鞍钢热风炉高风温及节能技术

孟凡双,刘德军,郝博

（1.鞍钢股份有限公司炼铁总厂，辽宁 鞍山 114021;2.鞍钢集团钢铁研究院,辽宁 鞍山 114009）

对高炉炼铁而言，热风温度的高低及品质（风温及风压的波动幅度）的优劣对高炉运行稳定性的影响极大。依据各种燃气的产出和使用状况，鞍钢经过多年的探索和实践，在热风炉领域提高热风温度、优化热风品质、降低烧炉煤气单耗，进而提高高炉生产效率方面成功地走出了一条长期坚持使用低热值煤气烧炉的绿色低耗发展之路。至2016年，全厂年平均热风温度已达1 200℃，与2011年相比，热风炉吨铁烧炉煤气单耗降低了407 GJ/t，高炉综合焦比降低了15 kg/t。

鞍钢热风炉高风温及其节能技术的进步共经历了三个阶段:热风炉技术装备革命性改造、高风温及节能关键技术攻关和集成应用及高风温科学利用。

1　鞍钢高炉热风炉现状

鞍钢本部现有8座高炉，经过热风炉技术装备改造后，现高炉配备29座热风炉，其中内燃式热风炉6座，顶燃式热风炉3座，外燃式热风炉20座，大高炉都采用了双预热技术[1]。鞍钢本部热风 炉的基本情况见表1所示。

表1　鞍钢本部热风炉的基本情况

2　热风炉技术装备革命性改造阶段（2003～2009年）

鞍钢股份有限公司炼铁总厂在1991～2000年10年间平均风温水平在1 001℃,2001～2003年勉强升至1 026℃。究其原因，固然有当时原燃料水平、操作理念及操作水平、高炉生产强度等问题，但风温上不去的关键问题在于热风炉的结构形式及其核心技术装备水平落后。因此，鞍钢炼铁总厂在改善原燃料质量的同时，不断提高热风炉的技术装备，引进霍戈文内燃式热风炉、外燃式热风炉、卡鲁金顶燃式热风炉，全烧高炉煤气，通过多种手段[1]，在没有高热值煤气的情况下，风温逐步提高，2007～2009年间，鞍钢热风炉平均风温水平迅速提高到1 070℃。

2.1　鞍钢热风炉结构形式的根本性改造

2.1.1霍戈文热风炉的应用

2003年以前，鞍钢高炉采用传统的内燃式热风炉，由于燃烧室墙的温度分布不均匀，各部分砖衬产生不均匀膨胀等结构缺陷，造成燃烧室与蓄热室间的隔墙开裂窜气，以及火井上部隔墙向蓄热室倾斜倒塌和掉砖等，限制了风温的提高，平均风温在1 000～1 050℃。

霍戈文（Hoogovens）热风炉（国内称之为高温改造内燃式）自1969年问世以来，迄今为止已在十几个国家的几十座高炉推广应用。该热风炉具有结构合理、占地少、投资省、热效率高、风温高、寿命长等优点[1]，鞍钢于2003年前后，引进了霍戈文的“高温长寿式”热风炉。其中2003年鞍钢异地新建1号高炉（3200 m3），引进霍戈文内燃式热风炉，因热风炉采用悬链式拱顶结构，合理的燃烧室，自立式隔墙和矩形燃烧器等优点，所以在大高炉上得到广泛应用，同时采用热管技术对空气和煤气双预热到180～200℃，在高炉煤气富化的条件下，实现风温1 200℃。2010年鞍钢鞍凌公司1号高炉（2600 m3）亦采用此种结构形式的热风炉，平均风温达到1 150～1 200℃。

2.1.2大型外燃式热风炉

外燃式热风炉是内燃式热风炉的进化与发展。1976年鞍钢 6号高炉 （1050 m3）热风炉（AWR-Ⅰ）投产，是我国第一座外燃式热风炉，热风炉经过几次凉炉、再生产和更换格子砖、燃烧器，但双拱顶及连接管、大墙与炉壳均已工作整整30年，可谓是我国的长寿热风炉。进入21世纪，鞍钢自主研发的 7号、10号高炉（2580 m3）热风炉仍采用新日铁外燃式热风炉，一直平稳运行。鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司4038 m3高炉采用的是PW公司大型地得外燃式热风炉。

2006年鞍钢改进外燃式热风炉的技术缺陷，对关键技术采取一系列措施，2号、3号高炉（3200 m3）配套建设4座外燃式热风炉，同时采用2座球炉预热助燃空气方式，空气预热到600℃，煤气使用管式换热器预热到200℃，实现全烧低热值煤气，风温达到1 200℃水平。

2.1.3顶燃式热风炉的应用

顶燃式热风炉高温废气向下分布较为均匀，相对体积小、结构简单，与内燃式热风炉比，节省了大量材料，由于占地面积远小于外燃式热风炉，从而节省了大量投资、降低了消耗。在俄罗斯和乌克兰冶金工厂的1386～3200 m3的高炉上使用了卡鲁金（Kalugin）顶燃式热风炉。由于顶燃式热风炉结构紧凑、高温长寿、热效率高等特点，在我国迅速得以应用。

2009年鞍钢5号高炉引进卡鲁金顶燃式热风炉，同时采用2座预热炉预热助燃空气方式，空气预热到600℃，煤气使用热管换热器预热到200℃，实现低热值煤气风温达1 200℃[2]，峰值风温可达1 250℃。2009年以后鞍钢高炉热风炉风温逐年提高，平均风温在1 200℃以上。鞍钢本部炼铁总厂全厂2003～2016年高炉热风炉风温变化情况见表 2[1]。

表2　2003～2016年高炉热风炉风温变化情况 ℃

2.2　热风炉关键技术的应用

应用前置燃烧炉换热系统和辅助热风炉等热风炉配套关键技术，对新的热风炉结构形式实现高风温必不可少。

2.2.1前置燃烧炉换热系统

德国迪林根（Diligence）罗尔 5 号高炉（2220 m3）采用前置燃烧炉换热系统，在该换热系统中，建有2台金属换热器、1座燃烧炉，利用循环废气可将助燃空气预热到500℃，同时把煤气预热到250℃，用单一的低热值（3 000 kJ/m3）高炉煤气可将风温提高到1 285℃。

这种金属换热器法是一种热工设备的组合，具有较高的灵活性，独立于热风炉而存在，可以根据高炉状态的变化灵活地调节空气和煤气的预热温度，从而提高或降低热风温度，减少或增加预热空气和煤气量[1]。

鞍钢11号高炉 （2580 m3）首次应用了此系统，高炉煤气与助燃空气同时预热至300℃，获得1 200℃以上风温。此外，双预热还能减少高炉煤气的放散，既可节约能源，又能净化环境。

2.2.2辅助热风炉

辅助热风炉就是在正常建设热风炉的同时，建设2座辅助热风炉，用于预热热风炉的助燃空气，所以它的作用与热风炉的作用相同，是预热气体介质。辅助热风炉燃料为过剩的高炉煤气，用于预热热风炉用助燃空气，供热风炉烧炉，大幅度提高助燃空气物理热，风温可达到1 200℃以上。辅助热风炉的操作与热风炉的操作相同，采用全计算机操作和控制，同时设立混风室，预热的助燃空气温度可根据高炉需要风温来控制，预热温度一般控制在300～600℃，可控性强、操作灵活，可节省大量的高热值煤气，多利用高炉煤气，经济效益显著。鞍钢在西区2号、3号高炉（3200 m3）和4号、5号高炉（2580 m3）均采用这种辅助热风炉法。

3　高风温及节能关键技术攻关和集成应用阶段（2010～2013 年）

在热风炉结构形式根本性改造及热风炉关键技术的配套完成后，鞍钢高炉的平均风温迅速提高到1 070℃。但由于原料入炉品位的提高、综合燃料比降低和高炉生产强度的提高等因素，当时的1 070℃风温水平已明显偏低。

在对标研究之后，发现造成鞍钢高炉风温偏低、烧炉煤气单耗高的一个重要原因是2580 m3的高炉存在问题。而鞍钢本部4号高炉因煤气预热器预热管结垢和空气预热炉坍塌越发严重，造成风温仅达1 160℃；7号高炉因短管里外段温度都高（高时可达温度300℃，正常温度应在150℃以下），风温烧不上去，最终造成风温水平在1 140℃；鞍钢11号高炉因煤气管道细，加之10号高炉停炉，造成烧炉煤气压力低，使风温达1 140℃。

对全部高炉热风状态研究分析后，针对鞍钢热风温度低、热风品质差及烧炉煤气单耗高等问题，采取依次从热风生产的烧炉煤气和助燃空气的准备、热风炉内蓄传热效率的提高，热风炉换炉制度的优化及热风科学输送等多环节，以集成创新、自主创新相结合的方式，系统开发了热风炉烟气余热强化回收技术、热风炉富氧燃烧技术、热风炉格子砖应用高辐射覆层黑体涂料技术、热风炉操作制度优化技术、热风炉应用高反射率白体涂料技术、送风系统关键部位预制预警技术等6项关键技术，最终实现热风温度的提高、热风品质的提升及烧炉煤气单耗降低的目的。

3.1　热风炉富氧燃烧技术

鞍钢常年以来存在着氧氮不平衡问题，表现在氮气紧张、氧气过剩。其原因就是用氮设备日益增加，用氧设备相对稳定且随设备检修和氧气使用的不均衡导致波动较大，出现氧氮短期平衡、长期不平衡现象。采用热风炉富氧燃烧技术对富余氧气进行消纳，不仅有效降低氧气放散损失，而且很好地提高了热风炉和高炉的技术经济指标[1]。

2012年12月开展了鞍钢尚属空白的热风炉富氧燃烧技术研究。通过对热能设备调研比较，确定选用热风炉来消纳富余氧气。在试验中，开发了鞍钢独有的氧气高压减压燃烧技术和氧气预混燃烧技术。2013年鞍钢2号高炉优选富氧率为3%，实现了热风炉节能3.4%的目标，见图1。

图1　鞍钢2号高炉热风炉煤气消耗对比

3.2　热风炉操作制度优化技术

针对固定周期换炉制度诸多弊端，开发了热风炉非固定周期换炉技术。该技术最高风温不变，以最低送风温度作为整个热风炉系统换炉工艺的统一控制指标，通过调整燃烧制度，实现后继炉燃烧终点与先行炉的送风终点相匹配；辅以换炉期间风机改为定风压操作，可同时实现风温的大幅提高和风温及风压二者换炉期间无波动，从而实现热风温度及品质的双提高。非固定周期运行方式示意图见图 2[3]。

图2　非固定周期运行方式示意图

图2表明，采用非固定周期换炉，各个热风炉风温均维持在工艺要求的最低温度值以上，从而减小了固定周期换炉的风温波动幅度。非固定周期工作原理见图3。

图3　非固定周期工作原理

图3在先行炉到达燃烧终点转为送风的同时，根据监控数据，通过调整其废气温度的上升速率，使后继炉的燃烧终点与先行炉的送风终点相吻合，同时继先行炉之后向高炉送风。

此项技术2010年底应用于鞍钢5号高炉热风炉，平均风温提高16℃，风温波动幅度降低8.9%，煤气单耗降低 3%[4]。

3.3　强化热风炉烟气余热回收技术

为强化热风炉燃烧、合理提高烧炉煤气与助燃空气的预热温度，根据鞍钢具体情况，充分利用板式换热器传热性能高、压降低、可在线清洗和不易积灰等特点，择优筛选利用板式换热器替代原有的管式换热器前置炉方案，同时进行结构改良，保证板式换热器平均寿命至少达15年。方案实施后，煤气预热温度提高了40℃，风温提高12℃，高炉焦比降低2 kg/t。

3.4　热风炉高效节能涂料应用技术

3.4.1高辐射覆层黑体涂料技术

鞍钢炼铁总厂针对格子砖蓄热及辐射传热能力低、热风炉换热效率低的问题，采用高辐射黑体涂料提高格子砖的表面黑度，开发了鞍钢热风炉高效黑体节能涂料应用技术，先后进行了实验室试验、现场测试及鞍钢与安阳钢厂的对比测试。结果表明，鞍钢5号高炉热风炉的热风平均温度提高23℃，有效热量利用率提高3.89%；同时，热风炉烟气温度降低24℃，热量损失降低2.71%，有利提高高炉热风炉的使用寿命。

3.4.2高反射率白体涂料技术

根据白体涂料的反射率高、热吸收率低的特点，将白体涂料涂刷在热风炉拱顶内表面和热风总管一些部位的内表面，结果白体涂料将90%以上的热射线反射到其内部，有效减少了热设备外表面的散热损失。2012年在鞍钢10号高炉上实施了该技术，年节能率为7.07%，热风温度平均提高16.7℃。热风炉高效节能涂料技术应用示意见图4所示。

图4　热风炉高效节能涂料技术应用示意图

3.5　送风系统关键部位预制预警技术

针对鞍钢炼铁厂高炉热风炉送风管路系统普遍存在的问题，开发了送风系统关键部位预制预警技术，进行了支管热风三叉口、热风短管和拉杆与支座等高炉热风炉送风管道改造工程。预制预警技术应用后，鞍钢3号高炉热风平均温度由1 192℃提升至1 210℃，提高18℃。送风系统关键部位预制预警示意图见图5。

图5　送风系统关键部位预制预警示意图

4　高风温科学利用（2014年至今）

高风温对高炉冶炼实现低消耗、低成本的作用至关重要。但如何评价高炉冶炼中“风温”的高，何为高风温在高炉冶炼上的“科学”利用，是炼铁工作者必须具备的科学理念。尤其是在2010年前后，鞍钢炼铁工作者对待高风温的科学意识更加明确。

4.1　对“高风温”相对性的科学评述

（1）本企业可稳定用于高炉生产的最高热风温度及品质水平。炼铁工作者应当知晓本企业在当下技术装备、烧炉物质条件、操作水平下，可实现的稳定用于高炉生产的最高热风温度及品质水平，以及该水平之下各主要状态对应的热风炉和高炉系列的操作状态和特点。

（2）与本企业“当下”原燃料水平、操作理念及水平相对应的最高热风温度及品质水平。“当下”原燃料水平、高炉操作者的操作理念及水平等是相互影响的，而一定的原燃料水平、高炉操作者的操作水平，对目前可稳定用于高炉生产的最高热风温度及品质水平是有限度的。如何在当前条件下追求尽量高的可保证高炉生产稳定顺行的高的热风温度及品质水平，是高炉操作者应具有的科学理念。可见，对热风炉系统而言，其自身能够生产的最高风温和最终送到高炉的最高风温是不同的。

（3）最终限定高炉生产使用的最高风温水平的因素。高炉生产强度固然受热风温度水平、原燃料水平、高炉操作者的操作水平、高炉运行状况等因素限制，但高炉生产强度的选定更要考虑当前钢铁产品的市场状况，不但要以销定产，更要充分考量利润率、成本及消耗等因素，以适应市场，并确定单位时间内的产量，从而确定高炉的生产强度，最终确定一个合理的“科学”风温水平，以保证在热风环节的成本最低。

4.2　鞍钢科学高风温实践

2013年以来，依据鞍钢原燃料水平、高炉操作者的水平等，高炉利用系数应达到2.6左右，但为了适应当前严峻的市场状况，高炉利用系数降至2.3，而热风温度应该为1 220℃，现在也随之降到1 200℃。随着风温的降低，热风炉的煤气消耗也随着降低，吨铁成本降低3.72元/t。 炼铁总厂2013～2016年煤气吨铁单耗见表7。

表3　炼铁总厂2013～2016年煤气吨铁单耗表

5　结语

随着炼铁技术的不断进步，热风炉的节能技术也日渐成熟，对提高鞍钢股份有限公司炼铁总厂高炉热风炉风温、减小热风炉风温波动，降低烧炉煤气单耗、较大幅度地降低炼铁生产成本等起到了关键作用。在炼铁技术的节能环保领域，提高了鞍钢的市场竞争力，且鞍钢高炉热风炉综合节能集成技术不仅适用于大型高炉热风炉，而且对于国内中小型高炉热风炉同样具有推广价值和引领作用。