高爐熱風爐高風溫燃燒技術概述

吳建霖，鄢 明，趙澤文，黃培真，馮 飛

（1.廣西華銳鋼鐵工程設計咨詢有限責任公司，廣西 柳州 545002；2.廣西鋼鐵集團有限公司，廣西 防城港 538002；3.廣西柳鋼中金不銹鋼有限公司，廣西 玉林 537624）

1 高爐熱風爐概況

目前，高爐向大型化、長壽、高效、高風溫、高富氧、大噴煤方向發展。提高風溫能促進高爐噴煤量增加，降低焦比和提高鐵水產量，大大節約資源。據統計，風溫在1100～1350℃之間，每提高100℃可降低焦比8～15 kg/t，增加鐵水產量約2%。提高風溫可促進高爐穩定順行、強化冶煉，同時可降低能耗、節約寶貴煉焦煤資源，因此各鋼企都致力于熱風爐高風溫技術的開發和應用。

高爐熱風爐燃料主要為高爐煤氣，高爐煤氣熱值～3200 kJ/m3，熱風溫度一般在1150～1200℃之間。需提高熱風溫度就需提高理論燃燒溫度，熱風爐理論燃燒溫度t理可用下式表示：

式中：QDW為煤氣低發熱值，kJ/m3；Q空、Q煤為分別為助燃空氣及煤氣帶人的熱量，kJ/m3；V產為燃燒生成物量，m3；C產為燃燒生成物在t理時的平均熱容，kJ/（m3·K）。

由上式可知為提高理論燃燒溫度可通過如下途徑：增加煤氣的低發熱值，增加煤氣和助燃空氣帶入的物理熱，或減少燃燒產生的煙氣量。目前已形成了以下幾類技術并得到工業生產應用。

1）高熱值煤氣（焦爐煤氣、轉爐煤氣）富化燃燒技術；

2）助燃空氣富氧燃燒技術；

3）增設前置燃燒爐雙預熱技術；

4）增設預熱爐雙預熱技術。

2 高風溫燃燒技術

2.1 基本條件

根據當前熱風爐設計及操作技術，熱風爐燃燒器燃燒空氣過剩系數為1.1，理論燃燒溫度比拱頂溫度高～70℃，拱頂溫度比送風溫度高～120℃；高爐煤氣熱值～3200 kJ/m3，溫度為～60℃，助燃空氣溫度為～30℃，理論燃燒溫度為～1261℃。熱風爐出口煙氣溫度～300℃，采用正常雙預熱系統可將助燃空氣和煤氣預熱至～180℃，理論燃燒溫度可提升至～1370℃，熱風溫度為～1180℃。現需采用高風溫燃燒技術使熱風溫度達到1280℃。

2.2 高熱值煤氣富化燃燒技術

若助燃空氣及煤氣僅采用熱風爐煙氣進行預熱，其帶入的物理熱變化不大，此時影響理論燃燒溫度的主要因素為煤氣低發熱值。為提高理論燃燒溫度需摻燒高發熱值煤氣。鋼鐵企業中高熱值煤氣主要為焦爐煤氣和轉爐煤氣，其與高爐煤氣成分及發熱值見表1。

表1 典型高爐煤氣、轉爐煤氣、焦爐煤氣的化學成分及發熱值

按照傳統燒爐方法，采用轉爐煤氣燒爐有如下一些特點[1]：

1）燃燒轉爐煤氣后，傳熱載體總量增加，不利于拱頂熱量的聚集；

2）由于轉爐煤氣理論發熱值低于焦爐煤氣，使拱頂輻射傳熱效率降低；

3）混入轉爐煤氣有利于蓄熱室中下部格子磚對流傳熱的發展；

4）拱頂溫度不高，廢氣溫度上升加快。

如摻燒轉爐煤氣，需對熱風爐燒爐操作進行調整，且整個控制流程復雜，故一般不摻燒轉爐煤氣。

焦爐煤氣低發熱值高，有利于提高理論燃燒溫度和拱頂溫度，高爐煤氣中混入焦爐煤氣量與理論燃燒溫度的關系如圖1所示。

圖1 高爐煤氣中混入焦爐煤氣量與理論燃燒溫度的關系

由圖1可知，焦爐煤氣混入量不超過10%以前，每增加焦爐煤氣1%，理論燃燒溫度隨之提高18～26℃，隨著焦爐煤氣混入量的增加，理論燃燒溫度提高趨勢變小。在煤氣和助燃空氣均未預熱（tm=60℃，tk=30℃）時，焦爐煤氣混入量約為10%，理論燃燒溫度可提高至1470℃，熱風溫度可達1280℃；在煤氣和助燃空氣均采用熱風爐煙氣常規預熱（tm=180℃，tk=180℃）時，焦爐煤氣混入量約為4%，理論燃燒溫度便提高至1470℃，熱風溫度可達1280℃。該方式適用于焦爐煤氣富余的企業。

目前常用混入高熱值煤氣的方法有如下幾種：

1）采用三孔型陶瓷燃燒器，混合效果好，但設備較復雜，一般用于大型高爐外燃式熱風爐。但目前國內主要發展頂燃式熱風爐，不太適用。

2）采用引射器混合，簡單方便，混合效果好，但混合比例范圍窄，不便于控制，如操作不當易發生安全事故。

3）建設高熱值煤氣加壓設施后直接混合，操作安全，混合效果好，但需增加加壓設施，增加投資。

2.3 助燃空氣富氧燃燒技術

熱風爐理論燃燒溫度與V產和C產成反比，因此，提高助燃空氣中的氧氣含量（富氧），在燃燒同樣的煤氣量，消耗的助燃空氣量減少，而產生的燃燒熱量不變，生成的燃燒產物量會減少，這樣由廢氣帶走的熱量損耗將會大大降低，熱風爐熱效率得到提高[2]。同時助燃空氣中的O2含量增加，減少了助燃空氣中N2含量，則可以降低V產，理論燃燒溫度上升。另外，由于富氧燃燒增加了煙氣中主要輻射性氣體CO2和H2O的含量，特別是CO2的含量增加較多，增強爐氣的輻射能力，強化爐膛輻射換熱，節約燃料。

助燃空氣富氧率與理論燃燒溫度的關系如圖2所示。

由圖2可知，富氧率不超過15%以前，每增加富氧率1%，理論燃燒溫度隨之提高11～21℃，隨著富氧率的增加，理論燃燒溫度提高趨勢變小。在煤氣和助燃空氣均未預熱（tm=60℃，tk=30℃）時，富氧率約為13%，理論燃燒溫度可提高至1470℃，熱風溫度可達1280℃；在煤氣和助燃空氣均采用熱風爐煙氣常規預熱（tm=180℃，tk=180℃）時，富氧率約為5%，理論燃燒溫度便提高至1470℃，熱風溫度可達1280℃。該方式適用于氧氣能力富余的企業。

圖2 助燃空氣富氧率與理論燃燒溫度的關系

熱風爐富氧燃燒一般從全廠公輔系統氧氣總管接出支管，通過管道接入熱風爐換熱器前的助燃空氣總管，并設置氧氣流量調節裝置，通過程序控制參與熱風爐燒爐，其工藝流程如圖3所示。熱風爐燒爐控制可采用按加入氧氣量控制，按加入氧氣量與助燃空氣比例控制，按助燃空氣中含氧率控制等3種模式。

圖3 高爐熱風爐富氧燃燒工藝流程

2.4 增設前置燃燒爐雙預熱技術

增加前置燃燒爐雙預熱技術是一項利用低熱值高爐煤氣獲取高風溫技術，主要是通過增加助燃空氣和煤氣帶入的熱量來提高理論燃燒溫度。助燃空氣預熱溫度與理論燃燒溫度的關系如下頁圖4所示，高爐煤氣預熱溫度與理論燃燒溫度的關系如下頁圖5所示。

圖4 助燃空氣預熱溫度與理論燃燒溫度的關系

圖5 高爐煤氣預熱溫度與理論燃燒溫度的關系

由圖4可知，理論燃燒溫度與助燃空氣預熱溫度成正比，助燃空氣預熱溫度每提高30℃，理論燃燒溫度提高約10℃；當高爐煤氣預熱溫度為180℃，助燃空氣預熱至450℃，理論燃燒溫度為1470℃，熱風溫度可達1280℃。由圖5可知，理論燃燒溫度與高爐煤氣預熱溫度成正比，高爐煤氣預熱溫度每提高30℃，理論燃燒溫度提高約16.5℃。經過線性回歸分析，可得出以下結果：

式中：t理為理論燃燒溫度，℃；tk為助燃空氣預熱溫度，℃；tm為高爐煤氣預熱溫度，℃。

目前國內常用的前置燃燒爐預熱工藝有“前置燃燒爐+板式換熱器”和“前置燃燒爐+擾流子換熱器+熱管換熱器”兩種。

2.4.1 前置燃燒爐+板式換熱器工藝

基本配置是前置燃燒爐、助燃空氣板式換熱器和煤氣板式換熱器，其工藝流程如圖6所示。

圖6 前置燃燒爐+板式換熱器預熱工藝流程圖

工作原理：高爐煤氣在前置燃燒爐內與助燃空氣混合燃燒，燃燒產生的高溫煙氣（1000℃以上）與熱風爐煙氣（280～350℃）混合至550～650℃的煙氣進入助燃空氣板式換熱器將助燃空氣由～30℃預熱至300～500℃。剩余的熱風爐煙氣進入煤氣板式換熱器將煤氣由～60℃預熱至180～220℃。經過預熱后，整個系統的排煙溫度在150℃左右，能源利用率較高。

該工藝的核心板式換熱器有平板不銹鋼板和帶凹凸小半球的花紋不銹鋼板兩種形式[3]。為防止煤氣板式換熱器低溫段發生結露腐蝕，一般將煤氣板式換熱器低溫段換熱片材質提高為不銹鋼2205。

目前為止，該工藝已在湘鋼2號高爐（2500 m3）、柳鋼2號高爐（2650 m3）、宣鋼10號高爐（2580 m3）、水鋼4號高爐（2580 m3）、方大特鋼新2號高爐（1050 m3）等高爐得到較好應用。

2.4.2 前置燃燒爐+擾流子換熱器+熱管換熱器

基本配置是前置燃燒爐、擾流子換熱器和熱管換熱器，其工藝流程如圖7所示。

圖7 前置燃燒爐+擾流子換熱器+熱管換熱器預熱工藝流程圖

工作原理：助燃空氣和煤氣通過熱管換熱器，利用熱風爐煙氣分別預熱至180℃左右，煤氣直接進入熱風爐，助燃空氣進入擾流子換熱器進行二次預熱至300～550℃。對助燃空氣進行二次預熱的煙氣是由前置燃燒爐產生的高溫煙氣與熱風爐煙氣混合而成。擾流子換熱器屬于管式換熱器，為增加換熱效率，熱管外表面設置有擾流翅片，內部設置有擾流子。

采用該工藝，由于內部阻損較大，僅靠熱風爐煙囪的抽力無法滿足正常運行要求，一般需設置一臺煙氣引風機。同時，該系統中還使用了熱管換熱器，雖建設投資較低，但使用壽命短，一般5 a左右需要更換熱管元件。

該工藝在實際生產中已經得到廣泛應用，包括攀鋼新3號高爐（2000 m3）、柳鋼3號高爐（2000 m3）、通鋼7號高爐（2600 m3）等均使用過該工藝。

近年來，隨著板式換熱器焊接質量的提升，板式換熱器的壽命和熱效率優勢越來越明顯，更多企業選擇“前置燃燒爐+板式換熱器”預熱工藝。

2.5 增設預熱爐雙預熱技術

這種方式的高溫預熱是由2座預熱爐和1個混風室組成，預熱爐采用“一燒一送”的工作制度。預熱爐實際就是小型頂燃式熱風爐，其工作原理與頂燃式熱風爐相同，即通過高爐煤氣燒爐，將熱量存儲在預熱爐的格子磚內。一定比例的助燃空氣（50%～60%）先通過預熱爐加熱至1000～1100℃，加熱后的助燃空氣與剩余的助燃空氣在混風室混合至400～600℃，然后送至熱風爐與高爐煤氣混合燃燒，其工藝流程如圖8所示。

圖8 預熱爐雙預熱工藝流程圖

該系統運行穩定，使用效果好，可穩定獲得1300℃以上風溫；但存在占地面積大，投資高，排煙溫度較高等不足。如能將預熱后煙氣用于噴煤系統、焦炭烘干系統等，這樣更有利于能源綜合利用。

該工藝適用于新建大型高爐，如首鋼曹妃甸3座5500 m3高爐、山鋼日照精品基地2座5100 m3高爐、寶鋼湛江2座5050 m3高爐、柳鋼防城港2座3800 m3高爐等。

3 結語

以上幾種燃燒技術都可獲得1250℃以上高風溫，且均已成熟使用，但各工藝的經濟效益各不相同。以上幾種方式也可組合進行使用，如既富化高熱值煤氣或富氧又進行高溫預熱。各企業需根據自身的條件和對高風溫的要求，經過認真比較后選擇。