高风温组合式换热系统在柳钢高炉的应用

高风温组合式换热系统在柳钢高炉的应用

黄培真徐正西冯飞卢树任

（柳钢设计院）

摘要：介绍在柳钢1号A、3 号高炉（容积1500m³以上）应用由前置燃烧炉与热管换热器、扰流子换热器配套使用的组合式换热系统，对热风炉原双预热系统进行的改造，使高炉热风温度提高80℃～100℃并稳定保持在1230℃以上。

关键词：高炉；热风炉；换热系统

1 前言

柳钢1号A、3 号高炉热风炉原预热装置采用热管换热器，由于使用时间已久，且球式热风炉废气温度较低（～200℃），换热器换热能力下降较多。正常生产时热风温度为1150 ℃～1 160 ℃，若遇换球检修，热风炉风温降至950℃左右。换球期间，风温水平的降低对高炉的生产技术指标影响大，造成焦比增加，成本增高，产量降低。为此，将2座高炉热风炉的原双预热系统改造为高风温组合式换热系统，可望稳定提高高炉热风温度。本文对改造情况作总结。

2 改造及其效果

2.1 改造

与传统格子砖热风炉相比，柳钢配备的球式热风炉耐火球蓄热体热交换系数大、热效率高，其废气温度也相对较低。针对这一特点，在单烧低热值高炉煤气的条件下，想要获得1200 ℃以上的高风温，设计采用前置燃烧炉与热管换热器、扰流子换热器结合的组合式换热系统。

2.1.1 方案选择

经过多年的探索，目前高温预热方式已经形成了4种模式且都在工业生产中得到应用^[1]：（1）设置高温预热炉加混风炉；（2）建设4座热风炉，3座送风，1座进行自身预热；（3）设置高温烟气管道将热风炉燃烧产生的高温烟气与低温烟气混合，同时预热空气和煤气；（4）前置燃烧炉与换热器组合搭配。由于在原生产区域改造实施，场地狭窄且项目施工不能影响热风炉的生产运行，因此采用前置燃烧炉与换热器组合搭配的预热模式。

柳钢高炉热风炉的预热模式中，前置燃烧炉与换热器组合搭配主要有2种方式：（1）前置燃烧炉与板式换热器组合，热风炉的200℃低温烟气与前置炉燃烧产生的1150 ℃高温烟气混合为470℃中温烟气，中温烟气分别进入助燃空气、煤气板式换热器，将助燃空气、煤气一次预热至260℃；（2）前置燃烧炉与热管换热器、扰流子换热器组合，热管换热器将助燃空气、煤气一次预热至180℃，前置烟气炉与扰流子换热器配合将助燃空气二次预热至350℃。由于板式换热器投资较大、占地多，板片之间容易积灰、无法在线吹扫，且煤气板式换热器存在使用可靠性、安全性隐患，因此选择了第二种组合方式。

2.1.2 组合式换热工艺

（1）工艺流程见图1。此流程主要技术特点为：前置烟气炉燃烧高炉煤气提高废气温度后，助燃空气经过热管换热器、扰流子换热器二级预热后温度可达到350℃。

（2）组合式换热系统主要由前置燃烧炉、整体式空煤气热管换热器、扰流子换热器、引风机、助燃风机以及助燃空气、煤气、烟气管道组成。整体式热管换热器：对助燃空气、煤气进行一级预热，具有间接换热的特点；利用热媒介质的气液两相变化，在中温烟气与预热流体之间交换热量，烟气与预热流体间互不泄漏；热管冷、热两端带螺旋翅片，增加传热面积；各热管之间相互独立，单根失效不影响整体的运行安全。与原分体式热管换热器相比其换热效率高、体积小、投资省。扰流子换热器：改进型的管式换热器，其原理是在普碳管上通过焊接不锈钢扰流片，提高换热效率实现换热目的，具有结构简单、投资省的特点。但由于受限于扰流子器件的材质，其烟气进口管需设置温度报警，控制入口烟气温度在650℃以下，以维护设备的安全、稳定生产。同时需预防助燃空气泄漏进入烟气管道后，对喷煤制粉系统烟气含氧量的影响。

2.1.3 改造技术措施

（1）由于炼铁厂1号A及3号高炉热风炉双预热系统改造均存在场地狭小、现场管线复杂等问题。双预热系统改造又不能影响现场热风炉的正常生产，给改造带来极大的难度。经过各部门通力合作，深入现场、充分论证实施方案，给出合理的工艺布置。

（2）由于场地紧张，与换热器设备厂家多次反复沟通协调，结合现场场地情况调整设备外型尺寸以及管道接口位置，确保烟气、煤气管线走向尽量顺畅，减小阻损。

（3）尽可能地利旧使用原有阀门设备及管道，减少工程投资。2座高炉换热系统共可利旧原有阀门16个；调整1号A高炉原系统引风机叶轮角度后进风机可利旧使用。

2.2 改造效果

（1）对高炉风温的影响。热风炉的送风温度取决于热风炉拱顶温度，而空、煤气的理论燃烧温度决定了热风炉的拱顶温度，因此可以通过空、煤气理论燃烧温度的计算判断热风炉的送风温度^[2]。柳钢高炉煤气热值为～3050kJ/m³，空气过剩系数～1.1，燃烧1m³高炉煤气需要0.628m³助燃空气并产生1.507m³烟气，在～1390 ℃的理论燃烧温度下，燃烧产物比热为1.699kJ/（m³·℃），因此可以计算得到，柳钢热风炉助燃空气和高炉煤气温度每升高1℃，分别可提升风温～0.319℃和～0.550℃。

（2）应用效果。组合式换热系统正常生产投用后，1号A和3号高炉热风炉的助燃空气温度，分别从改造前的108℃、134 ℃提高至～350℃，煤气温度分别从改造前的110℃、141℃提高至～180℃。

（3）节能分析。改造后，1号A、3 号高炉热风温度可分别从1140 ℃、1 120 ℃提高至1230℃，按照热风温度每提高100℃降低焦比8kg/t 的效果计算^[3]，1 号A 高炉生产每吨生铁可节约焦炭7.2kg，3号A高炉生产每吨生铁可节约焦炭8.8kg，2 座高炉全年可节约焦炭～25000t，经济效益可观。

3 结语

（1）在单烧低热值高炉煤气的条件下，采用前置燃烧炉预热技术获得高风温是可靠、合

理的选择。在柳钢1号A、3 号高炉新换热系统投用后，高炉煤气、助燃空气温度分别预热到180℃、350 ℃后，风温可达1230 ℃，吨铁可降低焦比7～8 kg。在热风炉换球期间，可有保持风温在1120 ℃以上，防止风温降幅度过大，减少对高炉技术经济指标的影响，节约换球期间生产成本。

（2）对于技改项目，需核算热风温度提高至1230℃以上后，原热风炉管道的耐材设计、补偿器设置、直吹管能否满足生产要求。

（3）高炉煤气、助燃空气预热温度提高后，在助燃空气、煤气总管不变的情况下，其介质工况流速提高至19～21 m/s，管道阻损增加，可能会增加热风炉烧炉难度。

（4）在组合式换热系统应用后获得高风温的同时，在生产上要对随之而来的问题如：高炉炉内负荷加重后对冶炼条件的影响、扰流子换热器设备生产安全管理等，要有充分的准备。

参考文献

[1] 彭朝文，喻道明. 热风炉高温预热述评.炼铁，2012，31 （01）：53～58

[2]朱勇军，杨俊，王训富，等. 宝钢4号高炉余热回收系统节能实践.矿冶工程，2012，32（01）：66～68

[3]项钟庸，王筱留. 高炉设计：炼铁工艺设计理论与实践.北京：冶金工业出版社，2014.216～217