顶燃式悬链线热风炉高风温低氮燃烧技术

魏前龙¹ 葛利军¹ 刘世聚² 符政学² 程树森³ 王龙飞² 刘力铭²

(1建龙集团山西建龙钢铁公司 2河南省豫兴热风炉工程技术有限公司 3北京科技大学)

摘 要 如何提高热风炉送风风温曾是热风炉技术研究的主要方向，但随着国家环保政策的收紧，如何同时保证高输出风温和低污染物排放成了热风炉技术研究的新方向。通过对山西建龙1号高炉配套的顶燃式悬链线热风炉运行情况进行跟踪监测和数据分析，证明顶燃式悬链线热风炉能够通过合理配置燃烧器和蓄热体格子砖，优化热风炉烟气流场分布，提高蓄热体换热效率，降低热风炉拱顶温度和输出风温温差等技术途径，实现高输出风温和低氮氧化物排放的双重目的。

关键词 顶燃式悬链线热风炉 高风温 低氮燃烧

　　热风炉送风温度的提高对钢铁企业降低生产成本、增加产量、获取更好的经济效益有着重要意义，高炉炼铁实践证明，热风炉送风风温每提高100℃，可降低焦比15-20kg/t,相应提高产量3%左右[1]。因此，如何提高热风炉的送风温度曾是国内热风炉技术研究的主要方向甚至是唯一方向。但随着我国环保政策的逐步收紧，特别是2017年国家出台环京津冀大气污染综合治理攻坚行动方案后，热风炉的大气污染物排放指标越来越受到公众关注，如何在保证高风温的前提下降低热风炉的污染物排放成了热风炉技术研究的新方向。

一、我国高温热风炉技术发展现状。

　　高温热风炉作为钢铁企业重要配套设施自20世纪70年代引入我国以来，经过几十年发展，技术已取得了长足进步。从炉型结构上看，从内燃式、外然式、耐火球式到如今被广泛使用的顶燃式，热风炉输出风温一路走高、燃料利用率不断提高，现在各大钢铁企业配套的顶燃式热风炉输出风温基本都能稳定在1200℃以上，CO排放量也基本可以忽略不计。从辅助技术手段上看，对煤气和空气进行双预热、通过自动化控制精准操作热风炉、合理使用耐材以减小热风炉散热损耗等提高热风炉输出风温的技术已经得到了广泛应用。

　　尽管如此，我国现行高温热风炉技术还是遇到了不少挑战。一方面，本世纪初各大钢厂建设投产的三段式顶燃式(锥形顶)热风炉经过近10年运转，暴露出了易由热应力集中导致结构不稳定的重大缺陷，严重影响了热风炉的高温性能，中铁装备、河钢乐亭、唐山津西、纵横丰南等多家钢铁企业都遇到了此类问题，生动阐释了热风炉结构稳定性对热风炉高温性能的重要影响。另一方面，随着国家对大气污染物排放量的限制越来越严格，热风炉的污染物排放也成为了不得不考虑的硬性指标，虽然现行的顶燃式热风炉CO排放量已经极低，但NOX的排放量较高的问题仍然没有得到解决。因此，需要研制一款结构稳定、能同时满足高风温和低氮排放的热风炉产品来满足市场要求。

二、优化热风炉烟气流场分布是实现热风炉高风温与低氮排放的关键。

　　热风炉使用的高炉煤气在燃烧时产生的氮氧化物主要是温度热力型NO[2]，而燃烧温度是影响温度热力型NO产生的关键，在燃烧温度T<1500℃时，几乎不产生温度热力型NO，在T>1500℃时NO开始产生[3]。具体到热风炉生产实践上，因热风炉拱顶温度与高炉煤气理论燃烧温度密切相关(根据生产经验，热风炉炉温系数ζ在0.90-0.98之间，也即热风炉拱顶温度是高炉煤气理论燃烧温度的0.90-0.98倍)，因此NO生成量与燃烧温度之间的关系也就可以进一步表述为NO生成量与热风炉拱顶温度之间的关系，其关系大致如表2-1所示。

表2-1 热风炉拱顶温度与NO生成量关系表

　　如表2-1所示，要获得较好的氮氧化物排放指标，热风炉拱顶温度应尽量维持在1350℃以下。而现阶段钢厂广泛使用的三段式顶燃式热风炉结构输出风温与拱顶温度之间的温差在80-100℃之间，如果要获得良好的氮氧化物排放指标，那么热风炉最高理论送风温度只能达到1280℃;如果想要获得1300℃以上的理论送风温度，其氮氧化物排放量将高达240mg/m³以上。因此，想要同时获得较高的理论送风温度与较低的氮氧化物排放指标，就必须要缩小热风炉送风风温与拱顶温度之间的差值，而缩小此差值的主要技术途径就是优化热风炉内部烟气流场分布以提高蓄热体的换热效率。

　　优化热风炉内部烟气流场分布降低拱顶温度与送风温度之间的差值意义还不止于此。由于热风炉用高炉煤气热值在3300kJ/m³以下,正常情况下理论燃烧温度在1320℃以下，如不采用其他措施，使用单一高炉煤气的热风炉理论送风温度仅能达到1100℃左右。因此，在生产实践中，需要对高炉煤气和助燃空气进行双预热以增加高炉煤气的理论燃烧温度[4];假设热风炉设定的输出风温为1200℃，炉温系数为0.9，如果拱顶温度与送风温度差值为100℃时，需要高炉煤气理论燃烧温度达到1444℃;而如果拱顶温度与送风温度差值为50℃，高炉煤气理论燃烧温度仅需达到1388℃即可，这样就可以降低对高炉煤气和助燃空气的预热温度，从而减少设备和能源成本的支出;或者说在热风炉配套设施相同的情况下，拱顶温度与送风温度差值小的热风炉可以获得更高的输出风温。

　　因此，优化热风炉内烟气流场分布对实现热风炉高风温和低氮排放具有重要意义，悬链线拱顶结构因在相同风量情况下比其他形状的热风炉拱顶结构拥有更好的烟气分布特征[5]和更好的结构稳定性特征重新进入大家视野，将悬链线拱顶结构与顶燃式结构有效结合成了热风炉技术研究的新突破点。

三、顶燃式悬链线热风炉应用案例。

　　山西建龙1号高炉(1680m3)配套使用的3座顶燃式悬链线热风炉由河南省豫兴热风炉工程技术有限公司EPC总承包，2019年12月18日建成投产，采用“两烧一送”交错并联送风制度。其基本设计参数见表3-1;运行数据见表3-2。

表3-1 热风炉基本设计参数

表3-2 热风炉运行监测数据

　　表3-2截取了建龙1号高炉配套的顶燃式悬链线热风炉5月6号到18号偶数日的各项指标参数，其在混风阀门平均开启31.28%的情况下实现了送风风温1250℃的稳定输出,初期平均风温1322℃、末期平均风温1263.5℃，平均差值58.48℃，平均送风风温1250℃;平均拱顶温度1302.9℃，平均拱顶温度与送风温差52.9℃;NOX排放量最小值18.04mg/m³，平均排放值为23.77 mg/m³，客观展示了顶燃式悬链线热风炉所具有的高风温、低氮氧化物排放等特点。

四、山西建龙配套的顶燃式悬链线热风炉高风温、低氮燃烧技术分析。

　　一是采用优化的悬链线拱顶结构。悬链线结构虽是力学上一种自稳定结构，但由于热风炉燃烧室烟气温度变化会导致炉墙结构局部改变或产生较大内应力而损坏燃烧室的结构稳定性;因此为分散燃烧室热应力，保证悬链线拱顶的稳定性，山西建龙配套的顶燃悬链线热风炉采用相互咬合且层层相扣的耐火砖砌筑，并与蓄热室大墙间釆用应力分隔的滑动式迷宫连接;采用相同技术的山西通才顶燃式悬链线热风炉在日均超过1300℃高温的工况下安全运行了6年10个月，仅发生拱顶塞头部位约0.5㎡塞头砖轻微剥落的现象;这些技术措施最大限度的保证了悬链线拱顶结构的稳定性从而确保热风炉能够实现稳定的高风温性能。另一方面，山西建龙配套的顶燃式悬链线热风炉对原有的悬链线拱顶结构进行了进一步优化，将悬链线拱顶高度与直径之间的比值设定为1.15以上[6]，并通过与安装在拱顶基脚部位的环形燃烧器共同作用进一步改善了燃烧室的烟气流场分布状态(如图4-1所示)。从图中可以看出，高温烟气在燃烧室中心位置形成涡流，而局部涡流会形成局部高温区，因此这种烟气流场分布状态使得燃烧室中心成为真正的高温区域(如图4-2所示，燃烧室中心截面3颜色最艳丽，温度最高)，从而使得燃烧室高温区结构对称、温度区间分明、热效率高、拱顶和燃烧室底部(即蓄热室上部)温差小;从图中还可以看到，燃烧室底部(即蓄热室上部)的高温烟气流速分布均匀，提高了热风炉的换热效率，进一步减小了拱顶温度与送风温度之间的差值，从而有效提高了热风炉送风风温。其次由于这种烟气流场分布状态使相当量的下降气流加入到上升气流中，淡化了高温区燃气和空气浓度(如图4-3所示，燃烧室中心截面3即图4-2的高温区域颜色较淡，燃气浓度较低)，降低了上升气流温度，拉长了火焰，使高向加热更加均匀，其作用与低氮燃烧器的废气循环技术相似，从而起到了降低氮氧化物排放的作用。

　　二是采用孔孔相通的格子砖技术。山西建龙配套的顶燃式悬链线热风炉蓄热室格子砖(其形状如图4-4所示)优化了传统热风炉蓄热室格子砖形状，解决了普通格子砖格孔错台、错位影响气流通过的弊端。以19孔格子砖为例，19孔格子砖底部设计有15毫米深的联接18格孔的联通凹槽，当气流通过格砖的19个孔径时，由于流体的阻力和压力的作用，联通的18个凹槽区域能够调节气流，使其均匀分布，对于整个蓄热室，就形成了互联互通的均压均流状态，优化了蓄热室烟气流场和冷风流场分布状态，提高了热风炉换热效率[7],降低了热风炉拱顶温度与送风温度之间的差值，在提高热风炉送风风温与降低氮氧化物排放中发挥了关键作用。北大程树森教授对该顶燃式悬链线热风炉采用的均压均流格子砖与普通热风炉格子砖的冷风流场分布状态进行了数模对比验证，其结果如图4-5、4-6、4-7所示。

　　三是采用煤气与空气交错布置对冲上喷的格栅式陶瓷环形燃烧器结构。山西建龙配套的顶燃式悬链线热风炉通过采用这种燃烧器结构，能够使煤气和空气以独特的涡旋搅扰方式进行充分混合，保证高炉煤气在空气过剩系数α=1.02-1.05的情况下实现充分燃烧。根据有关资料显示，在α>1的情况下α值越小，高炉煤气理论燃烧温度越高[4];同时，根据燃烧化学反应动力学的有关知识我们可以知道，α值越小，氧气浓度越小，对氮氧化物生成的可逆化学反应来讲平衡左移，能有效降低氮氧化物的生成量。同时因为α值小使得燃烧器喷嘴处火焰形态为短焰燃烧，配合独特的悬链线拱顶结构，使其混合燃烧的火焰运行距离长，从而使环形燃烧器具备了长短焰混合燃烧的低氮氧化物燃烧器排放特征，进一步降低了燃烧器的氮氧化合物排放(其模拟燃烧特征如图4-8所示)。

图4-8 环形燃烧器燃烧状态模拟图

五、结论

　　顶燃式悬链线热风炉除悬链线燃烧室所固有的结构稳定性和良好的烟气流场分布特征外，还可以通过采用优化后的悬链线拱顶结构、布置于拱顶基脚的煤气和空气交错对冲上喷的环形燃烧器技术和均压均流格子砖技术，进一步优化热风炉内烟气流场和冷风流场分布状态，缩小热风炉拱顶温度与送风温度之间的差值，实现提高热风炉风温与降低氮氧化物排放的双重目的，为用户企业实现经济效益和社会效益双目标打下良好的设备基础。

六、参考文献

　　[1] 贾艳，李文兴 高炉炼铁基础知识 冶金工业出版社 2005

　　[2] 郭冬芳，王小平 高炉煤气锅炉燃烧中氮氧化合物污染物的控制 江西能源 2007

　　[3] 吴忠标 大气污染控制工程 科学出版社 2002

　　[4] 任建兴，邓万里，梁松彬，李芳芹 过剩空气系数对多种燃气燃烧温度影响的分析 节能 2011

　　[5] 项钟庸,郭庆第 蓄热式热风炉 冶金工业出版社 1998

　　[6] 胡日君，程树森 考贝式热风炉拱顶空间烟气分布的数值模拟 北京科技大学学报 2006

　　[7] 于帆，张欣欣，张炳哲，焦吉成，苏秀梅 顶燃式热风炉燃烧室烧嘴角度的优化设计 第七届中国工业炉学术年会论文集 2006