熱風爐系統前置爐技術探析
韓衛星，張靈
(宣化鋼鐵集團有限責任公司，中冶南方工程技術有限公司)
摘 要：結合宣鋼1、2號高爐生產實踐，對熱風爐系統采用高爐—轉爐富化煤氣和設置熱風前置爐兩種技術方案的主要設計參數、設備配置、投資概算、在鋼鐵企業的煤氣平衡優先等級和生產效果等方面進行探析。
關 鍵 詞：大型高爐；熱風前置爐；高風溫
宣鋼1、2號高爐(2500m3)分別于2008年3月16日、2010年9月19日投產。2座高爐均由中冶南方工程技術有限公司總體設計，雖然投產時間前后相差2年多，但總體工藝技術設計、設備選型基本一致，均采用了精料、爐體長壽、節能型高風溫配置和環保渣鐵處理等綜合的先進工藝技術；不同之處是宣鋼當時轉爐煤氣平衡有缺口，而在2號高爐熱風爐系統配置上設計了熱風前置爐，燃料為全高爐煤氣，1號高爐的熱風爐燃料為高爐—轉爐煤氣富化的混合煤氣。本文以宣鋼1、2號高爐為例，就這兩種不同的技術方案的主要設計參數、設備配置、投資概算、在鋼鐵聯合企業中煤氣平衡優先等級和生產效果等方面進行探討分析。
1 設計比較
1．1 工藝流程
(1)高爐—轉爐煤氣富化流程。利用熱風爐燃燒產生經熱風爐格子磚蓄熱后的煙氣將高爐—轉爐混合煤氣和助燃空氣一起分別經煤氣、助燃空氣預熱器預熱到180℃，送熱風爐燃燒和助燃。工藝流程如圖1所示。
(2)前置爐流程。利用熱風爐燃燒產生經熱風爐格子磚蓄熱后的煙氣，通過煤氣預熱器預熱高爐煤氣到200℃，高爐煤氣送往熱風爐作燃料；預熱后的熱風爐煙氣由引風機引出，和由前置爐燃燒高爐煤氣產生的高溫煙氣混合到620℃，經空氣預熱器把助燃空氣預熱到450℃，送熱風爐助燃，廢煙氣排放溫度為150℃。工藝流程如圖2所示。
1．2 主要設計參數
(1)高爐主要設計參數。1、2號高爐主要設計參數見表1。
(2)熱風爐主要設計參數。1、2號高爐均配置3座高溫內燃式熱風爐，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、內襯砌筑結構設置合理的膨脹和滑動縫、熱風爐和熱風管道的關鍵部位采用組合磚、采用高效格子磚和防止熱風爐爐殼晶間應力腐蝕等工藝措施。熱風爐系統設計的差別在預熱設施，1號高爐的熱風爐采用高爐—轉爐煤氣混合，2號高爐的熱風爐設前置爐，燃料為單一高爐煤氣。1、2號高爐的熱風爐主要設計參數見表2。
1．3 主要設備配置
1、2號高爐兩種熱風爐預熱方案中，熱風爐用助燃空氣均采用集中供風方式，設置2臺助燃風機，一用一備。風機風量200000m3／h，風壓12kPa，電機功率約1250kW。除助燃風機外、相同的主要設備有煙氣、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備的耐溫差別，最高溫度分別為400℃和700℃。兩種方案不同的設備配置主要如下。
(1)1號高爐采用高爐—轉爐煤氣富化流程，主要不同設備為煤氣混合站?；旌险居烧{節閥、煤氣靜態混合器和管道等組成。
(2)2號高爐采用前置爐流程主要設備有：①前置爐1座，由爐殼、爐襯、燃燒室、混合室、各氣體進出口等構成。主要設計參數，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℃，設計壓力0．1MPa。②引風機1臺，耐溫250℃，流量190000m3／h，電機額定功率280kW。③前置爐用助燃風機1臺，流量25000m3／h，電機額定功率110kW。④由于增加1座前置爐，相應增加電氣、儀表設施和土建工程等。
1．4 投資概算比較
2號高爐的熱風前置爐流程技術方案同等增加的投資概算(2009年初價格)約1800萬元，噸鐵增加投資約8．95元。
2 煤氣平衡優先探討
2．1 煤氣種類
宣鋼是長流程鋼鐵聯合企業，擁有燒結、球團、焦化、高爐煉鐵、轉爐煉鋼和熱軋生產線，具備年產生鐵800萬t／a、鋼820萬t／a、材660萬t／a的生產能力，主要產品為線材、棒材、型材和帶鋼。在鋼鐵聯合企業，按照工序產品對燃料的要求進行煤氣平衡優選，使二次能源得到最佳利用，有利于降低全流程工序總能耗，節能減排。
焦爐煤氣發熱值最高(一般約為16720kJ／m3)，排除未來高爐噴吹焦爐煤氣可能獲取更好的經濟效益外，目前的優先用戶為聯合企業的冷熱軋鋼工序用戶，以滿足企業終端產品市場競爭力的要求。同時，焦爐煤氣如果處理不完全會內含焦油，會影響預熱設備正常運行，從該點出發，不應作為熱風爐首選富化燃料。
轉爐煤氣發熱值高于高爐煤氣(一般約為7000kJ／m3)，按照轉爐噸鋼回收量大約100m3，轉爐連鑄用戶自耗量一般為大約12m3，噸鋼的轉爐煤氣剩余量大約88m3。
目前，隨著高爐煉鐵燃料比進一步降低，高爐煤氣發熱值最低(一般約為3080kJ／m3)。在鋼鐵聯合企業，低熱值的高爐煤氣通常作為熱風爐、噴煤制粉、燒結等的首選燃料。
2．2 熱風爐燃料選擇
提高熱風溫度，經濟富氧和噴煤，可以節焦增產，降低生產成本，2012年全國重點企業高爐年平均熱風溫度為1183℃?！陡郀t煉鐵工藝設計規范》(GB 50427—2008)規定，新建高爐設計風溫均要求≥1200℃，但目前常規的熱風爐系統設計，單燒高爐煤氣和常規雙預熱技術方案滿足不了規范風溫設計要求。
宣鋼2500m3高爐設計年產量201．25萬t／a，風溫1200℃(1250℃max)，采用高爐—轉爐煤氣富化，噸鐵需要轉爐煤氣量大約92．2m3。長流程鋼鐵企業，按每噸轉爐鋼需0．95t鐵水算，噸鐵可用轉爐煤氣量為92．6m3，從高爐—轉爐煤氣的作業平衡算，基本上可以滿足高爐設計風溫所必須的高爐—轉爐煤氣富化混合量的需求。
2．3 熱風爐燃燒的減排效果
《煉鐵工業大氣污染物排放標準》(GB 28663—2012)規定，現有企業的熱風爐顆粒物、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號高爐的熱風爐兩種技術方案均滿足環保排放要求、年工作日350天和設計的煙氣排放量計算，兩種技術的顆粒物、二氧化硫、氮氧化物排放量對比見表3。
3 生產效果
3．1 高爐主要生產技術經濟指標
2012年，1、2號高爐主要生產技術經濟指標見表4。
3．2 生產成本
(1)兩種技術方案能源介質設計(按風溫1200℃算)消耗如下。1號高爐轉爐煤氣富化流程：高爐煤氣164000Nm3／h，噸鐵耗量684．5Nm3；轉爐煤氣22060Nm3／h，噸鐵耗量92Nm3。
2號高爐的前置爐流程：高爐煤氣總耗量227500Nm3／h，噸鐵耗量950Nm3；焦爐煤氣耗量5m3／h(用于穩燃)，噸鐵耗量0．02Nm3；電耗400kW／h，噸鐵耗量1．67kW·h。
(2)按照高爐、轉爐、焦爐煤氣和電消耗(不含固定資產投資折舊)計算噸鐵生產成本見表5。
綜合所述，按噸鐵增加費用6．41元、設計年產生鐵量201萬t算，前置爐流程每年增加成本約1290萬元。
3．3 設備維護維修
2號高爐的前置爐流程增加前置爐、引風機、助燃風機等設備，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—轉爐煤氣富化技術只增加煤氣混合站。按照熱風爐一代設計壽命≥25a計算，相應增加的設備維護維修工作量較大。
4 結語
(1)宣鋼2號高爐熱風爐系統的前置爐與1號高爐熱風爐的高爐—轉爐煤氣富化混合流程相比，需要增加前置爐、引風機、助燃風機等設備及相應的電氣、儀表設施和土建工程，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年生產結果看，1、2號高爐的兩種熱風爐預熱技術都能滿足1200℃高風溫要求，但前置爐流程噸鐵成本增加約6．41元/t。
(3)對于長流程鋼鐵聯合企業，作者認為高爐熱風爐用燃料優先等級為高爐—轉爐煤氣富化的混合煤氣，比用富裕轉爐煤氣進行發電更有利于二次能源的最佳利用和節能減排。
綜上所述，為滿足高爐≥1200℃(最大1250℃)風溫要求，長流程鋼鐵聯合企業的熱風爐應盡量使用高爐—轉爐煤氣富化作燃料，達到節約工程投資，降低生產成本，減少設備維護和節能減排之目的。