熱風(fēng)爐系統(tǒng)前置爐技術(shù)探析

韓衛(wèi)星，張靈

(宣化鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司，中冶南方工程技術(shù)有限公司)

摘 要：結(jié)合宣鋼1、2號(hào)高爐生產(chǎn)實(shí)踐，對(duì)熱風(fēng)爐系統(tǒng)采用高爐—轉(zhuǎn)爐富化煤氣和設(shè)置熱風(fēng)前置爐兩種技術(shù)方案的主要設(shè)計(jì)參數(shù)、設(shè)備配置、投資概算、在鋼鐵企業(yè)的煤氣平衡優(yōu)先等級(jí)和生產(chǎn)效果等方面進(jìn)行探析。

關(guān) 鍵 詞：大型高爐；熱風(fēng)前置爐；高風(fēng)溫

宣鋼1、2號(hào)高爐(2500m³)分別于2008年3月16日、2010年9月19日投產(chǎn)。2座高爐均由中冶南方工程技術(shù)有限公司總體設(shè)計(jì)，雖然投產(chǎn)時(shí)間前后相差2年多，但總體工藝技術(shù)設(shè)計(jì)、設(shè)備選型基本一致，均采用了精料、爐體長壽、節(jié)能型高風(fēng)溫配置和環(huán)保渣鐵處理等綜合的先進(jìn)工藝技術(shù)；不同之處是宣鋼當(dāng)時(shí)轉(zhuǎn)爐煤氣平衡有缺口，而在2號(hào)高爐熱風(fēng)爐系統(tǒng)配置上設(shè)計(jì)了熱風(fēng)前置爐，燃料為全高爐煤氣，1號(hào)高爐的熱風(fēng)爐燃料為高爐—轉(zhuǎn)爐煤氣富化的混合煤氣。本文以宣鋼1、2號(hào)高爐為例，就這兩種不同的技術(shù)方案的主要設(shè)計(jì)參數(shù)、設(shè)備配置、投資概算、在鋼鐵聯(lián)合企業(yè)中煤氣平衡優(yōu)先等級(jí)和生產(chǎn)效果等方面進(jìn)行探討分析。

1 設(shè)計(jì)比較

1．1 工藝流程

(1)高爐—轉(zhuǎn)爐煤氣富化流程。利用熱風(fēng)爐燃燒產(chǎn)生經(jīng)熱風(fēng)爐格子磚蓄熱后的煙氣將高爐—轉(zhuǎn)爐混合煤氣和助燃空氣一起分別經(jīng)煤氣、助燃空氣預(yù)熱器預(yù)熱到180℃，送熱風(fēng)爐燃燒和助燃。工藝流程如圖1所示。

(2)前置爐流程。利用熱風(fēng)爐燃燒產(chǎn)生經(jīng)熱風(fēng)爐格子磚蓄熱后的煙氣，通過煤氣預(yù)熱器預(yù)熱高爐煤氣到200℃，高爐煤氣送往熱風(fēng)爐作燃料；預(yù)熱后的熱風(fēng)爐煙氣由引風(fēng)機(jī)引出，和由前置爐燃燒高爐煤氣產(chǎn)生的高溫?zé)煔饣旌系?/span>620℃，經(jīng)空氣預(yù)熱器把助燃空氣預(yù)熱到450℃，送熱風(fēng)爐助燃，廢煙氣排放溫度為150℃。工藝流程如圖2所示。

1．2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)高爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)。1、2號(hào)高爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

(2)熱風(fēng)爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)。1、2號(hào)高爐均配置3座高溫內(nèi)燃式熱風(fēng)爐，采用懸鏈線形拱頂、眼睛型燃燒室配置矩形陶瓷燃燒器、自立式隔墻、內(nèi)襯砌筑結(jié)構(gòu)設(shè)置合理的膨脹和滑動(dòng)縫、熱風(fēng)爐和熱風(fēng)管道的關(guān)鍵部位采用組合磚、采用高效格子磚和防止熱風(fēng)爐爐殼晶間應(yīng)力腐蝕等工藝措施。熱風(fēng)爐系統(tǒng)設(shè)計(jì)的差別在預(yù)熱設(shè)施，1號(hào)高爐的熱風(fēng)爐采用高爐—轉(zhuǎn)爐煤氣混合，2號(hào)高爐的熱風(fēng)爐設(shè)前置爐，燃料為單一高爐煤氣。1、2號(hào)高爐的熱風(fēng)爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

1．3 主要設(shè)備配置

1、2號(hào)高爐兩種熱風(fēng)爐預(yù)熱方案中，熱風(fēng)爐用助燃空氣均采用集中供風(fēng)方式，設(shè)置2臺(tái)助燃風(fēng)機(jī)，一用一備。風(fēng)機(jī)風(fēng)量200000m³／h，風(fēng)壓12kPa，電機(jī)功率約1250kW。除助燃風(fēng)機(jī)外、相同的主要設(shè)備有煙氣、煤氣和助燃空氣的換熱器及閥門，不同的是這兩種方案的煙氣和助燃空氣設(shè)備的耐溫差別，最高溫度分別為400℃和700℃。兩種方案不同的設(shè)備配置主要如下。

(1)1號(hào)高爐采用高爐—轉(zhuǎn)爐煤氣富化流程，主要不同設(shè)備為煤氣混合站?；旌险居烧{(diào)節(jié)閥、煤氣靜態(tài)混合器和管道等組成。

(2)2號(hào)高爐采用前置爐流程主要設(shè)備有：①前置爐1座，由爐殼、爐襯、燃燒室、混合室、各氣體進(jìn)出口等構(gòu)成。主要設(shè)計(jì)參數(shù)，燃燒煤氣量25000～40000Nm³／h；空氣量18000～30000Nm³／h；混合煙氣量100000～150000Nm³／h，混合后溫度620～700℃，設(shè)計(jì)壓力0．1MPa。②引風(fēng)機(jī)1臺(tái)，耐溫250℃，流量190000m³／h，電機(jī)額定功率280kW。③前置爐用助燃風(fēng)機(jī)1臺(tái)，流量25000m³／h，電機(jī)額定功率110kW。④由于增加1座前置爐，相應(yīng)增加電氣、儀表設(shè)施和土建工程等。

1．4 投資概算比較

2號(hào)高爐的熱風(fēng)前置爐流程技術(shù)方案同等增加的投資概算(2009年初價(jià)格)約1800萬元，噸鐵增加投資約8．95元。

2 煤氣平衡優(yōu)先探討

2．1 煤氣種類

宣鋼是長流程鋼鐵聯(lián)合企業(yè)，擁有燒結(jié)、球團(tuán)、焦化、高爐煉鐵、轉(zhuǎn)爐煉鋼和熱軋生產(chǎn)線，具備年產(chǎn)生鐵800萬t／a、鋼820萬t／a、材660萬t／a的生產(chǎn)能力，主要產(chǎn)品為線材、棒材、型材和帶鋼。在鋼鐵聯(lián)合企業(yè)，按照工序產(chǎn)品對(duì)燃料的要求進(jìn)行煤氣平衡優(yōu)選，使二次能源得到最佳利用，有利于降低全流程工序總能耗，節(jié)能減排。

焦?fàn)t煤氣發(fā)熱值最高(一般約為16720kJ／m³)，排除未來高爐噴吹焦?fàn)t煤氣可能獲取更好的經(jīng)濟(jì)效益外，目前的優(yōu)先用戶為聯(lián)合企業(yè)的冷熱軋鋼工序用戶，以滿足企業(yè)終端產(chǎn)品市場(chǎng)競爭力的要求。同時(shí)，焦?fàn)t煤氣如果處理不完全會(huì)內(nèi)含焦油，會(huì)影響預(yù)熱設(shè)備正常運(yùn)行，從該點(diǎn)出發(fā)，不應(yīng)作為熱風(fēng)爐首選富化燃料。

轉(zhuǎn)爐煤氣發(fā)熱值高于高爐煤氣(一般約為7000kJ／m³)，按照轉(zhuǎn)爐噸鋼回收量大約100m³，轉(zhuǎn)爐連鑄用戶自耗量一般為大約12m³，噸鋼的轉(zhuǎn)爐煤氣剩余量大約88m³。

目前，隨著高爐煉鐵燃料比進(jìn)一步降低，高爐煤氣發(fā)熱值最低(一般約為3080kJ／m³)。在鋼鐵聯(lián)合企業(yè)，低熱值的高爐煤氣通常作為熱風(fēng)爐、噴煤制粉、燒結(jié)等的首選燃料。

2．2 熱風(fēng)爐燃料選擇

提高熱風(fēng)溫度，經(jīng)濟(jì)富氧和噴煤，可以節(jié)焦增產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本，2012年全國重點(diǎn)企業(yè)高爐年平均熱風(fēng)溫度為1183℃。《高爐煉鐵工藝設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50427—2008)規(guī)定，新建高爐設(shè)計(jì)風(fēng)溫均要求≥1200℃，但目前常規(guī)的熱風(fēng)爐系統(tǒng)設(shè)計(jì)，單燒高爐煤氣和常規(guī)雙預(yù)熱技術(shù)方案滿足不了規(guī)范風(fēng)溫設(shè)計(jì)要求。

宣鋼2500m³高爐設(shè)計(jì)年產(chǎn)量201．25萬t／a，風(fēng)溫1200℃(1250℃max)，采用高爐—轉(zhuǎn)爐煤氣富化，噸鐵需要轉(zhuǎn)爐煤氣量大約92．2m³。長流程鋼鐵企業(yè)，按每噸轉(zhuǎn)爐鋼需0．95t鐵水算，噸鐵可用轉(zhuǎn)爐煤氣量為92．6m³，從高爐—轉(zhuǎn)爐煤氣的作業(yè)平衡算，基本上可以滿足高爐設(shè)計(jì)風(fēng)溫所必須的高爐—轉(zhuǎn)爐煤氣富化混合量的需求。

2．3 熱風(fēng)爐燃燒的減排效果

《煉鐵工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 28663—2012)規(guī)定，現(xiàn)有企業(yè)的熱風(fēng)爐顆粒物、二氧化硫、氮氧化物排放限值分別為50mg／m³、100mg／m³、300mg／m³。本文按照1、2號(hào)高爐的熱風(fēng)爐兩種技術(shù)方案均滿足環(huán)保排放要求、年工作日350天和設(shè)計(jì)的煙氣排放量計(jì)算，兩種技術(shù)的顆粒物、二氧化硫、氮氧化物排放量對(duì)比見表3。

3 生產(chǎn)效果

3．1 高爐主要生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

2012年，1、2號(hào)高爐主要生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表4。

3．2 生產(chǎn)成本

(1)兩種技術(shù)方案能源介質(zhì)設(shè)計(jì)(按風(fēng)溫1200℃算)消耗如下。1號(hào)高爐轉(zhuǎn)爐煤氣富化流程：高爐煤氣164000Nm³／h，噸鐵耗量684．5Nm³；轉(zhuǎn)爐煤氣22060Nm³／h，噸鐵耗量92Nm³。

2號(hào)高爐的前置爐流程：高爐煤氣總耗量227500Nm³／h，噸鐵耗量950Nm³；焦?fàn)t煤氣耗量5m³／h(用于穩(wěn)燃)，噸鐵耗量0．02Nm³；電耗400kW／h，噸鐵耗量1．67kW·h。

(2)按照高爐、轉(zhuǎn)爐、焦?fàn)t煤氣和電消耗(不含固定資產(chǎn)投資折舊)計(jì)算噸鐵生產(chǎn)成本見表5。

綜合所述，按噸鐵增加費(fèi)用6．41元、設(shè)計(jì)年產(chǎn)生鐵量201萬t算，前置爐流程每年增加成本約1290萬元。

3．3 設(shè)備維護(hù)維修

2號(hào)高爐的前置爐流程增加前置爐、引風(fēng)機(jī)、助燃風(fēng)機(jī)等設(shè)備，煙氣和助燃空氣的換熱器及閥門工作溫度為600℃(700℃max)，而高爐—轉(zhuǎn)爐煤氣富化技術(shù)只增加煤氣混合站。按照熱風(fēng)爐一代設(shè)計(jì)壽命≥25a計(jì)算，相應(yīng)增加的設(shè)備維護(hù)維修工作量較大。

4 結(jié)語

(1)宣鋼2號(hào)高爐熱風(fēng)爐系統(tǒng)的前置爐與1號(hào)高爐熱風(fēng)爐的高爐—轉(zhuǎn)爐煤氣富化混合流程相比，需要增加前置爐、引風(fēng)機(jī)、助燃風(fēng)機(jī)等設(shè)備及相應(yīng)的電氣、儀表設(shè)施和土建工程，煙氣和助燃空氣的換熱器及閥門最高溫度要求達(dá)到700℃，同比投資概算增加約1800萬元，噸鐵增加投資8．95元／t。

(2)從2011年生產(chǎn)結(jié)果看，1、2號(hào)高爐的兩種熱風(fēng)爐預(yù)熱技術(shù)都能滿足1200℃高風(fēng)溫要求，但前置爐流程噸鐵成本增加約6．41元/t。

(3)對(duì)于長流程鋼鐵聯(lián)合企業(yè)，作者認(rèn)為高爐熱風(fēng)爐用燃料優(yōu)先等級(jí)為高爐—轉(zhuǎn)爐煤氣富化的混合煤氣，比用富裕轉(zhuǎn)爐煤氣進(jìn)行發(fā)電更有利于二次能源的最佳利用和節(jié)能減排。

綜上所述，為滿足高爐≥1200℃(最大1250℃)風(fēng)溫要求，長流程鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的熱風(fēng)爐應(yīng)盡量使用高爐—轉(zhuǎn)爐煤氣富化作燃料，達(dá)到節(jié)約工程投資，降低生產(chǎn)成本，減少設(shè)備維護(hù)和節(jié)能減排之目的。