炼铁厂热风炉工作原理(《热管技术大全》—热管技术在冶金工业中的应用)

Posted 2023-06-01

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炼铁厂热风炉工作原理(《热管技术大全》—热管技术在冶金工业中的应用)

冶金工业是耗能大户，不论是有色冶金或黑色冶金工业都存在大量的节能问题。

以钢铁企业为例，焦炉、高炉及炼钢工序均有相当数量的余热未能回收利用。余热的温度最高可达 1600℃，热能的形态有固体、气体、液体，其中很多为间隙排放，因之给余热回收带来了一定的难度。

由于热管的众多特点，特别适用于上述场合的余热回收利用，从 70 年代开始国内冶金界的广大工程技术人员和热管技术工作者进行了卓有成效的合作开发，取得了相当可喜的成果。

目前在烧结排气显热和热风炉燃烧废气的余热回收方面，已可达到定型设计和系列化、标准化的程度。

近年来高温热管及高温热管空气预执器、高温热管蒸汽发生器开发运用成功，给冶金企业的高品位余能利用带来了新的希望。

加热炉和均热炉的余热利用

轧钢连续加热和均热炉是钢铁企业中耗能较多的设备。其热效率一般只有 20%～30%，约有 70%～80%的热量散失于周围环境和被排烟带走。其中烟气带走的热损约占 30%～35%。

加热炉的烟气量根据炉型大小不同，一般在（标准状态）7000～300000m³/h 的范围内。烟气温度一般为550～990℃，也有超过 1000℃以上的。

从直接节能来考虑，工程界希望将烟气的余热用来加热助燃空气。当助燃空气被加热到 400℃时，可以得到节能 20%～25%的效果。

以下为数例典型应用和设计实例

1.1 坯件加热炉热管空气预热器

一钢坯加热炉，炉内温度高于 1000℃，烟气温度大于900℃，通过钠热管空气预热器将 40℃的空气加热至 400～450℃与二次风（800℃）混合后入炉助燃。其流程如图7-1所示。

表 7-1为该设备设计参数，该工程燃料节约率为 18%，设备投资回收期约1.2年。

1.2 线材退火炉

图7-2所示一线材退火炉。

炉内温度为 1000℃左右，排烟温度约800℃，在烟道中放置一高温热管空气预热器，高温烟气通过热管换热器热管的蒸发段，烟气降至150～170℃排空。20℃的常温空气通过换热器热管的冷凝段，被加热到 400～500℃，作为助燃空气进入燃烧喷嘴。

应用结果表明，节约燃料可达23%。表 7-2为其设计参数。

1.3 轧钢连续加热炉

轧钢连续加热炉排出的烟气温度很高，有时可达 1000～1100℃，余热回收利用的方式首推采用空气预热器。

回收的余热除了热损100%地用于燃烧炉内，这样虽然可以达到节能的目的，但不能直接节约燃料，也得不到由于燃烧条件改善而对产品产量质量方面带来的好处。

当前国外很多工厂采用余热锅炉和空气预热器相结合的办法来达到兼顾的目的。

图 7-3 为国外某钢铁公司的 330t/h步进式板坯加热炉的烟气余热锅炉和空气预热器的布置方式，即将空气预热器布置在余热锅炉的尾部。

这种方式的缺点是余热锅炉尾部烟气温度不高，温差较小，空气预热器预热空气的温度不高，大约260℃左右。

由于高温热管空气预热器及高温热管蒸汽发生器的工业应用开发成功，给轧钢加热炉的余热回收带来了非常大的灵活性。

可以直接用高温烟气加热助燃空气使空气升温至 400℃以上，也可以采用余热锅炉方式产生蒸汽并入蒸汽管网。

与常规余热锅炉相比，热管蒸汽发生器具有明显的优越性，其体积紧凑、传热效率高、结构简单、维修方便，更重要的是单根热管破坏不影响设备运行，提高了设备长期运行的可靠性。

不论是采用高温空气预热器方式还是采用高温热管蒸汽发生器方式，烟气温度均可降至 200℃以下。这对大型加热炉的热回收效率的提高有很大意义。以下介绍两种回收流程。

1.3.1空气预热器流程

如图 7-4 所示，加热炉烟气 1200℃左右直接进入高温热管空气预热器，降至 140～170℃排入烟囱。20℃常温空气被加热至 450℃以上作为助燃空气进入加热炉助燃。其燃料节约率在 20%以上。

国内工业使用结果表明，其投资回收时间根据燃料品种不同大概在 1～1.5 年左右。

图 7-4 的布置方式适用于小型加热炉。对于大型轧钢加热炉由于处理的烟气量大，设备重量和体积都比较大，采用地面布置的方式更为适合，以下为一设计实例。

某大型加热炉排烟温度为 850℃，烟气量为（标准状态）170000m³/h，要求将（标准状态）150000m/h 的常温空气加热到 550℃，烟气侧允许压力降为 150Pa，采用列管式或热管式两种方案，设计结果列于表7-3。

由表 7-3 可以看出，在允许的压力降范围内，热管换热器在传热效率、体积、重量方面均优于列管式换热器。

1.3.2 余热锅炉流程

国内外许多轧钢加热炉采用了余热锅炉和空气预热器相结合的流程来回收烟气的高温余热。

即首先将高温烟气通过余热锅炉（蒸汽发生器）降至 500~600℃温度范围，产生 1.9~3.0MPa 的蒸汽，降温后的烟气通过空气预热器将常温空气预热至 250℃，烟气温度降至 300℃以下进入热管省煤器，将 105℃的脱氧水加热至 250℃左右，烟气温度降至 200℃以下，经引风机送至烟囱排放。

这种流程的优越性在于，余热锅炉可以以较少的设备投资回收烟气高温部分的余热，所产生的蒸汽如果可以外销，则可在极短的时间内收回投资。

空气通过预热器可预热至 300℃以上，一次能耗可以节约 14%～18%，这是最合算的流程。

如果采用蒸汽透平发电，再将背压蒸汽外销，也是一种经济效益很好的方案。

热管空气预热器和热管省煤器可以在较低的条件下充分发挥其传热效率高和体积紧凑的特点。

以下通过一设计实例来说明其优越性。

设计条件∶

烟气量（标准状态）170000m²/h，烟气温度 950℃，采用余热锅炉及空气预热器组合流程。空气流量（标准状态））150000m3/h，要求从常温预热至 350℃以上。余热锅炉产生的蒸汽压力为 3.9MPa，锅炉给水为105℃脱氧水。

设计结果示于表7-4，流程图示于图7-5。

经济效益分析∶

① 热管蒸汽发生器

热管蒸汽发生器回收热量 25417kW，折合蒸汽量 30/h，按外供蒸汽60元/t 计，则每小时回收 1800元，年工作日按8000小时计，年回收金额为144万元。设备投资回收期限为0.1年。

② 热管空气预热器

空气预热器回收热量为 20043kW，相当于72.2GJ/h，按高炉煤气 5.4元/GJ计，则年回收金额为312万元，设备\\n333\\n投资回收期为0.6年。

③ 热管式省煤器

省煤气回收热量为 6390kW，相当于 23GJ/h，按高炉煤气 5.4 元/GJ计，年回收金额为99.4 万元，设备投资回收期为0.48 年。

从以上分析可见各台设备投资的回收期均在 0.6 年以下。该工程最大设备重量为 95 吨，若设备置于平地，则施工费用仅限于地面基础及支架平台，估计工程施工费用不会超过设备费用的 1/3。因之整个工程费用回收期不多于1年。

烧结工序的余热利用

烧结工序是高炉矿料入炉以前的准备工序。有块状烧结和球团状烧结两种工艺。

块状烧结是将不能直接加入炉的炼铁原料，如精矿粉、高炉炉尘、硫酸渣等配加一定的燃料和溶剂，加热到 1300～1500℃，使粉料烧结成块状。

球团烧结则是将细磨物料，如精矿粉配加一定的黏结剂，在造球设备上滚成球，然后在烧结设备上高温烧结。

两种烧结过程都要消耗大量的能源。据统计，烧结工序的能耗约占冶金总能耗的 12%。而其排放的余热约占总消耗热能的 49%。回收和利用这些余热，显然极为重要。

烧结工序内废气温度分布示意图见图 7-6。

由图可知，回收余热主要在成品显热及冷却机的排气显热两个方面。

烧结矿生产时，在烧结机尾部及溜槽部分，烧结矿热料温度可达700～800℃，除热废气外，料品还以辐射形式向外界散发热量。这部分高品位热量主要通过余热锅炉回收。

热管技术目前主要应用在冷却机废气的余热回收。

热烧结矿从烧结机尾部落下经过单辗破碎振动筛筛分后，落到冷却机传送带上，在冷却机上布置有数个冷却风罩，风罩内装有轴流风机（吸风式），使冷却风通过矿料层，通过矿料层后的风温在第一风罩内一般可达到 250～400℃，第二风罩内风温一般为 200℃左右。

冷却矿料的另一种形式是鼓风冷却，即风机在矿料层底部鼓风，通过矿层后进入风罩排空。

国内开发的烧结余热回收的热管技术应用流程如图 7-7。

在第一风罩内布置热管蒸汽发生器，冷风通过热的矿料，被加热到 250～350℃，通过热管蒸汽发生器热管的蒸发段，温度降为 150℃左右排空。

第二风罩的热风温度较低，一般为 200℃左右。在此风罩内布置软水加热器，加热汽包的给水。在溜槽或冷却机前端的密封罩内布有蒸汽过热器，过热从汽包产出的饱和蒸汽。

以下为一典型应用实例。

某钢厂126m2带式抽风冷却机配有 3 台 60A-12 型 No.24 立式轴流风机，其风量为（标准状态）3000m²/min，压力为 588～688Pa。热风温度分别为250～350℃及215～250℃。回收热量2800kW，产汽量（设计能力）3～4t/h，蒸汽压力0.5～0.6MPa，饱和蒸汽温度 169℃。有关特性见表7-5。

按一般烧结机作业率 90%，每小时产 0.5MPa 蒸汽 3.5 吨计算，则每年产蒸汽量为∶3.5×24×365×0.9=27594 t\\n，一般烧结厂内部蒸汽价为50元/吨，则年产蒸汽价值为 138万元；

系统年耗电费：0.22×5.5×24×365×0.9=9540元，

系统年耗水费：0.735×3.5×1.02×24×365×0.9=20687元，

年实际经济效益为∶

138-0.954-2.0687 = 135 万元

此外，将所产蒸汽用于混合物料，可提高进烧结机的矿料温度，在烧结过程中可以消除料层中的过湿带，提高料层透气性，从而可提高烧结生产率并降低电耗。

3. 高炉热风炉余热回收

高炉热风炉是产生热风的设备，由于风温可高达 1200℃以上，因之热风炉都是蓄热式。

其工作原理是先使煤气和助燃空气在燃烧室燃烧，燃烧生成的高温烟气进入蓄热室将室内的格子砖加热，然后停止燃烧，再将鼓风机送来的冷空气通过蓄热式格子砖，将格子砖所积蓄的热量带走，冷空气被加热到所需的温度进入高炉。

热风炉烟道废气的温度一般限制在 300～350℃，最高不得超过 400℃。使用热管换热器回收这部分余热，用来加热助燃空气则可以改善蓄热炉内的燃烧状况，从而使炉顶温度提高。

我国马鞍山第一炼铁厂是首先采用热管技术回收热风炉余热加热助燃空气的单位。使用结果表明，由于出炉热风温度的提高，使每吨铁减少 10kg 焦炭，同时用于燃烧的煤气节省 40%。

这一效果的获得大大促进了热管换热器在冶金行业的推广应用。目前我国大型钢铁企业的高炉热风炉大都采用了热管技术回收余热技术。对于以煤气为燃料的单位，一般多采用分离式热管换热器回收排烟余热，回收的余热同时用来加热空气和煤气，因之称为"双预热"。

双预热流程如图7-8 所示。

系统由3 台热管管箱组成，热风炉的煤气燃烧所产生的烟气温度约 250℃左右进入烟气管箱，在烟气管箱中，烟气将热量分别传给煤气加热侧的管束和空气加热侧的管束。

两组管束并联布置。烟气分二路流过管箱。煤气和空气加热侧的管束吸收烟气的热量后，分别由各自的管内的工作液体所产生的蒸汽通过各自的上升管分别传送到煤气和空气加热侧的管箱。

为便于现场调试及整套装置不影响高炉热风炉的生产运行，在各组换热管箱的风道上均设置了旁路。该系统的运行参数如表7-6所示。

投产后，热风炉的热风出口温度提高 42.4℃，吨铁煤气消耗减少0.102GJ，单炉煤气消耗减少 1.6×m³/h，蓄热炉拱顶温度提高 78℃。

一般认为，高炉炼铁风温在 1000℃以上时，每提高 100℃风温相当于每吨铁少用15kg焦炭。每吨焦炭按364元计，该高炉月产铁为184787 吨。

按此可算出焦炭的节约率及人民币值∶

184787×（42.2/100）×（15/1000）×364=4277893元/月≈42.8万元/月

由于助燃空气温度的提高，每吨铁的燃料煤气消耗值减少了0.102GJ，按高炉煤气5.4元/GJ计，

其节省金额为∶

184787×0.102×5.4=10178.68元/月≈10.18万元/月，

全年节约总金额为∶

（42.8+10.18）×12=635.76万元