如何提高低溫區(qū)煙氣利用率
張晨
目前，低碳經(jīng)濟(jì)已成為世界關(guān)注的焦點(diǎn)。鋼鐵生產(chǎn)過程中，煉鐵工序是CO2的排放大戶，占我國CO2總排量的10%。現(xiàn)代高爐冶煉所需能源是以碳素燃燒為基礎(chǔ)，需要消耗大量焦炭、煤粉，其中熱風(fēng)提供的熱量占所需能源的19%。熱風(fēng)的能量是由高爐煤氣燃燒獲得的，通過熱風(fēng)爐將廉價的能源轉(zhuǎn)換成高溫?zé)犸L(fēng)以此來替代部分昂貴的冶金焦。高風(fēng)溫成為推動煉鐵技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益的有效途徑，其重要性不言而喻。
進(jìn)一步利用好高爐煤氣，大力提高風(fēng)溫，不僅僅是工藝技術(shù)的簡單問題，已成為提升鋼鐵企業(yè)核心競爭力的重要任務(wù)。
要獲得高風(fēng)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(jié)約了焦炭，但實(shí)際上是浪費(fèi)了能源，在講究循環(huán)經(jīng)濟(jì)的形勢下，其實(shí)整體效果是不經(jīng)濟(jì)的。常規(guī)煙氣余熱對熱風(fēng)爐空氣和煤氣進(jìn)行雙預(yù)熱，一般只可將預(yù)熱對象預(yù)熱到200℃左右，再進(jìn)一步提高風(fēng)溫的作用有限。要達(dá)到1200℃以上的高風(fēng)溫標(biāo)準(zhǔn)，不采用其他技術(shù)手段是不可能實(shí)現(xiàn)的。
實(shí)施高溫空氣燃燒技術(shù)是提高風(fēng)溫的一個重要措施，在低熱值煤氣條件下，能夠有效實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)爐的高效率、高風(fēng)溫、與低投入的運(yùn)行。高效回收利用廢煙氣余熱進(jìn)行預(yù)熱，將是我國今后鋼鐵行業(yè)節(jié)能的主攻方向。
不同預(yù)熱工藝解析
針對以低熱值高爐煤氣作為燃料，通過實(shí)施高溫空氣燃燒技術(shù)，最大限度回收燃燒產(chǎn)物顯熱，提高助燃空氣和煤氣的物理熱來獲得高風(fēng)溫。合理的選擇預(yù)熱方法需要從多方因素考慮，以期達(dá)到高效與低成本的目的。
輔助預(yù)熱爐技術(shù)。首鋼京唐5500立方米高爐熱風(fēng)爐預(yù)熱系統(tǒng)是輔助預(yù)熱爐工藝的典型代表。該公司所建的2座小型預(yù)熱爐，燃燒高爐煤氣來加熱輔助預(yù)熱爐，工作原理同熱風(fēng)爐。助燃空氣經(jīng)換熱器加熱到200℃左右，然后進(jìn)入輔助預(yù)熱爐內(nèi)，被加熱到500℃以上，送到熱風(fēng)爐。高爐煤氣經(jīng)換熱器加熱到200℃左右，送到熱風(fēng)爐作燃?xì)狻Ｍㄟ^煤氣一級預(yù)熱、空氣兩級預(yù)熱后，送風(fēng)溫度可達(dá)到1300℃以上，能夠很好的實(shí)現(xiàn)高風(fēng)溫。但該技術(shù)前期建設(shè)投資較大，需要額外增設(shè)2座預(yù)熱爐，因此，這種流程適合資金充足的大型聯(lián)合鋼鐵企業(yè)。
附加燃燒爐預(yù)熱技術(shù)。附加燃燒爐預(yù)熱技術(shù)是近年來國內(nèi)外研究最多、發(fā)展最迅速、應(yīng)用也很普遍的預(yù)熱技術(shù)。在熱風(fēng)爐前增設(shè)一座燃燒爐，采用高爐煤氣作為燃料，燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔猓?span>1000℃左右）與熱風(fēng)爐煙道廢氣（300℃~350℃）混合。混合煙氣（500℃~600℃左右）通過高溫?fù)Q熱器來預(yù)熱助燃空氣和煤氣，從而提高風(fēng)溫。采用該種雙預(yù)熱技術(shù)可以將助燃空氣預(yù)熱至400℃，將煤氣預(yù)熱到220℃。
附加燃燒爐預(yù)熱系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)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(fēng)爐廢氣的特點(diǎn)，該系統(tǒng)要注重燃燒安全性和穩(wěn)定性。此外，該系統(tǒng)需要設(shè)置一臺引風(fēng)機(jī)來混入熱風(fēng)爐廢氣，必須控制煤氣含塵量以減少煙塵對設(shè)備的影響。
低溫區(qū)煙氣預(yù)熱技術(shù)。國內(nèi)高爐熱風(fēng)爐還采用了一種高溫旁通煙道預(yù)熱法。該法燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔獯蟛糠滞ㄟ^熱風(fēng)爐內(nèi)的蓄熱體，排入熱風(fēng)爐煙道，另一部分高溫?zé)煔馔ㄟ^位于拱頂?shù)母邷嘏酝煹乐苯优湃肟偀煹馈８摺⒌蜏責(zé)煔饣旌铣蔀?span>600℃左右的煙氣，再經(jīng)過換熱器換熱后排入大氣，可使送風(fēng)溫度達(dá)到1250℃以上，無需額外增加燃料和輔助設(shè)備（僅3個旁通煙道支管閥門）。這種預(yù)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(tǒng)熱交換最強(qiáng)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(qū)的熱量用來預(yù)熱介質(zhì)或是加強(qiáng)蓄熱，需要從系統(tǒng)整體的熱效率來考慮。
低溫區(qū)煙氣預(yù)熱技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)
在熱風(fēng)爐工作特性研究方面，很多企業(yè)和高校都進(jìn)行了研究，組建了熱態(tài)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行頂燃式熱風(fēng)爐熱態(tài)試驗(yàn)，通過完整的燃燒、送風(fēng)實(shí)驗(yàn)，取得了蓄熱室內(nèi)的溫度分布數(shù)據(jù)。
根據(jù)溫度變化規(guī)律，可以從蓄熱室內(nèi)溫度為500℃~600℃范圍的高度設(shè)置旁通煙道，引出一部分煙氣，經(jīng)高溫?fù)Q熱器將助燃空氣預(yù)熱至350℃~400℃。預(yù)熱后的煙氣再與熱風(fēng)爐廢氣混合，通過低溫?fù)Q熱器將煤氣預(yù)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(qū)煙氣進(jìn)行預(yù)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(qū)煙氣利用率，不需要額外的燃料消耗，完全利用自身煙氣預(yù)熱，符合節(jié)能減排的要求。
在爐箅子結(jié)構(gòu)和材質(zhì)不變的情況下，低溫區(qū)煙氣預(yù)熱技術(shù)的排煙溫度高，空氣和煤氣的預(yù)熱溫度也高，能達(dá)到300℃左右，可輕易實(shí)現(xiàn)高溫雙預(yù)熱。以單一高爐煤氣為燃料，風(fēng)溫可達(dá)1200℃以上。
該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠，除增加的管道切斷閥外，無需增加設(shè)備，投資費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于輔助預(yù)熱爐和附加燃燒爐技術(shù)。而且操作簡單，與普通熱風(fēng)爐相同，不需要輔助預(yù)熱和附加燃燒爐那樣復(fù)雜的工藝流程。該系統(tǒng)具有一定的獨(dú)立性，風(fēng)溫提升效果顯著，同樣適用于熱風(fēng)爐改造，具有很高的性價比。
對熱風(fēng)系統(tǒng)的影響和相應(yīng)措施
低溫區(qū)煙氣預(yù)熱系統(tǒng)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(qū)預(yù)熱的煙氣量過小。面對這種情況，可以在分流區(qū)域配合使用特制的開孔格子磚。煙氣通過格子磚進(jìn)行水平流通，流量會重新分布，以此達(dá)到分流、溫度均勻分布的目的。
對于系統(tǒng)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(qiáng)蓄熱體的蓄熱能力。通過控制送風(fēng)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(fù)荷運(yùn)行下，蓄熱室中氣體標(biāo)態(tài)流速可以選取較大數(shù)值，從而增強(qiáng)蓄熱體與氣流間的傳熱強(qiáng)度，進(jìn)而有效減少單位鼓風(fēng)量的蓄熱體材料重量，有效節(jié)省建設(shè)投資。
采用高效板式預(yù)熱器，能夠長期穩(wěn)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(yōu)勢。板式預(yù)熱器的壽命大于10年，無論是在節(jié)能減排、提高風(fēng)溫方面，還是在長周期安全運(yùn)行方面，都有較大的實(shí)際意義。
提高熱風(fēng)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(fēng)溫?zé)犸L(fēng)爐的生產(chǎn)中，都建議將拱頂溫度控制在1420℃以內(nèi)，以防止晶界應(yīng)力腐蝕和對環(huán)境的污染。
隨著風(fēng)溫的升高，送風(fēng)管路系統(tǒng)成為制約高爐接受高風(fēng)溫的薄弱環(huán)節(jié)，必須糾正系統(tǒng)的不合理設(shè)計(jì)，以適應(yīng)高風(fēng)溫的要求。管道結(jié)構(gòu)要滿足低應(yīng)力、定向膨脹的長壽要求。孔口采用新型組合磚結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化該部位的整體性和穩(wěn)定性。