张福明，银光宇，李 欣 

摘要：提高风温可以有效降低高炉燃料消耗，促进高炉生产稳定顺行，是绿色低碳炼铁技术的重要发展方向之一。研究了热风炉热量传输过程和传热特性，通过传热学机理的研究解析，阐述热风炉加热面积与风温之间的关系，提出提高热流通量以改善热风炉传热的观点。研究了热风炉理论燃烧温度、拱顶温度和风温之间的关系，介绍了利用低热值高炉煤气和回收热风炉烟气余热，通过耦合预热和能量梯级利用的技术方法，实现高风温的技术创新及实践。提出了实现热风炉智能化操作的技术要素，论述了合理控制拱顶温度和抑制NO_x大量生成的工艺方法，以及有效预防热风炉炉壳晶间应力腐蚀的技术措施。指出实现低热值煤气的高效利用和高值转化，提高风温、降低燃料比和CO₂排放，是未来高炉炼铁的关键共性技术。

关键词：炼铁；高炉；高风温；热风炉；拱顶温度；余热回收；能量转换

第1次工业革命以后，热风炉开始被用于加热高炉鼓风。经过约200年的发展演进，高风温已成为现代高炉重要的技术特征。提高风温有利于高炉生产稳定顺行和高效低耗。热风炉工序属于典型的耗散结构体系，是开放的、动态变化的不可逆工艺过程和能量转换过程，通过物质、能量和信息连续的输入/输出，从而维持系统的稳定运行。现代热风炉的技术理念是提高热风温度和能量转换效率，实现清洁低碳燃烧，延长热风炉寿命，有效降低燃料消耗和污染物排放，实现多目标的集成优化。2019年中国主要钢铁企业高炉的平均风温为1140℃，与国际先进水平相差约100℃。本文针对高风温关键技术若干问题进行解析探讨，提出了低碳清洁高风温技术的发展趋势和路径。

1 热风炉的热量传输

1.1 热风炉的传热原理

蓄热式热风炉的工作原理是燃烧与传热过程轮流交替进行。热风炉燃烧过程产生高温烟气，首先通过高温烟气将热量传递给热风炉蓄热室的格子砖，使格子砖蓄积足够的热量并达到设定的温度；再经送风过程将格子砖的热量传递给高炉鼓风，将鼓风温度加热到1000℃以上。实际上，高炉热风炉是以格子砖为载体，经过吸热-蓄热-放热的交替过程，实现热量的储备与传输。图1所示为热风炉蓄热室加热-放热过程温度场数值模拟计算结果。

20世纪90年代以前，中国高风温技术相对落后。用于热风炉燃烧的高热值燃料供给不足，导致长期以来中国高炉风温长期徘徊在1100~1150℃。高炉风温是中国高炉炼铁与国际先进水平差距最大的技术指标，图2所示为21世纪以来中国重点钢铁企业高炉炼铁主要技术指标的变化趋势。

基于换热器热交换理论，针对蓄热式热风炉蓄热室传热过程的理论研究，式（1）给出了热风炉蓄热室吸收或释放热量的表述。

式中：Q_c为热风炉吸收或释放的热量，kJ；F_c为热风炉加热面积，m²；k_c为高温烟气或冷风与格子砖之间的综合换热系数，kJ/(m²·h·K)；ΔT_c为气体与格子 砖之间的平均温差，K ；q_c为热流通量，q_c＝k_c·ΔT_c，kJ/(m²·h)。

式（1）表明，热风炉的热量传输与加热面积和热流通量相关，取决于热风炉加热面积、综合换热系数和换热温差。因此提高加热面积、换热系数和换热温差，有助于强化热风炉热量传输，进而提高风温。现代热风炉设计应以提高传热效率为关注点，注重提高热流通量以强化热风炉传热过程，而不再单纯依靠增加热风炉加热面积来提高风温。

1.2 热风炉的加热面积

20世纪90年代，为了提高风温，在高热值燃料匮乏的条件下，企图通过增加热风炉加热面积的方法提高热风炉换热能力。热风炉加热面积从80增加到100m²/m³以上，高炉鼓风的加热面积也增加到50m²/(m³·ｍin)以上，但是高炉风温却始终停留在1050~1150℃。其根本原因在于，热风炉仅燃烧低热值高炉煤气，在助燃空气和煤气没有预热的条件下，热风炉理论燃烧温度和拱顶温度偏低，导致热风炉换热温差低、热流通量低，从根本上就不具备实现高风温的物质基础和技术条件。

图3所示为国内外部分高炉容积与热风炉加热面积关系的统计结果。从图3可以看出，1000~6000m³ 高炉的热风炉加热面积基本维持在70~90m²/m³的区间,个别甚至超过了100m²/m³。理论研究和生产实践表明，提高热风炉加热面积主要通过增加格子砖使用量实现，其可以缩小拱顶温度与风温的差值。但是如果拱顶温度不能达到预期水平，则仅靠提高热风炉加热面积这种单一的技术手段，还是无法从根本上解决高风温的技术难题。

从图3还可以看出，单位高炉容积的热风炉加热面积与高炉容积之间并不是线性相关关系，1000~ 6000m³高炉其热风炉加热面积波动范围很大，且离散度很高。进21世纪以来，中国有一批4000m³以上高炉建成投产，到2019年底已经有25座容积大于4000m³的大型高炉运行。从图3可以看出，近些年新建的4000m³和5000m³级高炉的热风炉加热面积基本维持在60~80m²/m³范围内，单位高炉容积热风炉加热面积呈现减小趋势，表明新建大型热风炉已经不再沿承单纯提高加热面积的技术理念来提高风温。

表1列出了近年来中国新建不同容积级别高炉热风炉蓄热室的主要热工设计参数；表2为近年来中国已投产运行的8座5000m³超大型高炉热风炉主要技术装备及参数；图4所示为中国部分高炉不同热风 炉加 热 面 积 条 件下的高 炉 风 温 统 计 结 果（2019年）。

从图4可以清晰看出，高炉风温与热风炉加热面积之间相关性不强，不同加热面积的热风炉风温都可以达到1200℃甚至更高；与此同时，还能发现加热面积相对较小的热风炉风温反而达到1250℃以上。由此，可以说明高炉风温是一个综合技术指标，是多种要素非线性耦合作用的结果，并不是提高热风炉加热面积就能够提高风温。