2.1 提高理论燃烧温度

理论上提高热风炉传热的热流通量，就必须要提高综合换热系数，增加高温烟气与格子砖的换热温差、鼓风与格子砖的换热温差。在工程实践中，通过采用高效格子砖能够有效提高换热系数；提高热风炉拱顶温度和烟道温度能够增加烟气和鼓风与格子砖之间的温差；加快热风炉循环节奏、优化热风炉燃烧和送风操作等可以有效 增加热风炉热流通量。热风炉输入的热量主要来源于煤气的化学热，以及煤气和助燃空气所携带的物理热（显热）。前者取决于煤气的品质和发热值，而后者则取决于煤气和助燃空气的预热温度。工程中一般假设化学热和物理热全部用于加热燃烧产物，在没有其他热损失的情况下，燃烧产物可能达到的温度称之为热风炉的理论燃烧温度。热风炉理论燃烧温度的计算公式为：

式中：T_f为理论燃烧温度，K；Q_h为煤气热值，kJ/m³；c_g为煤气比热容，kJ/(m³·K)；T_g为煤气温度，K；c_a为助燃空气比热容，kJ/(m³·K)；T_a为助燃空气温度，K；l为燃烧1m³煤气所消耗的助燃空气体积，m³；c_w为烟气的比热容，kJ/(m³·K)；V_w为燃烧1m³煤气所产生的烟气体积，m³。

式（2）表明，通过提高助燃空气和煤气的物理热，可以提高热风炉的理论燃烧温度；而提高助燃空气和煤气物理热的有效措施则是提高二者的预热温度。图5所示为煤气和预热助燃空气预热条件下所获得的理论燃烧温度。

由式（2）可以看出，除了提高助燃空气和煤气的预热温度、从而提高其输入的物理热之外，还可以通过提高燃烧器效能、降低燃烧空气过剩系数、降低助燃空气消耗量，进而减小燃烧产物体积等技术措施来提高理论燃烧温度。

热风炉生产运行过程是一个动态变化、开放的、不可逆的耗散结构体系，理论燃烧温度是通过燃料燃烧和传热计算而得到的，是体系在假定的理想状态下可能达到的燃烧温度。而实际热风炉生产过程中，能够直接在线检测的则是热风炉的拱顶温度。拱顶温度是通过设置在热风炉拱顶部位的热电偶或红外测温装置，实际检测出的热风炉拱顶或格子砖表面的温度。热风炉拱顶温度是热风炉内的最高温度，拱顶温度表征了热风炉所具备的温度水平和换热能力。工程设计中，热风炉拱顶温度与理论燃烧温度存在如下关系。

式中：T_d为拱顶温度，K；k为温度系数，一般为0.94~0.98。

2.2 预热煤气和助燃空气

在以不同热值的高炉煤气为燃料、助燃空气过剩系数为1.1时，热风炉的理论燃烧温度与煤气和助燃空气预热温度的关系如图6所示。从图6可以看出，煤气热值越低，达到相同的理论燃烧温度所需要的煤气和助燃空气预热温度就越高。燃烧热值为3250kJ/m³的高炉煤气时，理论燃烧温度若要达到1400℃，则需要将煤气和助燃空气均预热到220℃。

为了有效回收热风炉烟气余热、预热煤气和助燃空气，2000年以后中国普遍采用低温热管换热器。受限于热管的承压能力（约为4.0MPa），低温热管的工作温度一般都限制在250℃以下，因此煤气和助燃空气的预热温度仅能达到180~200℃ 。热管在恶劣环境中工作，还受到积灰、腐蚀、析氢等综合因素的影响，低温热管换热器的热效率会随着运行时间的延续而不断衰减、直至失效，同时换热器的整体寿命也普遍较短，一般使用寿命为3~5年。

实践表明，提高热风炉烟气温度能够有效提高热风温度，但是其代价是造成热风炉热效率下降，烟气带走了大量热能。热风炉烟气温度在燃烧周期内是从低到高动态变化的，燃烧末期热风炉最高烟气温度一般处于400~450℃范围内，燃烧期平均烟气温度为280~320℃ 。回收热风炉烟气余热，可将高炉煤气和空气预热到150~200℃，大约可以提高热风炉理论燃烧温度150℃。但是这项技术措施的缺陷在于：烟气带走了过多的热量，导致热风炉热效率下降；热风炉炉箅子的高温蠕变承受温度一般为500℃ ，因此不可能无限制提高烟道温度；通过烟气低温余热回收，再进行煤气和助燃空气预热，能源转换出现衰减，能源转换效率不高；常规热管换热器受限于自身结构特点，热管管壁最高温度一般为250℃左右，难于实现更高的预热温度。

为有效提高热风炉拱顶温度，在燃烧低热值煤气条件下获得高风温，国内外都开展了许多研究和试验工作。德国迪林根钢铁厂在20世纪80年代进行了技术探索，在5号高炉上采用附加燃烧炉的组合式预热器（图7），将高炉煤气温度预热到250℃ 、助 燃 空 气 温 度 预 热 到,500℃ ，在 燃 烧 热 值 为3000kJ/m³高炉煤气时，风温达到1285℃。由于引进技术适用性等多种原因，该工艺并没有在中国得到应用推广。20世纪90年代，中国也开发应用了热风炉自身预热技术，利用送风后热风炉蓄热室的余热，再对助燃空气进行预热，使助燃空气温度达到200℃以上。鞍钢等企业研发出前置燃烧炉的工艺方案，配置专用燃烧炉将高温烟气（1000 ℃ ）与热风炉烟气（200℃ ）混合，通过提高并稳定烟气温度，配置管式换热器+热管换热器对煤气和助燃空气进行双预热。令人遗憾的是，这些中国自主研发的热风炉预热工艺技术，由于装备可靠性、耐久性，运行稳定性、经济性等诸多问题，没能得到长期的实践和推广，最终被其他预热工艺和板式换热器所取代。

首钢京唐钢铁厂是进入21世纪以后，中国基于新一代可循环钢铁制造流程的理念，自主设计建造的第一个靠海临港的千万吨级现代化钢铁基地。在中国首座5000m³巨型高炉和热风炉设计过程中，为了实现新一代钢铁厂高效能源转换和能量流网络结构优化，实现低热值煤气的高效利用，热风炉采用全高炉煤气燃烧，回收热风炉烟气余热预热煤气和助燃空气，研发应用助燃空气两级高效预热工艺，实现助燃空气低温预热与高温预热耦合工艺流程，提高煤气和助燃空气温度及输入的物理热，以实现1300℃ 高风温。该流程采用了换热器回收热风炉烟气余热，将煤气和助燃空气温度均预热到约200℃ ，一部分助燃空气再通过2座小型顶燃式高温预热炉，将其温度预热到1000℃ ，与另一部分未经过高温预热炉的助燃空气进行混合后，温度达到500~650℃，在全烧热值为3000kJ/m³的高炉煤气工况条件下，热风炉拱顶温度能够达到1400℃甚至更高。图8所示为首钢京唐5500m³高炉热风炉煤气和助燃空气高效预热工艺流程。

首钢京唐5500m³高炉热风炉高效预热工艺流程稳定运行11年以上，在全烧高炉煤气条件下，风温长期稳定在1250℃ ，最高月平均风温达到了1300℃ ，煤气和助燃空气高效预热工艺与顶燃式热风炉相匹配，是中国近10年来高炉高风温技术发展的一个重要技术特征，为解决燃烧低热值高炉煤气条件下，实现1250℃高风温关键技术难题，开创了一个新的技术途径和发展模式，取得了显著的应用成效和经济效益。