热风炉系统前置炉技术探析
韩卫星，张灵
(宣化钢铁集团有限责任公司，中冶南方工程技术有限公司)
摘 要：结合宣钢1、2号高炉生产实践，对热风炉系统采用高炉—转炉富化煤气和设置热风前置炉两种技术方案的主要设计参数、设备配置、投资概算、在钢铁企业的煤气平衡优先等级和生产效果等方面进行探析。
关 键 词：大型高炉；热风前置炉；高风温
宣钢1、2号高炉(2500m3)分别于2008年3月16日、2010年9月19日投产。2座高炉均由中冶南方工程技术有限公司总体设计，虽然投产时间前后相差2年多，但总体工艺技术设计、设备选型基本一致，均采用了精料、炉体长寿、节能型高风温配置和环保渣铁处理等综合的先进工艺技术；不同之处是宣钢当时转炉煤气平衡有缺口，而在2号高炉热风炉系统配置上设计了热风前置炉，燃料为全高炉煤气，1号高炉的热风炉燃料为高炉—转炉煤气富化的混合煤气。本文以宣钢1、2号高炉为例，就这两种不同的技术方案的主要设计参数、设备配置、投资概算、在钢铁联合企业中煤气平衡优先等级和生产效果等方面进行探讨分析。
1 设计比较
1．1 工艺流程
(1)高炉—转炉煤气富化流程。利用热风炉燃烧产生经热风炉格子砖蓄热后的烟气将高炉—转炉混合煤气和助燃空气一起分别经煤气、助燃空气预热器预热到180℃，送热风炉燃烧和助燃。工艺流程如图1所示。
(2)前置炉流程。利用热风炉燃烧产生经热风炉格子砖蓄热后的烟气，通过煤气预热器预热高炉煤气到200℃，高炉煤气送往热风炉作燃料；预热后的热风炉烟气由引风机引出，和由前置炉燃烧高炉煤气产生的高温烟气混合到620℃，经空气预热器把助燃空气预热到450℃，送热风炉助燃，废烟气排放温度为150℃。工艺流程如图2所示。
1．2 主要设计参数
(1)高炉主要设计参数。1、2号高炉主要设计参数见表1。
(2)热风炉主要设计参数。1、2号高炉均配置3座高温内燃式热风炉，采用悬链线形拱顶、眼睛型燃烧室配置矩形陶瓷燃烧器、自立式隔墙、内衬砌筑结构设置合理的膨胀和滑动缝、热风炉和热风管道的关键部位采用组合砖、采用高效格子砖和防止热风炉炉壳晶间应力腐蚀等工艺措施。热风炉系统设计的差别在预热设施，1号高炉的热风炉采用高炉—转炉煤气混合，2号高炉的热风炉设前置炉，燃料为单一高炉煤气。1、2号高炉的热风炉主要设计参数见表2。
1．3 主要设备配置
1、2号高炉两种热风炉预热方案中，热风炉用助燃空气均采用集中供风方式，设置2台助燃风机，一用一备。风机风量200000m3／h，风压12kPa，电机功率约1250kW。除助燃风机外、相同的主要设备有烟气、煤气和助燃空气的换热器及阀门，不同的是这两种方案的烟气和助燃空气设备的耐温差别，最高温度分别为400℃和700℃。两种方案不同的设备配置主要如下。
(1)1号高炉采用高炉—转炉煤气富化流程，主要不同设备为煤气混合站。混合站由调节阀、煤气静态混合器和管道等组成。
(2)2号高炉采用前置炉流程主要设备有：①前置炉1座，由炉壳、炉衬、燃烧室、混合室、各气体进出口等构成。主要设计参数，燃烧煤气量25000～40000Nm3／h；空气量18000～30000Nm3／h；混合烟气量100000～150000Nm3／h，混合后温度620～700℃，设计压力0．1MPa。②引风机1台，耐温250℃，流量190000m3／h，电机额定功率280kW。③前置炉用助燃风机1台，流量25000m3／h，电机额定功率110kW。④由于增加1座前置炉，相应增加电气、仪表设施和土建工程等。
1．4 投资概算比较
2号高炉的热风前置炉流程技术方案同等增加的投资概算(2009年初价格)约1800万元，吨铁增加投资约8．95元。
2 煤气平衡优先探讨
2．1 煤气种类
宣钢是长流程钢铁联合企业，拥有烧结、球团、焦化、高炉炼铁、转炉炼钢和热轧生产线，具备年产生铁800万t／a、钢820万t／a、材660万t／a的生产能力，主要产品为线材、棒材、型材和带钢。在钢铁联合企业，按照工序产品对燃料的要求进行煤气平衡优选，使二次能源得到最佳利用，有利于降低全流程工序总能耗，节能减排。
焦炉煤气发热值最高(一般约为16720kJ／m3)，排除未来高炉喷吹焦炉煤气可能获取更好的经济效益外，目前的优先用户为联合企业的冷热轧钢工序用户，以满足企业终端产品市场竞争力的要求。同时，焦炉煤气如果处理不完全会内含焦油，会影响预热设备正常运行，从该点出发，不应作为热风炉首选富化燃料。
转炉煤气发热值高于高炉煤气(一般约为7000kJ／m3)，按照转炉吨钢回收量大约100m3，转炉连铸用户自耗量一般为大约12m3，吨钢的转炉煤气剩余量大约88m3。
目前，随着高炉炼铁燃料比进一步降低，高炉煤气发热值最低(一般约为3080kJ／m3)。在钢铁联合企业，低热值的高炉煤气通常作为热风炉、喷煤制粉、烧结等的首选燃料。
2．2 热风炉燃料选择
提高热风温度，经济富氧和喷煤，可以节焦增产，降低生产成本，2012年全国重点企业高炉年平均热风温度为1183℃。《高炉炼铁工艺设计规范》(GB 50427—2008)规定，新建高炉设计风温均要求≥1200℃，但目前常规的热风炉系统设计，单烧高炉煤气和常规双预热技术方案满足不了规范风温设计要求。
宣钢2500m3高炉设计年产量201．25万t／a，风温1200℃(1250℃max)，采用高炉—转炉煤气富化，吨铁需要转炉煤气量大约92．2m3。长流程钢铁企业，按每吨转炉钢需0．95t铁水算，吨铁可用转炉煤气量为92．6m3，从高炉—转炉煤气的作业平衡算，基本上可以满足高炉设计风温所必须的高炉—转炉煤气富化混合量的需求。
2．3 热风炉燃烧的减排效果
《炼铁工业大气污染物排放标准》(GB 28663—2012)规定，现有企业的热风炉颗粒物、二氧化硫、氮氧化物排放限值分别为50mg／m3、100mg／m3、300mg／m3。本文按照1、2号高炉的热风炉两种技术方案均满足环保排放要求、年工作日350天和设计的烟气排放量计算，两种技术的颗粒物、二氧化硫、氮氧化物排放量对比见表3。
3 生产效果
3．1 高炉主要生产技术经济指标
2012年，1、2号高炉主要生产技术经济指标见表4。
3．2 生产成本
(1)两种技术方案能源介质设计(按风温1200℃算)消耗如下。1号高炉转炉煤气富化流程：高炉煤气164000Nm3／h，吨铁耗量684．5Nm3；转炉煤气22060Nm3／h，吨铁耗量92Nm3。
2号高炉的前置炉流程：高炉煤气总耗量227500Nm3／h，吨铁耗量950Nm3；焦炉煤气耗量5m3／h(用于稳燃)，吨铁耗量0．02Nm3；电耗400kW／h，吨铁耗量1．67kW·h。
(2)按照高炉、转炉、焦炉煤气和电消耗(不含固定资产投资折旧)计算吨铁生产成本见表5。
综合所述，按吨铁增加费用6．41元、设计年产生铁量201万t算，前置炉流程每年增加成本约1290万元。
3．3 设备维护维修
2号高炉的前置炉流程增加前置炉、引风机、助燃风机等设备，烟气和助燃空气的换热器及阀门工作温度为600℃(700℃max)，而高炉—转炉煤气富化技术只增加煤气混合站。按照热风炉一代设计寿命≥25a计算，相应增加的设备维护维修工作量较大。
4 结语
(1)宣钢2号高炉热风炉系统的前置炉与1号高炉热风炉的高炉—转炉煤气富化混合流程相比，需要增加前置炉、引风机、助燃风机等设备及相应的电气、仪表设施和土建工程，烟气和助燃空气的换热器及阀门最高温度要求达到700℃，同比投资概算增加约1800万元，吨铁增加投资8．95元／t。
(2)从2011年生产结果看，1、2号高炉的两种热风炉预热技术都能满足1200℃高风温要求，但前置炉流程吨铁成本增加约6．41元/t。
(3)对于长流程钢铁联合企业，作者认为高炉热风炉用燃料优先等级为高炉—转炉煤气富化的混合煤气，比用富裕转炉煤气进行发电更有利于二次能源的最佳利用和节能减排。
综上所述，为满足高炉≥1200℃(最大1250℃)风温要求，长流程钢铁联合企业的热风炉应尽量使用高炉—转炉煤气富化作燃料，达到节约工程投资，降低生产成本，减少设备维护和节能减排之目的。