劉全興
（青島特鋼有限公司）
摘 要：在高爐全面實行精料、高風溫、高富氧噴煤、高頂壓、自動化等條件下，高爐利用系數(shù)普遍提高到預期水平。高爐工序降低成本的壓力增大，提高風溫，提升熱風爐能效受到普遍重視，有力地推動煉鐵高質(zhì)量發(fā)展。文中結(jié)合生產(chǎn)實踐介紹了一系列涉及結(jié)構(gòu)設(shè)計改進、技術(shù)改造、優(yōu)化操作和管理提高風溫，提升能效的關(guān)鍵技術(shù)和優(yōu)化措施。對當前某些廠家?guī)讉€常見問題進行了分析探討。
關(guān)鍵詞：熱風爐；熱風溫度；能源；效率；操作
1 高爐熱風爐能效提升的意義
在當前鋼鐵企業(yè)成本壓力升高，盈利空間收窄的形勢下，都十分關(guān)注新技術(shù)、新材料的應(yīng)用，提高風溫、節(jié)能增效已成為首選。一般來說，熱風爐供給高爐熱風的熱量約占煉鐵生產(chǎn)消耗熱量已由過去的19%增加至25%~30%；它消耗的高爐煤氣約占高爐煤氣發(fā)生量已由40%降低至29%~35%。我們認為，熱風爐使用低熱值高爐煤氣獲得高風溫是最大的能源效率。通過技術(shù)手段進一步合理組織熱風爐的熱交換過程和余熱回收利用，充分挖掘潛力，提高經(jīng)濟效益成為提升能效的重要任務(wù)。因此提高熱風爐的熱效率對降低能耗具有很大現(xiàn)實意義。
提高風溫和提升能效并舉是高爐熱風爐發(fā)展的兩大趨勢。一是大力提高風溫，在1200℃基礎(chǔ)上，通過全系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新，全方位迭代升級，實現(xiàn)1300~1350℃超高風溫；重點解決送風系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計，鋼材、耐火材料改進與精準砌筑、智能化操作控制以及高爐操作如何使用等問題；二是科學用能，提升能效。企業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展，設(shè)備更新改造，熱風爐少投入進行改型大修，抓住機遇期，實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展。
提升能效的原則：（1）能源科學配置、煤氣能源不能降質(zhì)使用；（2）化學能優(yōu)先使用，轉(zhuǎn)化次之，獲得最大的能源利用價值和效益；（3） 工藝技術(shù)的選擇要先進成熟，流程順暢，操作簡單，運維費用低，安全可靠。
煤氣可以給企業(yè)帶來經(jīng)濟效益。企業(yè)在做到安全生產(chǎn)“零事故”的同時更加渴望應(yīng)用節(jié)能降耗減排的新工藝、新技術(shù)、新材料，以解決問題,獲得“雙碳”目標和可觀的經(jīng)濟效益。
冶金企業(yè)能源平衡新趨勢：（1）能源價格上漲，加重影響制造成本；（2）絕大部分自產(chǎn)能源在體系內(nèi)循環(huán)；（3）成本控制需要重新評價能源需求，改變工藝用途；4） 新能源發(fā)展規(guī)模壯大，消納體系面臨體制機制優(yōu)化；（（5）能源效率提升成為新增長點，合理配置越來越受到重視！
提高能源轉(zhuǎn)化效率是熱風爐綠色節(jié)能的基石。用單一高爐煤氣作最大的能源為燃料，采用高效預熱技術(shù)，熱風爐實現(xiàn)1300 ℃高風溫本身就是最佳能源利用。我們進一步提升能效需解決如下問題：包括爐型選擇，關(guān)鍵是設(shè)計滿足高溫、長壽、抗熱震性能好、燃燒過程的空氣過剩系數(shù)極低的陶瓷燃燒器。合理的蜂窩磚結(jié)構(gòu)與材質(zhì)，隔熱材料選擇，優(yōu)化熱風系統(tǒng)用鋼板，自動化、信息化支撐的智能化操作法；穩(wěn)定工作30年。余熱回收利用，抑制NOx的生成，超低排放“一攬子”解決方案。
2 熱風爐結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計對熱風爐能效提升的影響
2.1 熱風爐設(shè)備的“痛點”
據(jù)技術(shù)文獻，研究國內(nèi)多個鋼鐵企業(yè)的熱風爐中發(fā)現(xiàn)以下痛點：
痛點1：最大的痛點是熱風系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。具體表現(xiàn)為：
部分頂燃熱風爐熱風出口掉磚、鋼殼因竄風而紅熱、鼓包；熱風支管紅熱、波紋膨脹圈紅熱、支管與總管三岔口處掉磚等現(xiàn)象。雖然各廠出現(xiàn)的這些現(xiàn)象嚴重程度不同，但這幾乎成了目前頂燃熱風爐的通病。（案例：沙鋼；寶鋼；鞍鋼等）
痛點2：熱風爐配置標準低，設(shè)計標準不高；耐火材料選擇檔次低；燃燒器功能不足；智能化程度低；煤氣消耗高，風溫低；
痛點3：煤氣含塵量高，影響燃燒和操作；送風阻力9kPa，磚體有堵塞現(xiàn)象；
痛點4：煤氣設(shè)施磨損、腐蝕，工作壽命降低；（案例：寶鋼、青鋼等沿海廠家）
痛點5：助燃風機選型偏低；供風能力不足；
痛點6：爐殼晶間應(yīng)力腐蝕凸顯開裂（湛江、太鋼、安陽）；
痛點7：爐皮燒紅、鼓開，爐底板漏風；
痛點8：換熱器換熱效率降低，泄漏煤氣；
痛點9：能源管理缺陷，不能優(yōu)先保證熱風爐用能；
痛點10：煤氣事故、操作事故多發(fā)。
2.2 熱風爐爐型選擇
熱風爐形式選擇：經(jīng)過20年的成功探索與實踐，從風溫水平、投資、壽命、節(jié)能、熱效率、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和煙氣均勻度諸多方面考慮，選擇卡魯金頂燃式熱風爐成為普遍共識。
對于現(xiàn)有熱風爐技術(shù)改造方興未艾：例如鞍鋼新1號高爐（3200m3）；鞍鋼11號高爐（2580m3）；昆鋼6號高爐（2000m3）；南京1號高爐（2000m3）已經(jīng)改造完成。國有企業(yè)還有一些內(nèi)燃式熱風爐擬進行升級改造。
球式熱風爐改造為蜂窩磚，效果也很好。
2.3耐火材料的改進與優(yōu)化
自寶鋼高爐熱風爐開始引進使用七孔蜂窩磚（38.08m2/m3）以來，經(jīng)過40年的研究、探索與發(fā)展，又有多材質(zhì)、多系列、多孔徑、多規(guī)格的蜂窩磚研發(fā)成功并得到廣泛應(yīng)用。目前，以小孔徑19孔（高效19孔Ø30mm, 55.14m2/m3）和37孔（高效37孔Ø20mm, 73.36m2/m3）居多，還有異形高效蜂窩磚：內(nèi)六方，帶水平通道等，深受用戶歡迎。
隨著孔徑減小，蜂窩磚材料利用率大幅度提高。采用不同孔徑蜂窩磚對應(yīng)的蓄熱室尺寸的比較，小孔蜂窩磚的熱風爐高度降低，37孔（20mm孔徑）蜂窩磚技術(shù)優(yōu)勢明顯，越來越多的用戶選擇37孔蜂窩磚技術(shù)，高度降低，膨脹小，大幅度降低投資。
2.4高效燃燒器是熱風爐的 “引擎”
熱風爐燃燒器的發(fā)展歷程：從金屬套筒燃燒器，一爐一機；到后來的各種陶瓷燃燒器探索的道路漫長而坎坷：主要有磷酸鹽耐熱混凝土大塊套筒燃燒器；矩形燃燒器（武鋼）；柵格燃燒器（寶鋼）；還有環(huán)形燃燒器、錐形、旋切、多孔介質(zhì)噴射燃燒器等等。
高效燃燒器特征：燃燒介質(zhì)混合充分、均勻，燃燒功率大；煙氣分布無盲區(qū)。高溫煙氣形成多個三維渦流區(qū)域，局部渦流會形成局部高溫區(qū)，能量聚集；輻射傳熱、二次預熱充分；理論燃燒溫度高，空氣過剩系數(shù)低，溫度升高，分子動能增加；拱頂溫度與風溫差值較低，風溫提高，能效提升。
2.5智能化燃燒控制系統(tǒng)的應(yīng)用
1）同等條件下，節(jié)約煤氣約4%~8%；
2）提高風溫約10℃～15℃左右；
3）拱頂溫度平穩(wěn)控制，能抑制燒爐過程拱頂溫度的波動；
4） 克服煤氣壓力波動的時間≤25s；
5）能快速提升拱頂溫度的加熱時間≤10min；
6）減輕工人勞動強度；實現(xiàn)真正意義上智能化操作。
3 熱風爐優(yōu)化操作及關(guān)鍵技術(shù)
高爐熱風爐關(guān)鍵技術(shù)劃分：（1）燃燒技術(shù)；(2) 傳熱技術(shù)；(3) 氣流流動；(4) 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；(5) 環(huán)保排放。
3.1 提升熱風爐能效的關(guān)鍵技術(shù)集成
提升能效注重這些切實可行“細節(jié)”，每一項都具有明顯實效。
3.1.1結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方面：（1）爐型選擇；（2）系統(tǒng)優(yōu)化熱風爐設(shè)備配置；（3） 系統(tǒng)絕熱保溫，降低散熱損失；（4）空間優(yōu)化布置，熱風爐靠近高爐； （5）降低熱風爐高度； （6）蜂窩磚小孔化；（7）注重燃燒介質(zhì)預熱，回收余熱； （8）采用優(yōu)質(zhì)耐火材料和高效燃燒器；（9）采用高輻射覆層技術(shù)的應(yīng)用；（10）回收高爐爐頂均壓放散煤氣等等。
3.1.2設(shè)備操作管理改進方面：（1）精準計量；（2）優(yōu)先用能；（3）提高和穩(wěn)定煤氣壓力； （4）改造助燃風機，保證風量；（5） 改造換熱器；（6）富氧燃燒；（7）智能燃燒控制系統(tǒng)；（8）增加熱風爐蓄熱體量；（9）降低空氣過剩系數(shù)；（10）降低漏風率；（11） 減少換爐和燜爐時間；（12）增加一座熱風爐。（13）減少各類事故等等。
3.2 熱風爐設(shè)備改造，提高風溫的解決方案
小規(guī)模投資，不影響送風系統(tǒng)安全運行的前提下，歸納以下措施：
（1） 增加蓄熱體裝入量。不限形式，不限規(guī)整與否，裝滿。。可提高風溫30~40℃；
（2）提高和穩(wěn)定煤氣壓力，強化燃燒，可提高風溫約10℃～15℃；
（3）高輻射覆層技術(shù)的應(yīng)用，可提高風溫約20℃～25℃左右；
（4）改造助燃風機；
（5） 改造換熱器，提高預熱溫度；
（6）富氧燃燒；
（7）采用智能燃燒控制系統(tǒng)，可提高風溫約10℃～15℃左右；
（8）增加一座熱風爐，可提高風溫約50℃。
采用上述小幅度提高風溫技術(shù)措施，提高風溫20-40℃是可行的；若增建一座爐，經(jīng)濟效益十分可觀。
4. 問題與討論
熱風爐操作是一切工藝技術(shù)的歸宿和集中體現(xiàn)。對熱風爐操作規(guī)律的認知決定著熱風爐發(fā)展的導向。近幾年風行在高爐熱風爐相關(guān)的詞匯，如“低能耗、高熱效率、無波動換爐、超長時間均壓”等等，這些反常觀點和做法使人困惑；在一些媒體上常見的諸如“超低煤氣消耗、超高熱效率”等等宣傳標題，在行業(yè)內(nèi)造成混亂。這些亂象既沒有理論基礎(chǔ)，也沒有實踐數(shù)據(jù)支撐。缺乏量化指標，或者沒有可信度高的數(shù)據(jù)信息和客觀分析，容易對用戶帶來困惑或誤導。
4.1熱風爐煤氣單耗是多少？
在冶金企業(yè)噸鐵煤氣單耗分為廣義和狹義兩種情況：廣義煤氣單耗是指煉一噸鐵消耗溫的煤氣。包括與熱風爐用量和煉鐵有關(guān)全系統(tǒng)其他用途，例如爐前烤出鐵溝、撇渣器，烤流咀，烤泥套，烤鐵水罐，噴煤加熱爐，礦槽流嘴保溫、原料場防凍用煤氣等等。其它防寒保溫項目的煤氣都應(yīng)該納入到噸鐵煤氣單耗之內(nèi)。狹義煤氣單耗是指僅僅熱風爐自身用量對應(yīng)的噸鐵單耗。這是兩個概念。某些媒體報道的煤氣單耗不足360m3/t鐵，多數(shù)廠家難以達到，數(shù)據(jù)來源值得推敲。熱風爐煤氣單耗只是構(gòu)成工序能耗的一部分，其指標與多種因素有關(guān)，例如熱風爐結(jié)構(gòu)形式、熱效率、爐料結(jié)構(gòu)、高爐產(chǎn)量、配套設(shè)施、操作水平等。
我們知道，熱風爐是鋼鐵廠用能大戶，據(jù)不完全統(tǒng)計，熱風爐用高爐煤氣約占發(fā)生量的35％左右。煤氣單耗與多種因素有關(guān)。
熱風爐自身煤氣單耗舉例:： 某1080m3高爐，產(chǎn)量3600t/d。熱風爐“兩燒一送”，換爐約10分鐘。煤氣用量45000m3/h.座，煤氣熱值3300kJ/m3，則煤氣單耗為：45000x22ⅹ2x3300÷3600=1.815GJ/t鐵。即550m3/t鐵。
在計量準確的前提下，通常熱風爐煤氣單耗在520~580m3/t鐵之間。
4.2熱風爐 “無波動外均壓”有必要嗎？
長期以來，高爐熱風爐換爐會出現(xiàn)熱風壓力波動，這是一個正常的操作現(xiàn)象。多少年來從未給高爐帶來不利影響，可以說是最成熟的工藝、簡易的布置和可靠操作方法。熱風爐經(jīng)過180秒的充風均壓，保證高爐穩(wěn)定順行沒有問題，所表現(xiàn)出來的熱風壓力＂小尖峰”，鼓風機可以自動修正，完全滿足高爐生產(chǎn)需要。這是一種最安全、最經(jīng)濟、最簡單的“自均壓”方式。
采用所謂“外均壓”的初衷為熱風壓力平穩(wěn)，減少波動；可是最不可取的是另設(shè)一套均壓系統(tǒng)，投資大，操作復雜，運維費用高，是沒有必要的。
建議：四座爐采用“自均壓”或“自均壓”加充壓智能化控制模式更好。
4.3熱風爐充壓時間過長好嗎？
熱風爐充壓，即灌風均壓，一般180s足矣。時間過長（5~10min）勢必占用寶貴的燃燒時間。傳統(tǒng)的“三勤一快”（勤觀察、勤調(diào)節(jié)、勤檢查，快速換爐）操作方法就是爭取燒爐時間，保證蓄熱量，進而保證風溫穩(wěn)定。
少數(shù)廠家出于減少換爐風壓波動的目的，把充壓時間一味延長是非常錯誤的。
4.4熱風爐熱效率可達到多少？
通常分為熱風爐本體熱效率和熱風爐系統(tǒng)熱效率兩個概念。
熱風爐熱效率：一般指熱風爐以送出的熱風溫度支出的熱量占熱風爐加熱（包括冷風帶入熱量）總能量收入的百分比。一般情況下這個比值在70％～75％之間。對某些熱風爐公司所言的熱風爐熱效率可達88%以上不知所云。按現(xiàn)有條件熱風爐熱平衡現(xiàn)狀，熱風爐爐體散熱、熱 風管道散熱，煙道散熱、換熱器散熱和煙氣帶走的熱量，冷卻水、冷卻風帶走的熱量還是不可小覷的。
鞍鋼10號高爐（2580m3）四座外燃式熱風爐采用自身預熱工藝后的能流圖實測數(shù)據(jù)表明：高爐煤氣帶入系統(tǒng)的熱量占80.24%，助燃空氣帶入0.43%，冷風帶入4.43%，預熱助燃空氣（550℃）帶入11.67%，預熱煤氣帶入3.86%；熱風帶出熱量68.8%，排入煙囪廢氣帶出8.72%，熱損失及計算誤差占7.55%。采用自身預熱工藝（助燃空氣預熱到550℃）熱效率由原來73%提高到78%。
柳鋼6號高爐（750m3）球式熱風爐熱平衡實測數(shù)據(jù)表明：高爐煤氣帶入系統(tǒng)的熱量占82.97%，預熱煤氣帶入物理熱5.45%，助燃空氣帶入2.97%，冷風帶入8.60%。熱風帶出熱量77.46%，排入煙囪廢氣帶出9.14%，化學不完全燃燒損失占2.13%，煤氣機械水吸熱1.65%，冷卻水吸熱。1.43%，爐體及管道散熱1.87%。熱效率不到到78%。
熱風爐系統(tǒng)熱效率：包括熱風爐煙道的余熱回收利用，納入到熱風爐系統(tǒng)熱效率之內(nèi)，這個熱效率遠遠的高于熱風爐本體熱效率。眾多實測數(shù)據(jù)表明，一般也不會超過80%。
4.5 熱風爐內(nèi)真的存在“爆炸”嗎？
長期以來，高爐熱風爐以i穩(wěn)定燃燒，高效蓄熱和平穩(wěn)送風而著稱于世。熱風爐蓄熱室蓄熱體能量巨大，保證燃燒的條件足夠充分，這一功能毋庸置疑。
倘若熱風爐正常操作時會存在“爆炸”的可能性，熱風爐的基本工作原理要經(jīng)受挑戰(zhàn)。可以推理，若有爆炸，應(yīng)該爐爐爆炸，次次爆炸才對。其實，實際情況并不是這樣，只是少數(shù)爐、個別次才有燃燒器耐火材料有損壞現(xiàn)象。
有一種觀點認為燃燒器孔道內(nèi)有殘余煤氣不能清除，留有隱患。可是在熱風爐充風時，強大的氣流一定會驅(qū)動和稀釋爐內(nèi)所有部位煤氣的。采用氮氣吹掃是沒有道理的，過去和現(xiàn)在大部分熱風爐并沒有氮氣吹掃一說。氮氣吹掃似是而非，完全沒有必要。
特別是，帶有氮氣吹掃（40s）的熱風爐也出現(xiàn)過燃燒器噴口破損的現(xiàn)象。
4.6 熱風爐存在燃燒振動？如何解決？
從物理學上“共振”術(shù)語：兩個振動頻率相同的物體，當一個發(fā)生振動時，引起另一個物體振動。
外力的振動頻率和波長與物體的固有頻率和波長相等時，振幅最大。足以造成管道顫動、燃燒不正常、設(shè)備損壞和燃燒器砌體的局部損壞 ，失去正常功能。
處理方法：通過加裝某些物體或控制燃燒介質(zhì)壓力、流量等人為干預，調(diào)整頻率和波長，達到減震的目的。
5 結(jié)束語
5.1 高爐熱風爐的發(fā)展已經(jīng)進入平穩(wěn)期，高風溫常態(tài)化。面對企業(yè)的成本壓力的挑戰(zhàn)。鋼鐵企業(yè)要以過程工程為基礎(chǔ)來進一步優(yōu)化企業(yè)結(jié)構(gòu)，通過提高風溫和提升能效重要技術(shù)路線實現(xiàn)“高效、優(yōu)質(zhì)、低耗、長壽、環(huán)保”的目標。
5.2 對熱風爐的關(guān)鍵技術(shù)進行了詳細闡述，例如結(jié)構(gòu)形式的選擇，耐火材料優(yōu)化選擇以及燃燒器的功能作了分析。對熱風爐設(shè)備的痛點進行了總結(jié)和系統(tǒng)剖析。
5.3 對熱風爐的結(jié)構(gòu)與操作相關(guān)的系列問題進行分析探討，例如煤氣單耗、燃燒振動 、外均壓、熱效率等困擾生產(chǎn)的問題提出了明確意見。高風溫熱風系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計注意的問題結(jié)合案例進行了分析并提出了優(yōu)化改進的解決方案。
5.4 展望后疫情時代創(chuàng)新熱風爐關(guān)鍵技術(shù)進步，對于提高風溫、提升能效，降低成本、節(jié)能減排，促進煉鐵高質(zhì)量發(fā)展具有十分重要意義。
參考文獻
[1] 劉全興，高爐熱風爐操作與煤氣知識問答，冶金工業(yè)出版社，2005
[2] 劉全興， 高爐送風系統(tǒng)事故及預防，煉鐵交流，2010.6，21-24
[3] 劉全興，1300℃超高風溫熱風爐高風溫機理研究，煉鐵，2013（2）：56-59
[4] 劉全興，高爐熱風爐技術(shù)改造問題，煉鐵共性技術(shù)研討會，2015
[5] 劉全興，對熱風爐結(jié)構(gòu)幾個問題的探討，煉鐵交流，2023（1）：1-4.
[6] 張福利、蔡簡元、盧向黨，高效節(jié)能高風溫大型球式熱風爐的開發(fā)應(yīng)用于熱平衡測定，煉鐵交流，2005（2）：1-6
[7] 向宏宇、王長春、劉輝凱，太鋼超高溫免維護熱風爐實踐，網(wǎng)絡(luò)文章。
[8] 王長春，與用戶對話——我們熟悉的高爐熱風爐，煉鐵 熱風爐 2024-01-11 ，北京