刘全兴

（青岛特钢有限公司）

摘  要：在高炉全面实行精料、高风温、高富氧喷煤、高顶压、自动化等条件下，高炉利用系数普遍提高到预期水平。高炉工序降低成本的压力增大，提高风温，提升热风炉能效受到普遍重视，有力地推动炼铁高质量发展。文中结合生产实践介绍了一系列涉及结构设计改进、技术改造、优化操作和管理提高风温，提升能效的关键技术和优化措施。对当前某些厂家几个常见问题进行了分析探讨。

关键词：热风炉；热风温度；能源；效率；操作  

1  高炉热风炉能效提升的意义

在当前钢铁企业成本压力升高，盈利空间收窄的形势下，都十分关注新技术、新材料的应用，提高风温、节能增效已成为首选。一般来说，热风炉供给高炉热风的热量约占炼铁生产消耗热量已由过去的19%增加至25%~30%；它消耗的高炉煤气约占高炉煤气发生量已由40%降低至29%~35%。我们认为，热风炉使用低热值高炉煤气获得高风温是最大的能源效率。通过技术手段进一步合理组织热风炉的热交换过程和余热回收利用，充分挖掘潜力，提高经济效益成为提升能效的重要任务。因此提高热风炉的热效率对降低能耗具有很大现实意义。

提高风温和提升能效并举是高炉热风炉发展的两大趋势。一是大力提高风温，在1200℃基础上，通过全系统技术创新，全方位迭代升级，实现1300~1350℃超高风温；重点解决送风系统优化设计，钢材、耐火材料改进与精准砌筑、智能化操作控制以及高炉操作如何使用等问题；二是科学用能，提升能效。企业转型发展，设备更新改造，热风炉少投入进行改型大修，抓住机遇期，实现高质量发展。

提升能效的原则：（1）能源科学配置、煤气能源不能降质使用；（2）化学能优先使用，转化次之，获得最大的能源利用价值和效益；（3） 工艺技术的选择要先进成熟，流程顺畅，操作简单，运维费用低，安全可靠。

煤气可以给企业带来经济效益。企业在做到安全生产“零事故”的同时更加渴望应用节能降耗减排的新工艺、新技术、新材料，以解决问题,获得“双碳”目标和可观的经济效益。

冶金企业能源平衡新趋势：（1）能源价格上涨，加重影响制造成本；（2）绝大部分自产能源在体系内循环；（3）成本控制需要重新评价能源需求，改变工艺用途；4） 新能源发展规模壮大，消纳体系面临体制机制优化；（（5）能源效率提升成为新增长点，合理配置越来越受到重视！

提高能源转化效率是热风炉绿色节能的基石。用单一高炉煤气作最大的能源为燃料，采用高效预热技术，热风炉实现1300 ℃高风温本身就是最佳能源利用。我们进一步提升能效需解决如下问题：包括炉型选择，关键是设计满足高温、长寿、抗热震性能好、燃烧过程的空气过剩系数极低的陶瓷燃烧器。合理的蜂窝砖结构与材质，隔热材料选择，优化热风系统用钢板，自动化、信息化支撑的智能化操作法；稳定工作30年。余热回收利用，抑制NOx的生成，超低排放“一揽子”解决方案。

2  热风炉结构优化设计对热风炉能效提升的影响

2.1  热风炉设备的“痛点”

据技术文献，研究国内多个钢铁企业的热风炉中发现以下痛点：

痛点1：最大的痛点是热风系统的结构不稳定。具体表现为：

部分顶燃热风炉热风出口掉砖、钢壳因窜风而红热、鼓包；热风支管红热、波纹膨胀圈红热、支管与总管三岔口处掉砖等现象。虽然各厂出现的这些现象严重程度不同，但这几乎成了目前顶燃热风炉的通病。（案例：沙钢；宝钢；鞍钢等）

痛点2：热风炉配置标准低，设计标准不高；耐火材料选择档次低；燃烧器功能不足；智能化程度低；煤气消耗高，风温低；

痛点3：煤气含尘量高，影响燃烧和操作；送风阻力9kPa，砖体有堵塞现象；

痛点4：煤气设施磨损、腐蚀，工作寿命降低；（案例：宝钢、青钢等沿海厂家）

痛点5：助燃风机选型偏低；供风能力不足；

痛点6：炉壳晶间应力腐蚀凸显开裂（湛江、太钢、安阳）；

痛点7：炉皮烧红、鼓开，炉底板漏风；

痛点8：换热器换热效率降低，泄漏煤气；

痛点9：能源管理缺陷，不能优先保证热风炉用能；

痛点10：煤气事故、操作事故多发。

2.2  热风炉炉型选择              

热风炉形式选择：经过20年的成功探索与实践，从风温水平、投资、寿命、节能、热效率、结构稳定性和烟气均匀度诸多方面考虑，选择卡鲁金顶燃式热风炉成为普遍共识。

对于现有热风炉技术改造方兴未艾：例如鞍钢新1号高炉（3200m3）；鞍钢11号高炉（2580m3）；昆钢6号高炉（2000m3）；南京1号高炉（2000m3）已经改造完成。国有企业还有一些内燃式热风炉拟进行升级改造。

球式热风炉改造为蜂窝砖，效果也很好。

2.3耐火材料的改进与优化

自宝钢高炉热风炉开始引进使用七孔蜂窝砖（38.08m2/m3）以来，经过40年的研究、探索与发展，又有多材质、多系列、多孔径、多规格的蜂窝砖研发成功并得到广泛应用。目前，以小孔径19孔（高效19孔Ø30mm, 55.14m2/m3）和37孔（高效37孔Ø20mm, 73.36m2/m3）居多，还有异形高效蜂窝砖：内六方，带水平通道等，深受用户欢迎。

随着孔径减小，蜂窝砖材料利用率大幅度提高。采用不同孔径蜂窝砖对应的蓄热室尺寸的比较，小孔蜂窝砖的热风炉高度降低，37孔（20mm孔径）蜂窝砖技术优势明显，越来越多的用户选择37孔蜂窝砖技术，高度降低，膨胀小，大幅度降低投资。

2.4高效燃烧器是热风炉的 “引擎”

热风炉燃烧器的发展历程：从金属套筒燃烧器，一炉一机；到后来的各种陶瓷燃烧器探索的道路漫长而坎坷：主要有磷酸盐耐热混凝土大块套筒燃烧器；矩形燃烧器（武钢）；栅格燃烧器（宝钢）；还有环形燃烧器、锥形、旋切、多孔介质喷射燃烧器等等。

高效燃烧器特征：燃烧介质混合充分、均匀，燃烧功率大；烟气分布无盲区。高温烟气形成多个三维涡流区域，局部涡流会形成局部高温区，能量聚集；辐射传热、二次预热充分；理论燃烧温度高，空气过剩系数低，温度升高，分子动能增加；拱顶温度与风温差值较低，风温提高，能效提升。

2.5智能化燃烧控制系统的应用

1）同等条件下，节约煤气约4%~8%；

2）提高风温约10℃～15℃左右；

3）拱顶温度平稳控制，能抑制烧炉过程拱顶温度的波动；

4） 克服煤气压力波动的时间≤25s；

5）能快速提升拱顶温度的加热时间≤10min；

6）减轻工人劳动强度；实现真正意义上智能化操作。

3  热风炉优化操作及关键技术

高炉热风炉关键技术划分：（1）燃烧技术；(2) 传热技术；(3) 气流流动；(4) 结构稳定；(5) 环保排放。           

3.1 提升热风炉能效的关键技术集成

提升能效注重这些切实可行“细节”，每一项都具有明显实效。

3.1.1结构设计优化方面：（1）炉型选择；（2）系统优化热风炉设备配置；（3） 系统绝热保温，降低散热损失；（4）空间优化布置，热风炉靠近高炉； （5）降低热风炉高度； （6）蜂窝砖小孔化；（7）注重燃烧介质预热，回收余热； （8）采用优质耐火材料和高效燃烧器；（9）采用高辐射覆层技术的应用；（10）回收高炉炉顶均压放散煤气等等。

3.1.2设备操作管理改进方面：（1）精准计量；（2）优先用能；（3）提高和稳定煤气压力； （4）改造助燃风机，保证风量；（5） 改造换热器；（6）富氧燃烧；（7）智能燃烧控制系统；（8）增加热风炉蓄热体量；（9）降低空气过剩系数；（10）降低漏风率；（11） 减少换炉和焖炉时间；（12）增加一座热风炉。（13）减少各类事故等等。

3.2  热风炉设备改造，提高风温的解决方案

小规模投资，不影响送风系统安全运行的前提下，归纳以下措施：

（1） 增加蓄热体装入量。不限形式，不限规整与否，装满。。可提高风温30~40℃；

（2）提高和稳定煤气压力，强化燃烧，可提高风温约10℃～15℃；

（3）高辐射覆层技术的应用，可提高风温约20℃～25℃左右；

 （4）改造助燃风机；

（5） 改造换热器，提高预热温度；

（6）富氧燃烧；

（7）采用智能燃烧控制系统，可提高风温约10℃～15℃左右；

 （8）增加一座热风炉，可提高风温约50℃。

采用上述小幅度提高风温技术措施，提高风温20-40℃是可行的；若增建一座炉，经济效益十分可观。

4. 问题与讨论

热风炉操作是一切工艺技术的归宿和集中体现。对热风炉操作规律的认知决定着热风炉发展的导向。近几年风行在高炉热风炉相关的词汇，如“低能耗、高热效率、无波动换炉、超长时间均压”等等，这些反常观点和做法使人困惑；在一些媒体上常见的诸如“超低煤气消耗、超高热效率”等等宣传标题，在行业内造成混乱。这些乱象既没有理论基础，也没有实践数据支撑。缺乏量化指标，或者没有可信度高的数据信息和客观分析，容易对用户带来困惑或误导。         

4.1热风炉煤气单耗是多少？

在冶金企业吨铁煤气单耗分为广义和狭义两种情况：广义煤气单耗是指炼一吨铁消耗温的煤气。包括与热风炉用量和炼铁有关全系统其他用途，例如炉前烤出铁沟、撇渣器，烤流咀，烤泥套，烤铁水罐，喷煤加热炉，矿槽流嘴保温、原料场防冻用煤气等等。其它防寒保温项目的煤气都应该纳入到吨铁煤气单耗之内。狭义煤气单耗是指仅仅热风炉自身用量对应的吨铁单耗。这是两个概念。某些媒体报道的煤气单耗不足360m3/t铁，多数厂家难以达到，数据来源值得推敲。热风炉煤气单耗只是构成工序能耗的一部分，其指标与多种因素有关，例如热风炉结构形式、热效率、炉料结构、高炉产量、配套设施、操作水平等。

我们知道，热风炉是钢铁厂用能大户，据不完全统计，热风炉用高炉煤气约占发生量的35％左右。煤气单耗与多种因素有关。

热风炉自身煤气单耗举例:： 某1080m3高炉，产量3600t/d。热风炉“两烧一送”，換炉约10分钟。煤气用量45000m3/h.座，煤气热值3300kJ/m3，则煤气单耗为：45000x22ⅹ2x3300÷3600=1.815GJ/t铁。即550m3/t铁。

  在计量准确的前提下，通常热风炉煤气单耗在520~580m3/t铁之间。

4.2热风炉 “无波动外均压”有必要吗？

长期以来，高炉热风炉换炉会出现热风压力波动，这是一个正常的操作现象。多少年来从未给高炉带来不利影响，可以说是最成熟的工艺、简易的布置和可靠操作方法。热风炉经过180秒的充风均压，保证高炉稳定顺行沒有问题，所表现出来的热风压力＂小尖峰”，鼓风机可以自动修正，完全满足高炉生产需要。这是一种最安全、最经济、最简单的“自均压”方式。   

采用所谓“外均压”的初衷为热风压力平稳，减少波动；可是最不可取的是另设一套均压系统，投资大，操作复杂，运维费用高，是没有必要的。

建议：四座炉采用“自均压”或“自均压”加充压智能化控制模式更好。

4.3热风炉充压时间过长好吗？

热风炉充压，即灌风均压，一般180s足矣。时间过长（5~10min）势必占用宝贵的燃烧时间。传统的“三勤一快”（勤观察、勤调节、勤检查，快速换炉）操作方法就是争取烧炉时间，保证蓄热量，进而保证风温稳定。

少数厂家出于减少换炉风压波动的目的，把充压时间一味延长是非常错误的。

4.4热风炉热效率可达到多少？

通常分为热风炉本体热效率和热风炉系统热效率两个概念。

热风炉热效率：一般指热风炉以送出的热风温度支出的热量占热风炉加热（包括冷风带入热量）总能量收入的百分比。一般情况下这个比值在70％～75％之间。对某些热风炉公司所言的热风炉热效率可达88%以上不知所云。按现有条件热风炉热平衡现状，热风炉炉体散热、热 风管道散热，烟道散热、换热器散热和烟气带走的热量，冷却水、冷却风带走的热量还是不可小觑的。

鞍钢10号高炉（2580m3）四座外燃式热风炉采用自身预热工艺后的能流图实测数据表明：高炉煤气带入系统的热量占80.24%，助燃空气带入0.43%，冷风带入4.43%，预热助燃空气（550℃）带入11.67%，预热煤气带入3.86%；热风带出热量68.8%，排入烟囱废气带出8.72%，热损失及计算误差占7.55%。采用自身预热工艺（助燃空气预热到550℃）热效率由原来73%提高到78%。

柳钢6号高炉（750m3）球式热风炉热平衡实测数据表明：高炉煤气带入系统的热量占82.97%，预热煤气带入物理热5.45%，助燃空气带入2.97%，冷风带入8.60%。热风带出热量77.46%，排入烟囱废气带出9.14%，化学不完全燃烧损失占2.13%，煤气机械水吸热1.65%，冷却水吸热。1.43%，炉体及管道散热1.87%。热效率不到到78%。

热风炉系统热效率：包括热风炉烟道的余热回收利用，纳入到热风炉系统热效率之内，这个热效率远远的高于热风炉本体热效率。众多实测数据表明，一般也不会超过80%。

4.5  热风炉内真的存在“爆炸”吗？

长期以来，高炉热风炉以i稳定燃烧，高效蓄热和平稳送风而著称于世。热风炉蓄热室蓄热体能量巨大，保证燃烧的条件足够充分，这一功能毋庸置疑。

倘若热风炉正常操作时会存在“爆炸”的可能性，热风炉的基本工作原理要经受挑战。可以推理，若有爆炸，应该炉炉爆炸，次次爆炸才对。其实，实际情况并不是这样，只是少数炉、个别次才有燃烧器耐火材料有损坏现象。

有一种观点认为燃烧器孔道内有残余煤气不能清除，留有隐患。可是在热风炉充风时，强大的气流一定会驱动和稀释炉内所有部位煤气的。采用氮气吹扫是没有道理的，过去和现在大部分热风炉并没有氮气吹扫一说。氮气吹扫似是而非，完全没有必要。

特别是，带有氮气吹扫（40s）的热风炉也出现过燃烧器喷口破损的现象。

4.6 热风炉存在燃烧振动？如何解决？

从物理学上“共振”术语：两个振动频率相同的物体，当一个发生振动时，引起另一个物体振动。

外力的振动频率和波长与物体的固有频率和波长相等时，振幅最大。足以造成管道颤动、燃烧不正常、设备损坏和燃烧器砌体的局部损坏 ，失去正常功能。

处理方法：通过加装某些物体或控制燃烧介质压力、流量等人为干预，调整频率和波长，达到减震的目的。

5  结束语

5.1 高炉热风炉的发展已经进入平稳期，高风温常态化。面对企业的成本压力的挑战。钢铁企业要以过程工程为基础来进一步优化企业结构，通过提高风温和提升能效重要技术路线实现“高效、优质、低耗、长寿、环保”的目标。

5.2  对热风炉的关键技术进行了详细阐述，例如结构形式的选择，耐火材料优化选择以及燃烧器的功能作了分析。对热风炉设备的痛点进行了总结和系统剖析。

5.3  对热风炉的结构与操作相关的系列问题进行分析探讨，例如煤气单耗、燃烧振动 、外均压、热效率等困扰生产的问题提出了明确意见。高风温热风系统优化设计注意的问题结合案例进行了分析并提出了优化改进的解决方案。

5.4 展望后疫情时代创新热风炉关键技术进步，对于提高风温、提升能效，降低成本、节能减排，促进炼铁高质量发展具有十分重要意义。

参考文献

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[2]  刘全兴， 高炉送风系统事故及预防，炼铁交流，2010.6，21-24

[3]  刘全兴，1300℃超高风温热风炉高风温机理研究，炼铁，2013（2）：56-59

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[5]  刘全兴，对热风炉结构几个问题的探讨，炼铁交流，2023（1）：1-4.

[6]  张福利、蔡简元、卢向党，高效节能高风温大型球式热风炉的开发应用于热平衡测定，炼铁交流，2005（2）：1-6

[7]  向宏宇、王长春、刘辉凯，太钢超高温免维护热风炉实践，网络文章。

[8]  王长春，与用户对话——我们熟悉的高炉热风炉，炼铁 热风炉 2024-01-11 ，北京