2024冶金科学技术奖简介 | 高效低碳高风温热风炉关键技术研究与创新

一、研究的背景与问题

钢铁工业是实现“双碳”发展的重要产业，高炉炼铁是节能降碳的关键工序。高风温技术是节能减排、减污降碳的关键共性技术。我国高风温技术已取得显著进步，“十一五”以来，经过持续攻关解决了低热值煤气实现高风温、空煤气高温双预热、顶燃热风炉大型化等难题，带动了行业技术进步。但在热风炉的实际生产过程中，仍存在多项技术难题，制约了高风温技术的发展：

1）我国高炉风温长期停滞在1100～1150℃，与国外先进高炉相差约100℃。

2)热风炉燃烧过程因燃烧效率低、能量转化效率低（热效率＜75%），致使燃耗高、能源转化率低，造成能源浪费和烟气排放总量高。

3)热风炉烟气超低排放的环保标准日益严格。

4)由于高温、高压、高富氧等复杂高炉操作条件，导致热风炉高温区炉壳、高温高压管道和关键部位耐火材料，投产3～5年后出现异常破损、安全隐患和运行故障，制约提高风温、热风炉寿命和安全运行。

5)顶燃式热风炉在燃烧动力学领域缺乏深入理论研究，对热风炉燃烧-传热过程“三传一反”机理研究不足，能量高效转换、燃烧与传热、气体运动规律尚未全面掌握；同时热风炉智能化精准操控缺乏理论和实践深入系统研究。

6)热风炉设计技术体系、冷-热态实验和测试方法、热风管道系统、高效蓄热室、长寿耐火材料、相关技术标准规范体系等多方面仍存在缺陷与弊端，制约了顶燃式热风炉技术提升和推广应用。

图1 项目研究总体技术研发思路

二、解决问题的思路与技术方案

项目通过考察和文献调研，对现有技术问题进行分析总结，并提出研究方案。针对研究方案，分别开展了基础理论研究、仿真研究、冷态和热态实验研究，制定了顶层技术总体方案，并进行研究论证和技术方案优化，而后确定动态精准设计方案。在此基础上，开展关键耐火材料的研究开发与制造，关键装备制造、组装、建造和验收，最后工业冷态测试实验验证。图2为项目总体技术研发思路。

图2 项目研究总体技术研发思路

三、主要创新性成果

（一）创新点一：研究开发并应用了新一代高效低碳高风温顶燃式热风炉及其关键技术

揭示了热风炉燃烧过程中NO_x生成、能量转换和耗散过程机理及规律，提出了基于耗散结构优化的新型顶燃式热风炉高效清洁燃烧理论与技术。运用现代工程研究方法，研究解析了热风炉燃烧的耗散过程及其规律。基于耗散结构理论，以流体力学、传热学、传质学、燃烧学为基础，建立热风炉内物质流、能量流模型。在大型工作站上仿真研究热风炉系统物质流、能量流传输及变化过程，获得温度场、速度场、浓度场及流场分布并实现多场耦合。应用多种先进设计计算方法和实验手段，实现在信息流的精准调控下，物质流、能量流动态有序、协同高效转换和传输。

图3 燃烧器多模式耦合研究过程

图4 三维涡旋扩散燃烧器的开发

图5 烟气温度对NOx生成速率及生成量的影响

图6 工况条件对NOx生成速率及浓度的影响

开发出超大功率高效旋流扩散燃烧综合技术，单体燃烧功率达到180MW，集成创新高效低碳清洁燃烧与能源高效转换耦合关键技术。

图7 燃烧器开发流程

（二）创新点二：创新开发出顶燃式热风炉高效、低碳、清洁和低排放燃烧技术

运用多场耦合数值仿真模拟、物理模型、热态半工业化试验研究，对温度场、速度场、浓度场及流场分布及其规律进行理论研究和燃烧器设计参数优化，开发出低碳低排放的高效清洁燃烧技术。

图8 燃烧过程多场耦合协同优化仿真研究

图9 新型顶燃热风炉三维涡旋扩散燃烧原理

图10 顶燃式热风炉冷态-热态联合试验平台

图11 热态试验燃烧和送风期温度变化

三维涡旋扩散高效燃烧器，采用锥柱复合型结构，煤气喷口分布于燃烧器的锥段，助燃空气喷口分布于圆柱段，形成了多层不同半径的煤气流与空气流多层同心交叉射流三维混合，混合气流在经过喉口收缩整流后，使高温烟气进入格子砖分布均匀，在强化燃烧的基础上，保证了燃烧室内温度场的均匀性。

图12 三维涡旋扩散高效燃烧器设计模型及其流场特征

基于CFD仿真多场耦合优化，改善流场、浓度场、温度场分布，多场协同耦合，并优化设计参数和结构，强化旋流扩散传质过程。优化超大型顶燃式热风炉燃烧耗散结构，过改善喷口初始速度和气流状态，强化CO与O₂的扩散传质过程，改善煤气燃烧热力学条件。

图13 超大功率陶瓷燃烧器开发-基于CFD多场耦合仿真优化研究

图14 5500m3高炉顶燃热风炉燃烧器性能优化

（三）创新点三：创建了新一代顶燃式热风炉工艺及耐火材料设计、制造、选用和配置技术标准体系。

开展热态-冷态试验研究传热过程及机制，研发高效小孔格子砖，优化设计结构及关键参数。开发了非稳态数学模型计算程序，通过对热风炉蓄热室进行传热计算，研究了格子砖热工参数对热风炉传热性能影响。首次建立1:10热风炉热态试验平台，完整实测了超大型顶燃式热风炉内部速度场、流场分布，验证了仿真计算和试验结果。通过半工业热态试验，研究了热风炉燃烧-送风期的蓄热室温度分布及其规律。成功开发出不同孔径的热风炉系列高效格子砖。

图15 热风炉热态试验和实际热风炉实测研究

图16 高效格子砖实物照片

表1 系列高效格子砖的热工参数

图17 烟气雷诺数分布曲线和对流换热系数分布曲线

图18 不同格子砖换热速度和热风温度随时间变化曲线

图19 格孔直径对压力损失的影响

图20 19孔20mm格子砖

建立了完整的热风炉耐火材料技术体系。主编或参编了10项热风炉耐火材料国家标准（5项）、行业标准（3项）和团体标准（2项），创建并形成了完整的热风炉耐火材料标准规范技术体系，如下表所示。

表2 本项目研究制定的热风炉及相关耐火材料技术标准规范

开发研制出高导热、高致密、低蠕变硅砖，用于热风炉高温区域延长使用寿命。研究揭示了服役后热风炉耐火材料破损机理及规律，提出了热风炉耐火材料提高服役性能和安全可靠性的技术措施。基于物相组分优化设计和格子砖热工参数优化设计，开发出抗蠕变性能优异的高效格子砖和耐高温热震性优异的莫来石-红柱石-堇青石砖。

图21 莫来石-红柱石-堇青石砖的显微结构

图22 自修复过程

图23 高导热高性能硅砖微观结构

（四）创新点四：研发出热风炉炉体和管道安全长寿技术，开发热风炉燃烧动态精准控制技术，实现炉体和管道智能化监控

研究揭示了大型热风炉高温区炉壳、耐火材料和热风管道等关键部位局部过热、应力腐蚀疲劳开裂及其破损的机理和规律，开发了抗腐蚀-低应力的炉壳建造技术。在5500m³高炉顶燃式热风炉上，率先采用新型耐腐蚀不锈钢-高强合金钢（904L+Q355）的复合炉壳结构。

图24 热风炉炉壳开裂过程分析

图25 抗腐蚀-低应力的炉壳建造技术

开发了炉壳焊后残余应力消除、炉体及管道安全评价等技术通过低应力-无过热热风炉炉体及管道长寿技术的研发，设计开发了低应力热风炉炉体及热风管道体系，和红外监控技术，为热风系统的稳定运行保驾护航。

图26 炉壳应力实测和强度仿真计算

图27 首钢热风炉及管道智能化监控系统

图28 复杂管道的仿真计算分析

图29 新型热风管道组合砖结构

提出热风炉能效比的概念，解决了衡量热风炉能源高效转化利用缺乏统一标准的问题。能效比的公式如下：

其中：

：热风炉能效比，无量纲；

和：分别为热风和冷风的温度，℃

和：分别为热风和冷风的热含量，kJ/（Nm³℃）；

V_g：单位鼓风所需燃料，Nm³/Nm³；

：燃料的热值，kJ/Nm³。

通过数字化控制实现了煤气和助燃空气流量、热风炉拱顶温度、送风温度、烟气温度及成分的精准控制调节。京唐高炉热风炉煤气消耗降低30%~38%，助燃空气消耗降低2%~8%，热风炉系统热效率≥85%。热风炉系统能效提高18%，能耗降低35%，CO₂减排35%，NO_x减排50%，CO减排80%。

图30 热风炉燃烧期各阶段及优化烧炉

图31 首钢京唐2号高炉热风炉智能化控制系统

图32 智能控制系统投用前后热风炉操作参数曲线变化情况

四、应用情况与效果

近年来，本项目研究成果及相关技术，应用于完成单位9座高炉的22座热风炉，并取得了良好的应用效果。

表3 本项目顶燃式热风炉应用情况

同时，研究成果已推广应用国内外240余高炉的780座热风炉。核心技术获得俄罗斯、日本、乌克兰、印度、印尼等国专利授权。2021年，与俄罗斯MMK钢铁集团签订7号1280m³高炉内燃热风炉升级改造燃热风炉EP项目，印度JSW的5872m3高炉新建顶燃热风炉EP项目。突破国外技术壁垒，技术输出国外，引领国际高风温热风炉技术发展。

本项目在首钢京唐、迁钢、中天等国内高炉热风炉上的应用，近3年累计经济效益达21.85亿元，经济、社会和环境效益显著，推广应用前景广阔。