高炉烟气余热回收技术的应用

高炉烟气余热回收技术的应用

1高炉煤气余热回收技术近年来，中国高效集中的利用系数逐渐增加，取得了令人满意的成绩，但燃料比下降很小，处于当地陡峭状态。与低燃料消耗的要求还有很大差距。降低燃料消耗的主要措施有提高风温、提高煤气利用和改善原料条件等。当前,我国高炉风温普遍偏低,提高风温节焦增铁的潜力远远没有发挥出来。高风温是一项综合技术,一是热风炉要有持续稳定的提供风温的能力;二是高炉要能够用得上高风温;三是要解决烧炉用煤气热值低的问题。国外大多数高炉为了满足热风温度1200～1300℃的需要,一般多采用高发热值煤气富化高炉煤气来提高拱顶温度,但我国钢铁企业富煤气普遍短缺,很难满足炼铁生产要求,而低热值的高炉煤气却有剩余,如何利用单一低热值的高炉煤气来实现高风温,已成为炼铁工作者近年研究和探讨的课题。热风炉排入烟道的烟气温度虽只有200～300℃,但烟气量大,带走的热量仍相当多,70年代末,国外开始研究利用热风炉烟气的热量来预热助燃空气和煤气,以弥补因高炉燃料比降低以后煤气热值降低所带来的燃烧温度偏低问题。该技术发展十分迅速,特别是日本,设有烟气余热回收利用装备的高炉占90%以上,国内发展也比较快,余热回收装置的形式也比较多。本文就提高热风炉燃烧温度而采用的热风炉烟气余热回收设备的主要形式和特点作一简单介绍,并结合莱钢炼铁厂2号750m3高炉采用的热风炉烟气余热回收设备作比较详细的介绍,目的在于进一步推广使用该项技术。2对换热器的认识从80年代初开始,国内逐步推广使用的热风炉烟气余热换热装置的形式有四种,分别是回转式换热器,焊接板式(管式)换热器,热管式换热器,热媒式换热器。经过多年的运行,对各种形式的换热器都有了一定的认识,对换热器的换热效率、投资、使用寿命、阻力损失、动力消耗、附属设备的多少、维护量大小、清灰维修是否方便和换热器外形尺寸等,都有了一定的综合评价。当然,良好的换热装置应能同时预热空气和煤气,因为热风炉使用的是高炉煤气时,预热煤气比预热空气更有利。2.1热元件周期性吸热型低热回收换热器低热值回转式换热器是一种蓄热型换热设备,依靠换热器中“热轮”的连续转动使蓄热元件周期性地吸热放热,烟气的热量便不断地传给助燃空气。该换热器具有换热效率高、回收热量多、阻力损失小、容易清灰、投资少等优点。但漏风率比较高,不能预热煤气。80年代初,我国早期曾在马钢和杭钢个别高炉上使用过。2.2板式为主的板式结构焊接板式换热器是通过器壁的热传导进行两种气体之间传热的热交换器,有管式和板式,以板式为主。该类型换热器80年代初曾在攀钢等厂个别高炉上使用过,其特点是占地少、运行可靠、漏气率低、无动力消耗,但表面热损失大,会有漏气现象,随着使用时间延长,漏气会增加,烟气通道小,给清理灰垢带来困难,只能预热空气,不能预热煤气。2.3片的热管的冷交换热管是一个内部抽成真空并充以适量热媒的密封管,热管的热量传递主要依靠热媒的潜在变化,因此热管具有较高的导热能力。由带翅片的热管束组成的换热器称为热管换热器,一般它有一个矩形外壳,在矩形外壳中布满了带翅片的热管,在中央有一块隔板把壳体分成两半,形成高温热流体和低温流体通道,高温流体通过隔板的一侧把热量通过翅片传给热管,再由热管内部的工作液吸收热量,经汽化到冷凝,把热量传到隔板的另一侧,实现两种流体的冷热交换。热管式换热器有如下优点:①传热能力大,效率高,单位体积的热交换面积大,结构紧凑;②容易防止高温流体及低温流体间的泄漏,并且在少量热管失效或损坏时不致影响设备和运行;③无运行部件,运行时不需要动力,气体阻力小;④结构比较简单,因膨胀而产生的问题少,检修维护方便;⑤可以制成分离型;⑥可预热煤气,实现空气和煤气双预热。热管式换热器的缺点:粉尘易粘附,清理比较困难,影响换热效果,特别是煤气预热器。2.4热风炉烟气余热回收装置热媒式换热器是国内外近年来开发的热风炉烟气余热回收装置,其特点是可分离布置,各设翅片管换热器,靠热媒体强制循环进行热交换,可同时预热空气和煤气,由于其布置灵活,采用这种换热器可以不改变原来的管道布置。热媒式换热器的介质是水或油,日本是以油为介质,国内柳钢、宝钢是以水为介质,本钢、莱钢是以油为介质。柳钢、宝钢和本钢是国内自己设计实施的,莱钢是利用日本通产省所提供1993年绿色援助计划,由新日铁和莱钢共同设计实施的,该系统主体设备由日方提供,于1995年10月投入使用,目前运转正常。莱钢2号750m3高炉热风炉烟气余热回收装置工艺流程如图1所示。该工艺靠采用作为热媒体的热媒油从200～300℃的废气中回收余热,以此预热助燃空气和煤气。设有三种翅片管式换热器,即废气管道设有一座用于回收废热的换热器,助燃空气管道和燃烧煤气管道分别设有一座用于回收热的换热器,这三座换热器由管路连接,管路内充满着靠循环油泵而循环的热媒油。为吸收由温度变化而产生的热媒油体积变化,在循环油泵的入口处设有膨胀罐;为防止热媒油的氧化,膨胀罐充氮气以达到内部密封;为设备的维修和保养,设有贮油罐和补油泵。热媒的选择是该装置正常使用的关键,选择的条件是:①热媒的热性能和化学性质稳定;②使用时变质的程度小,如果发生变质,也能容易再生;③没有腐蚀性,毒性低,使用方便;④低温启动时,流动性好。热媒可为水或油,因水的价格便宜,取用方便,且无害无毒不可燃,是从常温到150℃范围内最优良的热媒体。但若到250℃以上时,饱和蒸汽压力达4.15MPa,要求设备有很高的耐压性,设备费用增加。如选用Therm-S800热媒油,它的沸点是340℃,凝固点在-30℃以下,它的蒸汽压力在350℃时只有0.115MPa。热媒式烟气余热回收装置有如下优点:①预热助燃空气和煤气的热交换器可分开设置,设置灵活;②热媒不外泄,可以安全地预热,多回收热量,也可以控制热量;③热媒换热器的换热效率高,体积小,在已投产的热风炉组上增设这种烟气余热回收装置比较方便。其缺点是要注意密封件的质量,防止热媒的泄漏。为了安全,热媒贮存罐必须与热风炉保持一定的距离。3高炉余热回收利用的现状国内外钢铁工业,特别是日本钢铁工业,节能重点除改进操作和改造设备以保证提高热效率外,也特别重视回收利用废热。日本钢铁工业已顺利地采用了各种废热回收设备,且技术稳定,效果显著,高炉热风炉烟气余热回收装置的设置率已达90%以上,并逐步发展为介质是油的热媒式热风炉烟气余热回收装置,该技术还广泛应用在化工、发电等行业。国内发展的情况很乐观,笔者对国内45个单位的大于255m3的高炉167座高炉使用热风炉烟气余热回收的情况作了统计,有关数据见表1。从表1可知,被统计的167座高炉中,80座高炉有回收设备,设置率为47.9%,比80年代初统计的设置率9%有了很大的增加,是一个可喜的现象。从高炉容积大小分析,255～400m3级别的高炉,有回收设备的有41座高炉,设置率41.4%,设置率偏低,而大于2000m3级别的高炉,有回收设备的有15座高炉,设置率83.3%。通过统计,从使用形式分析了解,使用热管式换热器的有65座高炉,占总数的81.3%,其中双预热、单预热分别为总数的45.0%和36.3%,热媒式换热器有6座高炉,占总数的7.5%,其中介质为水和油的分别为总数的5.0%和2.5%,其他(如板式)的有6座高炉,占总数的7.5%,自身预热法的有3座高炉,占总数的3.7%,当然该法不属烟气回收余热利用,但从可以提高风温角度出发,同时列于表中。从上述分析了解到,国内高炉热风炉的烟气余热回收利用装置已从回转式、板式换热器逐步发展到热管式换热器和热媒式换热器,自身预热的余热利用法也正在向深度和广度发展。当前,热管换热器,特别是双预热的热管换热器,之所以发展比较快,主要是其技术性能比较好,不仅能同时预热空气和煤气,而且漏气率比较低。热管换热器有投资少、收回投资快、空气和煤气预热温度高、阻力损失小、日常不需维护、积灰少等优点。分离式热管换热器的试验成功,为热管换热器的应用展现了更广阔的前景。但热管换热器也有它的缺点,主要是清灰比较困难,特别是煤气换热器,随着使用时间的延长,效率降低,甚至无效而停用。热媒换热器在国内已逐步使用,国内的以水为介质的热媒换热器在柳钢、宝钢使用情况良好,以油为介质的热媒换热器继本钢后,莱钢使用效果也比较好。莱钢使用的是新日铁技术,它的优点是翅管体可拆性强,翅管可向上提出用水冲洗,对煤气换热器正常使用有很大好处。该工艺适用于已有的热风炉,因为各换热器分散布