热风炉超低煤气消耗的奥秘何在？

——豫兴公司董事长刘世聚一席谈

《中国冶金报》（2022年07月07日 06版六版）

夏杰生

目前钢材市场不容乐观，在最近一段时间，吨钢价格下跌数百元，甚至出现钢企亏损现象。在实现热风炉高风温高产、低氮环保的同时，降低吨铁煤气消耗量，是企业降本增效的一个关注点。最近，河南省豫兴热风炉工程技术有限公司（下文简称豫兴公司），综合多年的设计实践，进一步创新研发的超低煤气消耗顶燃式热风炉技术，在山东永锋钢铁1号、2号高炉5月份全月吨铁消耗煤气平均为322.2m3，以及秦皇岛宏兴钢铁有限公司2号、3号高炉5月份全月吨铁消耗煤气分别为402m3、338m3、两炉平均为370m3的豫兴顶燃式热风炉上的应用实践，同样具有广阔的发展前景和良好节能增效效果，广泛推广意义十分重大。

山东永锋临港有限公司临港先进优特钢产业基地（简称永锋临港钢铁）一期工程1号、2号1350m3高炉，各配套使用4座豫兴公司优化改进的超低节能悬链线顶燃式热风炉（见表1）。其设计风温为1250℃，设计拱顶温度为1350℃，单炉送风60分钟。两套热风炉都在使用单一高炉煤气，在富氧7%条件下，实现了拱顶温度1300℃、风温1250℃稳定输出，5月份全月吨铁煤气消耗322.9m3。其中，在同等煤气热值条件下，比永锋钢铁公司其它3座1080m3高炉小帽子顶燃式热风炉吨铁煤气消耗462.6m3月平均节约煤气140.4m3，煤气节约率为30.3%。

秦皇岛宏兴钢铁有限公司2号、3号1350m3高炉分别配套的3座超低节能优化改进型悬链线顶燃式热风炉（见表2），设计风温为1250℃，设计拱顶温度为1350℃，单炉送风60分钟。两套热风炉都在使用单一高炉煤气，煤气热值为3000千焦，富氧6%条件下，实现了风温1215℃~1220℃稳定输出，据统计5月份全月吨铁煤气消耗分别为402m3、338m3。在同等煤气热值条件下，吨铁煤气消耗比1号1080m3高炉引进的顶燃式热风炉吨铁平均消耗煤气500m3指标分别节省了98m3、162m3，节省率为19.6%、32.4% 。

这两家钢铁公司的热风炉在生产实践中为何能取得如此骄人业绩？这与悬链线拱顶结构、足够的混合燃烧空间、上喷旋流涡流大功率燃烧技术、炉内自身辐射预热、调节双流孔孔互通高效格子砖存在密切的因果关系。豫兴公司董事长刘世聚开诚布公地道出了其中的奥秘。

奥秘之一：优化设计

实现矛盾体的对立统一

刘世聚指出，热风炉风温提高100℃，高炉可提高产量2.5%，提高喷煤量20kg/t~30kg/t，降低焦比2.5%，这对钢铁企业降本增效极为关键，因此能否实现高风温是热风炉性能是否优异最重要的指标。随着我国“碳达峰”“碳中和”目标的提出及环保政策的日趋严格，满足二氧化碳及氮氧化物等污染物排放指标要求对新建热风炉也越来越重要。

热风炉污染物主要由二氧化碳、氮氧化物和硫化物组成。在减少硫化物排放方面，采用脱硫设备已经解决了问题。但要实现低二氧化碳排放目标，也就意味着热风炉需要通过提高高炉煤气的燃烧质量来增加燃烧热值，而非仅通过增加高炉煤气的数量来增加燃烧热值。也就是说必须要提高热风炉的燃烧性能，确保高炉煤气燃烧充分来解决。当然，热风炉燃烧消耗煤气量多少与风温基本是成正比例的。但热风炉除了煤气热值质量高之外，热风炉的燃烧器设计、效率、燃烧功率、混合燃烧是否均匀完全，以及热风炉的烟气流场分布和冷风流场分布能否提高蓄热换热性，是决定煤气消耗量的重要因素。众所周知，热风炉中氮氧化物生成与温度有较大关系，国际常规判断氮氧化物生成量的方法，是看热风炉拱顶温度的高低来确定氮氧化物的高低。

当拱顶温度低于1420℃时，氮氧化物产生量比较缓慢且少；但当拱顶温度大于1420℃时，其氮氧化物生成量就会成指数级上升；若要减少氮氧化物排放量，就要尽可能地使热风炉拱顶温度低，而且还要保证较高的风温。拱顶温度和送风温度差越小，热风炉性能就越好。

目前顶燃式热风炉的拱顶温度与送风温差均徘徊在120℃左右，甚至性能差点的在150℃左右。这样的热风炉拱顶温度必须控制在1400℃或者1380℃。而豫兴热风炉的拱顶温度和送风温差在50℃左右，实现1250℃风温，拱顶温度也只有1300℃。依据国际通用的拱顶温度与氮氧化物生成量坐标曲线，提高高炉煤气理论燃烧温度和热风炉燃烧器性能蓄热换热性能，是实现高风温最方便、有效的途径。热风炉的高风温与热风炉的性能、效率、蓄热换热性能密切相关，提高热风炉性能和降低拱顶温度，缩小送风温差就可降低氮氧化物排放。

具体到热风炉设计上，要实现热风炉的高风温、低煤气消耗、低氮氧化物排放，就是要提高热风炉的燃烧性能和换热性能。具体实现途径如下：

一是增大蓄热室蓄热换热面积和保证足够的蓄热换热格子砖重量。

二是改善热风炉烟气流场和冷气流场分布状态。

高温烟气流场和冷风流场在蓄热室横断面上分布的均匀性，将直接影响蓄热室内的蓄热换热，研究表明，通过改善高温烟气流场和冷风流场在蓄热室断面上分布的均匀性可以改善热风炉内的热交换效果，蓄热量可以增强，从而可以将风温提高15℃~30℃。

三是增加热风炉换炉次数缩短工作周期。

四是减小热风炉的散热损耗。特别是通过合理设计热风炉炉体强化保温效果，减少炉体壳的热损失。

永锋临港钢铁热风炉和秦皇岛宏兴钢铁有限公司热风炉正是根据上述理论实践指导，才终于实现了上述矛盾体的对立统一，将热风炉拱顶温度与鼓风温度之间的差值缩小到50℃左右，通过优化混合燃烧喷嘴结构强化均匀混合、加大混合燃烧空间实现真正的完全燃烧、优化格子砖结构提高格子砖利用率，强化蓄热换热性能，从而实现了热风炉高风温、低氮氧化物排放、低煤气消耗等多重目标的。

奥秘之二：抓铁有痕

用正确的理论指导实践

刘世聚指出：豫兴人抓铁有痕，用上述研发和设计理念，脚踏实地地指导热风炉的建设和改造实践，终于取得了超高温、节能、低排放的可喜成果。其具体措施如下：

一是采用具有足够混合燃烧空间的悬链线拱顶和热风出口直段组合的燃烧室结构。

在相同风量情况下，悬链线拱顶本就拥有更加充裕的燃烧空间，空间内的烟气分布优于其他形状的热风炉拱顶结构，而且是目前已有的热风炉拱顶结构受力最合理、最稳定长寿的结构。国际历史资料记载，其悬链线拱顶寿命可达50年～60年。

首钢科学家张福明及其团队在2015年申报国家专利时，把锥形拱顶结构优化为悬链线拟合结构，并把砌筑在热风出口之上的锥形拱顶实施了分离，形成了悬链线拟合四段式小帽子顶燃式热风炉专利（专利号：201520954040.X），采用这样的结构可解决耐材衬应力损坏和热风出口损坏，炉壳受力开裂等结构缺陷。利用这一突出特点，为实现煤气超低消耗，永锋临港钢铁科学核算煤气和空气混合燃烧高温火焰在燃烧室混合燃烧运行距离、运行速度、烟气运行压力、空气过剩系数、煤气和空气燃烧量，以及由此混合燃烧产生的烟气量，使需要总燃烧混合空间容积大于燃烧产生的烟气体积10%~30%，实现烟气进入格子砖床面前全部燃烧的目的。

经计算其热风炉燃烧室燃烧产生的烟气体积约等于268m3，据此推算出热风炉燃烧室混合燃烧空间约需322m3（空间大，外表面散热面积大，需要强化保温来抵消），据此确定其热风炉燃烧室直径为7.8m，燃烧室高度10.1m来实现煤气和空气在足够大的燃烧室空间实现旋流涡流预热混合完全燃烧。

为提高风温和降低氮氧化物排放，其热风炉通过悬链线拱顶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燃烧室的烟气流场分布状态，缩小拱顶温度与送风温度之间的差值。其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（即蓄热室床面上平面）温差小。燃烧室底部（即蓄热室上部）高温烟气流速分布均匀，由于这种燃烧和悬链线流线结构及空间的有效结合模式使相当量下降气流加入上升气流中，淡化了高温区燃气和空气浓度从而降低了上升气流温度，拉长了火焰，使高向加热更加均匀，具备了低氮燃烧器废气循环特征，降低了氮氧化物排放，提高了热风炉换热效率，缩小了拱顶温度与送风温度差值，有效提高了热风炉送风风温。

二是采用具有预热、涡流、旋流密集喷口分布的高效率低氮短焰环形燃烧器。

该热风炉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。这种燃烧器的喷嘴设置在蓄热室大墙外围的周向，确保有足够大的空间布置喷嘴；煤气和空气采用优化型低氮燃烧喷嘴，喷嘴口径缩小；环向设计的煤气喷嘴和空气喷嘴数量更多，火焰更短、燃烧更完全。这样设计，一方面有利于使煤气和空气充分实施小股流分割预混；另一方面也能使煤气和空气的流量更大，从而实现燃烧器的大功率燃烧，为实现高风温、低煤气消耗打下基础。

该热风炉使用的燃烧器是介于长焰型和无焰型之间的涡流旋流短焰上喷特殊混合模式，也就是煤气和空气从喷口喷出后再预混的混合模式。这种燃烧器的煤气和空气喷嘴是交错布置并带有45度～60度的对冲上喷角度，其主要目的是利用燃烧室中心的高强度火焰辐射预热刚刚喷出的煤气和空气（也就是说煤气和空气在进入涡流区域前就吸收燃烧室中心高温辐射传来的热，之后再进行混合）。

一方面，这样的结构设计使得燃烧室中心的高温烟气会首先对速度设定为25m/s~40m/s的空气和煤气实施自身辐射预热；之后这两种气体上喷一定高度再折返形成了涡流，两种预混气体进入涡流区域自行混合，形成煤气和空气第一次初混状态。

另一方面这种燃烧器经过合理设计的喷嘴角度会形成两股气流对冲，喷嘴喷出的煤气和空气之间的动能差异，使得煤气气流的大动能强制压偏空气流从而形成旋流。这股旋流汇聚到逐渐收缩的悬链线拱顶，随着空间越来越小，当到顶部时旋流达到最激烈状态，形成了第二次强烈的旋流混合。通过两次混合不仅使煤气与空气混合得更加均匀、充分，有效保证了煤气的充分燃烧、降低了煤气消耗量；当燃烧后的烟气折返随着喇叭状的悬链线拱顶结构自上而下，使烟气通道逐渐扩大，并逐渐减弱，至蓄热室床面时流场区域均匀分布，使得高温烟气对格子砖的加热更加均匀，达到提高格子砖利用率，从而进一步提高热风炉风温的目的。永锋钢铁公司和宏兴钢铁公司的热风炉通过使用上喷预热、涡流、旋流和多喷嘴及足够流线悬链线的空间的综合性能设置，使进入燃烧室的空气过量系数降低，提高了风温、降低了煤气消耗。

三是采用均流均匀格子砖，加大蓄热换热能力，降低格子砖堆积高度。

豫兴公司发明的19孔25mm格子砖结构（专利号：ZL201110352083.7）填补了国内外仅有19孔30mm孔径格子砖和20mm孔径37mm格子砖技术的空白，19孔25mm格子砖结构的换热面积高达55.68m2，比19孔30mm格子砖结构的换热面积48.51m2提高了14.8%，25mm孔孔互通格子砖技术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。

19孔格子砖底部设计有15mm深的联接底部横向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，让18个凹槽区域孔孔互通，致使气流均匀分布，对于整个蓄热室，就形成了互联互通的均压均流自行调节蓄热室烟气流场和冷风流场，提高了热风炉换热效率，格子砖使用效率由原来的83.5%提高到88.41%，提高了5.8%，缩小了热风炉拱顶温度与送风温度之间的差值，拱顶温度由原来的1380℃~1420℃降低到现在的1300℃~1320℃，拱顶温度降低了5.7%~7%，拱顶温度与送风温差由原来的150℃左右降低到现在的50℃左右。拱顶温度与送风温差缩小了66.7%，格子砖这些重要参数在提高热风炉效率、提高风温、降低煤气消耗，减少送风温度与降低氮氧化物排放中发挥了关键作用。

永锋钢铁和秦皇岛宏兴钢铁公司豫兴热风炉就是通过这些特殊的结构和性能来实现高效生产、高风温的；实现了氮氧化物低于50mg/m3的超低排放，尤其是吨铁煤气超低消耗均为322.9m3~370m3，创造了中国炼铁历史纪录；比传统的小帽子顶燃式热风炉吨铁煤气消耗量为463.1m3~500m3降低了98m3~162m3，煤气节省率分别降低了19.6%~32.4%，热风炉燃烧产生的二氧化碳排放降低20%以上。

相信在今后一段历史时期，节能减碳低氮技术改造会成为发展主流趋势。