如何提高低溫區煙氣利用率
張晨
目前，低碳經濟已成為世界關注的焦點。鋼鐵生產過程中，煉鐵工序是CO2的排放大戶，占我國CO2總排量的10%。現代高爐冶煉所需能源是以碳素燃燒為基礎，需要消耗大量焦炭、煤粉，其中熱風提供的熱量占所需能源的19%。熱風的能量是由高爐煤氣燃燒獲得的，通過熱風爐將廉價的能源轉換成高溫熱風以此來替代部分昂貴的冶金焦。高風溫成為推動煉鐵技術進步和產生經濟效益的有效途徑，其重要性不言而喻。
進一步利用好高爐煤氣，大力提高風溫，不僅僅是工藝技術的簡單問題，已成為提升鋼鐵企業核心競爭力的重要任務。
要獲得高風溫，通常采用附加高熱值煤氣或采用燃燒爐，這都需消耗更多的煤氣，不可避免地排出更多的廢氣。雖然節約了焦炭，但實際上是浪費了能源，在講究循環經濟的形勢下，其實整體效果是不經濟的。常規煙氣余熱對熱風爐空氣和煤氣進行雙預熱，一般只可將預熱對象預熱到200℃左右，再進一步提高風溫的作用有限。要達到1200℃以上的高風溫標準，不采用其他技術手段是不可能實現的。
實施高溫空氣燃燒技術是提高風溫的一個重要措施，在低熱值煤氣條件下，能夠有效實現熱風爐的高效率、高風溫、與低投入的運行。高效回收利用廢煙氣余熱進行預熱，將是我國今后鋼鐵行業節能的主攻方向。
不同預熱工藝解析
針對以低熱值高爐煤氣作為燃料，通過實施高溫空氣燃燒技術，最大限度回收燃燒產物顯熱，提高助燃空氣和煤氣的物理熱來獲得高風溫。合理的選擇預熱方法需要從多方因素考慮，以期達到高效與低成本的目的。
輔助預熱爐技術。首鋼京唐5500立方米高爐熱風爐預熱系統是輔助預熱爐工藝的典型代表。該公司所建的2座小型預熱爐，燃燒高爐煤氣來加熱輔助預熱爐，工作原理同熱風爐。助燃空氣經換熱器加熱到200℃左右，然后進入輔助預熱爐內，被加熱到500℃以上，送到熱風爐。高爐煤氣經換熱器加熱到200℃左右，送到熱風爐作燃氣。通過煤氣一級預熱、空氣兩級預熱后，送風溫度可達到1300℃以上，能夠很好的實現高風溫。但該技術前期建設投資較大，需要額外增設2座預熱爐，因此，這種流程適合資金充足的大型聯合鋼鐵企業。
附加燃燒爐預熱技術。附加燃燒爐預熱技術是近年來國內外研究最多、發展最迅速、應用也很普遍的預熱技術。在熱風爐前增設一座燃燒爐，采用高爐煤氣作為燃料，燃燒產生的高溫煙氣（1000℃左右）與熱風爐煙道廢氣（300℃~350℃）混合。混合煙氣（500℃~600℃左右）通過高溫換熱器來預熱助燃空氣和煤氣，從而提高風溫。采用該種雙預熱技術可以將助燃空氣預熱至400℃，將煤氣預熱到220℃。
附加燃燒爐預熱系統關鍵設備是煙氣燃燒爐和板式換熱器。針對低熱值高爐煤氣燃料燃燒和摻混熱風爐廢氣的特點，該系統要注重燃燒安全性和穩定性。此外，該系統需要設置一臺引風機來混入熱風爐廢氣，必須控制煤氣含塵量以減少煙塵對設備的影響。
低溫區煙氣預熱技術。國內高爐熱風爐還采用了一種高溫旁通煙道預熱法。該法燃燒產生的高溫煙氣大部分通過熱風爐內的蓄熱體，排入熱風爐煙道，另一部分高溫煙氣通過位于拱頂的高溫旁通煙道直接排入總煙道。高、低溫煙氣混合成為600℃左右的煙氣，再經過換熱器換熱后排入大氣，可使送風溫度達到1250℃以上，無需額外增加燃料和輔助設備（僅3個旁通煙道支管閥門）。這種預熱方式的問題在于高溫旁通煙道的分流作用會破壞燃燒室的旋流流場，造成蓄熱室截面上的流量和溫度分布不均勻。此外，蓄熱室上部是整個系統熱交換最強烈的部位，同時受到高溫輻射和對流作用；蓄熱室下部只靠對流傳熱，相對而言熱交換較弱，可積蓄的熱量有限。所以，高溫區的熱量用來預熱介質或是加強蓄熱，需要從系統整體的熱效率來考慮。
低溫區煙氣預熱技術的優點
在熱風爐工作特性研究方面，很多企業和高校都進行了研究，組建了熱態實驗室進行頂燃式熱風爐熱態試驗，通過完整的燃燒、送風實驗，取得了蓄熱室內的溫度分布數據。
根據溫度變化規律，可以從蓄熱室內溫度為500℃~600℃范圍的高度設置旁通煙道，引出一部分煙氣，經高溫換熱器將助燃空氣預熱至350℃~400℃。預熱后的煙氣再與熱風爐廢氣混合，通過低溫換熱器將煤氣預熱至200℃。該工藝同樣能夠取得良好的使用效果。
相比之下，采用蓄熱室低溫區煙氣進行預熱助燃空氣的方法是可行的，不僅可以提高空氣和煤氣溫度，同時又可以提高低溫區煙氣利用率，不需要額外的燃料消耗，完全利用自身煙氣預熱，符合節能減排的要求。
在爐箅子結構和材質不變的情況下，低溫區煙氣預熱技術的排煙溫度高，空氣和煤氣的預熱溫度也高，能達到300℃左右，可輕易實現高溫雙預熱。以單一高爐煤氣為燃料，風溫可達1200℃以上。
該系統結構簡單、穩定可靠，除增加的管道切斷閥外，無需增加設備，投資費用遠遠小于輔助預熱爐和附加燃燒爐技術。而且操作簡單，與普通熱風爐相同，不需要輔助預熱和附加燃燒爐那樣復雜的工藝流程。該系統具有一定的獨立性，風溫提升效果顯著，同樣適用于熱風爐改造，具有很高的性價比。
對熱風系統的影響和相應措施
低溫區煙氣預熱系統一旦其燃燒室流量分布確定后，通過格子磚各孔道的流量很難再有所變化，這樣會使用于低溫區預熱的煙氣量過小。面對這種情況，可以在分流區域配合使用特制的開孔格子磚。煙氣通過格子磚進行水平流通，流量會重新分布，以此達到分流、溫度均勻分布的目的。
對于系統蓄熱室下部煙氣量減少、對流減弱的情況，可以通過使用高效格子磚、高輻射納米涂層等手段加強蓄熱體的蓄熱能力。通過控制送風時間和燒爐時間之比，確定合理的操作方式。在燃燒室高熱負荷運行下，蓄熱室中氣體標態流速可以選取較大數值，從而增強蓄熱體與氣流間的傳熱強度，進而有效減少單位鼓風量的蓄熱體材料重量，有效節省建設投資。
采用高效板式預熱器，能夠長期穩定工作而不失效，在耐高溫方面和耐低溫腐蝕方面都具有優勢。板式預熱器的壽命大于10年，無論是在節能減排、提高風溫方面，還是在長周期安全運行方面，都有較大的實際意義。
提高熱風爐拱頂溫度以后，一方面要采取防腐蝕措施；另一方面是限制燃燒期火焰溫度，一般在1250℃~1300℃高風溫熱風爐的生產中，都建議將拱頂溫度控制在1420℃以內，以防止晶界應力腐蝕和對環境的污染。
隨著風溫的升高，送風管路系統成為制約高爐接受高風溫的薄弱環節，必須糾正系統的不合理設計，以適應高風溫的要求。管道結構要滿足低應力、定向膨脹的長壽要求。孔口采用新型組合磚結構，強化該部位的整體性和穩定性。