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　　目前鋼材市場不容樂觀，在最近一段時間，噸鋼價格下跌數(shù)百元，甚至出現(xiàn)鋼企虧損現(xiàn)象。在實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)爐高風(fēng)溫高產(chǎn)、低氮環(huán)保的同時，降低噸鐵煤氣消耗量，是企業(yè)降本增效的一個關(guān)注點(diǎn)。最近，河南省豫興熱風(fēng)爐工程技術(shù)有限公司（下文簡稱豫興公司），綜合多年的設(shè)計(jì)實(shí)踐，進(jìn)一步創(chuàng)新研發(fā)的超低煤氣消耗頂燃式熱風(fēng)爐技術(shù)，在山東永鋒鋼鐵1號、2號高爐5月份全月噸鐵消耗煤氣平均為322.2立方米，以及秦皇島宏興鋼鐵有限公司2號、3號高爐5月份全月噸鐵消耗煤氣分別為402立方米、338立方米、兩爐平均為370立方米的豫興頂燃式熱風(fēng)爐上的應(yīng)用實(shí)踐，同樣具有廣闊的發(fā)展前景和良好節(jié)能增效效果，廣泛推廣意義十分重大。

　　山東永鋒臨港有限公司臨港先進(jìn)優(yōu)特鋼產(chǎn)業(yè)基地（簡稱永鋒臨港鋼鐵）一期工程1號、2號高爐，各配套使用4座豫興公司優(yōu)化改進(jìn)的超低節(jié)能懸鏈線頂燃式熱風(fēng)爐（見表1）。其設(shè)計(jì)風(fēng)溫為1250℃，設(shè)計(jì)拱頂溫度為1350℃，單爐送風(fēng)60分鐘。兩套熱風(fēng)爐都在使用單一高爐煤氣，在富氧7%條件下，實(shí)現(xiàn)了拱頂溫度1300℃、風(fēng)溫1250℃穩(wěn)定輸出，5月份全月噸鐵煤氣消耗322.2立方米。其中，在同等煤氣熱值條件下，比永鋒鋼鐵公司其他3座1080立方米高爐小帽子頂燃式熱風(fēng)爐噸鐵煤氣消耗462.6立方米月平均節(jié)約煤氣140.4立方米，煤氣節(jié)約率為30.3%。

　　秦皇島宏興鋼鐵有限公司2號、3號高爐分別配套的3座超低節(jié)能優(yōu)化改進(jìn)型懸鏈線頂燃式熱風(fēng)爐（見表2），設(shè)計(jì)風(fēng)溫為1250℃，設(shè)計(jì)拱頂溫度為1350℃，單爐送風(fēng)60分鐘。兩套熱風(fēng)爐都在使用單一高爐煤氣，煤氣熱值為3000千焦，富氧6%條件下，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)溫1215℃~1220℃穩(wěn)定輸出，據(jù)統(tǒng)計(jì)5月份全月噸鐵煤氣消耗分別為402立方米、338立方米。在同等煤氣熱值條件下，噸鐵煤氣消耗比1號1080m3高爐引進(jìn)的頂燃式熱風(fēng)爐噸鐵平均消耗煤氣500立方米指標(biāo)分別節(jié)省了98立方米、162立方米，節(jié)省率為19.6%、32.4% 。

　　這兩家鋼鐵公司的熱風(fēng)爐在生產(chǎn)實(shí)踐中為何能取得如此驕人業(yè)績？這與懸鏈線拱頂結(jié)構(gòu)、足夠的混合燃燒空間、上噴旋流渦流大功率燃燒技術(shù)、爐內(nèi)自身輻射預(yù)熱、調(diào)節(jié)雙流孔孔互通高效格子磚存在密切的因果關(guān)系。豫興公司董事長劉世聚開誠布公地道出了其中的奧秘。

　　奧秘之一：優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　實(shí)現(xiàn)矛盾體的對立統(tǒng)一

　　劉世聚指出，熱風(fēng)爐風(fēng)溫提高100℃，高爐可提高產(chǎn)量2.5%，提高噴煤量20kg/t~30kg/t，降低焦比2.5%，這對鋼鐵企業(yè)降本增效極為關(guān)鍵，因此能否實(shí)現(xiàn)高風(fēng)溫是熱風(fēng)爐性能是否優(yōu)異最重要的指標(biāo)。隨著我國“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)的提出及環(huán)保政策的日趨嚴(yán)格，滿足二氧化碳及氮氧化物等污染物排放指標(biāo)要求對新建熱風(fēng)爐也越來越重要。

　　熱風(fēng)爐污染物主要由二氧化碳、氮氧化物和硫化物組成。在減少硫化物排放方面，采用脫硫設(shè)備已經(jīng)解決了問題。但要實(shí)現(xiàn)低二氧化碳排放目標(biāo)，也就意味著熱風(fēng)爐需要通過提高高爐煤氣的燃燒質(zhì)量來增加燃燒熱值，而非僅通過增加高爐煤氣的數(shù)量來增加燃燒熱值。也就是說必須要提高熱風(fēng)爐的燃燒性能，確保高爐煤氣燃燒充分來解決。當(dāng)然，熱風(fēng)爐燃燒消耗煤氣量多少與風(fēng)溫基本是成正比例的。但熱風(fēng)爐除了煤氣熱值質(zhì)量高之外，熱風(fēng)爐的燃燒器設(shè)計(jì)、效率、燃燒功率、混合燃燒是否均勻完全，以及熱風(fēng)爐的煙氣流場分布和冷風(fēng)流場分布能否提高蓄熱換熱性，是決定煤氣消耗量的重要因素。眾所周知，熱風(fēng)爐中氮氧化物生成與溫度有較大關(guān)系，國際常規(guī)判斷氮氧化物生成量的方法，是看熱風(fēng)爐拱頂溫度的高低來確定氮氧化物的高低。

　　當(dāng)拱頂溫度低于1420℃時，氮氧化物產(chǎn)生量比較緩慢且少；但當(dāng)拱頂溫度大于1420℃時，其氮氧化物生成量就會成指數(shù)級上升；若要減少氮氧化物排放量，就要盡可能地使熱風(fēng)爐拱頂溫度低，而且還要保證較高的風(fēng)溫。拱頂溫度和送風(fēng)溫度差越小，熱風(fēng)爐性能就越好。

　　目前頂燃式熱風(fēng)爐的拱頂溫度與送風(fēng)溫差均徘徊在120℃左右，甚至性能差點(diǎn)的在150℃左右。這樣的熱風(fēng)爐拱頂溫度必須控制在1400℃或者1380℃。而豫興熱風(fēng)爐的拱頂溫度和送風(fēng)溫差在50℃左右，實(shí)現(xiàn)1250℃風(fēng)溫，拱頂溫度也只有1300℃。依據(jù)國際通用的拱頂溫度與氮氧化物生成量坐標(biāo)曲線，提高高爐煤氣理論燃燒溫度和熱風(fēng)爐燃燒器性能蓄熱換熱性能，是實(shí)現(xiàn)高風(fēng)溫最方便、有效的途徑。熱風(fēng)爐的高風(fēng)溫與熱風(fēng)爐的性能、效率、蓄熱換熱性能密切相關(guān)，提高熱風(fēng)爐性能和降低拱頂溫度，縮小送風(fēng)溫差就可降低氮氧化物排放。

　　具體到熱風(fēng)爐設(shè)計(jì)上，要實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)爐的高風(fēng)溫、低煤氣消耗、低氮氧化物排放，就是要提高熱風(fēng)爐的燃燒性能和換熱性能。具體實(shí)現(xiàn)途徑如下：

　　一是增大蓄熱室蓄熱換熱面積和保證足夠的蓄熱換熱格子磚重量。

　　二是改善熱風(fēng)爐煙氣流場和冷氣流場分布狀態(tài)。

　　高溫?zé)煔饬鲌龊屠滹L(fēng)流場在蓄熱室橫斷面上分布的均勻性，將直接影響蓄熱室內(nèi)的蓄熱換熱，研究表明，通過改善高溫?zé)煔饬鲌龊屠滹L(fēng)流場在蓄熱室斷面上分布的均勻性可以改善熱風(fēng)爐內(nèi)的熱交換效果，蓄熱量可以增強(qiáng)，從而可以將風(fēng)溫提高15℃~30℃。

　　三是增加熱風(fēng)爐換爐次數(shù)縮短工作周期。

　　四是減小熱風(fēng)爐的散熱損耗。特別是通過合理設(shè)計(jì)熱風(fēng)爐爐體強(qiáng)化保溫效果，減少爐體殼的熱損失。

　　永鋒臨港鋼鐵熱風(fēng)爐和秦皇島宏興鋼鐵有限公司熱風(fēng)爐正是根據(jù)上述理論實(shí)踐指導(dǎo)，才終于實(shí)現(xiàn)了上述矛盾體的對立統(tǒng)一，將熱風(fēng)爐拱頂溫度與鼓風(fēng)溫度之間的差值縮小到50℃左右，通過優(yōu)化混合燃燒噴嘴結(jié)構(gòu)強(qiáng)化均勻混合、加大混合燃燒空間實(shí)現(xiàn)真正的完全燃燒、優(yōu)化格子磚結(jié)構(gòu)提高格子磚利用率，強(qiáng)化蓄熱換熱性能，從而實(shí)現(xiàn)了熱風(fēng)爐高風(fēng)溫、低氮氧化物排放、低煤氣消耗等多重目標(biāo)的。

　　奧秘之二：抓鐵有痕

　　用正確的理論指導(dǎo)實(shí)踐

　　劉世聚指出：豫興人抓鐵有痕，用上述研發(fā)和設(shè)計(jì)理念，腳踏實(shí)地地指導(dǎo)熱風(fēng)爐的建設(shè)和改造實(shí)踐，終于取得了超高溫、節(jié)能、低排放的可喜成果。其具體措施如下：

　　一是采用具有足夠混合燃燒空間的懸鏈線拱頂和熱風(fēng)出口直段組合的燃燒室結(jié)構(gòu)。

　　在相同風(fēng)量情況下，懸鏈線拱頂本就擁有更加充裕的燃燒空間，空間內(nèi)的煙氣分布優(yōu)于其他形狀的熱風(fēng)爐拱頂結(jié)構(gòu)，而且是目前已有的熱風(fēng)爐拱頂結(jié)構(gòu)受力最合理、最穩(wěn)定長壽的結(jié)構(gòu)。國際歷史資料記載，其懸鏈線拱頂壽命可達(dá)50年～60年。

　　首鋼科學(xué)家張福明及其團(tuán)隊(duì)在2015年申報國家專利時，把錐形拱頂結(jié)構(gòu)優(yōu)化為懸鏈線擬合結(jié)構(gòu)，并把砌筑在熱風(fēng)出口之上的錐形拱頂實(shí)施了分離，形成了懸鏈線擬合四段式小帽子頂燃式熱風(fēng)爐專利，采用這樣的結(jié)構(gòu)可解決耐材襯應(yīng)力損壞和熱風(fēng)出口損壞，爐殼受力開裂等結(jié)構(gòu)缺陷。利用這一突出特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)煤氣超低消耗，永鋒臨港鋼鐵科學(xué)核算煤氣和空氣混合燃燒高溫火焰在燃燒室混合燃燒運(yùn)行距離、運(yùn)行速度、煙氣運(yùn)行壓力、空氣過剩系數(shù)、煤氣和空氣燃燒量，以及由此混合燃燒產(chǎn)生的煙氣量，使需要總燃燒混合空間容積大于燃燒產(chǎn)生的煙氣體積10%~30%，實(shí)現(xiàn)煙氣進(jìn)入格子磚床面前全部燃燒的目的。

　　經(jīng)計(jì)算其熱風(fēng)爐燃燒室燃燒產(chǎn)生的煙氣體積約等于268立方米，據(jù)此推算出熱風(fēng)爐燃燒室混合燃燒空間約需322立方米（空間大，外表面散熱面積大，需要強(qiáng)化保溫來抵消），據(jù)此確定其熱風(fēng)爐燃燒室直徑為7.8m，燃燒室高度10.1m來實(shí)現(xiàn)煤氣和空氣在足夠大的燃燒室空間實(shí)現(xiàn)旋流渦流預(yù)熱混合完全燃燒。

　　為提高風(fēng)溫和降低氮氧化物排放，其熱風(fēng)爐通過懸鏈線拱頂與安裝在拱頂基腳部位的環(huán)形燃燒器共同作用進(jìn)一步改善燃燒室的煙氣流場分布狀態(tài)，縮小拱頂溫度與送風(fēng)溫度之間的差值。其燃燒室高溫區(qū)結(jié)構(gòu)對稱、溫度區(qū)間分明、熱效率高、拱頂和燃燒室底部（即蓄熱室床面上平面）溫差小。燃燒室底部（即蓄熱室上部）高溫?zé)煔饬魉俜植季鶆?，由于這種燃燒和懸鏈線流線結(jié)構(gòu)及空間的有效結(jié)合模式使相當(dāng)量下降氣流加入上升氣流中，淡化了高溫區(qū)燃?xì)夂涂諝鉂舛葟亩档土松仙龤饬鳒囟?，拉長了火焰，使高向加熱更加均勻，具備了低氮燃燒器廢氣循環(huán)特征，降低了氮氧化物排放，提高了熱風(fēng)爐換熱效率，縮小了拱頂溫度與送風(fēng)溫度差值，有效提高了熱風(fēng)爐送風(fēng)風(fēng)溫。

　　二是采用具有預(yù)熱、渦流、旋流密集噴口分布的高效率低氮短焰環(huán)形燃燒器。

　　該熱風(fēng)爐采用煤氣與空氣交錯布置對沖上噴的格柵式陶瓷環(huán)形燃燒器結(jié)構(gòu)。這種燃燒器的噴嘴設(shè)置在蓄熱室大墻外圍的周向，確保有足夠大的空間布置噴嘴；煤氣和空氣采用優(yōu)化型低氮燃燒噴嘴，噴嘴口徑縮??；環(huán)向設(shè)計(jì)的煤氣噴嘴和空氣噴嘴數(shù)量更多，火焰更短、燃燒更完全。這樣設(shè)計(jì)，一方面有利于使煤氣和空氣充分實(shí)施小股流分割預(yù)混；另一方面也能使煤氣和空氣的流量更大，從而實(shí)現(xiàn)燃燒器的大功率燃燒，為實(shí)現(xiàn)高風(fēng)溫、低煤氣消耗打下基礎(chǔ)。

　　該熱風(fēng)爐使用的燃燒器是介于長焰型和無焰型之間的渦流旋流短焰上噴特殊混合模式，也就是煤氣和空氣從噴口噴出后再預(yù)混的混合模式。這種燃燒器的煤氣和空氣噴嘴是交錯布置并帶有45度～60度的對沖上噴角度，其主要目的是利用燃燒室中心的高強(qiáng)度火焰輻射預(yù)熱剛剛噴出的煤氣和空氣（也就是說煤氣和空氣在進(jìn)入渦流區(qū)域前就吸收燃燒室中心高溫輻射傳來的熱，之后再進(jìn)行混合）。

　　一方面，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得燃燒室中心的高溫?zé)煔鈺紫葘λ俣仍O(shè)定為25m/s~40m/s的空氣和煤氣實(shí)施自身輻射預(yù)熱；之后這兩種氣體上噴一定高度再折返形成了渦流，兩種預(yù)混氣體進(jìn)入渦流區(qū)域自行混合，形成煤氣和空氣第一次初混狀態(tài)。

　　另一方面這種燃燒器經(jīng)過合理設(shè)計(jì)的噴嘴角度會形成兩股氣流對沖，噴嘴噴出的煤氣和空氣之間的動能差異，使得煤氣氣流的大動能強(qiáng)制壓偏空氣流從而形成旋流。這股旋流匯聚到逐漸收縮的懸鏈線拱頂，隨著空間越來越小，當(dāng)?shù)巾敳繒r旋流達(dá)到最激烈狀態(tài)，形成了第二次強(qiáng)烈的旋流混合。通過兩次混合不僅使煤氣與空氣混合得更加均勻、充分，有效保證了煤氣的充分燃燒、降低了煤氣消耗量；當(dāng)燃燒后的煙氣折返隨著喇叭狀的懸鏈線拱頂結(jié)構(gòu)自上而下，使煙氣通道逐漸擴(kuò)大，并逐漸減弱，至蓄熱室床面時流場區(qū)域均勻分布，使得高溫?zé)煔鈱Ω褡哟u的加熱更加均勻，達(dá)到提高格子磚利用率，從而進(jìn)一步提高熱風(fēng)爐風(fēng)溫的目的。永鋒鋼鐵公司和宏興鋼鐵公司的熱風(fēng)爐通過使用上噴預(yù)熱、渦流、旋流和多噴嘴及足夠流線懸鏈線的空間的綜合性能設(shè)置，使進(jìn)入燃燒室的空氣過量系數(shù)降低，提高了風(fēng)溫、降低了煤氣消耗。

　　三是采用均流均勻格子磚，加大蓄熱換熱能力，降低格子磚堆積高度。

　　豫興公司發(fā)明的19孔25mm格子磚結(jié)構(gòu)填補(bǔ)了國內(nèi)外僅有19孔30mm孔徑格子磚和20mm孔徑37mm格子磚技術(shù)的空白，19孔25mm格子磚結(jié)構(gòu)的換熱面積高達(dá)55.68平方米，比19孔30mm格子磚結(jié)構(gòu)的換熱面積48.51平方米提高了14.8%，25mm孔孔互通格子磚技術(shù)優(yōu)化了傳統(tǒng)熱風(fēng)爐蓄熱室格子磚形狀，解決了普通格子磚格孔錯臺、錯位影響氣流通過的弊端。

　　19孔格子磚底部設(shè)計(jì)有15mm深的連接底部橫向18格孔的聯(lián)通凹槽，當(dāng)氣流通過格磚的19個孔徑時，由于流體的阻力和壓力的作用，讓18個凹槽區(qū)域孔孔互通，致使氣流均勻分布，對于整個蓄熱室，就形成了互聯(lián)互通的均壓均流自行調(diào)節(jié)蓄熱室煙氣流場和冷風(fēng)流場，提高了熱風(fēng)爐換熱效率，格子磚使用效率由原來的83.5%提高到88.41%，提高了5.8%，縮小了熱風(fēng)爐拱頂溫度與送風(fēng)溫度之間的差值，拱頂溫度由原來的1380℃~1420℃降低到現(xiàn)在的1300℃~1320℃，拱頂溫度降低了5.7%~7%，拱頂溫度與送風(fēng)溫差由原來的150℃左右降低到現(xiàn)在的50℃左右。拱頂溫度與送風(fēng)溫差縮小了66.7%，格子磚這些重要參數(shù)在提高熱風(fēng)爐效率、提高風(fēng)溫、降低煤氣消耗，減少送風(fēng)溫度與降低氮氧化物排放中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

　　永鋒鋼鐵和秦皇島宏興鋼鐵公司豫興熱風(fēng)爐就是通過這些特殊的結(jié)構(gòu)和性能來實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)、高風(fēng)溫的；實(shí)現(xiàn)了氮氧化物低于50mg/立方米的超低排放，尤其是噸鐵煤氣超低消耗均為322.9立方米~370立方米，創(chuàng)造了中國煉鐵歷史紀(jì)錄；比傳統(tǒng)的小帽子頂燃式熱風(fēng)爐噸鐵煤氣消耗量為463.1立方米~500立方米降低了98立方米~162立方米，煤氣節(jié)省率分別降低了19.6%~32.4%，熱風(fēng)爐燃燒產(chǎn)生的二氧化碳排放降低20%以上。

　　相信在今后一段歷史時期，節(jié)能減碳低氮技術(shù)改造會成為發(fā)展主流趨勢。（夏杰生）