三座热风炉采用“一烧两送热并联”创新工艺

2020-04-24冯燕波唐文权陈秀娟

天津冶金 2020年2期

冯燕波，唐文权，陈秀娟

（中冶京诚工程技术有限公司，北京，100176）

0 引言

热风炉是长流程炼铁工艺中的主要设施之一，它能够为高炉提供连续不断的热风。在我国，大多数的高炉配备了三座热风炉，主要操作方式为“两烧一送”，即：两座热风炉中任一座处于烧炉期或换炉期，第三座热风炉处于送风期。这样的操作方式难以得到理想的热风温度（据资料显示，2017 年全国热风炉平均风温仅为1142 ℃），而且换炉频繁。将三座热风炉“两烧一送”的传统操作制度改为“一烧两送热并联创新工艺”，可以同时获得提高风温和节能减排的双重效果。

1 高炉热风炉的座数

目前高炉热风炉的座数通常有三种配置形式：一座高炉配两座热风炉、一座高炉配三座热风炉以及一座高炉配四座热风炉。

二十世纪50～60 年代，日本和德国的高炉大多只建两座热风炉。当时，日本有6 座高炉均配套建设了两座热风炉，其中最大高炉容积为1790 m3。直到现在，我国冶炼镍铁的小高炉还在使用两座热风炉。两座热风炉“一烧一送”，采用了间接传热的基本操作制度，任意时间段内都有一座热风炉在送风，另一座热风炉在燃烧或换炉。一座热风炉的换炉时间加上燃烧时间等于送风时间，即燃烧时间小于送风时间。

两座热风炉的最大问题是没有考虑热风炉需要检修时如何保证高炉的正常生产，当一座热风炉需要检修时，高炉只能停炉。为了满足单座热风炉检修时高炉不停产和提高风温的需要，日本、韩国等国家的高炉改为一座高炉配建四座热风炉的形式，热风炉系统采用“两烧两送”的工作制度。两座热风炉送风时还可以采用“交错并联”的操作制度，与两座热风炉同时送风相比，可以提高20～25 ℃的风温。

俄罗斯3200 m3以上的大高炉大多配套建设四座热风炉，欧洲的一些国家一座高炉大多配套建设三座热风炉。我国3000 m3级以上的高炉大多数配套建设四座热风炉，3000 m3级以下的高炉大多数配套建设三座热风炉。

三座热风炉有两种操作制度：一种是“两烧一送”操作制度，另一种是“半交错并联”操作制度（1/2时间一座热风炉送风，1/2 时间两座热风炉同时送风）。也许是因为后者控制复杂，也不能提高风温，使用有局限性。我国配套建设三座热风炉的炼铁厂几乎全部都采用了“两烧一送”操作制度。

2 三座热风炉和四座热风炉的比较

2.1 三座热风炉和四座热风炉的投资比较

配套建设三座热风炉的投资要比建设四座热风炉省，但是不能简单说成是省掉了一座热风炉的投资。首先，设计三座或四座热风炉的格子砖总重量基本上是相等的，例如国外某钢铁公司5513 m3高炉的三座热风炉格子砖总重9782 t，我国北方某钢铁公司5576 m3高炉四座热风炉格子砖总重9951 t。也就是说，高炉容积相同时，配套建设三座热风炉的其中一座热风炉要比配套建设四座热风炉的其中一座热风炉大33.3%左右。其次，当三座热风炉采用“两烧一送”操作制度时，一座热风炉送100%的热风；而四座热风炉采用“两烧两送”操作制度时，每座热风炉送50%的热风，三座热风炉配置的所有阀门和支管面积要比四座热风炉配置的阀门和支管面积大一倍，因此不能简单说成是省掉了一座热风炉。

2.2 三座热风炉和四座热风炉的风温比较

三座热风炉采用“两烧一送”操作制度，送出的稳定风温是单炉送风末温；四座热风炉采用“两烧两送交错并联”操作制度后送出的稳定风温≈单炉送风末温+1/4（单炉送风初温-单炉送风末温）。在拱顶温度相同、换炉排放总能耗相等的条件下，三座热风炉“两烧一送”时的送风温度要比四座热风炉“交错并联”时低20～25℃。

2.3 三座热风炉和四座热风炉的烧炉时间比较

四座热风炉可以看成是两套热风炉系统，每套热风炉系统中的两座热风炉采用“一烧一送”操作制度，使用合理的烧/送时间比；而三座热风炉采用“两烧一送”的操作制度，实际上是把二座热风炉放入到了燃烧行列，浪费了大量燃烧时间。三座热风炉“两烧一送”时，由于具有富裕的烧炉时间，理论上可以在保持拱顶温度一定的条件下，用缩短送风时间来提高风温，但是要付出耗能增排的代价。

3 最小烧/送时间比

两座热风炉和四座热风炉都采用了基本操作制度——“一烧一送”。对单座热风炉来说，燃烧期后接着送风期，燃烧时间可以小于送风时间（前面已经讨论过）。

某钢铁公司4000 m3级高炉配置四座热风炉，采用“两烧两送交错并联”操作制度时，燃烧时间86 min、换炉时间 14 min、送风时间 100 min，烧/送时间比0.86，在不产生晶间应力腐蚀的前提下，获得了1250 ℃的高风温。笔者暂且把0.86 看作为最小烧/送时间比。

三座热风炉如果采用“一烧两送热并联”操作制度时，单座热风炉送50%的高炉用热风，暂且把最小烧/送时间比定为0.43。

4 热风炉换炉排放能耗

对这个问题过去触及甚少，人们也不太重视。自从2015 年巴黎气候变化大会以后，各国都提出了减排目标，我国作为能耗大国，要求更高。炼铁行业要推出一项新工艺离不开这方面的论证。

4.1 三座热风炉和四座热风炉排放能耗比较

高炉热风炉采用间接换热方式，一座热风炉先燃烧后送风，在送风结束转换到燃烧时必须放掉炉内的高压高温空气（含富化的氧气）。一座4000 m3级高炉配套的四座热风炉，按照单炉送风时间100 min 计算，每天排放次数=1440/100×2=28.8 次，年排放能耗约为2000 多吨标准煤。

三座热风炉和四座热风炉比较排放能耗时不能只比排放次数，因为三座热风炉的单座热风炉炉内空间约为四座热风炉的4/3 倍。三座热风炉“两烧一送”单炉送风时间为 66.7 min 时（21.6 次/天）的排放总能耗与四座热风炉“两烧两送”单炉送风时间100 min 时的排放总能耗相等。

4.2 提高热风温度不能靠增排

九十年代初，国外曾有文章倡导在拱顶温度在1350 ℃条件下就足以达到1250 ℃的高风温，单炉送风时间定为30 min。但是，单炉送风时间从66.7 min 缩短到30 min，每天需换炉排放48 次，排放总能耗要增加到原来的2.22 倍。这相当于是用增排换风温，在实际操作时是不可取的。

5 三座热风炉采用“一烧两送热并联”新技术后的效果

5.1 采用“一烧两送热并联”，可以提高送风温度

采用“一烧两送”操作制度时，要靠延长单炉送风时间来满足最小烧/送时间比，但是延长送风时间会降低送风温度。因此，单纯将“两烧一送”改为“一烧两送交错并联”，虽然可以减少换炉排放能耗，但要降低送风温度，顾此失彼，显然不是上策。

采用“两烧一送”或“一烧两送交错并联”操作制度时，为了要向高炉送出稳定风温，需要不断掺入冷风（冷风温度～200 ℃）降温（称为“混风”）。我国炼铁行业中，热风炉混风管上装的调节阀几乎都是刚性密封蝶阀，在需要阀门全关时关不死，也不敢关死。因此，混风蝶阀（调节阀）在全关时（阀门处在零位时）还在漏入冷风，导致热风温度又要降低～5℃或更多。

采用“一烧两送热并联”时，两座送风温度高低不同的热风炉自己互兑，不需要混入冷风，操作时可以把混风管完全切断，不但可以把送风时间长引起的风温降弥补回来，还可以进一步提高送风温度。表1 中，采用“一烧两送热并联”比采用“两烧一送”换炉排放能耗减少50%，同时提高风温25 ℃。

三种操作制度向高炉送出的稳定风温可以用以下公示计算[1]：

（1）“两烧一送”：送风温度=单炉送风末温