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　　目前鋼材市場(chǎng)不容樂觀，在最近一段時(shí)間，噸鋼價(jià)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(shí)，降低噸鐵煤氣消耗量，是企業(yè)降本增效的一個(gè)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(jiǎn)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(hào)、2號(hào)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(hào)、3號(hào)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(jiǎn)稱永鋒臨港鋼鐵）一期工程1號(hào)、2號(hào)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(hào)、3號(hào)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(hào)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(jī)？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(zhǎng)劉世聚開誠(chéng)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(duì)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(duì)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(guó)“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(duì)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(chǎng)分布和冷風(fēng)流場(chǎng)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(guó)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(shí)，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(shí)，其氮氧化物生成量就會(huì)成指數(shù)級(jí)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(guó)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(chǎng)和冷氣流場(chǎng)分布狀態(tài)。

　　高溫?zé)煔饬鲌?chǎng)和冷風(fēng)流場(chǎng)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?chǎng)和冷風(fēng)流場(chǎng)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(duì)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(zhǎng)壽的結(jié)構(gòu)。國(guó)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(bào)國(guó)家專利時(shí)，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(chǎng)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(duì)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)煔饬魉俜植季鶆颍捎谶@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(zhǎng)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(cuò)布置對(duì)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?。画h(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(zhǎng)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(cuò)布置并帶有45度～60度的對(duì)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?huì)首先對(duì)速度設(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(huì)形成兩股氣流對(duì)沖，噴嘴噴出的煤氣和空氣之間的動(dòng)能差異，使得煤氣氣流的大動(dòng)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(shí)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(shí)流場(chǎng)區(qū)域均勻分布，使得高溫?zé)煔鈱?duì)格子磚的加熱更加均勻，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(guó)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(cuò)臺(tái)、錯(cuò)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(gè)孔徑時(shí)，由于流體的阻力和壓力的作用，讓18個(gè)凹槽區(qū)域孔孔互通，致使氣流均勻分布，對(duì)于整個(gè)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(chǎng)和冷風(fēng)流場(chǎng)，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(guó)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(shí)期，節(jié)能減碳低氮技術(shù)改造會(huì)成為發(fā)展主流趨勢(shì)。（夏杰生）