高炉热风炉烟气余热综合回收技术

1、高炉热风炉烟气余热综合回收技术一、热风炉烟气余热数量分析二、传统的热风炉烟气余热回收技术三、用热管技术提高高炉鼓风温度的 局限性及对策探讨四、全烧高炉煤气实现1250送风温度的两种工艺系统五、国内几种实现1250送风温度的技术六、“前置炉+空气扰流子换热器+空气、煤气热管换热器”技术的应用 根据王维兴“2009年国内外炼铁技术进展评述”一文介绍，目前，我国拥有1350座高炉，大于10003以上容积的高炉200座：其中50003级高炉有2座，32003级高炉有16座，250028003级高炉有42座。 为了便于说明问题，对于不同炉容的高炉，均假定其煤气的低热值为3150KJ/Nm3，煤气初始温度

2、为40，空气系数，热风炉烟气温度为250350，平均按300计算。表1列出了不同炉容高炉热风炉烟气余热数量。表1 不同炉容高炉热风炉烟气余热数量各种热工参数 高炉炉容 m3450100012502000250032004747热风炉煤气消耗量Nm3/h55000100000115000155000200000240000300000热风炉煤气低热值 K/Nm33150315031503150315031503150热风炉空气消耗量Nm3/h362096583575710102044131670158004197505热风炉烟气温度 2503502503502503502503502503502

3、50350250350热风炉烟气平均温度 300300300300300300300热风炉烟气量Nm3/h84362153385176393237747306770368124460155烟气余热折合成煤气量 Nm3/h11642211672434232809423205080163501烟气余热占热风炉煤气耗量的比例 %21.16721.16721.16721.16721.16721.16721.167二、传统的热风炉烟气余热回收技术 北科大杨天均教授的文章介绍，热风炉烟道废气余热利用进行双预热的技术大有发展前途。目前热风炉烟道废气余热回收应用于两个方面：作为喷煤制粉系统的干燥介质和输送载体

4、物，也可用作预热煤气和助燃空气。作为制粉系统的干燥介质已广泛采用，节约制粉系统燃烧炉的煤气量，降低了制粉能耗。在烟道设置换热器预热煤气和助燃空气尚未普及。 实际上，在20世纪80年代开始，用热管技术回收热风炉烟气余热，以预热煤气和助燃空气且取得了显著的效果。此后，热管换热器在高炉热风炉领域获得了广泛推广应用。但是人们对热管换热器的应用有一个认识过程，而热管技术本身也有一个发展过程。出于安全性考虑，早期,分体式热管换热器得到了较普遍应用，随着时间推移，整体式热管换热器技术不断成熟，尤其是冷、热流体之间的中隔板密封技术得到解决，并且人们认识到分体式热管换热器的诸多缺点，因而整体式热管换热器得到普遍

5、推广应用。图1 分体式热管换热器图2 整体式热管换热器 与整体式热管换热器比较，分体式热管换热器存在如下缺点：换热效率比较低。约低20%设备重量大。约大2025%占地面积大。投资大。约大20%以上现场施工难度大寿命低。最佳34年寿命，而整体式热管换热器10年以上。三、用热管技术提高高炉鼓风温度的局限性及对策探讨 提高高炉的鼓风温度是高炉增产、降耗、增效的一项有力的技术途径。目前，世界上正在研究实现高鼓风温度的新技术，诸如蓄热式燃烧技术、高热值燃料加纯氧燃烧技术、风口前电磁加热鼓风技术以及热富氧鼓风技术等，但这些技术尚处于研究开发以及工业实验阶段。 国外高炉的鼓风温度一般都在1250以上。我国宝

6、钢4350m3高炉鼓风温度达到了1250。这主要依靠三方面的措施：（1）采用热管换热器实现热风炉烧炉煤气和助燃空气双预热；（2）掺烧了焦炉煤气；（3）助燃空气富氧。国内其它大、中型高炉的鼓风温度大多维持在11001150左右，而小型高炉大多数处在1050左右的水平。 目前国内外的热风炉操作一般都把热风炉拱顶温度控制在不超过1400的水平上，以尽可能减少NOx和SOx的生成量。这一拱顶温度保证高炉长期的送风温度1250是可行的。因此许多专家认为，我国高炉热风炉的风温目标确定为1250是合理的，它既反映了当今国内外热风炉的技术水平，又是我们现在经过力创造条件能够到达的。 但是高炉煤气及助燃空气的预

7、热温度tg 、tk本身受到热风炉排烟温度及热管工作温度的限制，一般情况下，tg 、tk只能达200220左右的水平。 显然，在上述两种制约条件下，高炉煤气的理论燃烧温度t理不会高于1450。换句话说，仅仅依靠热管换热器预热高炉煤气和助燃空气，最佳情况下可使高炉鼓风温度突破1100大关，甚至达到1150水平，但要实现12001250的高鼓风温度目标，不采用其它技术手段是不可能的。 为此，本人早在2000年就提出了对策，即提出了“全烧高炉煤气实现1250鼓风温度”的“高炉高风温的组合预热系统”。四、全烧高炉煤气实现1250送风温度的两种工艺系统 在全烧高炉煤气并且煤气不富化、助燃空气不富氧的条件下

8、,采用两种组合预热工艺系统,可以使大、中、小型的高炉热风炉实现1250以上的送风温度,从而取得显著的经济效益及社会效益。1.理论依据 一般来说，热风炉的拱顶温度要高于高炉鼓风温度80150，而热风炉的炉温系数是0.98,也即高炉煤气的理论燃烧温度t理乘以炉温系数,就为拱顶温度。如果从最保守的角度考虑,取拱顶温度与高炉鼓风温度之差为150,热风炉的炉温系数取0.92,那么热风炉要实现1250的送风温度,高炉煤气的理论燃烧温度必须达到1522以上。式（1）给出了煤气的理论燃烧温度t理的计算方法： t理QdCp gtgCp kLntk/ VyC p y (1)式中 : Qd 高炉煤气的低热值， Kj

9、/ Nm3tg 、tk 煤气及空气的预热温度， ；C p g 、C p k 、C p y 分别为煤气、空气、烟气的比热， Kj/ Nm3；Ln 实际空气量， Nm3 / Nm3；Vy 燃烧产物的体积量， Nm3 / Nm3。 由式(1)可知,要提高高炉煤气的理论燃烧温度,不可能依赖于提高高炉煤气的低热值Qd,因为随着炼铁焦比的降低，高炉煤气的低热值Q d也大大降低。因而只有依赖于提高助燃空气的预热温度tk和煤气的预热温度tg。作者认为, 出于安全考虑,高炉煤气不宜预热到太高的温度,一般以200为宜。而助燃空气则可以在所用材质允许范围内被预热到高于400以上的温度。理论计算表明,当Qd=3150

10、 KJ/Nm3,高炉煤气预热温度tg=200,而助燃空气预热温度tk=355时,可保证高炉获得1250的鼓风温度。2.空气两次预热、煤气一次预热的组合预热系统燃烧参数高炉煤气的低发热值, Qd Kj/Nm33450335032503150305029502850空气系数 1.101.101.101.101.101.101.10单位助燃空气量 Ln Nm3/Nm30.7210.7000.6790.6580.6370.6170.596实际燃烧产物量Vn Nm3/Nm31.58761.56971.55181.53391.51601.49811.4802煤气一次预热温度Tg2 170200200200

11、200200200空气一次预热温度 Tk2 204223200200200200200空气二次预热温度 Tk3 00288355425497570煤气理论燃烧温度t理 1522152215221522152215221522热风炉炉顶温度 td 1400140014001400140014001400热风炉送风温度 ts 1250125012501250125012501250 表2 空气两次预热、煤气一次预热系统的送风温度3.空气两次预热、煤气不预热的组合预热系统燃烧参数高炉煤气的低发热值, Qd Kj/Nm33450335032503150305029502850空气系数 1.101.10

12、1.101.101.101.101.10助燃空气量 Ln Nm3/Nm30.7210.7000.6790.6580.6370.6170.596燃烧产物量 Vn Nm3/Nm31.5881.56971.55181.53391.5161.49811.4802干煤气温度 Tg2 80/15080/15080/15080/15080/15080/15080/150空气一次预热温度 Tk2 200200200200200200200空气二次预热温度 Tk3 330/233393/296458/362526/429596/499671/574749/648煤气理论燃烧温度 t理 1522152215221

13、522152215221522热风炉炉顶温度 td 1400140014001400140014001400热风炉送风温度 ts 1250125012501250125012501250表3 空气两次预热、煤气不预系统的送风温度五、国内几种实现1250送风温度的技术1.采用富氧鼓风、富化高炉煤气及煤气空气双预热技术 高炉富氧鼓风或热风炉掺烧部分高热值煤气，提高热风炉燃烧的化学热。高炉富氧鼓风不仅可以强化燃烧，提高燃烧带的温度，提高喷煤量，而且可以提高煤气热值。一般提高l富氧率大约可提高煤气发热值146kJm3左右。转炉吨钢煤气产生量约80Nm3t，发热值约7500kJNm3。如果把回收的转炉煤

14、气供热风炉使用，其热值大约可提高到3400kJNm3以上。这种方法可靠，其寿命取决于换热器寿命生产成本高、多数企业不具备条件高热值煤气受外部条件制约2.采用“两座预热炉（小热风炉）+1座混风炉”技术 首钢京唐公司1#高炉（55003）采用这种技术实现了1300的送风温度。这种技术稳妥、可靠、预热炉寿命长。设备投资大、占地面积大能源消耗量大烟气余热未完全回收利用3.采用“前置燃烧炉+空气、煤气管式换热器”技术这种技术缺点较多：使用老式的管式换热器，由于其综合传热系数低，所以设备体积大、金属耗量大。烟气余热未得到充分回收利用附加的高炉煤气消耗量大、不但不节能，反而增加能耗空气、煤气流动阻力大设备工

15、艺布置的某些不合理性煤气管式换热器存在使用可靠性、安全性隐患。 取某厂12503高炉同样的基本条件进行计算。我们的技术系统称之为A系统，将该技术称之为B系统比较如下: 表4 两种技术计算的基本数据序号参数名称单位 A 系 统 B 系 统1煤气低发热值Qd Kj/Nm3315031502热风炉煤气耗量VgNm3/h1100001100003空气消耗系数1.11.14助燃空气量VkNm3/h72419724195热风炉烟气温度 3203206煤气初始温度tg1 80807煤气预热温度tg2 1852508空气初始温度tk1 20209空气预热温度tk240030010高炉送风温度Tr1257.61

16、257.6 表5 A、B两种系统计算结果比较序号 参数名称单位A系统B系统1B系统21煤气低发热值Qd Kj/Nm33150315031502热风炉煤气耗量VgNm3/h1100001100001100003助燃空气量VkNm3/h7241972419724194前置炉煤气消耗量Nm3/h920021422136005兑入到前置炉的热风炉烟气量Nm3/h313281679641061216需要从烟囱直接排走的烟气量Nm3/h0759626027热风炉排烟温度3203203208换热器后的终排烟温度1803001809高炉送风温度Tr1257.61257.61257.610前置炉尺寸(内径/外径

17、高)mm2375/3435124663113/41731412711前置炉耐材及钢材总重t耐材总重:163.19钢材总重:22.235耐材总重:216.74钢材总重:32.44耐材总重:181.0钢材总重:28.712煤气管式换热器重量t99.56131.013空气管式换热器重量t74.393.0122.014空气热管换热器重量T47.515煤气热管换热器重量T48.816换热设备总重量t170.6192.56253.0 注:A系统为空气扰流子换热器,B系统为管式换热器。由上表看出,A系统与B系统相比较,有以下几点不同:(1) 我们有意降低B系统煤气的预热温度,即只预热到250的条件下,即或如

18、此,B系统换热设备总重比A系统重了和。(2)B系统1比A系统每小时多烧12222Nm3/h高炉煤气,则一年多烧107.065106Nm3高炉煤气,折合人民币万元。B系统2比A系统每小时多烧4400Nm3/h高炉煤气,则一年多烧38.54106Nm3高炉煤气,折合人民币万元。(3)B系统1换热器排烟温度还有300,也就是说热风炉烟气余热没有得到充分利用,白白浪费了可利用的余热资源。如果这些烟气再能从300降低到180并加以回收利用,则相当于每小时节约了11207Nm3/h高炉煤气,一年可节约98.17332106Nm3/h高炉煤气,折合人民币万元。B系统2换热器排烟温度也是180,和A系统一样。

19、但是却有62602Nm3/h烟气直排烟囱,余热没有得到利用,白白浪费了可利用的余热资源。如果这些烟气再能从320降低到180并加以回收利用,则相当于每小时节约了4080Nm3/h高炉煤气,一年可节约35.7408106Nm3/h高炉煤气,折合人民币万元。 (4)B系统不但不节能,反而增加了能耗。4.采用“前置燃烧炉+空气、煤气板式换热器”技术 板式换热器、扰流子换热器（或称带插入件的管式换热器）、热管换热器几乎同是在20世纪70年代末、80年代初问世的。热管换热器由于其独特的工作原理、高效传热性能、较宽的工作温度范围，而被广泛应用于炼铁高炉热风炉烟气余热回收；扰流子换热器（或称带插入件的管式换

20、热器）也由于其传热效率大大高于老式的管式换热器以及它具有高达600800的工作温度范围，而被广泛应用于轧钢加热炉烟气余热回收，以预热空气和煤气，并且可以使空气、煤气达到较高的预热温度；板式换热器由于其换热板是厚度的不锈钢板（最厚），两种流体分别从板的两侧面流过进行热交换，因此适用于低温流体传热，尤其是两种液体传热，所以多用在化工、食品、电力行业。用在高炉热风炉回收烟气余热或更高的工作温度范围，在国内尚未见报道。采用“前置炉+板式换热器”技术与采用“前置炉+管式换热器”技术类似，具有如下缺点：烟气余热未得到充分回收利用附加的高炉煤气消耗量大、不但不节能，反而增加能耗设备工艺布置的某些不合理性煤气

21、板式换热器存在使用可靠性、安全性隐患。其重量要轻些，但因为用不锈钢板片，其价格要比它们高得多板片之间只有20间隙，表面呈波纹状，容易积灰，无法在线吹扫5.带“前置炉（或称附加燃烧炉）的组合预热系统”节能判别指标以如下三个基础条件为依据界定前置炉临界煤气消耗量： （1）在采用本组合预热系统之前，热风炉已经进行空气、煤气双预热并且平均风温已达t11150； （2）采用高风温组合预热系统后，平均风温为t21230； （3）每提高10风温，焦比降低。 GgGjbGd （1） Gg（24Vg1）/Gt （2） Gjb(（t2t1）/10)gjb2 （3） Gd24Wd3/ Gt （4） VgljGt(t

22、2t1)gjb (2/2401)Wd(3/1 （5）上述式中： Gt高炉日产生铁量 t/日 Gg吨铁前置炉煤气消耗量 ce/t gjb每提高10风温，焦炭降低数量。gjb=1.85 Kg/tGjb吨铁降低焦炭数量 ce/t Gd吨铁增加的电耗量 ce/t Wd组合预热系统增加的电功率 Kw 1、2、3分别为高炉煤气、焦炭、电折算成标准煤的系数。分别为、。 由式（5）可知前置炉煤气消耗量如果小于等式右边两项的差值，则组合预热系统就节能，反之则不节能。 根据上述各式，代入表5有关数据，可知：A系统节能:13.57-7.594=5.976 Kgce/t。B系统1不节能反而增加能耗:13.57-17.

23、70=4.13 Kgce/tB系统2也不节能反而增加能耗:13.57-11.226-3.3678=1.0238 Kgce/t六、“前置炉+空气扰流子换热器+空气、煤气热管换热器”技术的应用 这种技术被称之为“全烧高炉煤气实现1250鼓风温度”的“高炉高风温的组合预热系统”。 我的这个技术是由江苏中天能源设备有限公司与江西凯斯通环保设备有限公司联合完成。江苏中天负责设计、制造空气扰流子换热器、空气热管换热器、煤气热管换热器以及相应的支架、平台；江西凯斯通负责设计、制造各种阀门、前置炉、自控系统。项目的特色和创新之处：1、采用前置炉扰流子换热热管换热的新型组合方式，进行煤气一级预热和空气两级预热，

24、或者煤气不预热、空气两级预热，实现鼓风温度1250；2、无需掺烧高热值煤气（焦炉煤气或转炉煤气等）和富氧空气，有效降低炼铁焦比1020kg/t，经济效益显著；3、本系统可为高炉喷煤系统提供烘煤热源，实现能源的充分和循环利用；4、对热管换热器采用专利密封装置，确保产品的安全性和使用寿命；5、对扰流子换热器采用专利密封装置，确保密封性和安全性；6、根据不同的工况及需要，制定系统的控制要求，通过各类特殊阀门（专利）动作实现系统的自动控制；1.与用户合作方式总包：系统内所有设备、阀门、管道及支架平台、自控系统（含仪表及软件）供货、施工、安装。分包：系统内所有设备、阀门、自控系统（含仪表及软件）供货。垫

25、资承包：用户分年还款与用户签订“合同能源管理（EMC）”合同 2.设备简介空气、煤气热管换热器热管换热器是由多根热管组装而成的一种新型换热设备，它以具有良好等温性能的热管单管作为传热元件，具有传热效率高、设备结构紧凑、流动阻损小，两侧热阻可调，运行可靠、操作检修方便等优点。这使其很方便地利用废热来预热空气、煤气等其它流体。热管换热器具有以下几方面的优点：（1）热管由于冷、热两端都带有螺旋翅片，大大增加了传热面积，单管功率大。（2）工作介质循环是依靠重力和压差作用，无需外加动力，无机械运行部件，增加了设备的可靠性，也极大地减少了运行费用。（3）由于其冷、热两端热阻方便可调，便于控制管壁温度，从而

26、有效地解决设备的露点腐蚀。（4）根据工艺要求，可以进行顺、逆流混合布置，适应较宽的温度范围。（5）系统由众多热管组装而成，各热管之间相互独立，一根或几根热管损坏或失效不影响整个系统的安全运行，只是换热器整体效率会略有降低而已。 (6)热管换热器的密封是专利技术（专利号：）空气扰流子换热器扰流子换热器是在老式的列管式换热器管子内加上扰流片发展而来，其工作原理与管式换热器基本相同,即通过间壁进行两种流体介质之间的传热,管内流过气体时,伴随着扰流片的振动而破坏了管内流体附面层,从而提高了传热效率。扰流子换热器制造特点:(1)在管内增加了扰流片提高了传热效率;(2)换热管与管板连接采用本公司的“一种适

27、用于列管式热交换器的密封装置”专利技术(专利号：ZL200520068707.2)有效解决了热膨胀问题。因而高温段的管子也不必做成弯曲状,也不必加波纹管膨胀节就可以抵消热应力作用。其原理见图7。 图7. 列管式热交换器的密封装置及扰流子示意图 1密封结构,2上花板,3管壳,4扰流片,5下花板前置燃烧炉前置燃烧炉是“高炉高风温组合换热系统”的一个重要设备.它的功用在于:(1)由前置燃烧炉产生约1100的高温烟气,兑入了一部分来自于热风炉的低温烟气后,使混合烟气的温度介于500650之间,给扰流子换热器提供热源,从而使助燃空气在扰流子换热器中由200左右再被预热到300450.(2)如果热风炉的原

28、有烟气的温度偏低,则可以通过提高前置燃烧炉的混合烟气温度及增大烟气量,使排出扰流子换热器的烟气温度相应提高,这部分烟气又混合到未增温的热风炉烟气中,使热风炉烟气温度得以提高,这有利于提高热管换热器的换热效率,并防止材质低温腐蚀。 前置燃烧炉炉壳由钢板焊成.炉内高温工作层砌筑高铝砖,低温工作层砌筑耐火粘土砖,中间砌筑轻质粘土砖,外层衬以保温材料.燃烧器是大容量的高炉煤气烧嘴.前置燃烧炉附属设备有鼓风机、烧嘴、煤气切断阀、煤气流量调节阀、流量计、空气调节阀、电子点火烧嘴,煤气和空气手动阀门等等.燃烧器的特点 燃烧器由不锈钢板和耐火浇注料组成。一个或数个高炉煤气烧嘴至少要有一个烧嘴带有燃焦炉煤气的自

29、动点火烧嘴,如用户无焦炉煤气,可用液化石油气代替.如用户既无焦炉煤气又无液化石油气,则前置炉必须设有人工点火口.燃烧器的调节比不小于 炉温炉压控制 前置炉必须配有炉温测量及炉压测量仪表.前置炉炉温按110020控制,根据炉子负荷调节煤气量大小,比例调节空气量大小来实现炉温控制。炉顶混合烟气温度按500650范围控制。炉压则根据组合换热系统的系统阻力来显示或调节。 阀门 空气、煤气的双预热高风温组合预热系统，共有17台阀门。其中预热系统范围14台，前置炉系统3台。自控系统的可靠、稳定及阀门动作的可靠性、准确性、稳定性及长寿命是保证高风温组合预热系统换热设备正常运行和设备寿命的关键所在。因此，阀门

30、及自控系统是高风温组合预热系统中必不可少的配套设备。所有阀门均采用香港西博森智能型变频调速电动执行器（专利号ZL2005 2 0107747.3)、其控制部分与机械部分为分体安装，以保证电路板寿命。对各类阀门技术要求如下：煤气管道用密闭蝶阀： 工作压力: 不大于 泄 漏 量: 0泄漏 使用温度: -20250 环境温度: 60 切断时间: 30120s可调 电 源:220v,50Hz 位置反馈:420ma,另有4组无源开关 信号输出 基本误差:不大于1%烟气和空气管路电切断阀： 工作压力: 不大于 泄 漏 量: 不大于0.5% 使用温度: -20250,150450 环境温度: 60 切断时间

31、:30120s可调 电 源:220v,50Hz 位置反馈:420ma,另有4组无源开关信号输出 基本误差:不大于1%电动调节阀门： 工作压力: 不大于 泄 漏 量: 1% 使用温度: 不大于150 环境温度: 60 切断时间:30120s可调 电 源:220v,50Hz 基本误差: 1% 死 区: 1% 回 差: 1.5% 始终点偏差: 1.5% 输入输出:420ma 有4组无源开关信号输出,带国际标准通讯接口,有强大信号隔离装置.所有电动执行器:内置故障自诊断功能,力矩过载(专利号）、过热保护,电机电子制动控制,变频调速,全智能化控制,中文显示,功能可重新设置,带现场手动、自动切换操作按纽.

32、内置电源滤波器,启动电流小于额定电流。柔性启动关闭,确保大口径阀门启动、关闭轴向惯性。电动执行器5年免维护。引风机：排烟用，一般全压值10002000Pa,流量根据高炉容积而定。空气热管换热器烟气侧阻力与扰流子换热器烟气侧阻力之和约为1000Pa左右。自控系统：DCS全套，含GDD柜、PLC柜、10点测温、10点测压、1点测煤气流量、计算机、PLC编程、控制画面设计等。3.应用业绩(1)江西南昌钢铁股份有限公司3420m3高炉;(2)江西南昌钢铁股份有限公司新11260m3高炉（分两部走）;(3)湖南涟源钢铁股份有限公司1450m3高炉;(4)四川攀枝花新钢钒股份有限公司 新32000m3高炉;(5)四川攀枝花新钢钒股份有限公司 老21350m3高炉改造;(6)河