摘  要：为实现国家双碳目标，倡导低碳绿色炼铁，同时降低炼铁成本，兴澄特钢高炉配套热风炉通过大修对燃烧器喷嘴进行改造，同时在烧炉工艺上进行优化，采用一些智能化、自动化程度相对较高的控制技术，实现了降低煤气消耗和超低排放的目标。

关键词：热风炉、煤气消耗、生产实践

前言

现阶段，在我国大多数钢铁企业当中，高炉热风炉烧炉工作绝大部分采用的方式都是人工煤气调节或者半自动煤气调节、空气阀门开度进行配比燃烧等^[1]。当煤气热值、煤气压力等影响因素发生比较大的波动时，往往会因人工操作反应不及时而使得拱顶温度波动变大，致使热风炉蓄热不够充分，从而直接对高炉风温的稳定性造成影响，甚至会影响到整个热风炉的使用寿命^[2-6]。因此为了进一步降低生产过程中的能源消耗，进行高炉热风炉自动优化烧炉系统的改造势在必行^[7]，同时也能够促使全生产过程自动化的实现，大大降低煤气消耗量，提高风温^[8-11]，以及对全厂煤气管网的压力起到稳定作用，从根本上改善高炉经济技术指标。

1  热风炉简介及现状分析

1.1  热风炉简介

热风炉是高炉炼铁的重要热工设备，是高炉不可缺少的重要组成部分，其能耗约占高炉工序能耗的20%左右，同时也是碳排放大户^[2,3,5,9]。当前最常用的是蓄热式热风炉，蓄热式热风炉按燃烧方式可以分为顶燃式、内燃式、外燃式等几种，一般每个高炉配置3~4个热风炉。其工作原理是先燃烧煤气，用产生的烟气加热蓄热室的蓄热体（格子砖或球），再将冷风通过热风炉的蓄热体进行加热，然后将热风炉轮流交替地进行燃烧和送风，使高炉连续获得高温热风。蓄热式热风炉有烧炉、送风两种主要操作模式：将高炉煤气燃烧对蓄热室的蓄热体进行加热，即为“烧炉”，用蓄热室蓄热体对冷风进行加热并送风到高炉，即为“送风”，常规采用“两烧一送”或“两烧两送”。

兴澄特钢3#高炉炉容3200m³，配备有3座顶燃式热风炉，呈一列式布置，于2009年9月25日投产使用。全烧高炉煤气，应用双预热系统，设计风温≥1200℃，采用“两烧一送”的工作制度。2020年5月9日3#高炉停炉大修，热风炉同期开始大修改造，解决困扰已久的波纹管温度高、热风出口耐材脱落、炉皮开裂发红等问题，热风炉的主要工艺参数见表1。

表1  热风炉指标参数

1.2  现状分析

（1）如何提升热能转化效率，保证烧炉质量。热风炉能否烧好取决于操作人员的技术水平和责任心，取决于管理者的制度约束和执行效果，但是由于煤气热值和压力的变化比较频繁，尽管有经验丰富且勤快的操作员经常操作，也难于保证随时给出最佳的空燃比，且难度及工作量较大，极易造成能源的极大浪费。

（2）如何实现热风炉超低排放达标。“十四五”期间，钢铁行业将面临从碳排放强度的“相对约束”到碳排放总量的“绝对约束”，同时还可能面临更多来自“碳经济”的国际挑战，加快低碳转型势在必行；而热风炉使用智能烧炉控制系统是提高风温、降低燃料消耗以及减排的重要手段，但是热风炉煤气消耗大、空气过剩系数大、不能完全燃烧、有害物排放大等一系列问题都会影响热风炉实现超低排放的目标。

2  降低热风炉煤气消耗的措施

2.1  燃烧器喷嘴改造

将热风炉燃烧器喷嘴由原来的水平吹入方式改为煤气下斜、空气上仰的互切式交叉旋转混合喷入，相较于改造前，空、煤气能够混合的更均匀，燃烧也更加充分，不易发生“爆震”现象。同时全部组合砖、烧嘴砖均采用高抗热震耐火砖HRK（抗热震能力不低于100次，压力机压制成型），提高燃烧器砌体稳定性，能有效避免喷嘴砖的脱落和移位。

图1  喷嘴及过桥转改造示意图

此外，大修前空煤气环道过桥砖采用的是平砖结构，在燃烧器的反复开烧震动下，过桥转容易发生松动，从而出现垮塌掉砖；在这次大修过程中，将过桥砖结构改造为拱形结构，较之前的平砖结构更稳定。

2.2  利用计算模型寻优

对顶燃式热风炉内的流动传热进行研究，对热风炉内燃烧过程中的温度、速度和浓度等参数进行分析，判断其分布的合理性，对改善热风炉热能转化效率、提高热风炉风温有重要意义。

由于热风炉内温度较高，炉体尺寸较大，炉内的气流和温度分布很难测定，而数值模拟方法灵活度大，投资小，更加易于实现。兴澄特钢高炉配套热风炉充分利用热能计算、传热模型、蓄热过程模型等技术理论，融合三维温度场对热风炉内温度分布进行模拟。

图2  热风炉内温度场分布

同时利用计算模型，对实验数据进行最优化处理，确定空气/煤气通道、气体进入径向、轴向、水平倾斜角度等燃烧器最佳参数组合。

图3  燃烧器内气体流计算机仿真断面

高速的煤气、空气按预设角度相互切割旋转并充分混合，再形成涡旋气流快速将燃烧中心区的热量向下传递，缩小局部高温区，减少烟气在高温区的停留时间，提高换热效率。

2.3  烧炉工艺优化

（1)烧炉自动控制逻辑及控制精度直接关系燃烧质量的优劣，是降低煤气消耗的主要途径。兴澄特钢通过剖析自动烧炉程序控制原理，将主要切入点放在优化基础自动化烧炉程序逻辑及提高控制精度上；包括煤气流量控制、空气流量控制、空燃比控制、拱顶温度控制和废气温度控制。

图4  热风炉烧炉过程控制

（2) 废气含氧量是衡量燃烧质量的主要参数，对热风炉烟气中氧含量的动态实时分析就是为了监督燃烧质量，以便及时调整烧炉空燃比，保持较好燃烧效率，实现较高的经济性。经过长时间大数据分析后发现废气氧含量在0.3%-0.5%时，热风炉拱顶温度和废气温度上升最快。当废气中氧含量低时，说明参与燃烧的空气过剩系数小，燃烧后生成的废气量小，废气温度则升高，有助于快速提高热风炉拱顶温度与烟道温度。

(3) 通过对热电偶、各调节阀、流量计全部重新校对，解决了控制过程中烟道及拱顶温度波动过大的问题，完成了自动、手动方式切换后数据自动寻找、参数调整功能优化；对煤气管网终端压力波动大且频繁的问题，从模糊控制参数上进行完善和修改；同时对烟道温度控制速度与烧炉时间不匹配、转小烧保温时拱顶温度有小幅下降等瓶颈问题逐一攻克解决，并对拱顶温度、煤气压力、空燃比等重要烧炉参数异常时增加声光报警。

(4) 优化自动烧炉控制器的系统算法设计，主要为两个部分：根据拱顶温度调节的最佳空燃比控制器和根据废气温度调节的废气温度控制器。在热风炉加热期使用拱顶温度控制器，当烟道温度达到280℃时废气温度控制器自动投入使用。最佳空燃比控制器为PID控制器，输入量为拱顶温度，输出量为最佳空燃比；废气温度控制器为PID控制器，输入量为废气温度，输出量为煤气流量，依据现场工况将监测到的信息反馈到输入端调整输出量，达到修正控制误差、提高控制精度。

(5) 依据不同工况智能调整算法，自动计算出最佳空燃比降低煤气消耗，模仿人工操作过程实现烧炉过程管理，在加热期以最大空气流量进行加热，据此来调整合适的煤气流量或者以最大煤气流量进行加热，并调整合适的空燃比，迅速提高拱顶温度；到达拱顶温度管理期，适当减小煤气流量，并调整合适的空燃比，保证拱顶温度不变的情况下，提高废气的升温速率。

(6) 外围通对煤气管网终端排水器的巡检，确保排水器工作正常，降低煤气含水量，煤气中每增加1%的机械水，发热值就降低51.9 kJ/m3，理论燃烧温度也随之降低13℃。

3  应用实践及效果

通过以上措施热风炉热效率呈几何式上升，生产方面在满足高炉对风温使用要求前提下，把烧炉时烟道控制温度从380℃降低至350℃，烧炉自动控制逻辑会自动合理分配热风炉的拱顶升温、烟道升温、烟道保温三阶段的时间与燃烧器对应的工作状态，在换炉时间设定不变的前提下，相较以前烧炉逻辑程序自动加长保温时间，相对减少烧炉时间，同时优化燃烧器工作状态，直接降低了烧炉煤气消耗。

3.1  煤气消耗

大修前高炉累计煤气单耗583.2 m³/t，高炉投产后，持续优化热风炉操作参数，根据高炉风温需求制定合适的空燃比和煤气用量，高炉累计煤气单耗完成466.1 m³/t，较之前吨铁消耗下降约117.1 m³/t。

3.2  环保实测数据

烟道残氧检测值2.3%，NOx含量控制在37~49 mg/Nm³以下，比超低排放标准200 mg/Nm³降低75%以上；二氧化硫含量13 mg/Nm³；颗料物8.92 mg/Nm³，远低于国家排放标准（20 mg/Nm³）。

4  结语

通过燃烧器改造、烧炉控制系统优化等措施在兴澄特钢高炉配套热风炉上的实施，不仅可以降低煤气消耗，实现超低排放，还保证了热风炉整体运行平稳，大大降低了操作人员的劳动强度，操作质量和安全性能也得到了大幅度提高，为企业带来可观的经济效益和良好的社会效益。值得注意的是，热风炉智能烧炉系统优化技术在节能减排方面具有明显的效果，且该技术对用户现场仪表要求较低，在行业内具有很好的推广价值。

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