热风炉余热回收利用技术及装置评述

热风炉余热回收利用技术及装置评述

甄常亮 程翠花  胡金波  闫宝忠

（河北钢铁集团唐钢公司 炼铁部）

摘  要：热风炉烟气余热资源回收潜力巨大已成业内共识，通过对目前该领域几种应用技术及装置的阐述，为钢铁企业提高余能利用率，降耗炼铁工序能耗提供参考。

关键词：热风炉，余热，回收利用

Review on technique and device of recycling

hot blast stove residual heat

Zhen Changliang，Cheng Cuihua，Hu Jinbo，Yan Baozhong

（Ironworks of Hebei Iron & Steel Group Tangshan Iron & Steel Group Co.,Ltd.）

Abstract：The huge potential for recovery of hot blast stove residual heat was accepted by metallurgy industry, several techniques and devices of recycling hot blast stove residual heat were shown separately in this paper, it can be considered as reference for improving residual heat utilization efficiency in iron and steel enterprises, and reducing the iron making process energy consumption.

Keywords：hot blast stove，residual heat，recycling

热风炉烟气作为炼铁工序重要的余热资源，烟气温度通常在200-300℃，属于低温余热资源，但由于烟气流量大且连续稳定，物理显热总量巨大[1-2]。经测算，炼铁系统热风炉废气余热总量达到17.2kgce/t，若能实现充分回收利用，炼铁工序能耗可降低约4%-5%。

因此，在能源形势日益紧张的背景下，高炉热风炉余热利用的意义尤显重要。以下就当前几种热风炉烟气余热利用技术及装置分别进行阐述。

1 预热助燃空气和煤气技术

通过不同形式换热装置回收热风炉烟气余热以预热助燃空气、煤气是热风炉烟气余热回收利用的主要方式。该项技术目前广泛应用于冶金企业，已成为高炉节能降耗的重要手段。

式中，t理为理论燃烧温度，℃； Q空、Q煤为分别为空气、煤气带入物理热，kJ/m3； Qdw为高炉煤气低位发热值，kJ/m3；V产为燃烧产物体积，m3；C产为燃烧产物热焓，kJ/（m3·℃）。

由上述公式可以看出，单烧高炉煤气时，提高理论燃烧温度主要有两种方法：1）通过混入焦炉煤气等高热值煤气对高炉煤气进行富化燃烧，提高煤气发热值，适用于焦炉煤气资源丰富的冶金企业。2）采用空气煤气双预热技术，在无预热装置时，Q空、Q煤两项热收入

基本可以忽略不计；而空气、煤气双预热到200℃时，理论燃烧温度能提高约150℃。由此可见，空气煤气双预热技术可以有效提高理论燃烧温度，具有广泛的适用性。以下针对几种常用预热技术装置及其运行特点进行举例说明。

1.1 热管式换热器

热管是一种经气-液相变和循环流动来传递热量的高效传热元件，热管式换热器广泛应用于烟气余热回收领域，具有结构简单、占地小、安全稳定、换热效率高等优点，但易阻塞、运行维护难度大。

鞍钢1号高炉于2003年4月安装分离式热管换热器[3]，无需增加外部热源以及辅助动力介质消耗，利用热风炉废烟气余热预热空气和煤气，取得良好效果，最高风温曾达到1205℃，其工艺流程见图1。

1.2 板式换热器

板式换热器是一种烟气-空气/煤气直接换热的换热设备，具有结构简单、运行维护方便、换热效率高等优点，但也由于换热面积增加，导致其设备体积较大。板式换热器是烟气和空气/煤气直接换热，设备的密封效果直接关系系统运行的安全，尤其是应必须避免烟气和煤气的接触导致燃爆事故。

在此基础上，为一进步提高换热效果，附加燃烧炉的双预热技术在炼铁领域得到了普遍应用。即在热风炉和助燃空气之间，增设专门的燃烧炉和引风机，利用燃烧炉产生的高温烟气和热风炉烟道废气混合，强化助燃空气的预热效果。

湘钢2010年月3投产的2号高炉，为解决没有焦炉煤气使用条件下的高风温问题，在全国同类型高炉中，首次采用燃烧炉+全焊接波纹板式预热器系统，预热煤气和助燃空气[4]。其工艺流程布置如图2所示。

空气、煤气双预热技术目前广泛应用于冶金行业，可以利用大部分热风炉烟气余热（约占80%以上）。但随着高炉炼铁技术的不断进步，燃料比、高炉煤气热值呈现不断降低的趋势，加之热风炉排烟温度限制，单烧高炉煤气的前提下，空-煤气双预热技术对理论燃烧温度的提升幅度有限。因此，若要进一步提高理论燃烧温度，需要借助其它技术手段。

2 焦炭预热干燥技术

山钢股份莱芜分公司[5]炼铁厂针对外购焦炭质量不稳定、水分波动大、影响高炉炉况顺行等问题，设计并应用热风炉废气预热干燥焦炭系统：包括防爆型引风机、配套管道及阀门、测温热电偶、焦仓、防爆型轴流风机等组成。

该项技术考虑焦仓上方因进料无法密封，需在每个焦仓上方安装排烟气管道，排气管内安装防爆型管道式轴流风机（流量25000 Nm3/h）将烟气抽出，可保证焦炭上料小车皮带处为负压，减少含CO 烟气的排出概率。为确保现场安全，防止煤气中毒事件发生，在焦仓上方安装固定式煤气报警仪。焦炭预热干燥技术改造后工艺流程见图3。

为确保安全，张店钢铁炼铁厂[6]在风机入口前安装煤气在线监测系统，当煤气浓度达到l％时，远程控制报警；当煤气浓度达到3％时，实现联锁保护停机，避免过量煤气进入焦炭仓，对槽上工作人员安全构成威胁。

根据生产经验，应用热风炉烟气余热对焦炭进行烘干，尤其适用水熄焦等品种或雨季高炉生产，可以有效降低入炉焦炭水分3至5个百分点，确保高炉顺行，降低高炉的焦炭消耗。

此外，预热器能力及预热温度允许的条件下，也可考虑自热风炉预热器空气出口处接预热后空气对矿石、焦炭等进行烘干，以降低矿槽岗位人员煤气中毒的危险系数。

3 煤粉制备的干燥气

热风炉烟气含有2-3%残余氧气、排烟温度约250℃，是煤粉干燥的适宜热源，尤其适用高炉工序与制粉工序布局较近的生产系统。对于热风炉废气管线过长、温降大或者烟气引风机能力较低的工艺系统，热风炉烟气余热利用率偏低，煤粉烘干系统还通常需要辅以煤粉燃烧炉等其它热源。

唐钢炼铁部北区共两个制粉站，使用热风炉烟气+燃烧炉烟气对煤粉进行烘干，其主要流程见图4所示。

目前，喷煤制粉用热风炉烟气经过管道输送到制粉工序的温度一般在200℃以下，与煤粉燃烧炉高温烟气混合后，将煤粉预热至70℃以上，单系列煤粉加工能力在20t/h以上。

唐钢炼铁部制粉系统设置煤粉燃烧炉，利用高炉煤气燃烧产生的高温烟气与热风炉烟气混合为煤粉制备干燥过程提供热源，二者互为补充，提高热风炉烟气余热利用率，可以有效降低甚至完全取消燃烧炉高炉煤气消耗。

4 其它余热利用方式

上述三种热风炉烟气余热利用方式目前在行业应用较为普遍，但由于设计或生产能力匹配等原因，热风炉废气仍有部分通过烟囱放散至大气，造成少量余热损失。因此，有必要开展其它热风炉烟气余热应用途径的研究和拓展。

4.1 生产热水

冶金企业中，通过回收置换热风炉烟气余热，应用于助燃空气和煤气的双预热以及原燃料烘干等途径，取得了良好的节能效果。但由于热风炉燃烧系统产生烟气总量大，仍有部分烟气直排到大气中，会造成能源浪费。在空气预热器与烟囱之间加装热水发生器回收利用这部分余热生产热水供职工洗浴[7]，既节约加热洗浴用水的蒸汽消耗，又可降低炼铁工序的综合能耗，其流程如图5所示。

热风炉烟气生产洗浴热水是烟气余热利用的一种补充形式，可根据企业实际情况参考选用。

4.2 热风炉余热制冷

针对钢铁企业烟气具有热负荷不稳定、烟气含尘量大、且有一定腐蚀性等特点，董辉教授[8]等人提出用热媒式换热器作为溴化锂吸收式制冷机组的高压发生器，热媒选用化学性质稳定，流动性、余热性良好，具有高沸点、高闪点的矿物有机油，由于该油性能稳定，温度容易控制，不会腐蚀换热器，从而可以保障系统能够长期有效地回收热量。

由于热媒温度不断变化，为了保证制冷机组制冷量稳定， 需要对制冷机组高压发生器进行改进，可以通过加设调节阀来控制高压发生器中的换热面积，从而使驱动热源供应的热能基本稳定。热风炉烟气梯级利用工艺流程如图6所示。

5 结论

（1）利用不同形式的换热器将热风炉烟气余热置换并预热助燃空气和煤气，在冶金领域应用最为广泛，技术相对较为成熟。但对于单烧高炉煤气的热风炉燃烧系统，受高炉煤气热值下降及排烟温度的影响，双预热技术存在一定局限性。

（2）直接应用热风炉烟气进行焦炭烘干、煤粉制备等工艺，工艺操作、系统结构简单，可以有效提高热风炉烟气利用水平，但应增加煤气成分监测及控制措施，以保障现场作业的安全。

（3）利用热风炉烟气余热生产热水、制冷等工艺，可作为烟气余热利用的补充形式，适用于烟气余热资源少量放散的生产系统，钢铁企业可以根据各自实际情况参考选择。

参考文献

[1] 张述明.热风炉低温烟气余热回收利用新工艺[J].冶金能源,2015，34(1):55-57.

[2] 朱玉峰，王宜利，孙晓东.高风温节能热风炉综述[J].冶金能源,2015,34(5):22-24.

[3] 孟凡双，李威.鞍钢热风炉双预热装置及评述[J].工业炉,2007,29(5):12.

[4] 李立民.附加燃烧炉的双预热技术在湘钢2号高炉的应用[J].炼铁,2011,(5):57.

[5] 尚根凤.焦炭预热干燥技术的应用[J].山东冶金,2015,(2):41.

[6] 李明福,王鸿雁,孙冰,李华.焦炭烘干预热工业实践[A].2011年全国中小高炉炼铁学术年会论文集[C].2011:374-375.

[7] 王立刚,张述明,张伟.承钢高炉热风炉烟气的余热利用[A].第十四届全国大高炉炼铁学术年会论文集[C].2013:614.

[8] 董辉,王萌,杨猛,杜涛,蔡九菊.钢铁企业中低温烟气余热用于制冷的研究[J].暖通空调,2010,(12):153.