三座熱風爐采用“一燒兩送熱并聯”創新工藝

馮燕波，唐文權，陳秀娟

（中冶京誠工程技術有限公司，北京，100176）

0 引言

熱風爐是長流程煉鐵工藝中的主要設施之一，它能夠為高爐提供連續不斷的熱風。在我國，大多數的高爐配備了三座熱風爐，主要操作方式為“兩燒一送”，即：兩座熱風爐中任一座處于燒爐期或換爐期，第三座熱風爐處于送風期。這樣的操作方式難以得到理想的熱風溫度（據資料顯示，2017 年全國熱風爐平均風溫僅為1142 ℃），而且換爐頻繁。將三座熱風爐“兩燒一送”的傳統操作制度改為“一燒兩送熱并聯創新工藝”，可以同時獲得提高風溫和節能減排的雙重效果。

1 高爐熱風爐的座數

目前高爐熱風爐的座數通常有三種配置形式：一座高爐配兩座熱風爐、一座高爐配三座熱風爐以及一座高爐配四座熱風爐。

二十世紀50～60 年代，日本和德國的高爐大多只建兩座熱風爐。當時，日本有6 座高爐均配套建設了兩座熱風爐，其中最大高爐容積為1790 m3。直到現在，我國冶煉鎳鐵的小高爐還在使用兩座熱風爐。兩座熱風爐“一燒一送”，采用了間接傳熱的基本操作制度，任意時間段內都有一座熱風爐在送風，另一座熱風爐在燃燒或換爐。一座熱風爐的換爐時間加上燃燒時間等于送風時間，即燃燒時間小于送風時間。

兩座熱風爐的最大問題是沒有考慮熱風爐需要檢修時如何保證高爐的正常生產，當一座熱風爐需要檢修時，高爐只能停爐。為了滿足單座熱風爐檢修時高爐不停產和提高風溫的需要，日本、韓國等國家的高爐改為一座高爐配建四座熱風爐的形式，熱風爐系統采用“兩燒兩送”的工作制度。兩座熱風爐送風時還可以采用“交錯并聯”的操作制度，與兩座熱風爐同時送風相比，可以提高20～25 ℃的風溫。

俄羅斯3200 m3以上的大高爐大多配套建設四座熱風爐，歐洲的一些國家一座高爐大多配套建設三座熱風爐。我國3000 m3級以上的高爐大多數配套建設四座熱風爐，3000 m3級以下的高爐大多數配套建設三座熱風爐。

三座熱風爐有兩種操作制度：一種是“兩燒一送”操作制度，另一種是“半交錯并聯”操作制度（1/2時間一座熱風爐送風，1/2 時間兩座熱風爐同時送風）。也許是因為后者控制復雜，也不能提高風溫，使用有局限性。我國配套建設三座熱風爐的煉鐵廠幾乎全部都采用了“兩燒一送”操作制度。

2 三座熱風爐和四座熱風爐的比較

2.1 三座熱風爐和四座熱風爐的投資比較

配套建設三座熱風爐的投資要比建設四座熱風爐省，但是不能簡單說成是省掉了一座熱風爐的投資。首先，設計三座或四座熱風爐的格子磚總重量基本上是相等的，例如國外某鋼鐵公司5513 m3高爐的三座熱風爐格子磚總重9782 t，我國北方某鋼鐵公司5576 m3高爐四座熱風爐格子磚總重9951 t。也就是說，高爐容積相同時，配套建設三座熱風爐的其中一座熱風爐要比配套建設四座熱風爐的其中一座熱風爐大33.3%左右。其次，當三座熱風爐采用“兩燒一送”操作制度時，一座熱風爐送100%的熱風；而四座熱風爐采用“兩燒兩送”操作制度時，每座熱風爐送50%的熱風，三座熱風爐配置的所有閥門和支管面積要比四座熱風爐配置的閥門和支管面積大一倍，因此不能簡單說成是省掉了一座熱風爐。

2.2 三座熱風爐和四座熱風爐的風溫比較

三座熱風爐采用“兩燒一送”操作制度，送出的穩定風溫是單爐送風末溫；四座熱風爐采用“兩燒兩送交錯并聯”操作制度后送出的穩定風溫≈單爐送風末溫+1/4（單爐送風初溫-單爐送風末溫）。在拱頂溫度相同、換爐排放總能耗相等的條件下，三座熱風爐“兩燒一送”時的送風溫度要比四座熱風爐“交錯并聯”時低20～25℃。

2.3 三座熱風爐和四座熱風爐的燒爐時間比較

四座熱風爐可以看成是兩套熱風爐系統，每套熱風爐系統中的兩座熱風爐采用“一燒一送”操作制度，使用合理的燒/送時間比；而三座熱風爐采用“兩燒一送”的操作制度，實際上是把二座熱風爐放入到了燃燒行列，浪費了大量燃燒時間。三座熱風爐“兩燒一送”時，由于具有富裕的燒爐時間，理論上可以在保持拱頂溫度一定的條件下，用縮短送風時間來提高風溫，但是要付出耗能增排的代價。

3 最小燒/送時間比

兩座熱風爐和四座熱風爐都采用了基本操作制度——“一燒一送”。對單座熱風爐來說，燃燒期后接著送風期，燃燒時間可以小于送風時間（前面已經討論過）。

某鋼鐵公司4000 m3級高爐配置四座熱風爐，采用“兩燒兩送交錯并聯”操作制度時，燃燒時間86 min、換爐時間 14 min、送風時間 100 min，燒/送時間比0.86，在不產生晶間應力腐蝕的前提下，獲得了1250 ℃的高風溫。筆者暫且把0.86 看作為最小燒/送時間比。

三座熱風爐如果采用“一燒兩送熱并聯”操作制度時，單座熱風爐送50%的高爐用熱風，暫且把最小燒/送時間比定為0.43。

4 熱風爐換爐排放能耗

對這個問題過去觸及甚少，人們也不太重視。自從2015 年巴黎氣候變化大會以后，各國都提出了減排目標，我國作為能耗大國，要求更高。煉鐵行業要推出一項新工藝離不開這方面的論證。

4.1 三座熱風爐和四座熱風爐排放能耗比較

高爐熱風爐采用間接換熱方式，一座熱風爐先燃燒后送風，在送風結束轉換到燃燒時必須放掉爐內的高壓高溫空氣（含富化的氧氣）。一座4000 m3級高爐配套的四座熱風爐，按照單爐送風時間100 min 計算，每天排放次數=1440/100×2=28.8 次，年排放能耗約為2000 多噸標準煤。

三座熱風爐和四座熱風爐比較排放能耗時不能只比排放次數，因為三座熱風爐的單座熱風爐爐內空間約為四座熱風爐的4/3 倍。三座熱風爐“兩燒一送”單爐送風時間為 66.7 min 時（21.6 次/天）的排放總能耗與四座熱風爐“兩燒兩送”單爐送風時間100 min 時的排放總能耗相等。

4.2 提高熱風溫度不能靠增排

九十年代初，國外曾有文章倡導在拱頂溫度在1350 ℃條件下就足以達到1250 ℃的高風溫，單爐送風時間定為30 min。但是，單爐送風時間從66.7 min 縮短到30 min，每天需換爐排放48 次，排放總能耗要增加到原來的2.22 倍。這相當于是用增排換風溫，在實際操作時是不可取的。

5 三座熱風爐采用“一燒兩送熱并聯”新技術后的效果

5.1 采用“一燒兩送熱并聯”，可以提高送風溫度

采用“一燒兩送”操作制度時，要靠延長單爐送風時間來滿足最小燒/送時間比，但是延長送風時間會降低送風溫度。因此，單純將“兩燒一送”改為“一燒兩送交錯并聯”，雖然可以減少換爐排放能耗，但要降低送風溫度，顧此失彼，顯然不是上策。

采用“兩燒一送”或“一燒兩送交錯并聯”操作制度時，為了要向高爐送出穩定風溫，需要不斷摻入冷風（冷風溫度～200 ℃）降溫（稱為“混風”）。我國煉鐵行業中，熱風爐混風管上裝的調節閥幾乎都是剛性密封蝶閥，在需要閥門全關時關不死，也不敢關死。因此，混風蝶閥（調節閥）在全關時（閥門處在零位時）還在漏入冷風，導致熱風溫度又要降低～5℃或更多。

采用“一燒兩送熱并聯”時，兩座送風溫度高低不同的熱風爐自己互兌，不需要混入冷風，操作時可以把混風管完全切斷，不但可以把送風時間長引起的風溫降彌補回來，還可以進一步提高送風溫度。表1 中，采用“一燒兩送熱并聯”比采用“兩燒一送”換爐排放能耗減少50%，同時提高風溫25 ℃。

三種操作制度向高爐送出的穩定風溫可以用以下公示計算[1]：

（1）“兩燒一送”：送風溫度=單爐送風末溫

表1 熱風爐換爐排放次數和高爐圍管前風溫比較

5.2 降低熱風主管承受的最高風溫

我國熱風爐的混風點大都設在熱風主管的中后部，“兩燒一送”操作制度時，混風點以前的熱風主管接受的是送風初溫；改用“一燒兩送熱并聯”后，該部分熱風主管接受的是混合后的風溫，減輕了熱風主管承受高風溫的負擔，延長了熱風主管的使用壽命。

5.3 改善高爐的不穩定工況

高爐風機如果采用等風量操作時，在充壓時間（約10 min）內，約有10%的風量用作充壓，進入高爐的風量和熱量減少了10%左右。使用“一燒兩送熱并聯”后，這種不穩定工況可以減少50%。

5.4 提高熱風爐格子磚的利用率

采用“一燒兩送熱并聯”操作后，大大延長了單爐送風的時間，很大程度上提高了熱風爐中下部格子磚的利用率；在新設計熱風爐時，可以減少格子磚的數量，節約投資。

6 結語

三座熱風爐如果采用“一燒兩送熱并聯創新工藝”，可以有效提高送風溫度，降低換爐排放的能耗，提高熱風爐格子磚的利用率，降低熱風主管承受的最高風溫，改善高爐的不穩定工況。