走進安耐克
高效低碳熱風爐 綠色智慧安耐克
中國頂燃式熱風爐技術的現狀與發展
發布時間：
2023-12-15
來源：
作者：
熱風爐作為煉鐵高爐的能源轉換裝備，其供給高爐熱風的熱量約占煉鐵生產能耗的30%。20世紀以來，熱風爐技術經歷了內燃式、外燃式、頂燃式的演進變革過程，國內熱風爐技術基本被荷蘭霍戈文內燃式熱風爐、日本新日鐵外燃式熱風爐、俄羅斯卡盧金頂燃式熱風爐等形成技術壟斷，在這三種典型的熱風爐中，頂燃式熱風爐以其空間緊湊、結構穩定、投資更少等多重優勢，逐步取代內燃式熱風爐和外燃式熱風爐而成為新建熱風爐的主流爐型。
1. 頂燃式熱風爐的應用現狀
中國頂燃熱風爐技術的開發者們，早在20世紀70年代首鋼23.5m 3實驗爐上取得經驗后，成功應用在1327-2500m3大中型高爐上。同時，具有中國特色的球式頂燃熱風爐應用于近2000m3高爐，承德鋼鐵公司旋流式預混型多燒嘴頂燃熱風爐的開發應用也取得了較好效果。本世紀初，俄羅斯卡盧金頂燃熱風爐技術進入中國并迅速得到推廣，國內各大鋼鐵設計研究院和有關企業自主研制開發出了多種結構形式的頂燃式熱風爐，成功應用于大型高爐上，使頂燃熱風爐技術進入了一個新的發展時期。
我國頂燃熱風爐主要存在以下共性技術問題：
1）我國熱風爐長期依賴國外技術，俄羅斯卡盧金頂燃式熱風爐關鍵技術形成壟斷和壁壘。
2）熱風爐以全高爐煤氣為燃料，風溫難以達到并穩定1250℃以上，風溫波動大，熱效率低 。
3）熱風爐煤氣消耗量大，煤氣燃燒不完全，能耗高，碳及氮氧化物排放量大，不符合低碳及污染物排放要求。
4）熱風爐壽命不能滿足兩代高爐爐役要求，熱風爐管道、拱頂、燃燒器等是影響使用壽命、安全運行、穩定送風的關鍵部位。
5）熱風爐燃燒器、拱頂、管道、蓄熱室的關鍵高溫材料結構、材質、施工等難以滿足高風溫、長壽命、低排放、高效率的要求。
2. 頂燃熱風爐技術發展歷程
2.1首鋼型頂燃熱風爐
1969年首鋼鋼研所成立了以張伯鵬為首的熱風爐實驗組，1970年為23.5m3試驗高爐設計出了三種拱頂燃燒方式頂燃爐（見圖1），1972年實驗爐建成投入工業試驗。1974年濟南鐵廠100 m3高爐大修時（見圖2），首鋼為其設計了大功率旋流單燒嘴頂燃熱風爐，采用自身預熱法，風溫為1150°C-1200°C。1978年首鋼在新建1327 m3新2#高爐上，成功設計出了全球第一組大型頂燃式熱風爐（見圖3）。該組熱風爐為4座熱風爐，呈矩形布置，拱頂溫度達1380℃，日最高平均風溫1260℃，1980年3月平均風溫為1197℃。
1327米 3高爐頂燃熱風爐應用成功后，首鋼陸續在2100米 3,2座2500米3高爐上均采用了頂燃熱風爐。首鋼型頂燃式熱風爐雖實現了高風溫（1150-1200℃），但燃燒器燒嘴易高溫，受當時設備、材料等限制條件未得到推廣應用。
球式熱風爐技術始于20世紀50年代末期，早期的球式熱風爐體積小（見圖4），結構簡單，節省投資，在小型高爐上得到應用；20世紀90年代，球式熱風爐技術逐漸成熟，實現了機械化裝卸球，成都鋼鐵、四川威遠鋼鐵、廣西柳鋼等大中型球式熱風爐獲得較好的應用效果（見圖5）。進入21世紀，隨著我國淘汰落后產能及設備政策的實施，球式熱風爐頻繁停爐換球、熱風溫差較大、使用壽命短、能耗較高等缺陷，難以滿足大型高爐煉鐵技術發展的要求。
2.3 俄羅斯卡盧金式頂燃熱風爐的引進吸收
前蘇聯全蘇冶金熱工研究所對頂燃式熱風爐進行了較全面的研究，1982年在下塔吉爾冶金公司的1513 m3高爐上建成一座早期"盧金式"頂燃熱風爐（見圖6），該熱風爐吸收了首鋼型頂燃熱風爐的優點，改進了燃燒器的布置結構，在大球形拱頂下部布置空氣、煤氣獨立的環道結構，采用耐火材料砌筑的陶瓷燃燒器，解決了首鋼型頂燃熱風爐燃燒器高溫的問題。
隨后對早期環形預燃室熱風爐進行改進，吸收了新日鐵外燃式熱風爐的拱頂結構形式（見圖7），推出小拱頂 "盧金式"頂燃熱風爐（見圖8），在2001年，該卡盧金頂燃熱風爐技術由當時北京鋼鐵設計研究院引入中國。從萊鋼的750 m 3高爐、首鋼1780 m 3高爐、唐鋼3200 m 3高爐、天鋼3200 m 3高爐等均采用卡盧金頂燃式熱風爐技術。
2.4 錐柱旋切頂燃式熱風爐
近10余年來，安耐克、中冶京城、首鋼等聯合研發，持續創新頂燃式熱風爐技術，升級迭代不斷推進，開發出錐柱旋切頂燃式熱風爐技術，并投入工業化應用。根據鋼鐵企業對熱風爐高風溫、高效率、長壽命、低排放的要求，改進燃燒器結構，改善燃燒性能，提高熱風爐熱效率，減少環境污染。
采用三維混合渦旋燃燒器，結構更緊湊、燃燒器功率更大，同等條件下可顯著降低工程材料使用量，降低工程投資約10%-18%；在空、煤氣溫度和煤氣熱值等熱風爐能源介質指標相同時，錐柱旋切頂燃式熱風爐可顯著降低拱頂溫度和送風溫度的差值，提高20℃~30℃送風溫度；通過蓄熱磚孔徑、孔型、結構、材質的優化，與先進蓄熱材料相比，提高換熱效率20%以上；在合理的空燃比技術上采用三維混合渦旋燃燒器，滿足≥1250℃的送風溫度，并保證NOx排放量≤50mg/m3，排放標準遠低于《鋼鐵工業大氣污染物超低排放標準》。
頂燃式熱風爐經過了50余年的發展，縱觀其發展歷程，基本就是燃燒器的不斷改進過程，頂燃式熱風爐將燃燒器置于熱風爐蓄熱室拱頂部位，利用拱頂空間作為燃燒室，取消了獨立的燃燒室結構，其燃燒器結構經歷了從初期的套筒式金屬燃燒器到套筒式陶瓷燃燒器，再到陶瓷燃燒器的過程。外形從最初的半球型大拱頂到小拱頂燃燒器，現將幾種頂燃熱風爐燃燒器的技術特點和使用效果進行對比分析。
4. 頂燃熱風爐技術發展趨勢
近年來，中冶京誠、中冶南方、中冶賽迪、中冶東方、首鋼國際等國內知名工程技術公司在煉鐵高爐配套的熱風爐上廣泛推廣應用小拱頂燃式熱風爐技術，達涅利（Danieli）、保沃思（Paul Wurth）等國際知名公司在熱風爐領域也普遍采用小拱頂燃式熱風爐技術，并且大都采取和國內知名企業聯合設計。例如正在建設的印度JSW 5872m 3高爐熱風爐、AMNSI 4800m3高爐熱風爐，達涅利霍戈文負責工藝設計，采用安耐克錐柱旋切頂燃式熱風爐技術，鄭州安耐克負責熱風爐燃燒器設計和耐材供貨。
安耐克錐柱旋切頂燃式熱風爐自問世以來，得到業內專家和客戶的高度認可，技術水平達到國際領先，并取得了顯著的經濟效益和社會效益。在"雙碳"背景下，安耐克將致力于頂燃式熱風爐的持續優化改進和配套耐火材料的研發生產，通過對爐型結構及耐材配置不斷優化升級，為國內外鋼鐵企業提供高溫長壽、低碳降耗、智能集約的頂燃式熱風爐技術、產品和服務。
