低碳節能高效錐柱旋切頂燃式熱風爐技術

（鄭州安耐克實業有限公司，河南 鄭州 452370）

摘要：本文講述了我國熱風爐的現狀，以我國頂燃式熱風爐的發展為主線，通過各種頂燃式熱風爐燃燒器性能調研對比，結合鋼鐵用戶對熱風爐高風溫、高效率、長壽命、低排放的要求，運用頂燃式熱風爐試驗研究平臺和計算機仿真模擬，研發錐柱旋切頂燃式熱風爐大功率陶瓷燃燒器技術，使熱風爐具備低NOx燃燒技術，加以工程應用實踐，證明錐柱旋切頂燃式熱風爐具有低投資、低能耗、低排放、高風溫、長壽命等優勢。隨著環保排放和能源消耗指標日益突出，安耐克將持續致力于頂燃式熱風爐的持續優化改進和配套耐火材料的研發生產，通過對爐型結構及耐材配置不斷優化升級，為我國鋼鐵企業用戶提供高溫長壽、低碳降耗、智能集約的頂燃式熱風爐技術。

關鍵詞：錐柱旋切頂燃式熱風爐；低碳降耗；高效長壽；低NOX排放

1前言

煉鐵高爐的主要任務是生產鐵水，對鋼鐵工業發展起著至關重要的作用，而熱風爐作為煉鐵系統的重要附屬設備，主要作用是為高爐生產提供高溫熱風。
熱風爐作為煉鐵系統的能源轉換裝備，它供給高爐熱風的熱量約占煉鐵生產耗能的?。20世紀以來，熱風爐結構型式經歷了內燃式、外燃式、頂燃式的演進變革過程，國內熱風爐市場基本被荷蘭霍戈文內燃式熱風爐、日本新日鐵外燃式熱風爐、俄羅斯卡盧金頂燃式熱風爐等占據大部分市場，并形成技術壟斷，在這三種典型的熱風爐中，頂燃式熱風爐以其空間緊湊、結構穩定、占地少等技術優勢，已經逐步取代內燃式熱風爐和外燃式熱風爐而成為新建熱風爐的主流爐型。

2頂燃式熱風爐的發展

頂燃熱風爐技術作為一種比內燃與外燃熱風爐更合理，更先進的爐型，已為國內外煉鐵界所公認。頂燃式熱風爐技術最早出現在化工系統， 20世紀20年代哈特曼就提出了應用頂燃式熱風爐的設想，但未受到重視，直到60年代，由于高風溫的要求，才開始了頂燃式熱風爐的研究。

我國頂燃技術的開拓者們，在上世紀60年代就開始相關工作的研究，1970年在首鋼23.5m3實驗爐上取得成功經驗，并將此技術成功應用在1327-2500m3大型高爐上，是世界上把頂燃式熱風爐應用于1000 m3以上高爐的先例，該爐型的特點是大帽子、大功率預混短焰燒嘴（見圖a），首鋼型頂燃式熱風爐在高爐生產中雖實現了高風溫（1150-1200℃），但燃燒器燒嘴高溫下易破損，受制于當時設備、材料等局限等，除首鋼、石鋼與福建三明鋼鐵外，未得到廣泛的應用，其拱頂和燃燒器設計、蓄熱室格子磚和硅質材料的應用，為后來眾多頂燃式熱風爐的發展奠定了基礎。[1]

球式熱風爐作為中國特色，其技術始于20世紀50年代末期，也可歸為頂燃式熱風爐的一種，因其投資小、技術簡單在國內中小型煉鐵高爐得到了大量應用，雖然在20世紀90年代后期，國內相關機構對球式熱風爐做了大量改進，并且在1500m3高爐上獲得成功應用，但是隨著國家淘汰落后產能設備政策及更嚴格環保標準的實施，加上球式熱風爐頻繁停爐換球、熱風溫度溫差較大、使用壽命短、能耗較高等缺陷，難以滿足大型高爐煉鐵技術的發展。

在國外，前蘇聯的全蘇冶金熱工研究院對頂燃式熱風爐進行了較全面的研究，1982年在下塔吉爾冶金公司的1513m3高爐上建成一座卡盧金頂燃熱風爐（見圖b），這座熱風爐吸收了首鋼型頂燃熱風爐的半球形大帽子拱頂的特點，改進了燃燒器的布置結構，在大球形拱頂的下部布置有空氣、煤氣獨立的環道結構，采用耐火材料砌筑的陶瓷燃燒器，解決了首鋼型頂燃熱風爐燃燒器高溫的難題，但因其拱頂結構過于龐大，燒嘴過多，設計制造操作復雜，也無法對現有內燃式熱風爐做技術改造，在俄羅斯只建設了一座，后來摒棄了這一技術方案，但是積累了耐火材料、格子磚、爐箅子等相關技術的應用經驗。

國內某熱風爐公司以早期卡盧金熱風爐技術為模板，改進拱頂外形為懸鏈線型大帽子，通過申請實用新型專利，也應用在國內一些中小企業型高爐上（見圖c），但由于這類頂燃式熱風爐的拱頂尺寸過于龐大，耐材用量同比小帽子頂燃式熱風爐多出15%-25%，且投入運行后，極易出現拱頂坍塌、格子磚下沉、操作困難等諸多問題，沒有被市場廣泛接受。
隨后卡盧金對早期環形預燃室熱風爐進行改進，吸收了新日鐵外燃式熱風爐蓄熱室的拱頂結構設計，推出了小帽子卡盧金頂燃熱風爐（見圖d），從2000年開始，在俄羅斯得到了工業實踐檢驗，2001年，俄羅斯卡盧金小帽子頂燃熱風爐技術由北京鋼鐵設計院引進入中國，結合國內冶金設計、耐火材料等各類成熟的技術和設備配套，趕上中國快速發展的鋼鐵工業建設浪潮，在國內市場逐步得到推廣應用。

近20年來，頂燃式熱風爐在我國的廣泛應用突飛猛進，國內各大鋼鐵設計院和相關企業具有自主知識產權的頂燃式熱風爐技術也呈現了百花齊放、百家爭鳴的狀態，一方面，自主研制開發出了多種結構形式的頂燃式熱風爐，大膽應用；另一方面，引進消化吸收國外先進技術，取得了可喜的結果，特別是在大型高爐上的應用，使頂燃熱風爐技術進入了一個新的發展時期。

在我國當前的鋼鐵企業中，多種頂燃式熱風爐爐型并存，在長期的使用過程中，發現都存在一些不足之處，亟需改善解決，如燃燒器氣流分布不均勻、熱效率低、煤氣消耗量高、NOx排放值高、燃燒器噴口錯位、熱風出口坍塌、格子磚下沉、熱風管系變形掉磚造成熱風爐使用壽命短等問題，只有解決好上述問題，頂燃式熱風爐才能適應當下鋼鐵用戶的需求，在未來得以更好的發展。[2]

3各種頂燃式熱風爐燃燒器性能調研對比

頂燃式熱風爐經過了50余年的發展，縱觀其發展歷程基本就是燃燒器的不斷改進過程，頂燃式熱風爐將燃燒器置于熱風爐蓄熱室拱頂部位，利用拱頂空間作為燃燒室，取消了獨立的燃燒室結構，其燃燒器結構經歷了從初期的套筒式金屬燃燒器到套筒式陶瓷燃燒器，再到陶瓷燃燒器的過程。外形從最初的半球型大拱頂到目前普遍的半球型小拱頂的演變，現將幾種頂燃熱風爐燃燒器的設計原理和使用情況進行對比分析如下。

通過對以上結構熱風爐的燃燒器分析，結合熱風爐高風溫、高效率、長壽命、低排放的要求，新型頂燃式熱風爐燃燒器的設計，需從以下幾個方面進行研究：

1）    陶瓷燃燒器采用小拱頂結構，優化內部耐材砌筑和磚型；

2）    陶瓷燃燒器噴嘴設計要優化，加強氣流的交叉混合效果，保證空、煤氣混合均勻，要求煤氣在有限的拱頂空間內達到完全燃燒；

3）    燃燒完全的高溫煙氣能均勻分布在整個蓄熱體平面上，使整個蓄熱體斷面能均勻加熱，提高熱風爐的熱效率；

4）    熱風爐高溫區域各孔口從鋼殼、設備和耐材組合磚上，進行結構和材質上的優化，杜絕爐殼局部高溫情況；

5）    采用先進研發技術，獲得燃燒器內部真實的、詳細的運行信息，計算機模擬和實驗手段相結合，掌握空煤氣噴口的幾何形狀、數量、布置形式對燃燒器性能的影響，為新型燃燒器的設計、優化提供依據；

6）    結合計算機模擬和實驗數據，對陶瓷燃燒器用的耐火材料進行研究，配套適應工況的材料，并制定一批適合國情的標準；

7）    設計和改進燃燒器結構，改善燃燒性能，提高燃燒設備熱效率，減少環境污染問題是新型燃燒器設計的重點與發展方向。

1    錐柱旋切頂燃熱風爐技術研發和應用

安耐克公司是國內一家集耐材制造、高爐熱風爐技術輸出和EPC工程服務為核心業務的國家高新技術企業，自創建伊始，始終專注于熱風爐技術的自主研發與創新，積淀了十余年的熱風爐技術研發與創新經驗，安耐克以其產品集成制造和熱風爐技術優勢，與中冶京誠、中冶南方、中冶賽迪、首鋼國際等國內大型冶金設計院，開展強強聯合，積極開拓市場，在國內3000m3以上大型高爐熱風爐用耐火材料領域，安耐克產品市場占有率達到86%以上。

多年來安耐克秉承持續推動高爐熱風爐科技發展和耐材技術進步的企業使命，為了開發出一種更適合國情的新型頂燃熱風爐，繼而打破國外技術壁壘，公司聯合中冶京誠，創建了以中國科學院周國治院士、首鋼頂燃式熱風爐發明人張伯鵬教授等為首的11位冶金、材料、熱工、結構多學科共融的研發團隊，在對國內鋼鐵企業頂燃熱風爐生產現場進行大量調研的基礎上，通過數模、冷態與熱態實驗驗證，深入研究市場現有熱風爐運行數據，并結合客戶需求，不斷優化頂燃式熱風爐系統結構與耐火材料標準化配置，成功研發了結構更為合理、更高效的錐柱旋切頂燃式熱風爐。

2    錐柱旋切頂燃式熱風爐大功率陶瓷燃燒器研發

燃燒器是頂燃式熱風爐最關鍵的設備，它的性能對熱風爐的熱效率、能耗、環保等經濟指標有很大的影響。在燃燒器的研制過程中，運用了先進的設計理念、理論和方法，全面系統地研究了熱風爐燃燒、氣體運動、耐材傳熱等物理化學過程。首次集成理論研究、數值仿真優化、冷態/熱態試驗等現代研究方法，開發并應用錐柱旋切頂燃式熱風爐陶瓷燃燒器，實現核心關鍵技術的重大突破。

燃燒方式有擴散燃燒和動力燃燒（預混燃燒），早期的頂燃式熱風爐燃燒器屬于預混燃燒，實踐證明預混燃燒對空氣和燃料的配比要求較高，調節比有限，容易造成回火，燃燒穩定性差，而且對于助燃空氣高溫預熱到500℃~600℃的工況條件，存在較大的危險性。錐柱旋切頂燃式熱風爐燃燒器采用擴散燃燒，空氣和燃料在混合室內三維交叉混合，在燃燒室內形成火焰燃燒的過程，空氣和煤氣有較大的調節空間，工況適應性強，而且對于助燃空氣高溫預熱的工況條件，不存在安全隱患。

5.1  燃燒器結構

與以往的燃燒器相比，錐柱旋切頂燃式熱風爐燃燒器在布置和結構上均有重大改進，優點是：

1）    燃燒器混合室為錐柱復合型結構，煤氣噴口分布于錐段，空氣噴口分布于圓柱段，把傳統頂燃爐燃燒器的空煤氣平面旋流混合流場，改進為三維空間渦旋流場，而且降低了燃燒器拱頂高度，做到了低投資、高效率。

2）    燃燒器混合室煤氣段施工采用鋼模支撐整體澆注，煤氣環道、煤氣噴口位于錐段，頂部空間小，有利于氮氣吹掃。規避了傳統頂燃式熱風爐因爆燃導致的噴口磚移位，避免了煤氣環道氮氣吹掃的煤氣殘余，杜絕了煤氣噴口的爆燃現象。此項設計使熱風爐送風、燒爐的轉換更加安全高效；

3）    燃燒器混合室位置不是溫度最高位置，內部最高溫度不會超過1100℃，杜絕了混合室爐殼出現晶間應力腐蝕的情況，同時減少了熱量損失，提高了熱風爐整體熱效率；

4）    燃燒方式為三維混合燃燒，多層不同半徑(小于空氣流半徑)的煤氣流與空氣流形成多層同心不同徑的交叉三維混合，保證了空氣和煤氣的充分混合和燃燒，提高了理論燃燒溫度，進而提高了熱風溫度；

5）    混合氣流由于空心柱面積很小，在經過喉口整流后形成的負壓區面積極小，保證煙氣進入格子磚分布均勻，有效提高了蓄熱室的使用率。

5.2  錐柱旋切頂燃式熱風爐低NOx燃燒技術

在燃燒技術中，旋轉射流兼有旋轉穩流、自由射流的特點，它是強化燃燒和組織火焰形態的有效燃燒方法。針對NOx排放問題，在合理的空燃比技術上采用三維旋流更是可以明顯減少NOx的生成；三維渦旋燃燒器的一個顯著特點就是能夠產生回流區，使氣體回流，回流的強度和回流區大小是衡量旋流燃燒器的一個重要的特性指標?；亓鲄^面積越大回流強度越強，位置越靠近火焰根部，燃燒狀況越好，爐膛溫度越均勻，越不容易產生局部高溫，從以下幾個方面保證NOx的生成量低于國家超低排放標準。

1）當熱風爐拱頂溫度≥1420℃，燒燒產物中NOX的含量急劇升高，對熱風爐爐殼鋼板產生晶間應力腐蝕，現代熱風爐拱頂溫度應控制在1400℃以下，保證熱風爐鋼結構的使用壽命。

2）通過對NOx生成機理的研究,得出高爐煤氣燃燒時主要產生的NOx為熱力型NOx,低NOx燃燒技術是降低熱風爐熱力型NOx生成的主要技術措施。[3]

3）采用多層燃燒器的布置,把燃燒器設計成錐柱旋切結構,實現三維渦旋強力混合燃燒,在實現同等風溫的條件下，可減少CO的消耗，并降低NOx的生成,使熱風爐NOx排放達標,不僅解決了CO的污染,而又沒有產生新的污染氣體,使之成為一種環保型高溫送風裝備。

4）錐柱旋切頂燃式熱風爐可實現以100%的高爐煤氣作為熱風爐燃料，雙預熱煤氣和助燃空氣，在拱頂溫度≤1350℃情況下，獲得≥1250℃的送風溫度，保證NOx排放量≤50mg/m3。

河北、山西某錐柱旋切熱風爐煙氣NOx含量監測情況：小于30 mg/m3

5.3  錐柱旋切頂燃式熱風爐試驗研究和計算機仿真模擬

錐柱旋切頂燃式熱風爐最顯著的優勢之一就是氣流分布均勻，利用數值模擬CFD技術進行了詳細的研究與論證。

CFD流體仿真技術的應用可有效的降低設計成本，它用數值計算方法直接求解流動仿真，發現各種流動現象，包括計算計算空氣動力學、計算燃燒、計算傳熱學、計算化學反應流動等研究方向。近幾年來，我們用仿真技術研究了熱風爐拱頂空間燃燒特性及煙氣流動，對各類頂燃式熱風爐進行過仿真研究。目前計算流體力學的計算機數值模擬方法已經是項目開展前期設計的重要手段，用仿真的方法，獲得燃燒器內流場、溫度場和濃度場分布，篩選出最優方案作為冷態實驗和工業應用的依據。

5.4  提高錐柱旋切頂燃式熱風爐熱效率的措施

在許多現役熱風爐上燃燒末期最高的拱頂溫度與送風溫度之間的差值(溫度效率)存在著很大的差距：在使用傳統的燃燒器和以大孔徑格子磚為蓄熱體的熱風爐上，這一溫度差達到150～180℃，錐柱旋切頂燃式熱風爐保證拱頂溫度＜1350℃情況下，將傳統的拱頂溫度與送風溫度之間的差值減小到80℃～100℃，在同樣拱頂溫度的條件下，可以提高30～50℃的風溫。

提高熱風爐的燃燒效率，改進爐箅子的材質，采用復合型結構的爐箅子，將熱風爐燃燒末期的最高廢氣溫度提高到～450℃；利用較高溫度的熱風爐廢氣，通過換熱器將煤氣和助燃空氣預熱到200～230℃。預熱空煤氣后的廢煙氣排放溫度120±5℃，在盡可能降低廢煙氣帶走的熱量前提下避免煙氣溫度過低造成換熱器內部結露損壞換熱器。

為保護熱風爐爐殼和加強隔熱減少熱損失，工作層外采用輕質隔熱磚和硅酸鋁纖維板，爐殼內表面全噴涂，中、高溫區采用耐酸噴涂。燃燒室與蓄熱室段爐殼設計溫度≤80℃，蓄熱室中部爐殼設計溫度≤70℃，其它部位爐殼溫度≤60℃。

3    配套耐材研發和標準制定

創建了大型頂燃熱風爐耐火材料配置和技術體系，制定了《硅磚》、《高鋁磚》、《熱風爐用紅柱石磚》、《熱風爐陶瓷燃燒器用耐火磚》等9項國家和行業標準，并創建了關鍵耐火材料技術標準體系。主編《高爐用高風溫頂燃式熱風爐節能技術規范》（GB/T30163-2013）、《頂燃式熱風爐用耐火材料技術規范》（YB/T4638-2018）等多項技術標準。

4    工程應用

錐柱旋切頂燃式熱風爐自2013年推向市場，至今國內外已有180余座爐子采用這項技術，并通過PCT專利申請，取得俄羅斯、日本、烏克蘭、印度等國家專利授權，特別是在2021年，與俄羅斯MMK鋼鐵集團簽訂7#高爐—內燃式熱風爐升級改造成安耐克錐柱旋切頂燃式熱風爐EP項目，以及印度JSW 5872m³高爐新建頂燃式熱風爐EP項目，標志著具有中國自主知識產權的頂燃式熱風爐技術達到了國際領先水平。

錐柱旋切頂燃式熱風爐與常規頂燃式熱風爐相比，其主要優勢有：

①    低投資：在相同爐容情況下，可使熱風爐高度降低，降低工程投資約10%-18%；

②    低能耗：三維渦旋燃燒器與傳統燃燒器相比，節約煤氣5%-8%；

③    低排放：在拱頂溫度≤1350℃時，實現送風溫度≥1250℃，NOx排放≤50mg/m³，NOx排放量低于國家超低排放標準65%以上；

④    高風溫：蓄熱室對燃燒高溫煙氣利用率高，降低拱頂溫度與送風溫度之間的差值減小到80℃～100℃，提高30～50℃的風溫；

⑤    長壽命：采用100余項專利和專有技術，實現熱風爐系統穩定順行30年以上。

高風溫是現代高爐的重要技術特征，提高風溫是增加噴煤量、降低焦比、降低生產成本的主要技術措施。近幾年，國內高爐的熱風溫度逐步升高，部分高爐風溫指標已經達到國際先進水平，頂燃式熱風爐在我國已經實現了大型化。

安耐克錐柱旋切頂燃式熱風爐自問世以來，取得了顯著的經濟效益和社會效益，特別適合我國高爐新建改造使用。隨著環保排放和能源消耗指標日益突出，安耐克將持續致力于頂燃式熱風爐的持續優化改進和配套耐火材料的研發生產，通過對爐型結構及耐材配置不斷優化升級，為我國鋼鐵企業用戶提供高溫長壽、低碳降耗、智能集約的頂燃式熱風爐技術。

參考文獻：
[1]    張伯鵬 李富朝 王連尉，頂燃熱風爐技術在我國的發展歷程，煉鐵，2012，P1-6.
[2]    吳啟常.關于高爐減少NOx和CO排放量的討論[C]//2013年全國冶金能源環保生產技術會，P2-3.
[3]    馬曉茜,梁淑華.燃氣火焰中熱力型NOx的生成與控制[J].環境導報,1997(2):17-20.