河鋼唐鋼新區熱風爐節能長壽技術

趙良偉

（唐鋼國際工程技術股份有限公司）

0 引言

“綠色鋼鐵”是世界鋼鐵工業發展的共同選擇與發展方向，是鋼鐵工業生存和發展的共同需要[1]。提高熱風爐熱效率，降低燃料消耗，提高熱風溫度是熱風爐的設計指導思想，是高爐煉鐵技術的重要組成部分，也是降低工序能耗、創建資源節約型企業的重要手段[2]。現代高爐普遍采用頂燃式熱風爐，在熱風爐燃燒期，通過燃燒煤氣產生的高溫煙氣，將蓄熱室中的格子磚加熱，儲存熱量；送風期，儲存在格子磚中的熱量將冷風加熱到1 200 ℃以上，持續向高爐提供高風溫。唐鋼新區熱風爐在設計過程中，通過對以往熱風爐熱風出口垮塌、燃燒器崩裂、煤氣消耗量大等問題的深入研究和優化，促進了熱風爐技術向綠色、節能、長壽方向發展。

1 唐鋼新區高爐熱風爐配置

唐鋼新區每座高爐配置3座頂式燃熱風爐，采用“兩燒一送”工作方式。蓄熱室選用19孔d=Φ 25 mm高效格子磚，熱風爐燃料為單一高爐煤氣，設有煤氣和助燃空氣板式雙預熱裝置，兩臺助燃風機集中送風，一用一備。設計采用計算機自動燃燒控制、送風溫度控制及換爐控制等。

表1 熱風爐系統主要技術參數

2 頂燃式熱風爐的優點

頂燃式熱風爐自20世紀70年代末投入運行以來，目前在世界上已經得到了廣泛的應用，部分熱風爐的使用壽命達到20年，運行狀況良好，自動化控制水平較高且成熟、可靠。頂燃式熱風爐具有占地小、壽命長、投資省、風溫高，系統及設備布置合理，方便操作、檢修及維護等優點。采用頂燃式熱風爐，能夠實現高爐風溫持續控制在1 200～1 250 ℃，熱風爐設計壽命大于等于兩代高爐爐齡（30 年）。

3 頂燃式熱風爐存在的問題

通過國內外熱風爐的生產實踐進行研究，發現頂燃式熱風爐還存在一些共性問題：（1）頂燃熱風爐燃燒器的空、煤氣噴嘴有上、下傾角，該部位采用的是小塊磚，因此燃燒器燒嘴部位的砌筑比較薄弱，預燃室發生局部爆燃，燃燒器難以在的惡劣工況下長期穩定工作；（2）頂燃式熱風爐的熱風出口存在應力集中問題，容易出現結構損壞、導致熱風出口垮塌等問題；（3）熱風爐系統還存在格子磚容易渣化、下沉，管式換熱器后期換熱效率低，容易積灰堵塞，熱風管道三岔口容易竄風、掉磚等問題。

4 唐鋼新區熱風爐采用的綠色節能長壽技術

4.1 新型陶瓷燃燒器

傳統燒嘴在使用過程中，煤氣燒嘴易發生爆震引起的損壞、剝落、斷磚、移位，燃燒器存在外部爐皮溫度過高的現象，溫度最高可達450 ℃[3]。燃燒器采用長焰燃燒，造成錐形燃燒室上下部溫差大，導致結露酸根離子的形成，致使爐殼發生晶間腐蝕。

針對上述問題，唐鋼新區熱風爐在設計上采取如下改進措施：（1）煤氣噴嘴采用圓臺、圓槽定位裝置固定，防止爆震的動力造成噴嘴磚移位，做好氮氣吹掃量的計算，防止氮氣吹掃放散不當和吹掃氮氣不足造成的回火損壞，提高燃燒器使用壽命。（2）采用短焰燃燒方式，減少爆震產生。煤氣、空氣燒嘴混合布置，空煤氣充分預混，燃燒時同時具有渦流、旋流，可以提高理論燃燒溫度。研究表明，拱頂溫度大于1 420 ℃時，會產生大量氮氧化物[4]，保持熱風爐拱頂溫度在（1 380±20）℃，可以有效降低NOx排放，防止熱風爐拱頂鋼殼發生晶間腐蝕。而采取短焰燃燒方式能夠縮小拱頂溫度和送風溫差，實現在單純燃燒高爐煤氣的條件下，使送風溫度達到1 250 ℃。

上述改進措施可以使燃燒器空氣過剩系數減小、功率增大、降低拱頂溫度和送風溫差，從而節省煤氣、降低因拱頂溫度過高產出較多的氮氧化物，實現熱風爐的綠色節能長壽。

4.2 復式拱頂結構

傳統頂燃式熱風爐結構中，熱風出口和拱頂共為一體，導致多方向應力集中，主要包括重力、剪切力、膨脹力、下滑力、送風壓力等。應力集中導致傳統頂燃式熱風爐頻頻出現熱風出口爐殼溫度過高、拱頂垮塌等現象，被迫采取降低風溫、熱風出口爐殼淋水降溫及氮氣吹掃冷卻等措施，嚴重時導致熱風爐停爐大修。

河鋼唐鋼新區熱風爐采用復式拱頂結構，將拱頂與大墻完全脫開、燃燒器與拱頂錐段完全脫開，拱頂和燃燒器各自獨立支撐在爐殼之上，將剪切力、下滑力和熱風出口膨脹力分散轉移到爐殼上，可以有效緩解熱風爐出口應力集中問題，實現熱風出口和錐形拱頂結構穩定長壽，提高熱風爐使用壽命。

4.3 高輻射覆層技術

蓄熱室上部格子磚采用高輻射覆層技術，高輻射覆層技術是在物體表面涂覆一層具有高發射率的材料，使物體表面具有很強的熱輻射吸收和輻射能力，使輻射傳熱的效率提高。而熱風爐的熱交換主要以輻射傳熱為主，輻射傳熱量占85%以上，熱風爐送風溫度可高達1 250 ℃，因此，增強輻射換熱量對于提高熱風爐的工作效率和熱效率有重要意義。

高輻射覆層通過強化輻射換熱，提高了格子磚表面溫度，增加了格子磚內外溫度梯度，使格子磚在燃燒期吸熱速度提高，吸熱量增加，送風期放熱速度提高，放熱量增加，強化熱風爐的高溫煙氣與蓄熱體、蓄熱體與空氣之間的傳熱。有覆層的熱風出口溫度平均可以提高20 ℃以上，平均煙氣出口溫度下降10 ℃以上[5]。高輻射覆層技術有效提高了熱風爐熱效率，實現了節能減排，提高了風溫。此外，有覆蓋層的格子磚理化指標也優于無覆層的格子磚，有覆層格子磚的物理性能在耐壓強度和抗折強度等方面優于無覆層格子磚，能夠有效防止格子磚渣化，延長格子磚的使用壽命，從而提高熱風爐使用壽命，詳見表2。

表2 有覆蓋層和無覆蓋層硅質格子磚理化指標對比

4.4 板式換熱器

熱風爐所使用的預熱器是回收熱風爐排出的煙氣余熱，用來加熱助燃空氣和煤氣的設備[6]。一般來講，空氣溫度每提高100 ℃，風溫可以提高35 ℃；煤氣溫度每提高100 ℃，風溫可以提高50 ℃。板式換熱器煙氣和空氣、煤氣通過波紋板片換熱，冷熱流體通過板片傳熱，傳熱距離短，而且由于傳熱板片沿流體流動方向的通道斷面形狀不斷呈波浪形變化，顯著加強了流體的擾動，從而強化了流體的傳熱性能，能夠有效回收熱風爐廢煙氣中的熱量，降低煤氣消耗量。板式換熱器換熱片為冷軋不銹鋼制作，板片表面光滑、不易附著灰塵，具有更小的污垢熱阻，不易積灰堵塞。另外，板片不像熱管會逐漸失效，煤氣、空氣板式預熱器的壽命一般可以達到10年以上。采用板式換熱器空、煤氣換熱后溫度可達200 ℃以上，提高風溫可以降低煉鐵焦比、提高冶煉強度，實現熱風爐綠色節能。熱風爐板式預熱器采用傳熱板片替代傳統熱管或管子傳熱元件，板式換熱器與熱管換熱器性能對比見表3。

表3 板式換熱器與熱管換熱器性能對比

4.5 穩定長壽的熱風管系系統

頂燃式熱風爐的熱風管道不僅存在水平方向熱變形，而且存在較大的垂直方向膨脹變形，熱變形是影響頂燃式熱風爐正常生產的突出問題。通過分析熱風管系的溫度場和應力場，研究熱風管系的組成，優化波紋管、拉桿配置以及耐材砌體結構來解決熱風爐管系熱變形問題。

唐鋼新區熱風爐通過合理設置各種形式的波紋補償器及拉緊裝置，保證熱風管道系統既能夠承受很大的軸向變形，又能夠承受頂燃式熱風爐所特有的熱風管道徑向變形，解決了管道竄風、掉磚問題，適應高風溫要求，形成了完善、配套的低應力長壽型熱風管系綜合技術。

熱風爐耐火材料內襯在高溫、高壓環境下工作，條件十分惡劣[7]。熱風管道工作層選用帶有鎖扣的“Z”型磚砌筑，在密封氣流的同時，使工作層砌筑環環相扣，相互支撐，避免管道掉轉。熱風主支管三岔口采用組合磚砌筑，進風彎管采用高強度陶瓷耐磨澆注料澆筑，提高薄弱部位管道耐材砌筑的整體性，可以有效防止三岔口掉轉和竄風現象的發生。

5 運行效果

唐鋼新區熱風爐于2020年10月送風投產，高爐投產后生產穩定順行，月平均利用系數2.61 t/（m3.d），燃料比500 kg/t，平均送風溫度1 236 ℃，各項指標達到了國內外同類大型高爐的領先水平。

6 結語

在“碳達峰”和“碳中和”的背景下，隨著環保政策要求和煉鐵生產需求，降低熱風爐廢氣中有害氣體排放和熱風爐長壽設計成為主流趨勢，河鋼唐鋼新區熱風爐采用了上述新理解、新技術，體現了熱風爐設計的綠色、節能、長壽理念。