高炉热风炉高风温燃烧技术概述

吴建霖，鄢 明，赵泽文，黄培真，冯 飞

（1.广西华锐钢铁工程设计咨询有限责任公司，广西 柳州 545002；2.广西钢铁集团有限公司，广西 防城港 538002；3.广西柳钢中金不锈钢有限公司，广西 玉林 537624）

1 高炉热风炉概况

目前，高炉向大型化、长寿、高效、高风温、高富氧、大喷煤方向发展。提高风温能促进高炉喷煤量增加，降低焦比和提高铁水产量，大大节约资源。据统计，风温在1100～1350℃之间，每提高100℃可降低焦比8～15 kg/t，增加铁水产量约2%。提高风温可促进高炉稳定顺行、强化冶炼，同时可降低能耗、节约宝贵炼焦煤资源，因此各钢企都致力于热风炉高风温技术的开发和应用。

高炉热风炉燃料主要为高炉煤气，高炉煤气热值～3200 kJ/m3，热风温度一般在1150～1200℃之间。需提高热风温度就需提高理论燃烧温度，热风炉理论燃烧温度t理可用下式表示：

式中：QDW为煤气低发热值，kJ/m3；Q空、Q煤为分别为助燃空气及煤气带人的热量，kJ/m3；V产为燃烧生成物量，m3；C产为燃烧生成物在t理时的平均热容，kJ/（m3·K）。

由上式可知为提高理论燃烧温度可通过如下途径：增加煤气的低发热值，增加煤气和助燃空气带入的物理热，或减少燃烧产生的烟气量。目前已形成了以下几类技术并得到工业生产应用。

1）高热值煤气（焦炉煤气、转炉煤气）富化燃烧技术；

2）助燃空气富氧燃烧技术；

3）增设前置燃烧炉双预热技术；

4）增设预热炉双预热技术。

2 高风温燃烧技术

2.1 基本条件

根据当前热风炉设计及操作技术，热风炉燃烧器燃烧空气过剩系数为1.1，理论燃烧温度比拱顶温度高～70℃，拱顶温度比送风温度高～120℃；高炉煤气热值～3200 kJ/m3，温度为～60℃，助燃空气温度为～30℃，理论燃烧温度为～1261℃。热风炉出口烟气温度～300℃，采用正常双预热系统可将助燃空气和煤气预热至～180℃，理论燃烧温度可提升至～1370℃，热风温度为～1180℃。现需采用高风温燃烧技术使热风温度达到1280℃。

2.2 高热值煤气富化燃烧技术

若助燃空气及煤气仅采用热风炉烟气进行预热，其带入的物理热变化不大，此时影响理论燃烧温度的主要因素为煤气低发热值。为提高理论燃烧温度需掺烧高发热值煤气。钢铁企业中高热值煤气主要为焦炉煤气和转炉煤气，其与高炉煤气成分及发热值见表1。

表1 典型高炉煤气、转炉煤气、焦炉煤气的化学成分及发热值

按照传统烧炉方法，采用转炉煤气烧炉有如下一些特点[1]：

1）燃烧转炉煤气后，传热载体总量增加，不利于拱顶热量的聚集；

2）由于转炉煤气理论发热值低于焦炉煤气，使拱顶辐射传热效率降低；

3）混入转炉煤气有利于蓄热室中下部格子砖对流传热的发展；

4）拱顶温度不高，废气温度上升加快。

如掺烧转炉煤气，需对热风炉烧炉操作进行调整，且整个控制流程复杂，故一般不掺烧转炉煤气。

焦炉煤气低发热值高，有利于提高理论燃烧温度和拱顶温度，高炉煤气中混入焦炉煤气量与理论燃烧温度的关系如图1所示。

图1 高炉煤气中混入焦炉煤气量与理论燃烧温度的关系

由图1可知，焦炉煤气混入量不超过10%以前，每增加焦炉煤气1%，理论燃烧温度随之提高18～26℃，随着焦炉煤气混入量的增加，理论燃烧温度提高趋势变小。在煤气和助燃空气均未预热（tm=60℃，tk=30℃）时，焦炉煤气混入量约为10%，理论燃烧温度可提高至1470℃，热风温度可达1280℃；在煤气和助燃空气均采用热风炉烟气常规预热（tm=180℃，tk=180℃）时，焦炉煤气混入量约为4%，理论燃烧温度便提高至1470℃，热风温度可达1280℃。该方式适用于焦炉煤气富余的企业。

目前常用混入高热值煤气的方法有如下几种：

1）采用三孔型陶瓷燃烧器，混合效果好，但设备较复杂，一般用于大型高炉外燃式热风炉。但目前国内主要发展顶燃式热风炉，不太适用。

2）采用引射器混合，简单方便，混合效果好，但混合比例范围窄，不便于控制，如操作不当易发生安全事故。

3）建设高热值煤气加压设施后直接混合，操作安全，混合效果好，但需增加加压设施，增加投资。

2.3 助燃空气富氧燃烧技术

热风炉理论燃烧温度与V产和C产成反比，因此，提高助燃空气中的氧气含量（富氧），在燃烧同样的煤气量，消耗的助燃空气量减少，而产生的燃烧热量不变，生成的燃烧产物量会减少，这样由废气带走的热量损耗将会大大降低，热风炉热效率得到提高[2]。同时助燃空气中的O2含量增加，减少了助燃空气中N2含量，则可以降低V产，理论燃烧温度上升。另外，由于富氧燃烧增加了烟气中主要辐射性气体CO2和H2O的含量，特别是CO2的含量增加较多，增强炉气的辐射能力，强化炉膛辐射换热，节约燃料。

助燃空气富氧率与理论燃烧温度的关系如图2所示。

由图2可知，富氧率不超过15%以前，每增加富氧率1%，理论燃烧温度随之提高11～21℃，随着富氧率的增加，理论燃烧温度提高趋势变小。在煤气和助燃空气均未预热（tm=60℃，tk=30℃）时，富氧率约为13%，理论燃烧温度可提高至1470℃，热风温度可达1280℃；在煤气和助燃空气均采用热风炉烟气常规预热（tm=180℃，tk=180℃）时，富氧率约为5%，理论燃烧温度便提高至1470℃，热风温度可达1280℃。该方式适用于氧气能力富余的企业。

图2 助燃空气富氧率与理论燃烧温度的关系

热风炉富氧燃烧一般从全厂公辅系统氧气总管接出支管，通过管道接入热风炉换热器前的助燃空气总管，并设置氧气流量调节装置，通过程序控制参与热风炉烧炉，其工艺流程如图3所示。热风炉烧炉控制可采用按加入氧气量控制，按加入氧气量与助燃空气比例控制，按助燃空气中含氧率控制等3种模式。

图3 高炉热风炉富氧燃烧工艺流程

2.4 增设前置燃烧炉双预热技术

增加前置燃烧炉双预热技术是一项利用低热值高炉煤气获取高风温技术，主要是通过增加助燃空气和煤气带入的热量来提高理论燃烧温度。助燃空气预热温度与理论燃烧温度的关系如下页图4所示，高炉煤气预热温度与理论燃烧温度的关系如下页图5所示。

图4 助燃空气预热温度与理论燃烧温度的关系

图5 高炉煤气预热温度与理论燃烧温度的关系

由图4可知，理论燃烧温度与助燃空气预热温度成正比，助燃空气预热温度每提高30℃，理论燃烧温度提高约10℃；当高炉煤气预热温度为180℃，助燃空气预热至450℃，理论燃烧温度为1470℃，热风温度可达1280℃。由图5可知，理论燃烧温度与高炉煤气预热温度成正比，高炉煤气预热温度每提高30℃，理论燃烧温度提高约16.5℃。经过线性回归分析，可得出以下结果：

式中：t理为理论燃烧温度，℃；tk为助燃空气预热温度，℃；tm为高炉煤气预热温度，℃。

目前国内常用的前置燃烧炉预热工艺有“前置燃烧炉+板式换热器”和“前置燃烧炉+扰流子换热器+热管换热器”两种。

2.4.1 前置燃烧炉+板式换热器工艺

基本配置是前置燃烧炉、助燃空气板式换热器和煤气板式换热器，其工艺流程如图6所示。

图6 前置燃烧炉+板式换热器预热工艺流程图

工作原理：高炉煤气在前置燃烧炉内与助燃空气混合燃烧，燃烧产生的高温烟气（1000℃以上）与热风炉烟气（280～350℃）混合至550～650℃的烟气进入助燃空气板式换热器将助燃空气由～30℃预热至300～500℃。剩余的热风炉烟气进入煤气板式换热器将煤气由～60℃预热至180～220℃。经过预热后，整个系统的排烟温度在150℃左右，能源利用率较高。

该工艺的核心板式换热器有平板不锈钢板和带凹凸小半球的花纹不锈钢板两种形式[3]。为防止煤气板式换热器低温段发生结露腐蚀，一般将煤气板式换热器低温段换热片材质提高为不锈钢2205。

目前为止，该工艺已在湘钢2号高炉（2500 m3）、柳钢2号高炉（2650 m3）、宣钢10号高炉（2580 m3）、水钢4号高炉（2580 m3）、方大特钢新2号高炉（1050 m3）等高炉得到较好应用。

2.4.2 前置燃烧炉+扰流子换热器+热管换热器

基本配置是前置燃烧炉、扰流子换热器和热管换热器，其工艺流程如图7所示。

图7 前置燃烧炉+扰流子换热器+热管换热器预热工艺流程图

工作原理：助燃空气和煤气通过热管换热器，利用热风炉烟气分别预热至180℃左右，煤气直接进入热风炉，助燃空气进入扰流子换热器进行二次预热至300～550℃。对助燃空气进行二次预热的烟气是由前置燃烧炉产生的高温烟气与热风炉烟气混合而成。扰流子换热器属于管式换热器，为增加换热效率，热管外表面设置有扰流翅片，内部设置有扰流子。

采用该工艺，由于内部阻损较大，仅靠热风炉烟囱的抽力无法满足正常运行要求，一般需设置一台烟气引风机。同时，该系统中还使用了热管换热器，虽建设投资较低，但使用寿命短，一般5 a左右需要更换热管元件。

该工艺在实际生产中已经得到广泛应用，包括攀钢新3号高炉（2000 m3）、柳钢3号高炉（2000 m3）、通钢7号高炉（2600 m3）等均使用过该工艺。

近年来，随着板式换热器焊接质量的提升，板式换热器的寿命和热效率优势越来越明显，更多企业选择“前置燃烧炉+板式换热器”预热工艺。

2.5 增设预热炉双预热技术

这种方式的高温预热是由2座预热炉和1个混风室组成，预热炉采用“一烧一送”的工作制度。预热炉实际就是小型顶燃式热风炉，其工作原理与顶燃式热风炉相同，即通过高炉煤气烧炉，将热量存储在预热炉的格子砖内。一定比例的助燃空气（50%～60%）先通过预热炉加热至1000～1100℃，加热后的助燃空气与剩余的助燃空气在混风室混合至400～600℃，然后送至热风炉与高炉煤气混合燃烧，其工艺流程如图8所示。

图8 预热炉双预热工艺流程图

该系统运行稳定，使用效果好，可稳定获得1300℃以上风温；但存在占地面积大，投资高，排烟温度较高等不足。如能将预热后烟气用于喷煤系统、焦炭烘干系统等，这样更有利于能源综合利用。

该工艺适用于新建大型高炉，如首钢曹妃甸3座5500 m3高炉、山钢日照精品基地2座5100 m3高炉、宝钢湛江2座5050 m3高炉、柳钢防城港2座3800 m3高炉等。

3 结语

以上几种燃烧技术都可获得1250℃以上高风温，且均已成熟使用，但各工艺的经济效益各不相同。以上几种方式也可组合进行使用，如既富化高热值煤气或富氧又进行高温预热。各企业需根据自身的条件和对高风温的要求，经过认真比较后选择。