CN116083673A - 一种高炉热风炉烟气串级利用同步脱硫脱硝系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高炉热风炉烟气串级利用同步脱硫脱硝系统，包括依次连接的高炉喷吹煤制粉单元、煤粉喷吹单元和高炉炼铁单元，所述高炉炼铁单元还经高炉热风管连接高炉鼓风热风制备单元，还包括有冶金渣微粉单元，所述高炉鼓风热风制备单元经炉后烟气管道连接冶金渣微粉单元，或者经高炉喷吹煤制粉单元连接和冶金渣微粉单元。本发明系统简单、投资和运行成本低、对环境友好、节能降耗、可有效回收高炉热风炉烟气余能及低温余热，并能在回收烟气余热的同时原位实现烟气脱硫脱硝脱二氧化碳。
Description
技术领域
本发明属于冶金装备及冶金能源环保领域，涉及到高炉热风炉烟气的余热利用和净化，具体的说是一种高炉热风炉烟气串级利用同步脱硫脱硝系统。
背景技术
钢铁工业能源消耗量大。我国每年大约有10-15％的能源用于钢铁工业，其中70％以上用于高炉。为了降低高炉炼铁能耗，降低焦比，提高风温、增加喷煤量是目前钢厂常规的技术手段。高炉热风是高炉最廉价、利用率最高的能源。以某钢厂高炉2016年统计数据为例，吨铁消耗焦炭：303kg；喷煤：181kg；热风带入的热焓：1.8GJ；高炉冶炼的综合能耗约14.5GJ。也就是说高炉热风带入高炉内的能量占高炉总能量消耗的12.4％以上。
近几年，国内钢铁企业高炉的热风温度逐年升高，特别是新建设的一批大高炉(大于2000立方米)热风温度均超过1200℃，达到国际先进水平。
鼓入热风炉的空气或富氧空气或氧气经蓄热体换热后形成温度在1200℃左右的高炉热风通过高炉炉腹区域风口进入高炉内与喷入的煤粉混合燃烧，参入高炉冶炼。
喷入高炉内的煤粉由高炉喷吹煤制粉单元对原煤料烘干、粉磨制备。国内现有的煤粉烘干用烟气炉(混合室由连带烟气出口的锥套构成)大都采用高炉煤气与空气的燃烧高温气体及引进高炉热风炉所产生的废气(或煤磨机自循环气体)进行混合处理，这样不仅可以充分利用能源，又能控制住煤粉烘烤所用的气体温度及含氧量。要求的出口气体温度正常范围为300℃左右，煤磨机处为250℃左右，才能保证煤磨机内的煤粉充分烘烤。高炉喷吹煤制粉单元烘干原煤料的烟气量约3000Nm3/t-煤粉【吴江松.高炉喷煤制粉系统平衡的研究与分析.现代冶金，2012年12月】，喷煤量按180kg/t-铁，则吨铁所需煤粉导致的烟气量为540Nm3/t-铁。
鼓入高炉内的高炉热风由高炉热风炉提供。高炉热风炉是炼铁厂高炉主要配套的设备之一，一般一座高炉配3-4座热风炉，热风炉的作用是为高炉持续不断的提供1000度以上的高温热风。目前先进的现代热风炉风温可以达到1300度，如曹妃甸京唐公司5500立方米高炉采用卡卢金顶燃式热风炉。
高炉热风炉按工作原理可分为蓄热式和换热式两种。
蓄热式热风炉，按热风炉内部的蓄热体分球式热风炉(简称球炉)和采用格子砖的热风炉，按燃烧方式可以分为顶燃式，内燃式，外燃式等几种，提高热风炉热风温度是高炉强化冶炼的关键技术。如何提高风温，是业内人士长期研究的方向。常用的办法是混烧高热值煤气，或增加热风炉格子砖的换热面积，或改变格子砖的材质、密度，或改变蓄热体的形状(如蓄热球)，以及通过种种方法将煤气和助燃空气预热。
蓄热式格子砖热风炉是现代高炉、尤其是大高炉最常用的热风炉形式。
换热式热风炉，主是使用耐高温换热器为核心部件，此部件不能使用金属材质换热器，只能使用耐高温陶瓷换热器，高炉煤气在燃烧室内充分燃烧，燃烧后的热空气，经过换热器，把热量换给新鲜的冷空气，可使新鲜空气温度达到1000℃以上。
以顶燃式燃烧方式的蓄热式热风炉为例，对煤气、助燃空气低温双预热到200℃进入热风炉燃烧室内燃烧产生高温烟气加热蓄热体，经蓄热体换热后，温度降到400℃左右排出热风炉，并采用废气含氧量分析作为系统的反馈环节，参加闭环控制，随时校正空燃比。所以，高炉热风炉在为高炉提供高温热风的同时，还产生有大量的热风炉烟气
【https://wenku.so.com/d/9b36e50fa40d8aec19c486dc8a9436d7-450，立方米热风炉设计计算】，其烟气量约1400-1500Nm3/t-铁水。目前这些烟气经空气换热器和煤气换热器分别与助燃空气和煤气换热温度降到120-150℃后，除少量进入高炉喷吹煤制粉单元串级利用外，其余直接外排。
由于该烟气是由高炉煤气与空气混合燃烧后产生的，随高炉煤气带入的硫组分燃烧后生成二氧化硫，同时由于燃烧的火焰温度在1300℃以上，烟气中还有少量的氮氧化物产生。因此，直接外排热风炉烟气不仅排出大量的微细煤粉进入大气，同时还含有大量的二氧化碳和一定的硫及硝等污染物随同烟气排向大气，存在明显的资源能源浪费和大气环境污染。
随着环保要求的提高，目前许多钢铁企业对该烟气已实施脱硫脱硝处理。由此特别不经济、不低碳的是由于高炉煤气中的硫组分浓度不高，在热风炉内燃烧后的烟气中二氧化硫浓度较低，但超过了超低排放标准(100mg/Nm3左右)，并且热风炉烟气量较大，实施脱硫脱硝工程投资大、占地多，脱硫脱硝运行成本高，进一步增加了钢铁企业的经营成本。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种系统简单、投资和运行成本低、对环境友好、节能降耗、可有效回收高炉热风炉烟气余能及低温余热，并能在回收烟气余热的同时原位实现烟气脱硫脱硝脱二氧化碳的一种高炉热风炉烟气串级利用同步脱硫脱硝系统。
本发明高炉热风炉烟气串级利用同步脱硫脱硝系统，包括依次连接的高炉喷吹煤制粉单元、煤粉喷吹单元和高炉炼铁单元，所述高炉炼铁单元还经高炉热风管连接高炉鼓风热风制备单元，还包括有冶金渣微粉单元，所述高炉鼓风热风制备单元经炉后烟气管道连接冶金渣微粉单元，或者经高炉喷吹煤制粉单元连接和冶金渣微粉单元。
所述高炉鼓风热风制备单元包括分别与高炉鼓风机(1)、空气换热器(3.1)和煤气换热器(3.2)连接的热风炉(16)；
所述高炉喷吹煤制粉单元包括依次连接的煤磨烟气炉(10)、煤磨(5.2)和煤粉布袋除尘器(6.2)；
冶金渣微粉单元包括依次连接的微粉磨烟气炉(15)、微粉磨烟气混合室(4)、微粉磨(5.1)和微粉布袋除尘器(6.1)；
所述热风炉(16经烟气管道分别连接冶金渣微粉单元的烟气混合室(4)、煤磨烟气炉(10)、空气换热器(3.1)和煤气换热器(3.2)。
所述高炉炼铁单元包括高炉(11)；所述空气换热器(3.1)和煤气换热器(3.2)的出口连接同一根烟气管道后再分别连接冶金渣微粉单元的微粉磨烟气混合室(4)、高炉喷吹煤制粉单元的煤磨烟气炉(10)和高炉炼铁单元的高炉(11)。
所述煤粉喷吹单元包括煤粉仓(12)、喷煤载气风机(8.1)和煤粉喷吹载气罐(13)，其中，煤粉仓(12的出口与煤粉喷吹载气罐(13)的出口一起经载气管道连接热风炉(11)；
所述高炉喷吹煤制粉单元的煤粉布袋除尘器(6.2)的煤粉出口连接煤粉喷吹单元的煤粉仓(12)，所述煤粉布袋除尘器(6.2)烟气出口经烟气管道分别与高炉炼铁单元的高炉(11)、煤粉喷吹单元的煤粉喷吹载气罐(13)、冶金渣微粉单元和微粉磨烟气炉(15)以及外排管道连接.
所述高炉喷吹煤制粉单元的煤粉布袋除尘器(6.2)与微粉磨烟气炉(15)连接的烟气管道上还设有煤气进口；所述高炉鼓风热风制备单元的热风炉(16)的热风出口还经高炉热风管与微粉磨烟气炉(15)的助燃气进口连接。
所述微粉布袋除尘器(6.1)的气相出口分别与微粉磨烟气炉(15)和外排烟囱连接。
针对背景技术中存在的问题，发明人进行了如下改进：
统筹考虑高炉炼铁生产的全流程气相利用过程，分析高炉炼铁生产全流程的各单元的功能作用及气相利用的作用原理，将不同单元外排的烟气进行串级利用，在回收烟气中的余热余能的同时，原位净化烟气中的污染物，减少甚至完全杜绝了热风炉烟气直接外排，降低碳排放、降低环保投资、降低运行成本。
高炉冶炼过程产生一定的高炉渣，高炉渣量约350kg/t-铁。目前国内钢厂都是将高炉渣加工成微粉产品，且多采用矿渣微粉的立磨生产工艺，集烘干、粉磨、选粉于一体。如HRM3700S矿渣立磨运行工艺参数为入磨风温：设计≤350℃；出磨风温：设计85-100℃，实际95-105℃。用于烘干、选粉、助磨的烟气量约3000-4000Nm3/t-矿渣，折算成吨铁产生矿渣制微粉需要的烟气量为1000-1400Nm3/t-铁。实际生产中多数矿渣立磨(微粉磨)进磨风温控制在350-400℃。
由于冶金渣中含有大量的碱土金属氧化物(氧化钙、氧化镁等)，甚至含有一定量的游离氧化钙、氧化镁等，同时冶金渣中含有一定的水分，在粉磨过程中，烟气在微粉磨内对冶金渣干燥助磨、流化选粉，与冶金渣充分混合，烟气中的硫污染物(二氧化硫)被冶金渣中的氢氧化钙和氢氧化镁吸收，所以在烟气对冶金渣干燥、流化、助磨的同时烟气中的硫污染物被吸收脱除。另外生产的微粉产品比表面积达430-450m2/kg，具有较大的吸附能力，对烟气中的氮氧化物具有吸附效果，所以在烟气对冶金渣干燥、流化、助磨的同时烟气中的氮氧化物被吸附脱除。
为了尽可能减少烟气外排量，将高炉喷吹煤制粉单元排出的烟气引入高炉渣微粉和钢渣微粉生产单元，通过冶金渣微粉单元的微粉磨烟气炉加工处理(掺入煤气并焚烧)后作为微粉磨的干燥、流化、助磨冶金渣的烟气，生产矿渣微粉和钢渣微粉产品，既回收利用了高炉喷吹煤制粉单元排出烟气中夹带的微细煤粉，还对该烟气中的硫污染物进行了净化脱除。
进一步，分析钢铁冶炼生产工艺，特别是与高炉炼铁生产相关的生产单元，还存在许多气体利用的单元，如为将煤粉喷入高炉内需采用氮气作为载气，为降低高炉风口前区域燃烧带理论燃烧温度需向高炉热风中掺入水蒸汽。
本发明中将高炉喷吹煤制粉单元排出的烟气取代氮气作为高炉喷煤的载气，完全具备氮气作为载气的安全性，因为该气体是来自煤磨内气-固混合料中较高温度的气相部分，不存在任何爆炸危险。同时通过喷吹进入高炉内还循环利用了烟气中的碳组分以及烟气中的微量煤粉。
将高炉喷吹煤制粉单元排出的烟气取代水蒸汽作为降低高炉风口前区域燃烧带理论燃烧温度的掺烧气体，完全具备水蒸汽的降温效果。首先，由于烟气经过了干燥煤料工序，烟气中含有一定的水分，进入高炉后与掺入的水蒸汽一样，发生水煤气反应，吸热降低理论燃烧温度；其次，烟气中含有大量的二氧化碳，进入高炉后发生二氧化碳转化成一氧化碳的吸热还原反应；第三，烟气的掺入稀释了喷入的高炉热风中的氧气浓度，降低理论燃烧温度，同时该烟气温度只有85-105℃，远低于掺入的水蒸汽温度，更有利于降低理论燃烧温度。
进一步，按全国高炉年喷煤量1亿吨计，高炉喷吹煤制粉单元烟气经除尘后带出的煤粉量按10mg/Nm3计，全年排放量可达3万吨/a全年外排烟气量3000亿Nm3(3×104×103×103×103mg/10mg·Nm3)，通过对高炉喷吹煤制粉单元烟气的再利用极大减少了烟气外排量，回收了外排烟气中的微细煤粉。
本发明利用现有高炉、热风炉、高炉喷吹煤制粉单元、煤粉喷吹单元和冶金渣微粉单元，仅改变烟气管道的连接关系，新增少量调节阀和风机等小型设备，实现热风炉烟气余热的回收利用，并在回收利用的同时，有效脱除烟气中的二氧化硫和氮氧化物，减少烟气排放量，系统改造简单、投资省、经济效益和社会效益显著。
附图说明
图1为本发明系统流程示意图。
其中：1、高炉鼓风机；2.1、空气换热器-热烟气调节阀；2.2、煤气换热器-热烟气调节阀；2.3、微粉磨热烟气调节阀；2.4、微粉磨冷烟气调节阀；2.5、煤磨冷烟气调节阀；2.6、煤磨热烟气调节阀；2.7、掺烧冷烟气调节阀；2.8、煤磨掺烧烟气调节阀；2.9、煤磨喷吹载气调节阀；2.10、煤磨-微粉磨烟气调节阀；2.11、煤磨烟气应急外排调节阀；2.12、煤磨循环烟气调节阀；2.13、微粉磨热风调节阀；2.14、微粉磨循环烟气调节阀；2.15、煤气调节阀；2.16、助燃空气调节阀；2.17、微粉磨烟气外排调节阀；2.18、煤磨烟气外排调节阀；3.1、空气换热器；3.2、煤气换热器；4、微粉磨烟气混合室；4.1、防爆高能点火再燃室；5.1、微粉磨；5.2、煤磨；6.1、微粉布袋除尘器；6.2、煤粉布袋除尘器；7.1、微粉磨外排烟气风机；7.2、煤磨外排烟气风机(应急风机)；8.1、喷煤载气风机；8.2、掺烧烟气风机；8.3、煤磨-微粉磨烟气风机；9.1、煤磨空气鼓风机；9.2、煤磨煤气鼓风机；9.3、微粉磨空气鼓风机；9.4、微粉磨煤气鼓风机；10、煤磨烟气炉；10.1、煤磨烟气炉点火器；10.2、煤磨烟气混合室；11、高炉；11.1、高炉风口；12、煤粉仓；13、煤粉喷吹载气罐；14、高炉热风管；15、微粉磨烟气炉；15.1、防爆高能点火燃烧室；15.2、微粉磨烟气初混室；16、热风炉；16.1、热风炉燃烧室；16.2、热风炉蓄热室；16.3、空气烟气切换室；17、热风炉烟气管道；17.1、空气换热器-热烟气管；17.2、煤气换热器-热烟气管；17.3、微粉磨热烟气管；17.4、换热器后烟气管；17.6、煤磨热烟气管；17.7、掺烧烟气管；17.8、煤磨掺烧烟气管；17.9、喷吹载气管；17.10、回炉烟气管；17.11、应急外排管；17.12、煤磨循环烟气管；17.13、微粉磨热风管；17.14、微粉磨循环烟气管；18、助燃气进气管。
具体实施方式
参见图1，本发明系统高炉热风炉烟气串级利用同步脱硫脱硝系统，包括依次连接的高炉喷吹煤制粉单元、煤粉喷吹单元和高炉炼铁单元，所述高炉炼铁单元还经高炉热风管连接高炉鼓风热风制备单元，还包括有冶金渣微粉单元，所述高炉鼓风热风制备单元经炉后烟气管道连接冶金渣微粉单元，或者经高炉喷吹煤制粉单元连接和冶金渣微粉单元。
具体的，所述高炉鼓风热风制备单元包括高炉鼓风机1、空气换热器3.1、煤气换热器3.2和热风炉16；所述热风炉16的进风口连接高炉鼓风机1用于热风炉16内鼓入待加热的空气或富氧空气；空气换热器3.1的空气出口连接热风炉16的热风炉燃烧室16.1，煤气换热器3.2的煤气出口连接热风炉16的热风炉燃烧室16.1。用于向热风炉16的通入燃烧用的空气和煤气。
所述高炉喷吹煤制粉单元包括依次连接的煤磨烟气炉10、煤磨5.2和煤粉布袋除尘器6.2，来自煤磨烟气炉10的烟气送入煤磨5.2中用于干燥并助磨煤粉，然后送入煤粉布袋除尘器6.2进行气固分离；
所述冶金渣微粉单元包括依次连接的微粉磨烟气炉15、微粉磨烟气混合室4、微粉磨5.1和微粉布袋除尘器6.1；来微粉磨烟气炉15的烟气送入微粉磨5.1中用于干燥并助磨冶金渣，然后送入微粉布袋除尘器6.1进行气固分离；
所述热风炉16的炉后烟气出口经烟气管道分别连接冶金渣微粉单元的烟气混合室4、煤磨烟气炉10、空气换热器3.1和煤气换热器3.2。所述高炉炼铁单元包括高炉11；所述空气换热器3.1和煤气换热器3.2的烟气出口连接同一根烟气管道后再分别连接冶金渣微粉单元的微粉磨烟气混合室4、高炉喷吹煤制粉单元的煤磨烟气炉10和高炉炼铁单元的高炉11。
所述煤粉喷吹单元包括煤粉仓2、喷煤载气风机8.1和煤粉喷吹载气罐13，其中，煤粉仓12的出口与煤粉喷吹载气罐13的出口一起经载气管道连接热风炉11；
所述高炉喷吹煤制粉单元的煤粉布袋除尘器6.2的煤粉出口连接煤粉喷吹单元的煤粉仓12，所述煤粉布袋除尘器6.2烟气出口经烟气管道分别与高炉炼铁单元的高炉11、煤粉喷吹单元的煤粉喷吹载气罐13、冶金渣微粉单元和微粉磨烟气炉15以及外排管道连接.
所述高炉喷吹煤制粉单元的煤粉布袋除尘器6.2与微粉磨烟气炉15连接的烟气管道上还设有煤气进口；所述高炉鼓风热风制备单元的热风炉16的热风出口还经高炉热风管与微粉磨烟气炉15的助燃气进口连接。
所述微粉布袋除尘器6.1的气相出口分别与微粉磨烟气炉15和外排烟囱连接。
本发明实施例中，连接各设备的管道及管道上设置的调节阀参见附图及附图说明部分。
下面结合附图以某钢铁厂2000m3高炉为例，采用3座空气、煤气双预热顶燃式热风炉，对本发明作进一步解释说明：
1、高炉喷吹煤制粉单元烟气配给计算
目前国内大多数炼铁厂高炉喷煤量约180kg/t-铁，喷吹煤粉制备生产线操作工艺参数如下：
入煤粉磨干燥烟气温度：250-300℃；
正常制粉时煤磨机出口温度：80～85℃；
入煤粉磨烟气量：2000-3000Nm3/t-煤粉(按2500Nm3/t-煤粉)；
则制煤粉生产线的吨铁喷煤量所需干燥烟气量为：450Nm3/t-铁。
关于喷吹载气量：固气比为45.6-51.0kg/kg【敖爱国,刘煜.高炉喷煤浓相输送技术的研究与应用.宝钢技术,2019年第5期:47-51】，多数炼铁厂高炉喷煤的固气比为20-30kg/kg【张磊,续飞飞,任江涛.1080m3高炉喷煤设计及经济效益分析.冶金设备,2014年特刊(1)，喷吹煤粉氮气消耗35.5立方米/t(折算成固气比为22.53kg/kg)，煤磨机内固气比为0.27kg/kg】，固气比取值为20-50。喷吹载气一般采用氮气，则载气量为16-40m3/t-煤【吴江松.高炉喷煤制粉系统平衡的研究与分析.现代冶金，2012年12月；李平,陈龙.莱钢银山型钢3200m3高炉喷煤设计.机械化工,科技风2018年5月】。
烟气的密度约1.34kg/Nm3比氮气的密度略大【标准状态下烟气密度-https://www.doci n.com/p-1569153706.html】,烟气可以取代氮气作喷吹煤粉载气，烟气消耗量略低于氮气。
考虑到烟气中含有微量煤粉微粒，同时还含有少量可燃组分(煤粉制备过程中，在250-300℃干燥烟气的热作用下，煤料中会有少量挥发性组分挥发进入烟气中)，所以煤粉没有必要采取密相输送，可提高气力输送的气-固比，减少存在喷煤量的波动给高炉的稳定运行带来了严重影响的概率【姚晓伟.高炉喷煤罐压自动设定及煤粉流量调节研究.《自动化仪表》第36卷第7期2015年7月:33-35】，保持足够的气流速度，可防止煤粉在管道中沉积，解决高炉喷煤喷吹系统经常出现堵枪现象【樊江波,王宇鹏.高炉煤粉喷吹罐检测及控制系统.中国仪器仪表,2014年增刊】。喷吹煤粉的气力输送、喷吹的固-气比设定为20kg/m3左右，按吨铁计则引入煤粉喷吹单元的烟气量约9-10m3/t-铁，占高炉喷吹煤制粉单元排出总烟气量的2-3％。
由于实际生产中，采取向热风喷入蒸汽以降低高炉风口11.1区域的理论燃烧温度的操作概率很少，喷入量要视高炉实际运行状况调整，同时需向热风引入烟气时是高炉运行出现异常的时候，此时向高炉喷吹的煤粉量也需作相应调节，所以引入热风管的高炉喷吹煤制粉单元烟气量忽略不计。
矿渣微粉生产线操作工艺参数【顾金土,王烨江.年产15万吨矿渣微粉生产线的工艺设计和实践.水泥技术,2013年2月；王国庆.立磨矿渣粉磨工艺及装备先进技术.中国水泥,2017.3；孙永宁.矿渣微粉系统烟气炉供热能力的设计计算.现代冶金,2015年8月】：
入矿渣微粉磨热烟气温度：350℃；
出磨废气温度：90-100℃；
入磨物料温度：20℃；
出磨物料温度：90℃
入磨烟气量：3000-4000Nm3/t-微粉(按3500Nm3/t-煤粉)；
生产的矿渣微粉产品比表面积为430-450m2/kg；
按吨铁产生矿渣量350kg计，则矿渣微粉生产线的吨铁产生矿渣制微粉所需的干燥烟气量为：1225Nm3/t-铁。
冶金渣微粉单元的烟气量远大于高炉喷吹煤制粉单元排出的烟气量，所以将高炉喷吹煤制粉单元剩余的烟气量全部引入到冶金淉微粉单元。
2、热风炉烟气热焓及烟气流量平衡计算
某钢铁厂2000m3高炉近几年统计数据：吨铁消耗焦炭：303kg；吨铁喷煤量：181kg；热风带入的热焓：1.8GJ/t-铁；高炉冶炼的综合能耗约14.5GJ/t-铁。
高炉利用系数2.8-3.0，铁水产量：230-250t/h(按250t/h计)；
吨铁产生水渣300-400公斤(按350kg/t-铁计)；
吨铁喷煤量170-180公斤(按180kg/t-铁计)；
热风温度：1150-1200℃
热风量(富氧率2-3％)：1100-1200Nm3/t-铁(按1150Nm3/t-铁计，热风带入的热焓：1.875-1.85GJ/t-铁)；
高炉煤气产生量：1800-2200Nm3/t-铁；
高炉煤气热值：3300-3500kJ/Nm3(按3400kJ/Nm3计)。
空气、煤气经烟气预热器换热后进入热风炉燃烧室。
热风炉生产工艺指标：
出热风炉烟气温度：300-350℃；
热风炉高炉煤气消耗量900-1100Nm3/t-铁(710+230+80＝1020。包括了喷吹煤制粉、矿渣微粉等生产单元消耗的高炉煤气量)；
空燃比：0.7-0.8；
预热器助燃空气进口温度20-25℃
预热器助燃空气出口温度140-170℃
预热器助燃空气进口温度10-15℃
预热器助燃煤气出口温度140-170℃
预热器烟气进口温度250-350℃
预热器烟气出口温度120-140℃
【https://max.book118.com/html/2016/0612/45377018.shtm-高炉热风炉安全技术操作规程】
热风炉烟气能量、流量平衡计算：
高炉热风带入高炉的热焓为1.8GJ/t-铁，热风炉的热效率为75％，则生产热风需要的高炉煤气量为：
1.8×106÷3400÷0.75＝705.9Nm3/t-铁(按710Nm3/t-铁计)。
按空燃比0.7计，则空气量约：500Nm3/t-铁，热风炉出来的总烟气量为1200-1300Nm3/t-铁。
由于出热风炉烟气温度控制在350-400℃，所以0-400℃之间的烟气热焓未能被鼓入高炉内的热风吸收，需要向热风炉提供更多的煤气燃烧后提供该部分热焓，该热焓约526kJ/Nm3-热风(400℃×0.3148kca l/℃×4.18，热风的初始温度设定为零度)，则每生产一吨铁鼓风量需要热焓为：0.763GJ/t-铁(526kJ/Nm3×1450Nm3/t-铁，按0.77GJ/t-铁)。
则需补充煤气量约226.5Nm3/t-铁(按230Nm3/t-铁计)，按空燃比为0.7计，补充的助燃空气量约160Nm3/t-铁，则热风炉排出的总烟气量由原来的1200-1300Nm3/t-铁增加到1590-1690Nm3/t-铁(与参考资料：《450立方米热风炉设计计算》中设计的烟气量约1400-1500Nm3/t-铁，数据相差在10％左右，这与选取的煤气热值、煤气用量、热风炉热效率等数值的误差选取等有关，属于正常误差范围【https://wenku.so.com/d/9b36e50fa40d8aec19c486dc8a9436d7】)。
由于出预热器后的烟气温度降到120-140℃，不能满足高炉喷吹煤制粉单元的干燥烟气240-280℃的温度要求【李维国，朱铭明.2号高炉喷煤初步实践.宝钢技术,1994年第6期(磨煤机入口烟气温度控制在260℃)；张磊,续飞飞,任江涛.1080m3高炉喷煤设计及经济效益分析.冶金设备,2014年特刊(1)(入磨煤机干燥烟气温度控制在240-280℃之间)】，所以需向热风炉燃烧室16.1增加高炉煤气，以补充出预热器烟气温度提高到240-280℃之间所需的能量约：1650×120℃×0.3148kca l/×4.18＝0.26GJ/t-铁，则增加进入燃烧室的高炉煤气量76.5Nm3/t-铁(按80Nm3/t-铁计)，增加助燃空气量56Nm3/t-铁。
则高炉热风炉在发挥为高炉提供热风、为煤制粉生产线提供干燥烟气、为矿渣微粉生产线提供干燥等功能后，外排的温度在350-400℃烟气总量由1590-1690Nm3/t-铁增加到1726-1826Nm3/t-铁，增加了8-10％。由此可知，只需提高热风炉燃烧期内的燃烧强度5-10％，增加热风炉烟气量，提高出热风烟气温度20-50℃，热风炉燃烧室外排的烟气量足以满足矿渣微粉和喷吹煤粉生产线所需干燥烟气总量需求。
3、具体实施过程
(1)每座热风炉16的一个工作周期2.25小时，送风0.75小时，燃烧期1.5小时，4座热风炉16同时工作，工作周期内送风时间与燃烧时间有序错开，通过调节阀调进入各热风炉16的煤气量、空气量及以保证连续送出热风，热风温度稳定。
(2)通过鼓风机1按1100-1200Nm3/t-铁的风量向热风炉16鼓入空气(或富氧空气)，经热风炉蓄热室16.2换热到1150-1200℃后通过热风管14从高炉风口11.1鼓入高炉11内。
(3)按950-1050Nm3/t-铁的高炉煤气量向煤气换热器3.2引入高炉煤气，预热到140-180℃直接进入热风炉燃烧室16.1；按650-750Nm3/t-铁的空气量向空气换热器3.1引入助燃空气，加热到140-180℃直接进入热风炉燃烧室16.1与进入的高炉煤气混合燃烧，产生1300℃以上烟气，经热风炉蓄热室16.2中的蓄热体换热降温到400-450℃后，经热风炉空气烟气切换室16.3从热风炉烟气管道17引出。
(4)将高炉热风炉16排出的烟气分成4个部分：第1部分引入冶金渣微粉单元，经防爆高能点火再燃室4.1与进入防爆高能点火再燃室4.1的其他气体混合充分燃烧后，经微粉磨烟气混合室4进一步混合，再进入微粉磨，干燥并助磨冶金渣；第2部分引入高炉喷吹煤制粉单元的煤磨烟气混合室10.2内与进入煤磨烟气混合室10.2的其他烟气混合进入煤粉磨，干燥并助磨喷吹煤料；第3部分进入空气换热器3.1，预热助燃空气；第4部分进入煤气换热器3.2，预热高炉煤气。
(5)经空气换热器3.1和煤气换热器3.2换热后第3部分和第4部分炉后烟气混合后分为3股：一股引入冶金渣微粉单元，参与干燥并助磨冶金渣；一股引入高炉喷吹煤制粉单元，参与干燥并助磨高炉喷吹煤料；一股引入高炉热风管14内，作为降低高炉风口区域理论燃烧温度的掺烧烟气。
(6)由空气换热器3.1和煤气换热器3.2引出的进入高炉喷吹煤制粉单元经由煤磨烟气混合室10.2进入煤粉磨5.2的烟气，当其温度低于250℃，或低于煤粉磨5.2实际生产控制的烟气温度时，打开煤磨热烟气调节阀2.6，引入400-450℃的热风炉烟气进入煤磨烟气混合室10.2，通过煤磨热烟气调节阀2.6和煤磨冷烟气调节阀2.5调节进入的烟气量，使混合后的烟气温度达到250-300℃，满足进入煤粉磨5.2的烟气热焓要求。
(7)当通过煤磨热烟气调节阀2.6引入的400-450℃热风炉烟气量不足以提高进入煤粉磨5.2内烟气的热焓时，启动煤磨空气鼓风机9.1、煤磨煤气鼓风机9.2和煤磨烟气炉点火器10.1，产生高温烟气与进入煤磨烟气混合室10.2内烟气混合达到煤粉磨5.2要求的热焓烟气，进入煤粉磨5.2内干燥并助磨高炉喷吹煤料。
(8)由空气换热器3.1和煤气换热器3.2引出的烟气与直接从热风炉引出的烟气经由微粉磨烟气混合室4充分混合后形成350-400℃的混合烟气，干燥并助磨冶金渣，当混合烟气温度低于350℃，或低于微粉磨实际生产控制的烟气温度，或不足以提供微粉磨5.1所需的烟气热焓时，从微粉磨烟气初混室15.2引入微粉磨烟气炉15产生的高温烟气，一并进入微粉磨烟气混合室4，形成较高温度的烟气，以满足微粉磨5.1所需的烟气热焓需要。
(9)出煤粉磨5.2的烟气-喷吹煤粉混合料进入煤粉布袋除尘器6.2，烟气与喷吹煤粉过滤分离，分离出的喷吹煤粉进入煤粉仓12；分离出的烟气分成3部分，第一部分为喷煤载气，通过煤磨喷吹烟气调节阀2.9按20-40m3/t-煤粉的烟气量调节，并在喷煤载气风机8.1压缩作用下进入煤粉喷吹载气罐13内，作为煤粉喷吹的载气，将煤粉通过高炉风口11.1喷入高炉11内；第二部分为煤磨掺烧烟气，在掺烧烟气风机8.2的抽吸作用下引入高炉热风管14内，通过煤磨掺烧烟气调节阀2.8根据高炉11内高炉风口11.1区域温度调节进入高炉热风管14的掺烧烟气量；第三部分为回炉烟气，通过煤磨-微粉磨烟气调节阀2.10，并在煤磨-微粉磨烟气风机8.3的抽吸作用下，引入微粉磨烟气炉15内串级利用，回收烟气中的微细煤粉和VOC。
(10)由高炉喷吹煤制粉单元引出的进入冶金渣微粉单元的回炉烟气进入微粉磨烟气炉15前，通过微粉磨煤气鼓风机9.4向回炉烟气中补充煤气，混合了煤气的回炉烟气先进入微粉磨烟气炉15的防爆高能点火燃烧室15.1内，与微粉磨空气鼓风机9.3鼓入的空气，或微粉磨热风调节阀2.13引入的热风混合燃烧，产生高温烟气进入微粉磨烟气初混室15.2混合均热后，再进入防爆高能点火再燃室4.1与直接来自热风炉16的热风炉烟气及直接来自换热器(空气换热器3.1和煤气换热器3.2)后的烟气充分混合燃烧，燃尽烟气中的可燃组分，并经微粉磨烟气混合室4进一步混合后，进入微粉磨内。
(11)在微粉磨5.1内，进入的烟气与磨内冶金渣混合，干燥、助磨冶金渣，形成烟气-矿渣/钢渣微粉混合料，温度降到90-100℃，在微粉磨外排烟气风机7.1的抽吸作用下，进入微粉布袋除尘器6.1，分离出矿渣/钢渣微粉进入微粉仓，烟气在冶金渣微粉中碱土金属氧化物的化学吸收和冶金渣微粉的吸附作用下脱硫脱硝后气外排。
(12)当进入微粉磨5.1内的烟气量不足以满足煤粉磨5.1所需的烟气量要求时，通过微粉磨循环烟气调节阀2.14和微粉磨烟气外排调节阀2.17的调节，将外排烟气中的一部分循环进入微粉磨烟气初混室15.2内，并经微粉磨烟气混合室4进一步混合后，进入微粉磨内，其余烟气直接外排。
(13)为了提高进入高炉喷吹煤制粉单元烟气在干燥、助磨煤料过程中的安全性，降低进入热风炉燃烧室16.1的空气与煤气的空燃比，控制所述炉后烟气的氧气含量小于4％(V/V)。
(14)由高炉喷吹煤制粉单元引出进入冶金渣微粉单元的烟气量占总烟气量的95％以上，也是高炉喷吹煤制粉单元的烟气量及烟气热焓平衡的一股烟气，该股烟气引出量根据高炉喷吹煤制粉单元和冶金渣微粉单元内的烟气及烟气热焓情况进行调节，在煤磨掺烧烟气、喷吹载气正常引出的前提下，调节过程如下：
①当高炉喷吹煤制粉单元内的烟气热焓充足有富余，烟气量不足时，关闭煤磨烟气外排调节阀2.18，开启煤磨循环烟气调节阀2.12，引入部分烟气进入煤磨烟气混合室10.2循环利用；与此同时，通过煤磨空气鼓风机9.1煤磨煤气鼓风机9.2增加进入煤磨烟气炉10的助燃空气和煤气量；
②当高炉喷吹煤制粉单元内的烟气热焓和烟气量均富余时，开启煤磨烟气应急外排调节阀2.11，关小煤磨循环烟气调节阀2.12，引入部分烟气进入煤磨烟气混合室10.2循环利用，同时通过煤磨-微粉磨烟气风机8.3增加回炉烟气的引出量；
③当高炉喷吹煤制粉单元内的烟气热焓不够，烟气量富余时，关闭煤磨烟气应急外排调节阀2.11，调大煤磨热烟气调节阀2.6的开度，并关小煤磨冷烟气调节阀2.5开度，同时通过煤磨-微粉磨烟气风机8.3增加回炉烟气的引出量；
④当高炉喷吹煤制粉单元内的烟气热焓和烟气量均不足时，开启煤磨烟气应急外排调节阀2.11和煤磨循环烟气调节阀2.12，关闭烟气外排应急调节阀2.18，调大煤磨热烟气调节阀2.6的开度，并关小煤磨冷烟气调节阀2.5开度，增加热风炉后400-450℃烟气引入量，减少换热器后250-300℃烟气引入量；
⑤当高炉喷吹煤制粉单元内的烟气热焓和烟气量均富余，其他调节手段无效时，启动煤磨外排烟气风机(应急风机)7.2，开启煤磨烟气应急外排调节阀2.11和煤磨烟气外排调节阀2.18，外排烟气直至系统烟气量平衡。
(15)由换热器后引入高炉喷吹煤制粉单元的烟气是维持换热器后烟气管道内烟气量的平衡烟气，引出量随管道内烟气量的波动而改变，从而导致进入煤磨5.2内的烟气量的波动。为了控制进入煤磨5.2内的烟气量、烟气热焓的稳定，通过煤磨空气鼓风机9.1煤磨煤气鼓风机9.2调节进入煤磨烟气炉10的助燃空气和煤气量，调节措施见上面第(14)条。
(16)直接由热风炉16引出进入冶金渣微粉单元的热风炉烟气及直接由换热器(空气换热器3.1和煤气换热器3.2)后引出进入冶金渣微粉单元的2股烟气是维持热风炉烟气管道17和换热器后烟气管道内烟气量的平衡烟气，引出量随管道内烟气量的波动而改变，从而导致进入微粉磨5.1内的烟气量的波动。为了控制进入微粉磨5.1内的烟气量、烟气热焓的稳定，通过微粉磨空气鼓风机9.3和微粉磨热风调节阀2.13，调节进入防爆高能点火燃烧室15.1的富氧空气或氧气量，以及高炉热风量，以控制微粉磨烟气炉15产生的烟气量，确保进入微粉磨5.1的干燥、助磨烟气量平衡。控制过程如下：
①当冶金渣微粉单元内的烟气热焓充足有富余，烟气量不足时，增加微粉磨空气鼓风机9.3鼓入爆高能点火燃烧室15.1的富氧空气或氧气量，减少由微粉磨热风调节阀2.13调节进入防爆高能点火燃烧室15.1的高炉热风量；
②当冶金渣微粉单元内的烟气热焓充足有富余，烟气量充足时，维持微粉磨空气鼓风机9.3鼓入爆高能点火燃烧室15.1的富氧空气或氧气量，减少由微粉磨热风调节阀2.13调节进入防爆高能点火燃烧室15.1的高炉热风量；
③当冶金渣微粉单元内的烟气热焓不足，烟气量富余时，减少微粉磨空气鼓风机9.3鼓入爆高能点火燃烧室15.1的富氧空气或氧气量，增加由微粉磨热风调节阀2.13调节进入防爆高能点火燃烧室15.1的高炉热风量；
④当冶金渣微粉单元内的烟气热焓和烟气量均不足，通过微粉磨煤气鼓风机9.4向引入的烟气补充煤气，减少微粉磨空气鼓风机9.3鼓入爆高能点火燃烧室15.1的富氧空气或氧气量，增加由微粉磨热风调节阀2.13调节进入防爆高能点火燃烧室15.1的高炉热风量，同时开启微粉磨后循环烟气调节阀2.14，引入循环烟气。
(17)进入微粉磨烟气混合室4上游防爆高能点火再燃室4.1内的各股烟气管道上均设置CO浓度在线监测，采用烟气中CO浓度分析作为系统的反馈环节，根据CO浓度值调节微粉磨空气鼓风机9.3鼓入防爆高能点火燃烧室15.1的空气量，或微粉磨热风调节阀2.13引入的热风量。
4、系统气流及热焓平衡调节措施
通过上面的具体实施，热风炉16产生的所有烟气，高炉喷吹煤制粉单元的防爆高能点火燃烧室15.1产生的烟气，以及高炉喷吹煤制粉单元应急状态下煤磨烟气炉点火器10.1产生的烟气全部经过冶金渣微粉单元一个排口通过烟囱外排。各单元之间存在烟气量及烟气热焓平衡问题，平衡方案如下：
(1)微粉磨烟气量过剩，烟气热焓过剩
①提高微粉产量，增加烟气量和热量的消耗；
②煤磨5.2后烟气管道上设置煤磨烟气应急外排调节阀2.11和煤磨外排烟气风机(应急风机)7.2，当微粉磨5.1烟气过剩时，开启烟气外排应急调节阀2.18和煤磨外排烟气风机(应急风机)7.2，外排部分烟气，减少进入冶金渣微粉单元的回炉烟气量；
③关闭进微粉磨热风调节阀2.13，停止向微粉磨烟气炉15提供热风助燃，通过微粉磨空气鼓风机9.3鼓入空气助燃；
④调整助燃空气调节阀2.16，降低空燃比，减少热风炉烟气产生量。
(2)微粉磨烟气量不足，烟气热焓过剩
①关闭煤磨烟气应急外排调节阀2.11和煤磨外排烟气风机(应急风机)7.2，增加进入冶金渣微粉单元的回炉烟气量；
②调整微粉磨烟气外排调节阀2.17和微粉磨后循环烟气调节阀2.14的开度，增加循环烟气量；
③当循环烟气量增加到烟气热焓的平衡点时，烟气量还处于不足状态时，关闭进微粉磨热风调节阀2.13，停止向微粉磨烟气炉15提供热风助燃，通过微粉磨空气鼓风机9.3鼓入空气助燃。
(3)微粉磨烟气量过剩，烟气热焓不足
提高微粉磨煤气鼓风机9.4引入的高炉煤气量，调整进微粉磨热风调节阀2.13开度，增加进入微粉磨烟气炉15的热风量，降低由微粉磨空气鼓风机9.3鼓入的空气量，提高出微粉磨烟气炉15的烟气温度；调整微粉磨烟气外排调节阀2.17和微粉磨后循环烟气调节阀2.14的开度，增加循环烟气量。
(4)微粉磨烟气量不足，烟气热焓不足
①调整进微粉磨热风调节阀2.13开度，增加进入微粉磨烟气炉15的热风量，降低由微粉磨空气鼓风机9.3鼓入的空气量，提高出微粉磨烟气炉15的烟气温度；
②调整助燃空气气调节阀2.16和煤气调节阀2.15开度，增加热风炉16的热负荷，从而提高热风炉烟气量和炉后烟气温度；
③关闭煤磨烟气应急外排调节阀2.11和煤磨外排烟气风机(应急风机)7.2，增加进入冶金渣微粉单元的回炉烟气量；
④调整微粉磨后烟气外排调节阀2.17和微粉磨后循环烟气调节阀2.14的开度，增加循环烟气量。
Claims (6)
1.一种高炉热风炉烟气串级利用同步脱硫脱硝系统，包括依次连接的高炉喷吹煤制粉单元、煤粉喷吹单元和高炉炼铁单元，所述高炉炼铁单元还经高炉热风管连接高炉鼓风热风制备单元，其特征在于，还包括有冶金渣微粉单元，所述高炉鼓风热风制备单元经炉后烟气管道连接冶金渣微粉单元，或者经高炉喷吹煤制粉单元连接和冶金渣微粉单元。
2.如权利要求1所述的一种高炉热风炉烟气串级利用同步脱硫脱硝系统，其特征在于，所述高炉鼓风热风制备单元包括分别与高炉鼓风机(1)、空气换热器(3.1)和煤气换热器(3.2)连接的热风炉(16)；
所述高炉喷吹煤制粉单元包括依次连接的煤磨烟气炉(10)、煤磨(5.2)和煤粉布袋除尘器(6.2)；
所述冶金渣微粉单元包括依次连接的微粉磨烟气炉(15)、微粉磨烟气混合室(4)、微粉磨(5.1)和微粉布袋除尘器(6.1)；
所述热风炉(16)经烟气管道分别连接冶金渣微粉单元的烟气混合室(4)、煤磨烟气炉(10)、空气换热器(3.1)和煤气换热器(3.2)。
3.如权利要求2所述的一种高炉热风炉烟气串级利用同步脱硫脱硝系统，其特征在于，所述高炉炼铁单元包括高炉(11)；所述空气换热器(3.1)和煤气换热器(3.2)的出口连接同一根烟气管道后再分别连接冶金渣微粉单元的微粉磨烟气混合室(4)、高炉喷吹煤制粉单元的煤磨烟气炉(10)和高炉炼铁单元的高炉(11)。
4.如权利要求1-3任一项所述的一种高炉热风炉烟气串级利用同步脱硫脱硝系统，其特征在于，所述煤粉喷吹单元包括煤粉仓(12)、喷煤载气风机(8.1)和煤粉喷吹载气罐(13)，其中，煤粉仓(12)的出口与煤粉喷吹载气罐(13)的出口一起经载气管道连接热风炉(11)；所述高炉喷吹煤制粉单元的煤粉布袋除尘器(6.2)的煤粉出口连接煤粉喷吹单元的煤粉仓(12)，所述煤粉布袋除尘器(6.2)烟气出口经烟气管道分别与高炉炼铁单元的高炉(11)、煤粉喷吹单元的煤粉喷吹载气罐(13)、冶金渣微粉单元和微粉磨烟气炉(15)以及外排管道连接。
5.如权利要求4所述的一种高炉热风炉烟气串级利用同步脱硫脱硝系统，其特征在于，所述高炉喷吹煤制粉单元的煤粉布袋除尘器(6.2)与微粉磨烟气炉(15)连接的烟气管道上还设有煤气进口；所述高炉鼓风热风制备单元的热风炉(16)的热风出口还经高炉热风管与微粉磨烟气炉(15)的助燃气进口连接。
6.如权利要求2-5任一项所述的一种高炉热风炉烟气串级利用同步脱硫脱硝系统，其特征在于，所述微粉布袋除尘器(6.1)的气相出口分别与微粉磨烟气炉(15)和外排烟囱连接。
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