魏前龙1  葛利军1  刘世聚2  符政学2  程树森3  王龙飞2  刘力铭2 

（1.建龙集团山西建龙钢铁公司；2.河南省豫兴热风炉工程技术有限公司；3.北京科技大学）

摘  要  风温提高100℃，高炉可提高产量2.5%，提高喷煤量20kg/t-30kg/t，降低焦比2.5%。山西建龙1号高炉配套的豫兴顶燃式悬链线热风炉在混风开度30%的情况下实现平均风温1250℃；与此同时，其氮氧化合物排放为30mg/m³左右，远远低于国家200mg/m³的排放标准，也低于河北省、山东省、山西省等省份150mg/m³的排放标准。在国家环保政策日趋收紧的情况下该热风炉具备了良好的未来适用性。本文结合该热风炉实际运行情况，对其高风温、低碳、低氮燃烧技术进行了理论分析。

关键词  豫兴顶燃式悬链线热风炉  高风温  低氮燃烧 

山西建龙1号高炉（1680m3）配套使用的3座热风炉由河南省豫兴热风炉工程技术有限公司EPC总承包，于2019年12月18日建成投产。3座热风炉均采用豫兴顶燃式悬链线热风炉技术，采用“两烧一送”交错并联送风制度，设计风温1250℃，拱顶温度1350℃，单炉送风60分钟；使用单一高炉煤气在混风开度30%的条件下，实现了使用风温1250℃稳定输出，NOX污染物18-28mg/m³的超低排放，为企业达成经济环保双目标提供了有力保障。山西建龙1号高炉配套的豫兴顶燃式悬链线热风炉通过合理设计炉顶结构、优化配置燃烧器和提高格子砖热交换能力等途径，改善了热风炉烟气流场和冷风流场的分布状态，有效降低了热风炉拱顶温度和送风温度之间的温差值，从而实现了提高热风炉送风温度及降低氮氧化物排放的重要目标。

1  建龙1号高炉配套热风炉基本设计参数及运行情况

山西建龙1号高炉配套的3座豫兴顶燃式悬链线热风炉基本设计参数见表1所示；热风炉投产运行以来，对其进行了不间断监测，运行数据见表2。

表2截取了建龙1号高炉配套的豫兴顶燃式悬链线热风炉5月6号到18号偶数日的各项指标参数，其在混风阀门平均开启31.28%的情况下实现了稳定风温1250℃的稳定输出，初期平均风温1322℃、末期平均风温1263.5℃，平均差值58.48℃；平均送风风温1250℃；平均拱顶温度1302.9℃，平均拱顶温度与送风温差52.9℃；NOX排放量最小值仅为18.04mg/m³，平均排放值为23.77 mg/m³。数据表明建龙1号高炉配套的豫兴顶燃式悬链线热风炉风温高、低氮氧化物排放低的特点。

2  提高热风炉风温途径及氮氧化物产生机理分析

2.1  提高热风炉风温途径

我国钢铁企业现行热风炉使用的燃料大多数为单一高炉煤气，随着高炉煤气利用率的提高，高炉煤气热值会降低到3300kJ/m³以下，热风炉的理论燃烧温度将低于1320℃。如前所述，热风炉风温的高低对铁厂产量及成本有着重要影响；在此条件下，如何提高热风炉风温成了热风炉厂家必须要解决的首位问题。研究显示[2]，提高风温的途径主要有：一是提高热风炉的拱顶温度，二是降低热风炉拱顶温度与风温之间的差值。

提高热风炉拱顶温度的方法主要有：1.对燃气和空气进行预热提高高炉煤气理论燃烧温度；根据有关资料显示[3]，当空气和燃气温度均被加热到400℃时，比空气和燃气温度均为25℃时，理论燃烧温度能提高约200℃，达到1580℃。2.降低过剩空气系数；据有关资料显示[3]，当过剩空气系数α=1时，燃气充分燃烧，理论燃烧温度达到最大值，当α>1时，过剩空气系数增大时，理论燃烧温度与α=1时的基准理论燃烧温度相比降低值▽t逐步增大，对于高炉煤气而言，其关系如表3所示。3.降低煤气含水量；4.配用高发热量煤气；研究表明，高炉煤气热值每增加100kJ/m³，理论燃烧温度将相应增加24℃；在混合量不超过15%之前，每增加1%的焦炉煤气将提高理论燃烧温度16℃，每增加1%的天然气，理论燃烧温度相应增加23℃。

降低热风炉拱顶温度与风温之间的差值的主要方法有：1.增大蓄热室面积。2.改善热风炉烟气流场和冷气流场分布状态，高温烟气流场（冷风流场）在蓄热室横断面上分布的均匀性，将直接影响蓄热室内的换热，研究表明，通过改善高温烟气（冷风流场）在蓄热室断面上分布的均匀性可以改善热风炉内的热交换，蓄热量可以增强，从而可以将风温提高约30℃[4]。3.提高烟道温度，在烟道温度为200-400℃之间时，每提高烟道温度100℃，可提高风温约100℃，但单纯采用此措施会影响热风炉的热效率，因此必须采用烟气余热回收。4.增加热风炉换炉次数缩短工作周期。5.减小热风炉的散热损耗。

2.2  氮氧化物产生机理

高炉煤气在燃烧时会生成氮氧化物（以NOX表示），其中NO约占燃烧时生成氮氧化合物总数的95%，NO2约占5%，因此讨论氮氧化合物的生成机理主要是讨论NO的生成机理。燃料在燃烧时生成的NO主要有三种类型：即①温度热力型NO，它是空气中的氮在高温下氧化而生成的NO；②碳氢燃料快速型NO，它是燃烧时空气中的氮和燃料中的碳氢离子团如CHX等反应生成的NO；③含氮组分燃料型NO，它是燃料中含有的氮氧化合物，以及在燃烧过程中热分解又接着氧化而生成的NO。高炉煤气燃烧时产生的NO主要是温度热力型NO[5]。

对于以高炉煤气为燃料的热风炉而言，热风炉工作时会在燃烧室内发生以下化学反应：

2CO+O22CO2        2-1

N2+O22NO          2-2

2NO+O22NO2        2-3

据有关资料显示[6]，温度是影响温度热力型NO产生的关键，在燃烧温度T<1500℃时，几乎不产生温度热力型NO，在T>1500℃时NO开始产生。根据质量作用定律和吕·查德里原理：温度升高会使分子运动速度增大，单位时间内分子间碰撞次数成倍增加；更重要的是温度升高会提高活化分子百分数，增加单位体积内反应物活化分子的数目，使反应速度大大地增加，如图1随着温度的上升，NO呈指数关系上升。

具体到热风炉生产实践上，因热风炉拱顶温度与高炉煤气理论燃烧温度密切相关（热风炉炉温系数ζ在0.92-0.98，也即热风炉拱顶温度是高炉煤气理论燃烧温度的0.92-0.98倍），因此NO排放量与理论燃烧温度之间的关系也就可以进一步表述为NO排放量与热风炉拱顶温度之间的关系，其大致关系如表4所示。

除燃烧温度外，过剩空气系数也会影响NO的产生。在热风炉燃烧阶段，为了使高炉煤气中的CO充分燃烧，必须使用过量的O2，也就是我们说的过剩空气系数α。当α=1时，如式2-1所示，O2刚好用完；当α=n时，式2-1中各化合物系数关系如2-4所示

2CO+nO2=2CO2+(n-1)O2                  2-4

此时，剩余(n-1)个 O2分子，式2-2的平衡常数Ke=[N2][O2]/[NO]2，在温度一定的情况下是一定值，O2的浓度增加，平衡向生成物方向移动，此时NO生成量增加。

根据以上分析可以得出：控制NO的生成手段主要是降低理论燃烧温度，通常可采用废气循环技术和长短火焰燃烧技术；使用尽量小的过剩空气系数α。

3  建龙1号高炉配套豫兴热风炉高风温、低氮燃烧技术探析

3.1  缩小拱顶温度与鼓风温度之间差

由以上分析可知，温度升高化学反应速度通常是成倍增加。对于以高炉煤气为燃料的热风炉而言，热风炉的拱顶温度是平衡热风炉高风温与低氮氧化合物排放的关键因素；并且两者之间呈现出了一定的正相关关系，即提高热风炉拱顶温度则会增加热风炉送风温度，同时，也会增加废气中氮氧化合物排放量。怎样以尽可能低的拱顶温度满足用户对热风炉高风温的要求成了解决这对矛盾体的关键。通过减少热风炉拱顶温度与送风温度之间的差值成了实现热风炉高风温与低氮燃烧的关键，以此为突破点不仅可以实现上述双重目标，还能为以后持续提高热风炉风温、实现更好的节能减排目标留下可操作的技术空间。通过前面分析我们知道，排除耐火材料性能和热风炉操作系统等外部条件的影响，如何设计热风炉结构，从而更好的改善热风炉内部烟气流场和冷风流场分布状态，成了解决这个问题的关键。

河南省豫兴热风炉工程技术有限公司正是抓住这一关键点，通过合理设计热风炉炉顶结构、优化配置燃烧器、提高格子砖热交换效率等途径大幅优化了热风炉内部烟气流场和冷风流场分布状态，将热风炉拱顶温度与鼓风温度之间的差值缩小到50℃左右，实现了热风炉高风温和低氮排放的双重目标。

一是采用独特的悬链线拱顶结构。根据有关资料显示[7]，在相同风量情况下，悬链线拱顶空间内的烟气分布本就优于其他形状的热风炉拱顶结构。豫兴顶燃式悬链线热风炉对原有的悬链线拱顶进行了进一步优化，将悬链线拱顶高度与直径之间的比值设定为1.15以上，并通过与安装在拱顶基脚部位的环形燃烧器共同作用进一步改善了燃烧室的烟气流场分布状态[8]（如图2所示）。从图中我们可以看出，高温烟气在燃烧室中心位置形成涡流，根据温度分布的有关知识知道局部涡流会形成局部高温区，因此这种烟气流场分布状态使得燃烧室中心成为真正的高温区域（如图3所示，燃烧室中心截面3颜色最艳丽，温度最高），从而使得燃烧室高温区结构对称、温度区间分明、热效率高、拱顶和燃烧室底部（即蓄热室上部）温差小；从图中还可以看出，燃烧室底部（即蓄热室上部）的高温烟气流速分布均匀，提高了热风炉的换热效率，进一步减小了拱顶温度与送风温度之间的差值[9]，从而有效提高了热风炉送风风温。其次由于这种烟气流场分布状态使相当量的下降气流加入到上升气流中，淡化了高温区燃气和空气浓度（如图4所示，燃烧室中心截面3即图3的高温区域颜色较淡，燃气浓度较低），降低了上升气流温度，拉长了火焰，使高向加热更加均匀，其作用与低氮燃烧器的废气循环技术相似，从而起到了降低氮氧化物排放的作用。

二是采用孔孔相通的格子砖技术。豫兴顶燃式悬链线热风炉蓄热室格子砖（其形状如图5所示）优化了传统热风炉蓄热室格子砖形状，解决了普通格子砖格孔错台、错位影响气流通过的弊端。以19孔格子砖为例，19孔格子砖底部设计有15毫米深的联接18格孔的联通凹槽，当气流通过格砖的19个孔径时，由于流体的阻力和压力的作用，联通的18个凹槽区域能够调节气流，使其均匀分布，对于整个蓄热室，就形成了互联互通的均压均流状态，优化了蓄热室烟气流场和冷风流场分布状态，提高了热风炉换热效率[9]，降低了热风炉拱顶温度与送风温度之间的差值，在提高热风炉送风风温与降低氮氧化物排放中发挥了关键作用。北大程树森教授对豫兴顶燃式悬链线热风炉采用的均压均流格子砖与普通热风炉格子砖的冷风流场分布状态进行了数模对比验证，其结果如图6、7、8所示。

3.2  降低过剩空气系数α

由以上分析可知，在α>1的情况下α值越小，理论燃烧温度越高，氮氧化合物生成量越小。豫兴顶燃式悬链线热风炉采用的煤气与空气交错布置对冲上喷的格栅式陶瓷环形燃烧器结构（形状如图9所示），这种燃烧器结构能够使煤气和空气以独特的涡旋搅扰方式进行充分混合，使得高炉煤气在过剩空气系数α=1.02-1.05之间即可实现充分燃烧，从而使该燃烧器具备了高温、低氮、低CO排放的多重性能。同时因为α值小使得燃烧器喷嘴处火焰形态为短焰燃烧，配合独特的悬链线拱顶结构，混合燃烧的火焰运行距离长，从而使环形燃烧器具备了长短焰混合燃烧的低氮氧化物燃烧器排放特征，进一步降低了燃烧器的氮氧化合物排放（其模拟燃烧特征如图10所示）。

4  结论

山西建龙1号高炉所使用的豫兴顶燃式悬链线热风炉使用了独特的悬链线拱顶结构、布置于拱顶基脚的独特环形燃烧器技术和均压均流格子砖技术，不仅具有高温、低氮特性，还通过进一步优化烟气流场和冷风流场分布状态，缩小了拱顶温度与鼓风温度之间的差值，更好的实现了提高热风炉风温与降低氮氧化物排放的双重目的，为用户企业实现环保和经济双目标打下了良好的设备基础。

5  参考文献

[1] 程琳.关于提高热风炉送风温度途径的探讨[J].钢铁技术，2002.

[2] 项钟庸.炼铁工艺设计理论与实践[M].北京：冶金工业出版社，2007.

[3] 任建兴，邓万里，梁松彬，李芳芹.过剩空气系数对多种燃气燃烧温度影响的分析[J].节能，2011.

[4] 段润心，段中坚.热风炉内冷风的流动状况及均匀配气技术[J].炼铁，1992.

[5] 郭冬芳，王小平.高炉煤气锅炉燃烧中氮氧化合物污染物的控制[J].江西能源，2007.

[6] 吴忠标.大气污染控制工程[M].科学出版社，2002.

[7] 项钟庸，郭庆第.蓄热式热风炉[M].北京：冶金工业出版社，1998.

[8] 胡日君，程树森.考贝式热风炉拱顶空间烟气分布的数值模拟[N].北京科技大学学报，2006.

[9] 于帆，张欣欣，张炳哲，焦吉成，苏秀梅.顶燃式热风炉燃烧室烧嘴角度的优化设计//[C].第七届中国工业炉学术年会论文集，2006.