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量發展。文中結合生產實踐介紹了一系列涉及結構設計改進、技術改造、優化操作和管理提高風溫，提升能效的關鍵技術和優化措施。對當前某些廠家幾個常見問題進行了分析探討。
關鍵詞：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
在當前鋼鐵企業成本壓力升高，盈利空間收窄的形勢下，都十分關注新技術、新材料的應用，提高風溫、節能增效已成為首選。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，提高經濟效益成為提升能效的重要任務。因此提高熱風爐的熱效率對降低能耗具有很大現實意義。
提高風溫和提升能效并舉是高爐熱風爐發展的兩大趨勢。一是大力提高風溫，在1200℃基礎上，通過全系統技術創新，全方位迭代升級，實現1300~1350℃超高風溫；重點解決送風系統優化設計，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。企業轉型發展，設備更新改造，熱風爐少投入進行改型大修，抓住機遇期，實現高質量發展。
提升能效的原則：（1）能源科學配置、煤氣能源不能降質使用；（2）化學能優先使用，轉化次之，獲得最大的能源利用價值和效益；（3） 工藝技術的選擇要先進成熟，流程順暢，操作簡單，運維費用低，安全可靠。
煤氣可以給企業帶來經濟效益。企業在做到安全生產“零事故”的同時更加渴望應用節能降耗減排的新工藝、新技術、新材料，以解決問題,獲得“雙碳”目標和可觀的經濟效益。
冶金企業能源平衡新趨勢：（1）能源價格上漲，加重影響制造成本；（2）絕大部分自產能源在體系內循環；（3）成本控制需要重新評價能源需求，改變工藝用途；4） 新能源發展規模壯大，消納體系面臨體制機制優化；（（5）能源效率提升成為新增長點，合理配置越來越受到重視！
提高能源轉化效率是熱風爐綠色節能的基石。用單一高爐煤氣作最大的能源為燃料，采用高效預熱技術，熱風爐實現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，關鍵是設計滿足高溫、長壽、抗熱震性能好、燃燒過程的空氣過剩系數極低的陶瓷燃燒器。合理的蜂窩磚結構與材質，隔熱材料選擇，優化熱風系統用鋼板，自動化、信息化支撐的智能化操作法；穩定工作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 熱風爐結構優化設計對熱風爐能效提升的影響
2.1 熱風爐設備的“痛點”
據技術文獻，研究國內多個鋼鐵企業的熱風爐中發現以下痛點：
痛點1：最大的痛點是熱風系統的結構不穩定。具體表現為：
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象。雖然各廠出現的這些現象嚴重程度不同，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，磚體有堵塞現象；
痛點4：煤氣設施磨損、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，不能優先保證熱風爐用能；
痛點10：煤氣事故、操作事故多發。
2.2 熱風爐爐型選擇
熱風爐形式選擇：經過20年的成功探索與實踐，從風溫水平、投資、壽命、節能、熱效率、結構穩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。
對于現有熱風爐技術改造方興未艾：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）已經改造完成。國有企業還有一些內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，經過40年的研究、探索與發展，又有多材質、多系列、多孔徑、多規格的蜂窩磚研發成功并得到廣泛應用。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）蜂窩磚技術優勢明顯，越來越多的用戶選擇37孔蜂窩磚技術，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）；還有環形燃燒器、錐形、旋切、多孔介質噴射燃燒器等等。
高效燃燒器特征：燃燒介質混合充分、均勻，燃燒功率大；煙氣分布無盲區。高溫煙氣形成多個三維渦流區域，局部渦流會形成局部高溫區，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的應用
1）同等條件下，節約煤氣約4%~8%；
2）提高風溫約10℃～15℃左右；
3）拱頂溫度平穩控制，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；實現真正意義上智能化操作。
3 熱風爐優化操作及關鍵技術
高爐熱風爐關鍵技術劃分：（1）燃燒技術；(2) 傳熱技術；(3) 氣流流動；(4) 結構穩定；(5) 環保排放。
3.1 提升熱風爐能效的關鍵技術集成
提升能效注重這些切實可行“細節”，每一項都具有明顯實效。
3.1.1結構設計優化方面：（1）爐型選擇；（2）系統優化熱風爐設備配置；（3） 系統絕熱保溫，降低散熱損失；（4）空間優化布置，熱風爐靠近高爐； （5）降低熱風爐高度； （6）蜂窩磚小孔化；（7）注重燃燒介質預熱，回收余熱； （8）采用優質耐火材料和高效燃燒器；（9）采用高輻射覆層技術的應用；（10）回收高爐爐頂均壓放散煤氣等等。
3.1.2設備操作管理改進方面：（1）精準計量；（2）優先用能；（3）提高和穩定煤氣壓力； （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；（8）增加熱風爐蓄熱體量；（9）降低空氣過剩系數；（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 熱風爐設備改造，提高風溫的解決方案
小規模投資，不影響送風系統安全運行的前提下，歸納以下措施：
（1） 增加蓄熱體裝入量。不限形式，不限規整與否，裝滿。。可提高風溫30~40℃；
（2）提高和穩定煤氣壓力，強化燃燒，可提高風溫約10℃～15℃；
（3）高輻射覆層技術的應用，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，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措施，提高風溫20-40℃是可行的；若增建一座爐，經濟效益十分可觀。
4. 問題與討論
熱風爐操作是一切工藝技術的歸宿和集中體現。對熱風爐操作規律的認知決定著熱風爐發展的導向。近幾年風行在高爐熱風爐相關的詞匯，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，在行業內造成混亂。這些亂象既沒有理論基礎，也沒有實踐數據支撐。缺乏量化指標，或者沒有可信度高的數據信息和客觀分析，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全系統其他用途，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該納入到噸鐵煤氣單耗之內。狹義煤氣單耗是指僅僅熱風爐自身用量對應的噸鐵單耗。這是兩個概念。某些媒體報道的煤氣單耗不足360m3/t鐵，多數廠家難以達到，數據來源值得推敲。熱風爐煤氣單耗只是構成工序能耗的一部分，其指標與多種因素有關，例如熱風爐結構形式、熱效率、爐料結構、高爐產量、配套設施、操作水平等。
我們知道，熱風爐是鋼鐵廠用能大戶，據不完全統計，熱風爐用高爐煤氣約占發生量的35％左右。煤氣單耗與多種因素有關。
熱風爐自身煤氣單耗舉例:： 某1080m3高爐，產量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熱風壓力波動，這是一個正常的操作現象。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。熱風爐經過180秒的充風均壓，保證高爐穩定順行沒有問題，所表現出來的熱風壓力＂小尖峰”，鼓風機可以自動修正，完全滿足高爐生產需要。這是一種最安全、最經濟、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，減少波動；可是最不可取的是另設一套均壓系統，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。傳統的“三勤一快”（勤觀察、勤調節、勤檢查，快速換爐）操作方法就是爭取燒爐時間，保證蓄熱量，進而保證風溫穩定。
少數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。按現有條件熱風爐熱平衡現狀，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據表明：高爐煤氣帶入系統的熱量占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據表明：高爐煤氣帶入系統的熱量占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，納入到熱風爐系統熱效率之內，這個熱效率遠遠的高于熱風爐本體熱效率。眾多實測數據表明，一般也不會超過80%。
4.5 熱風爐內真的存在“爆炸”嗎？
長期以來，高爐熱風爐以i穩定燃燒，高效蓄熱和平穩送風而著稱于世。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受挑戰。可以推理，若有爆炸，應該爐爐爆炸，次次爆炸才對。其實，實際情況并不是這樣，只是少數爐、個別次才有燃燒器耐火材料有損壞現象。
有一種觀點認為燃燒器孔道內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動和稀釋爐內所有部位煤氣的。采用氮氣吹掃是沒有道理的，過去和現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）的熱風爐也出現過燃燒器噴口破損的現象。
4.6 熱風爐存在燃燒振動？如何解決？
從物理學上“共振”術語：兩個振動頻率相同的物體，當一個發生振動時，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壓力、流量等人為干預，調整頻率和波長，達到減震的目的。
5 結束語
5.1 高爐熱風爐的發展已經進入平穩期，高風溫常態化。面對企業的成本壓力的挑戰。鋼鐵企業要以過程工程為基礎來進一步優化企業結構，通過提高風溫和提升能效重要技術路線實現“高效、優質、低耗、長壽、環保”的目標。
5.2 對熱風爐的關鍵技術進行了詳細闡述，例如結構形式的選擇，耐火材料優化選擇以及燃燒器的功能作了分析。對熱風爐設備的痛點進行了總結和系統剖析。
5.3 對熱風爐的結構與操作相關的系列問題進行分析探討，例如煤氣單耗、燃燒振動 、外均壓、熱效率等困擾生產的問題提出了明確意見。高風溫熱風系統優化設計注意的問題結合案例進行了分析并提出了優化改進的解決方案。
5.4 展望后疫情時代創新熱風爐關鍵技術進步，對于提高風溫、提升能效，降低成本、節能減排，促進煉鐵高質量發展具有十分重要意義。
參考文獻
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[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