

本文在分析熱風爐座數變遷的基礎上,分別從投資和用地、散熱損失引起的風溫降、給高爐提供穩定風溫、風溫對熱風管路影響等方面對三座熱風爐和四座熱風爐進行了比較。進而,基于節能減排的原則,得出了熱風爐功能優化的路徑,希望供相關冶金企業參考。

[1］涅茨蓋維奇(俄).高爐生產熱工學[M］.莫斯科：莫斯科冶金出版社,1993.

[2］H.Palz(德).適用于高爐高效可靠操作的熱風爐系統的設計準則[J］.國外鋼鐵,1993(3).

[3］唐文權,銀漢,楊世祥.高爐熱風爐交錯熱并聯自主創新工藝技術簡介[C］.2010年全國煉鐵生產技術會議文集, 2010.

[4］唐文權,馮燕波.三座熱風爐操作制度改用一燒兩送熱并聯,開辟高爐節能減排新途徑[C］.2012年全國煉鐵生產技術會議文集,2010.

(作者單位：1.原北京鋼鐵設計研究院,北京100000；2.中鋼集團工程設計研究院有限公司,北京100086)

F273.1

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1002-1779 (2015) 04-0037-03