首钢炼铁厂热风炉残氧分析与节能应用

摘　要　热风炉在节能降耗上有一定的潜力可挖，首钢炼铁厂通过在热风炉上安装氧化锆氧分析仪装置。直观显示热风炉燃烧过程中过剩空气量的多少，为热风炉司炉工提供量化的操作标准，从而为司炉工准确地调整空气、煤气配比值，使炉膛内燃烧趋于优化提供了条件。使热风炉稳定地处于优化燃烧状态，提高了热风炉的热效率，达到了节约能源，降低生产成本的目的。

关键词　热风炉 氧化锆氧分析仪 优化燃烧 节能

1 首钢热风炉基本结构介绍

在高炉炼铁科技进步过程中，首钢率先将顶燃式热风炉技术应用于大型高炉。首钢自主研究开发的顶燃式热风炉效益明显，并拥有这项技术的国家发明专利。顶燃式热风炉不设专门的燃烧室，而是将拱顶空间作为燃烧室。由于这种结构形式的热风炉具有许多优点，它是高风温热风炉的发展方向。因此，受到世界各国的重视。顶燃式热风炉具有燃烧效率高、蓄热面积大、投资省、寿命长、占地空间小等特点。能更为有效地利用热风炉的空间，在热风炉容量相同的情况下，可使蓄热面积增加25％～30％。因此，在国内各种结构形式的顶燃式热风炉的应用越来越广泛。

目前首钢正在用的座热风炉，均属于顶燃式热风炉，其结构形式如图1所示：

顶燃式热风炉又称为无燃烧室热风炉，顶部的燃烧器是许多小而独立的陶瓷或金属燃烧器构成，使煤气和空气的混合过程短，燃烧过程较为迅速和安全。

热风炉是循环周期性工作的。在一个循环工作周期中，分燃烧期和送风期。

燃烧期：将热风炉烧热，此时冷风入口和热风出口关闭，将煤气和用于给格子砖加热的空气按一定比例从燃烧器送入，煤气燃烧将热风炉（主要是其中的格子砖）加热，燃烧残气即烟气由烟气出口经过烟道从烟囱排掉，这样一直将热风炉加热到需要的温度，然后转入送风期。

送风期：将由鼓风机来的冷风加热后（一般在1000～1200℃）送入高炉。此时燃烧器和烟气出口关闭，冷风入口和热风出口打开，由鼓风机经冷风管道送来的冷风进入热风炉，冷风在通过格孔时被加热，热风经出口和一些管道送入高炉。送风一段时间，热风炉蓄存的热量减少，不能将冷风加热到所要求的温度，这时就由送风期再次转入燃烧期。一座热风炉经过燃烧期和送风期即完成了一个循环。热风炉就是这样燃烧和送风不断循环地工作着。四座热风炉交替地燃烧和送风就保证了不间断地供给高炉热风。

首钢2536立方米的3^＃高炉，有四座热风炉采用“两烧两送”基本工作制度。

首钢热风炉以高炉煤气为主要燃料，由于高炉煤气发热值较低，为了获得高风温，混入少量热值较高的焦炉煤气。

1 残氧分析对热风炉节能的重要意义

热风炉是炼铁生产过程中的重要设备之一。它供给高炉热风的热量约占炼铁生产耗热的四分之一，它消耗煤气约占高炉生产的煤气的40％。因此，提高热风炉的热效率对降低能耗具有很大的现实意义。

热风炉是一种加热空气输出热风的热源设备，有燃烧室和热交换器构成，是一种具有一定压力的热源设备。在一些实际的工程实例中，由于设备的排烟温度较高，存在热效率较低的问题。较低的效率必然带来较多的燃料消耗，加之较差的燃烧效果，还会导致一定程度的环境污染。在没有安装氧分析仪表时，主要是通过经验来控制炉顶温度上升的速度及保持炉顶最高温度不下降。这样往往会由于操作工经验的不同而带来调节的差异。以及温度反应的滞后性而造成调节不及时而浪费燃料。在热风炉安装氧分析仪表能使操作工及时合理地对热风炉燃烧情况作出合理的判断。并参考其成分进行燃烧调整。合理的烟道废气成分如表1所示。

表1　　　　　　　　　　　　 热风炉烟道废气成分分析表

热风炉燃烧质量的好坏，直接关系到铁厂燃料消耗率的高低，热风炉烟气中氧量自动分析就是为了连续监督燃烧质量，以便及时控制燃料和空气的比例，使燃烧保持在较好的状态下进行；为了使燃料达到完全燃烧，同时又不过多地增加排烟量和降低燃烧温度，首先要控制燃料与空气的比例，使过剩空气系数α保持在一定范围内。它可以反映出燃烧的经济性和操作运行的技术水平，所以是燃烧的技术经济指标。锅炉在保证充分燃烧的前提下，应尽量减少过量空气。

热风炉调火原则是以煤气压力为依据，以煤气流量为参考，以调节空气量和煤气量为手段，达到炉顶温度上升的目的。一般情况下，采用固定煤气量，调节空气量的快速烧炉法。

为了确定热风炉的热效率，就需要建立在正常工况下的锅炉热量的收、支平衡关系，通常称为“热平衡”。

锅炉热平衡的公式可写为：

Q_r＝Q₁ Q₂ Q₃ Q₄ Q₅ Q₆ kJ／kg (3－1)

式中：Qr——每千克燃料带入锅炉的热量；

　　 Q₁——锅炉有效利用热量；

　　 Q₂——排烟所带走的热量，称为排烟热损失；

Q₃――未燃烧可燃气体所带走的热，称为可燃气体不完全燃烧热损失；

Q₄――未燃完的固体燃料所带走的热量，称为固体(或机械)不完全燃烧热损失；

Q₅——锅炉散热损失；

Q₆一一其他热损失或灰渣物理热损失。

热风炉热效率的标准计算较为复杂，通过下式可简单计算出热效率的趋势：

η＝[周期风量（热风容量×风温－冷风热容×冷风温度）]/[周期煤气量（煤气热值＋煤气热容×t_煤气）＋周期助燃风量×助燃风比热×t_风]×100％

利用含氧量测量装置，直观显示热风炉燃烧过程中过剩空气量的多少。为热风炉司炉工提供量化的操作标准，从而为司炉工准确地调整风量使炉膛内燃烧趋于优化创造了条件。合理降低烟气中含氧量即可减少排烟损失，从而达到优化燃烧，又达到节约燃料的目的。同时可为高炉未来系统的应用提供可靠的数据信息。

2 氧化锆氧分析仪表测量取气点的选择与研究

安装氧化锆氧分析仪的目的主要是监测热风炉燃烧期烟道排烟中的残氧量。

3.1 选择氧化锆氧分析仪探头安装点的基本原则有：

（1） 安装点的烟气能快速反映工艺状态的变化情况；由于烟道截面较大，截面各处烟气成分是不相同的，有明显分层的倾向，要求安装点处烟气不存在分层、停滞。以及烟气温度为取样装置所能耐受的地方，一方面要考虑温度因素，另一方面要避开烟气压力、流量过大的地方。