在鋼鐵工業(yè)的發(fā)展歷程中，熱風(fēng)爐作為高爐煉鐵的關(guān)鍵設(shè)備，高風(fēng)溫高效穩(wěn)定運行直接關(guān)系到高爐降低燃料比和生產(chǎn)成本。首鋼工程在熱風(fēng)爐技術(shù)領(lǐng)域的不斷持續(xù)研究與實踐，不僅代表了我國鋼鐵工業(yè)的進步，也體現(xiàn)了工業(yè)技術(shù)傳承與創(chuàng)新的完美結(jié)合。
頂燃式熱風(fēng)爐是一種針對于內(nèi)燃式和外燃式熱風(fēng)爐的不足而發(fā)展起來的新型熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)特點是取消了燃燒室，將燃燒器直接布置在熱風(fēng)爐的拱頂，以拱頂空間作為燃燒室。同時其結(jié)構(gòu)設(shè)計也充分吸收了內(nèi)燃式、外燃式熱風(fēng)爐的技術(shù)優(yōu)點。與內(nèi)燃式、外燃式熱風(fēng)爐相比，頂燃式熱風(fēng)爐具有如下特點：一是取消了內(nèi)置或外置燃燒室和隔墻，擴大了蓄熱室容積，在相同的容量條件下，蓄熱面積增加25%-30%。二是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增強。三是采用大功率短焰燃燒器，直接安裝在拱頂部位燃燒，使高溫?zé)崃考性诠绊敳课唬瑹釗p失減少，有利于提高拱頂溫度，并縮小拱頂溫度與風(fēng)溫的差值。四是其工作過程是一種典型的逆向強化換熱過程，提高了熱效率。五是耐火材料穩(wěn)定性提高，熱風(fēng)爐壽命延長。六是布置緊湊，占地面積小，節(jié)約鋼材和耐火材料。
一、技術(shù)背景與發(fā)展歷程
提高高爐風(fēng)溫在降低高爐燃料消耗、增加噴煤量等方面具有重要影響，是最有效和最經(jīng)濟的節(jié)能減排措施，也是實現(xiàn)低碳綠色煉鐵的重要支撐技術(shù)。高風(fēng)溫對于高爐技術(shù)的發(fā)展起到了巨大的推動作用。
自1979年首鋼開發(fā)出首鋼型頂燃式熱風(fēng)爐并成功應(yīng)用于1327m3高爐至2002年首鋼2號高爐改為改進型內(nèi)燃式熱風(fēng)爐，其中兩座頂燃式熱風(fēng)爐改造為助燃空氣高溫預(yù)熱爐，剩余三座高爐配套頂燃式熱風(fēng)爐正常生產(chǎn)至2010年底首鋼環(huán)保搬遷停爐。經(jīng)過30多年的演變，首鋼型熱風(fēng)爐在熱風(fēng)爐燃燒器、耐材砌筑、管系布置等方面為國內(nèi)外頂燃式熱風(fēng)爐技術(shù)的發(fā)展積累了寶貴經(jīng)驗。圖1為北京首鋼工業(yè)遺址公園中首鋼型頂燃式熱風(fēng)爐實景展示情況。
從2004年開始，頂燃式熱風(fēng)爐作為行業(yè)關(guān)鍵共性技術(shù)在全國推廣。2009年首鋼京唐公司首次成功將BSK新型頂燃式熱風(fēng)爐應(yīng)用于兩座5500m3特大型高爐，達到國際領(lǐng)先水平。其順利投產(chǎn)為頂燃式熱風(fēng)爐在中國的推廣起到了積極示范作用。此后首鋼工程一直致力于頂燃式熱風(fēng)爐技術(shù)的研究、開發(fā)與推廣。
首鋼工程新型頂燃式熱風(fēng)爐，集成了國內(nèi)外熱風(fēng)爐的優(yōu)點，并實現(xiàn)了自主創(chuàng)新和提高，形成了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的一系列核心技術(shù)，在提高熱風(fēng)溫度、延長熱風(fēng)爐壽命、節(jié)能環(huán)保以及減少占地面積、節(jié)約投資等方面具有顯著優(yōu)勢。其技術(shù)研究路線如圖2所示。
二、技術(shù)先進性及創(chuàng)新成果
（一）新一代高效超凈燃燒器助力超低排放
燃燒器的工作情況直接影響熱風(fēng)溫度和熱效率、污染物排放濃度。頂燃式熱風(fēng)爐的燃燒空間有限，為充分利用拱頂空間，使煤氣燃燒完全，并使高溫?zé)煔庠谛顭崾腋褡哟u內(nèi)均勻分布，主流燃燒器都采用了擴散燃燒技術(shù)，主要為環(huán)形陶瓷燃燒器。布置方式為：煤氣、助燃空氣噴口沿圓周切線方向布置，其中下環(huán)助燃空氣噴口設(shè)置在燃燒器的下部并呈向上的傾角，使噴出的氣流以一定的速度在預(yù)混室內(nèi)交叉混合并向下旋流，強化煤氣與助燃空氣的擴散混合，以實現(xiàn)煤氣完全燃燒。
首鋼工程最新設(shè)計的高效旋流擴散式大功率陶瓷燃燒器的CFD仿真分析，如圖3、圖4所示。結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)驗證，其具有如下特點：
一是燃燒充分，混合均勻。高爐煤氣和助燃空氣在燃燒器內(nèi)旋轉(zhuǎn)混合充分，可有效降低助燃空氣過剩系數(shù)，提高燃料利用率。燃燒后的高溫?zé)煔夥植季鶆?，能夠提高格子磚的利用效率，CO燃燒耗散率低于20ppm，系統(tǒng)熱效率達到85%以上。
二是燃燒器結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，使用壽命長。該燃燒器在介質(zhì)流量30%-140%的范圍內(nèi)均能穩(wěn)定燃燒，可適應(yīng)各種溫度的燃燒介質(zhì)，工程應(yīng)用燃燒器單體燃燒功率最大達到180MW，在服役期間，不需要單獨對燃燒器進行修理和維護。
三是達到超凈排放標(biāo)準(zhǔn)。采用高溫低氧燃燒法，合理抑制氧氣的供給、降低燃燒產(chǎn)物中氧氣的濃度，實現(xiàn)既能保證CO完全燃燒，又能降低煙氣中NOx濃度。工程運行后效果良好，以國內(nèi)某2500m3高爐為例，其排放CEMS監(jiān)測氮氧化物（以NO2計），檢測值<50mg/Nm3，遠低于鋼鐵工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。
（二）增強蓄熱能力實現(xiàn)高風(fēng)溫技術(shù)
1.熱風(fēng)爐拱頂溫度控制
提高熱風(fēng)爐拱頂溫度是實現(xiàn)高風(fēng)溫的一個基本前提和必要條件。過去，我國多數(shù)鋼鐵廠缺乏高熱值煤氣、雙預(yù)熱技術(shù)也不過關(guān)，熱風(fēng)爐的拱頂溫度偏低。隨著頂燃式熱風(fēng)爐技術(shù)的推廣應(yīng)用，配置助燃空氣高溫預(yù)熱技術(shù)，在全燒高爐煤氣條件下，中國部分先進大型高爐風(fēng)溫水平已達到國際一流水平，特別是京唐、湛江和日照等8座5000m3以上巨型高爐，其中7座高爐采用了頂燃式熱風(fēng)爐配置助燃空氣高溫預(yù)熱技術(shù)，風(fēng)溫均達到了1250℃甚至更高。在拱頂溫度已不再是高風(fēng)溫的關(guān)鍵技術(shù)難題時，必須要將拱頂溫度控制在合理范圍內(nèi)，減少拱頂溫度與風(fēng)溫的差值。
理論研究表明，當(dāng)拱頂溫度超過1420℃時，NOx會大量生成，導(dǎo)致熱風(fēng)爐爐殼出現(xiàn)晶界應(yīng)力腐蝕，嚴重影響熱風(fēng)爐壽命和安全，成為當(dāng)前限制熱風(fēng)爐提高風(fēng)溫的重大技術(shù)障礙之一。從熱風(fēng)爐實踐情況來看，熱風(fēng)爐拱頂溫度控制在1380℃以下是比較安全的溫度區(qū)間，例如首鋼通鋼3號高爐，配置3座頂燃式熱風(fēng)爐，在全燒高爐煤氣的情況下通過空氣高溫預(yù)熱技術(shù)，熱風(fēng)爐的拱頂實際操作溫度長期保持在1380℃左右，熱風(fēng)爐爐殼情況良好。
2.熱風(fēng)爐廢氣溫度控制
提高熱風(fēng)爐的最高煙氣溫度可以增加蓄熱室傳熱的對數(shù)溫差，有利傳熱、提高風(fēng)溫。在熱風(fēng)爐系統(tǒng)配置煙氣余熱回收裝置以前，提高熱風(fēng)爐廢氣溫度，會降低熱風(fēng)爐系統(tǒng)的熱效率，造成能源浪費，因此熱風(fēng)爐煙氣最高溫度一般都在300℃以下。隨著裝備水平的提高，現(xiàn)在大部分熱風(fēng)爐都配置了煙氣余熱回收裝置，利用回收熱風(fēng)爐煙氣的熱量來提高熱風(fēng)爐系統(tǒng)的熱效率，這為熱風(fēng)爐通過提高廢氣溫度的方法來提高風(fēng)溫提供了條件。為提高熱風(fēng)爐廢氣的溫度，現(xiàn)代熱風(fēng)爐爐箅子普遍采用耐熱鑄鐵制造，為了運行安全，煙氣最高溫度在400-450℃之間。若想繼續(xù)提高廢氣溫度，就要打破現(xiàn)在爐箅子材質(zhì)的限制，要做更多的工程研究和實踐。提高熱風(fēng)爐廢氣的最高溫度，能夠顯著提高風(fēng)溫，但是隨著廢氣最高溫度的升高，此手段提高風(fēng)溫的效果在逐步下降。
3.熱風(fēng)爐燃燒-蓄熱能力配置
選用旋流高效燃燒、強化擴散混合、低氮氧化物和低空氣過剩系數(shù)的大功率燃燒器，配置20mm或25mm小孔徑高效格子磚，格子磚蓄熱面積大、填充率高，在高溫段格子磚上涂覆高輻射材料，增強蓄熱體的對流換熱和輻射換熱效率，提高蓄熱室蓄熱能力，搭配智能燃燒控制模型，通過檢測煙氣中的殘氧和CO含量，調(diào)控空、煤氣流量，實施燃燒過程控制，搭配空、煤氣高效預(yù)熱系統(tǒng)，在全燒高爐煤氣條件下可穩(wěn)定實現(xiàn)1250℃高風(fēng)溫。
（三）熱風(fēng)系統(tǒng)長壽安全穩(wěn)定運行技術(shù)
1.低應(yīng)力-無過熱熱風(fēng)爐管道長壽技術(shù)
熱風(fēng)管系屬于高溫高壓管系，在設(shè)計上屬于復(fù)雜管道，生產(chǎn)上也屬于問題頻發(fā)的地方。首鋼工程利用三維設(shè)計和仿真，對熱風(fēng)、冷風(fēng)等重要管道進行全面受力分析，對管道的應(yīng)力、載荷、位移等多項指標(biāo)進行全面比較與優(yōu)化，合理控制了管系間的應(yīng)力分布和管道內(nèi)耐火材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
在管系應(yīng)力分布控制方面，在熱風(fēng)爐、熱風(fēng)支管、總支管三岔口處設(shè)置有熱風(fēng)管道三角形柔性大拉桿裝置，如圖5所示，能夠有效吸收熱風(fēng)爐爐殼上漲，減少管殼和爐殼的應(yīng)力，提高熱風(fēng)爐和管道的穩(wěn)定性，特別適用于熱風(fēng)出口較高、爐殼上漲量較大的頂燃式熱風(fēng)爐。在熱風(fēng)管道上設(shè)置有通長大拉桿和壓力平衡補償器，既提高了管系的穩(wěn)定性，降低三岔口、補償器等部位的應(yīng)力，又避免了管系受力變形造成的掉磚、鋼殼開裂等問題。
實踐表明，熱風(fēng)管道的串風(fēng)、掉磚主要集中在管道三岔口與補償器區(qū)域。首鋼工程在耐材砌筑方面，通過工程實踐的不斷檢驗，在關(guān)鍵部位研發(fā)出了行之有效的砌筑結(jié)構(gòu)形式，包括三岔口部位采用多層獨立膨脹組合磚結(jié)構(gòu)，補償器部位設(shè)置異型磚或?qū)Я鞔u等形式，增強了砌體穩(wěn)定性，實現(xiàn)了熱風(fēng)管道長期穩(wěn)定工作，在多個熱風(fēng)管道新建及改造項目中表現(xiàn)出色。
2.熱風(fēng)爐本體的安全長壽技術(shù)
首鋼工程開展了大型高爐熱風(fēng)爐破損調(diào)查和應(yīng)力分析，明確了熱風(fēng)爐爐殼開裂的影響因素及機理，提出了兼顧應(yīng)力控制和爐殼防腐的熱風(fēng)爐爐殼修復(fù)技術(shù)，并首創(chuàng)采用了新型耐腐蝕不銹鋼—高強合金鋼的復(fù)合爐殼結(jié)構(gòu)。熱風(fēng)爐本體問題主要出現(xiàn)在拱頂和熱風(fēng)出口連接部位，通過吸收改進型內(nèi)燃式熱風(fēng)爐拱頂設(shè)計經(jīng)驗，首鋼工程提出了頂燃式熱風(fēng)爐圓弧擬合懸鏈線的獨立拱頂結(jié)構(gòu)，圓弧擬合的懸鏈線拱頂下部設(shè)置了托磚圈，使其與拱頂直段相互脫開、相互獨立，避免了爐體耐材上漲對拱頂帶來的危害，提高了熱風(fēng)出口的壽命。在爐本體耐材砌筑上，采用多段獨立支撐砌筑結(jié)構(gòu)，燃燒器、拱頂燃燒室支撐在磚托上，蓄熱室大墻支撐在爐底板上，各部位砌體之間設(shè)有迷宮式滑動縫連接，不受熱膨脹影響。這些技術(shù)的集成應(yīng)用確保了熱風(fēng)爐本體的安全長壽穩(wěn)定運行。
3.熱風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)
首鋼工程設(shè)計研發(fā)出熱風(fēng)爐爐體及熱風(fēng)管道紅外熱成像實時監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了熱風(fēng)爐系統(tǒng)溫度及其變化的實時在線連續(xù)監(jiān)測；研發(fā)出不同布置形式的熱風(fēng)爐監(jiān)控設(shè)置方式，實現(xiàn)了高爐熱風(fēng)系統(tǒng)全過程、全方位的智能化監(jiān)控。
（四）無擾動換爐技術(shù)
1.熱風(fēng)爐外均壓技術(shù)
京唐3號高爐熱風(fēng)爐在國內(nèi)巨型高爐首次采用單獨風(fēng)源為熱風(fēng)爐安全快速充壓。這項技術(shù)徹底改變了現(xiàn)有鼓風(fēng)機充壓換爐的工藝模式，消除了高爐生產(chǎn)對于熱風(fēng)爐運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)制約，使得熱風(fēng)爐系統(tǒng)工藝可以獨立運行，是熱風(fēng)爐系統(tǒng)全流程自動化、智能化的技術(shù)基礎(chǔ)。外均壓系統(tǒng)即為熱風(fēng)爐設(shè)置一套獨立的充壓裝置：包括獨立的高壓氣罐，為高壓氣罐充壓（間歇式）的空壓機，高壓氣罐通過帶有充壓閥組的高壓充壓管道與每座熱風(fēng)爐帶充壓切斷閥的充壓進氣管道相連接，通過這個獨立的高壓充壓裝置為每座熱風(fēng)爐進行快速充壓操作。每次充壓時不會對高爐風(fēng)壓產(chǎn)生影響，可以實現(xiàn)小壓差大流量安全充壓，比常規(guī)的充壓過程所花費的時間縮短50%以上，可延長熱風(fēng)爐的有效燒爐時間。
2.熱風(fēng)爐廢風(fēng)回收技術(shù)
廢風(fēng)回收是指將熱風(fēng)爐換爐操作由“送風(fēng)”狀態(tài)轉(zhuǎn)為“燃燒”狀態(tài)放散掉的帶溫度和壓力的熱風(fēng)予以部分回收，把熱風(fēng)爐充壓和排壓相結(jié)合。不僅裝備4座熱風(fēng)爐的系統(tǒng)可以進行廢風(fēng)回收，而且采用3座熱風(fēng)爐的系統(tǒng)一樣可以進行廢風(fēng)回收，該技術(shù)既可節(jié)能降耗，又能降低噪音。
（五）智能化控制技術(shù)
首鋼工程通過建立準(zhǔn)確的、多變量參數(shù)的熱風(fēng)爐信息物理系統(tǒng)，基于數(shù)字模型對蓄熱和送風(fēng)趨勢進行預(yù)測，根據(jù)預(yù)測結(jié)果，借助機器學(xué)習(xí)構(gòu)建人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行推演，獲得對空、煤氣調(diào)節(jié)閥的智能化感知和控制決策，研發(fā)了熱風(fēng)爐數(shù)智化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了熱風(fēng)爐自動燃燒控制系統(tǒng)升級換代，在京唐2號高爐熱風(fēng)爐系統(tǒng)中取得顯著成效，實現(xiàn)了由傳統(tǒng)的反饋型控制向智能預(yù)測型控制的轉(zhuǎn)變，系統(tǒng)具有自感知、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)和自決策能力。圖6為首鋼工程智能燃燒控制系統(tǒng)畫面。該系統(tǒng)不但降低了操作人員的勞動強度，而且使熱風(fēng)爐拱頂溫度波動更小，控制更精準(zhǔn)、安全，減少燃料浪費，節(jié)約運行成本。
三、技術(shù)特色及典型業(yè)績
采用新一代高效超凈陶瓷燃燒器，混合效果佳、燃燒更充分，同比條件下空氣過剩系數(shù)可從10%降低到3%左右。在熱風(fēng)爐智能燃燒模型的加持下，不但可以提升火焰的溫度、提高風(fēng)溫，而且煙氣中的NOx、CO有害氣體排放量更少，NOx排放濃度小于50mg/Nm3，CO排放濃度小于20ppm，煙氣不需要脫硝也可以實現(xiàn)超凈排放，不但提升了熱風(fēng)爐的環(huán)保和能效水平，而且也節(jié)約了煙氣處理的工程投資和運行費用。
熱風(fēng)爐安全技術(shù)可以有效延長熱風(fēng)爐的服役壽命，降低日常維護量，減少因熱風(fēng)爐問題給高爐帶來的休風(fēng)停產(chǎn)影響。熱風(fēng)爐長壽技術(shù)可以延長熱風(fēng)爐工程建設(shè)周期，增加投資回報，節(jié)約企業(yè)的工程建設(shè)成本，具有顯著的經(jīng)濟效益。
近年來，國內(nèi)重點鋼鐵企業(yè)平均風(fēng)溫一直在1150℃徘徊，與1250℃先進水平相比仍有100℃左右的差距。若風(fēng)溫提高100℃，達到1250℃，按照每年鐵水8.7億噸計算，大約可節(jié)約焦炭870萬噸，減少CO2排放2600萬噸。
首鋼工程高效低碳長壽高風(fēng)溫?zé)犸L(fēng)爐技術(shù)成功應(yīng)用在京唐、遷鋼、湘鋼、漣鋼、水鋼、長鋼、昆鋼、新冶鋼等多家鋼鐵企業(yè)，如圖7、圖8所示。以2500m3高爐為例，熱風(fēng)爐燃燒量在設(shè)計范圍30%-140%的工況條件下仍能夠可靠工作，噸鐵煤氣消耗380Nm3/t，煙氣中NOx排放濃度低于50mg/Nm3、CO排放濃度小于20mg/Nm3，在拱頂溫度1370℃條件下，風(fēng)溫達到1250℃，完全滿足大型高爐高效低碳高風(fēng)溫生產(chǎn)要求。實踐證明，與同類技術(shù)相比，熱風(fēng)爐系統(tǒng)熱效率可提高2%-4%，達到85%以上，拱頂溫度與送風(fēng)溫度之間的差值可減小到80-100℃，與傳統(tǒng)燃燒器相比節(jié)約煤氣5%-8%，熱風(fēng)爐煙氣中NOx和CO排放濃度分別降低到50mg/Nm3和20mg/Nm3以下，基本實現(xiàn)“近零排放”，在熱風(fēng)爐加熱風(fēng)量相近的工藝條件下，降低工程投資約10%-18%。
首鋼工程致力于創(chuàng)新研發(fā)熱風(fēng)爐技術(shù)，多年來共擁有32項熱風(fēng)爐相關(guān)國家專利（含發(fā)明專利14項），獲得省部級科技獎8項（含一等獎5項）。該技術(shù)在高爐煉鐵降低碳排放、實現(xiàn)極致能效、推進環(huán)境保護等方面具有重大示范意義。
四、結(jié)語
首鋼工程熱風(fēng)爐技術(shù)發(fā)展的50年，也是鋼鐵工業(yè)飛速發(fā)展的50年。在這50年中首鋼工程憑借敢想敢干的拼搏精神創(chuàng)造了多項世界第一，首鋼京唐BSK頂燃式熱風(fēng)爐為首鋼和國家在熱風(fēng)爐領(lǐng)域贏得了榮譽，為頂燃式熱風(fēng)爐技術(shù)在國內(nèi)外的推廣寫下了濃墨重彩的一筆。
新一代首鋼工程人對于熱風(fēng)爐的研究并未止步，為滿足高溫長壽低碳的市場需求，開發(fā)出了超凈燃燒器、高效格子磚、菱形改進爐箅子、熱風(fēng)爐智能化操作等一系列技術(shù)。展望未來，熱風(fēng)爐技術(shù)不應(yīng)僅是細節(jié)優(yōu)化，更應(yīng)緊跟時代，基于大數(shù)據(jù)平臺，將智能化操作與熱風(fēng)爐工程設(shè)計相融合，從而設(shè)計出新一代符合市場需求的熱風(fēng)爐，促進熱風(fēng)爐技術(shù)良性發(fā)展。
