熱風爐系統(tǒng)前置爐技術(shù)探析
韓衛(wèi)星，張靈
(宣化鋼鐵集團有限責任公司，中冶南方工程技術(shù)有限公司)
摘 要：結(jié)合宣鋼1、2號高爐生產(chǎn)實踐，對熱風爐系統(tǒng)采用高爐—轉(zhuǎn)爐富化煤氣和設置熱風前置爐兩種技術(shù)方案的主要設計參數(shù)、設備配置、投資概算、在鋼鐵企業(yè)的煤氣平衡優(yōu)先等級和生產(chǎn)效果等方面進行探析。
關(guān) 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(chǎn)。2座高爐均由中冶南方工程技術(shù)有限公司總體設計，雖然投產(chǎn)時間前后相差2年多，但總體工藝技術(shù)設計、設備選型基本一致，均采用了精料、爐體長壽、節(jié)能型高風溫配置和環(huán)保渣鐵處理等綜合的先進工藝技術(shù)；不同之處是宣鋼當時轉(zhuǎn)爐煤氣平衡有缺口，而在2號高爐熱風爐系統(tǒng)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(zhuǎn)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(shù)方案的主要設計參數(shù)、設備配置、投資概算、在鋼鐵聯(lián)合企業(yè)中煤氣平衡優(yōu)先等級和生產(chǎn)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(zhuǎn)爐煤氣富化流程。利用熱風爐燃燒產(chǎn)生經(jīng)熱風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(chǎn)生經(jīng)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(chǎn)生的高溫煙氣混合到620℃，經(jīng)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(shù)
(1)高爐主要設計參數(shù)。1、2號高爐主要設計參數(shù)見表1。
(2)熱風爐主要設計參數(shù)。1、2號高爐均配置3座高溫內(nèi)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(nèi)襯砌筑結(jié)構(gòu)設置合理的膨脹和滑動縫、熱風爐和熱風管道的關(guān)鍵部位采用組合磚、采用高效格子磚和防止熱風爐爐殼晶間應力腐蝕等工藝措施。熱風爐系統(tǒng)設計的差別在預熱設施，1號高爐的熱風爐采用高爐—轉(zhuǎn)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(shù)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(zhuǎn)爐煤氣富化流程，主要不同設備為煤氣混合站。混合站由調(diào)節(jié)閥、煤氣靜態(tài)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(gòu)成。主要設計參數(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(shù)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(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、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)品對燃料的要求進行煤氣平衡優(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。
焦爐煤氣發(fā)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(jīng)濟效益外，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)品市場競爭力的要求。同時，焦爐煤氣如果處理不完全會內(nèi)含焦油，會影響預熱設備正常運行，從該點出發(fā)，不應作為熱風爐首選富化燃料。
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爐、噴煤制粉、燒結(jié)等的首選燃料。
2．2 熱風爐燃料選擇
提高熱風溫度，經(jīng)濟富氧和噴煤，可以節(jié)焦增產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本，2012年全國重點企業(yè)高爐年平均熱風溫度為1183℃。《高爐煉鐵工藝設計規(guī)范》(GB 50427—2008)規(guī)定，新建高爐設計風溫均要求≥1200℃，但目前常規(guī)的熱風爐系統(tǒng)設計，單燒高爐煤氣和常規(guī)雙預熱技術(shù)方案滿足不了規(guī)范風溫設計要求。
宣鋼2500m3高爐設計年產(chǎn)量201．25萬t／a，風溫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計風溫所必須的高爐—轉(zhuǎn)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(yè)大氣污染物排放標準》(GB 28663—2012)規(guī)定，現(xiàn)有企業(yè)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(shù)方案均滿足環(huán)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(shù)的顆粒物、二氧化硫、氮氧化物排放量對比見表3。
3 生產(chǎn)效果
3．1 高爐主要生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)濟指標
2012年，1、2號高爐主要生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)濟指標見表4。
3．2 生產(chǎn)成本
(1)兩種技術(shù)方案能源介質(zhì)設計(按風溫1200℃算)消耗如下。1號高爐轉(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(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、焦爐煤氣和電消耗(不含固定資產(chǎn)投資折舊)計算噸鐵生產(chǎn)成本見表5。
綜合所述，按噸鐵增加費用6．41元、設計年產(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(zhuǎn)爐煤氣富化技術(shù)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(jié)語
(1)宣鋼2號高爐熱風爐系統(tǒng)的前置爐與1號高爐熱風爐的高爐—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(chǎn)結(jié)果看，1、2號高爐的兩種熱風爐預熱技術(shù)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(lián)合企業(yè)，作者認為高爐熱風爐用燃料優(yōu)先等級為高爐—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℃)風溫要求，長流程鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的熱風爐應盡量使用高爐—轉(zhuǎn)爐煤氣富化作燃料，達到節(jié)約工程投資，降低生產(chǎn)成本，減少設備維護和節(jié)能減排之目的。