一、研究的背景與問題
目前，我國熱風爐高風溫技術發展過程中存在以下關鍵難題：
1、我國高爐風溫長期停滯在1100～1150℃，與國外先進相差約100℃。
2、熱風爐燃燒過程因燃燒效率低、能量轉化效率低（熱效率＜75%），致使燃耗高、能源轉化率低，造成能源浪費和煙氣排放總量高。
3、熱風爐煙氣超低排放的環保標準日益嚴格。熱風爐煙氣中污染物排放標準要求顆粒物、SO2、NOx排放分別低于10、50、200mg/m3。2021年唐山市頒布新標準：顆粒物、SO2、NOx分別低于5、30、100mg/m3。
4、由于高溫、高壓、高富氧等復雜操作條件，導致熱風爐高溫區爐殼、高溫高壓管道和關鍵部位耐火材料，投產3～5年后出現異常破損、安全隱患和運行故障，制約提高風溫、熱風爐壽命和安全運行。
5、頂燃式熱風爐在燃燒動力學領域缺乏深入理論研究，對熱風爐燃燒-傳熱過程“三傳一反”機理研究不足，能量高效轉換、燃燒與傳熱、氣體運動規律尚未全面掌握；同時熱風爐智能化精準操控缺乏理論和實踐深入系統研究。
6、熱風爐設計技術體系、冷-熱態實驗和測試方法、熱風管道系統、高效蓄熱室、長壽耐火材料、相關技術標準規范體系等多方面仍存在缺陷與弊端，制約了頂燃式熱風爐技術提升和推廣應用。
二、解決問題的思路與技術方案
本項目研究以高爐熱風爐低碳綠色、高效長壽為目標，圍繞“雙碳”發展和超低排放對高爐及熱風爐節能減排、減污降碳的新要求、新標準，組建聯合技術攻關團隊進行長達10余年系統深入研究。主要研發內容包括：
①基于三維空間渦旋燃燒技術的頂燃式熱風爐的研發；
②特大型熱風爐超大功率陶瓷燃燒器關鍵技術研究；
③頂燃式熱風爐關鍵耐火材料體系的研究；
④高爐熱風系統安全長壽技術研究；
⑤內燃式熱風爐改造為頂燃式熱風爐的工程化集成創新與應用研究；
⑥基于熱風爐耗散結構優化的動態精準控制模型開發；
⑦熱風爐高效清潔與超低排放研究。
圖1 主要研究內容和技術路線
項目研究總體技術思路是通過理論研究及數字化仿真研究、工程設計及關鍵技術研究開發、工程集成應用研究多層次-多維度進行系統全面的研究攻關。圖2為項目總體技術研發思路。
圖2 項目研究總體技術研發思路
三、主要創新性成果
1、研究開發并應用了新一代高效低碳高風溫頂燃式熱風爐及其關鍵技術
提出了基于耗散結構優化的新一代頂燃式熱風爐高效清潔燃燒理論與技術；發明了頂燃式熱風爐實現三維空間渦旋擴散燃燒技術；開發超大功率高效旋流擴散燃燒器及其綜合技術，燃燒器單體燃燒功率達到180MW；集成創新了高效低碳清潔燃燒與能源高效轉換耦合關鍵技術；熱風爐燃燒效率達99.99%，系統熱效率≥85%，熱風爐能效比≤1.15。
（1）現代熱風爐燃燒理論研究
運用現代工程研究方法，研究解析了熱風爐燃燒的耗散過程及其規律。基于耗散結構理論，以流體力學、傳熱學、傳質學、燃燒學為基礎，建立熱風爐內物質流、能量流模型。在大型工作站上仿真研究熱風爐系統物質流、能量流傳輸及變化過程，獲得溫度場、速度場、濃度場及流場分布并實現多場耦合。全面應用多種先進設計計算方法和實驗手段，實現在信息流的精準調控下，物質流、能量流動態有序、協同高效轉換和傳輸。
圖3 燃燒器多模式耦合研究過程
圖4 三維渦旋擴散燃燒器仿真研究
（2）超低NOx燃燒熱力學和動力學研究
研究解析了熱風爐燃燒過程NOx形成機理及規律。研究表明，在熱風爐高溫燃燒時，氣相中的N2和O2在燃燒過程生成NOx，屬于熱力型NOx生成機制（圖5），影響NOx生成要素包括傳質、擴散、混合、溫度、速度、停留時間等，但主要受燃燒溫度及氣相成分的影響。其中，隨著氧濃度、助燃空氣溫度和煤氣溫度的提高，NOx生成速率和生成濃度均相應升高。
圖5 煙氣溫度對NOx生成速率及生成量的影響
圖6 操作參數對NOx生成速率及濃度的影響
圖7 頂燃式熱風爐煙氣中NOx隨時間和拱頂溫度變化的實測曲線
（3）燃燒耗散過程優化研究
通過熱風爐燃燒實測分析，對比研究燃燒效率、燃燒耗散過程及污染物排放量的關系（圖8）。研究表明，頂燃式熱風爐燃燒效率可高達99.99%以上，因此頂燃式熱風爐煙氣中CO含量極低，測試的3座頂燃式熱風爐煙氣平均CO含量均＜100mg/m3，其中燃燒穩定期煙氣CO含量均＜20mg/m3。頂燃式熱風爐煙氣中NOx含量總體較低，3座熱風爐煙氣NOx含量分別為117.3、95、30mg/m3，因此操作參數精準調控和合理匹配是優化燃燒耗散過程的關鍵要素。
圖8 頂燃式熱風爐煙氣中NOx、CO和O2含量變化及關系
2、創新開發出頂燃式熱風爐高效、低碳、清潔和低排放燃燒技術
運用多場耦合數值仿真模擬、物理模型實驗研究、熱態半工業化試驗研究、熱風爐實際運行測試研究等多種研究模式。研究解析了三維空間渦旋擴散燃燒型高效燃燒器的氣體擴散、混合、傳質和燃燒過程，發明了基于旋流高效燃燒、強化擴散混合、低NOx和低空氣過剩系數的超大功率燃燒器。在風溫1250℃條件下，噸鐵熱風爐燃料消耗≤1.14GJ/t(折算高爐煤氣消耗370m3/t)，熱風爐煙氣中NOx和CO排放量分別≤50mg/m3和20mg/m3。
（1）燃燒過程仿真研究與多場耦合優化
針對新一代頂燃式熱風爐技術研發，進行了三維渦旋擴散高效燃燒技術仿真研究及多場耦合優化研究。采用CFD仿真模擬對溫度場、速度場、濃度場及流場分布進行理論研究和設計參數耦合優化。結合熱風爐冷態、熱態模型試驗研究分析，指導燃燒器設計及結構參數優化。
圖9 燃燒過程多場耦合協同優化仿真研究
圖10 三維空間渦旋擴散燃燒器流場設計與仿真研究
（2）新一代頂燃式熱風爐及三維渦旋擴散燃燒器研發
創新燃燒器采用錐-柱復合結構，煤氣噴口設置在燃燒器的錐段，空氣噴口設置在圓柱段。煤氣流與空氣流在燃燒空間內，形成多層交叉射流、三維渦旋混合流動狀態，混合氣流經過喉口段壓縮整流后，形成負壓區流動斷面收縮后再旋流擴張，優化了煤氣和空氣的擴散傳質進程，使得高溫煙氣進入格子磚分布均勻。研發出三維渦旋擴散燃燒技術，實現煤氣和空氣在垂直方向上的交叉混合、強化燃燒，拱頂空間流場分布均勻，蓄熱室格子磚表面溫度分布均勻（見圖11）。基于多場耦合仿真研究和模型研究，本項目所研發的三維渦旋擴散高效燃燒器溫度場、濃度場分布更加合理，NOx生成大幅度降低（見圖12），在3000m3級高爐應用獲得成功。本項目技術輸出海外，已推廣應用到印度5800m3高爐。
圖11 三維渦旋擴散高效燃燒器設計模型及其流場特征
圖12 新型頂燃式熱風爐仿真計算全爐NOx分布云圖
（3）超大型熱風爐燃燒過程耗散結構優化研究
基于已有技術成果，針對超大型頂燃式熱風爐燃燒器存在的技術難題進行研究，攻克技術缺陷和關鍵技術難題（見圖13）。優化超大型熱風爐燃燒過程耗散結構，強化超大功率燃燒工況的動力學條件，研發出新型超大功率燃燒器，實現了低碳、高效、低耗、低排放的目標。圖14為超大型熱風爐多場耦合仿真優化研究，圖15為京唐熱風爐超大功率燃燒器設計參數優化結果，圖16為NOx生成計算結果。研發的新型超大功率陶瓷燃燒器，成功應用于京唐5500m3高爐熱風爐新建及改造工程，取得顯著成效：助燃空氣過剩系數由10%降低到3%；煙氣中CO含量≤20mg/m3；拱頂溫度1350℃時，風溫達1250℃，煙氣中NOx排放量低于30mg/Nm3，優于唐山市超低排放標準。
圖13 超大型熱風爐燃燒過程的技術難題及解決措施
圖14 超大功率陶瓷燃燒器開發-基于CFD多場耦合仿真優化研究
圖15 超大功率燃燒器設計參數優化結果
圖16 超大型熱風爐燃燒時NOx分布云圖
（4）新一代頂燃式熱風爐燃燒過程實驗-試驗聯合研究
為了驗證仿真計算的結果，深入解析研究熱風爐實際工況的燃燒過程特性及規律，建立了物理模型和熱態試驗平臺，針對新一代頂燃式熱風爐進行了冷態+熱態耦合實驗-試驗聯合研究（圖17）。冷態模型主要用于測定空氣、煤氣噴口處的氣體流速，檢驗燃燒器氣體分配均勻性，對仿真計算結果進行驗證（如表1所示）。熱態試驗平臺通過熱風爐半工業化試驗，模擬實際熱風爐運行狀態，對試驗熱風爐燃燒-送風過程進行溫度、壓力、成分等多參數試驗測試，對仿真計算采用的數學模型及結果進行再次驗證。
圖17 頂燃式熱風爐冷態-熱態聯合試驗平臺
表1 物理模型實測速度和溫度平均值和分布指數
3、創建了新一代頂燃式熱風爐工藝及耐火材料設計、制造、選用和配置技術標準體系。
建立了頂燃式熱風爐節能、熱平衡測試方法、耐火材料配置等一系列技術標準；解析研究了服役后熱風爐耐火材料破損機理及規律，提出了熱風爐耐火材料提高服役性能和安全可靠性的技術措施；基于物相組分優化設計和格子磚熱工參數優化設計，開發出抗蠕變性能優異的高效格子磚和耐高溫熱震性優異的莫來石-紅柱石-堇青石磚；研制并批量生產出熱風管道用系列耐火材料和熱風爐長壽組合磚，研制出不同材質的全系列高效高性能格子磚。
（1）創建頂燃式熱風爐工藝及關鍵耐火材料技術體系
主編或參編了10項熱風爐耐火材料國家標準（5項）、行業標準（3項）和團體標準（2項），創建并形成了完整的熱風爐耐火材料標準規范技術體系，如表2所示。牽頭制定的標準涵蓋熱風爐節能、熱平衡測定及計算方法等國家標準，還包括頂燃式熱風爐用耐火材料技術規范、熱風爐用紅柱石磚、熱風爐陶瓷燃燒器用耐火磚等行業標準，覆蓋了熱風爐燃燒、傳熱、節能、減排、耐火材料配置、材料制造、技術評價等多維度技術標準，由技術到產品，從關鍵技術的研發與領先，發展成為技術標準體系的創建與完善。
表2 本項目研究制定的熱風爐及相關耐火材料技術標準規范
（2）研發頂燃式熱風爐陶瓷燃燒器專用關鍵耐火材料
根據頂燃式熱風爐燃燒器復雜惡劣工況條件，研發出高荷軟、低蠕變、高抗熱震的陶瓷燃燒器專用莫來石-紅柱石-堇青石磚，顯微結構如圖18所示。以紅柱石、堇青石為主要原料，利用堇青石低膨脹和紅柱石的富硅玻璃相特性，進行材料成分及相結構設計，協同提升材料高溫性能和抗熱震性能。創新采用M-70燒結莫來石+紅柱石+堇青石工藝方案，通過加入堇青石使制品具有優良的抗熱震性能，加入紅柱石以提高制品的荷重軟化溫度和抗蠕變性，從而獲得優異的綜合高溫性能。多物相協同優化耦合使復合相材料理化性能顯著提升，滿足了熱風爐核心關鍵設備陶瓷燃燒器的性能要求。
圖18 莫來石-紅柱石-堇青石磚的顯微結構
（3）開展半工業試驗研發高效格子磚
以相似原理為理論基礎，首次建立1:10熱風爐熱態試驗平臺，設置289個熱電偶測溫點，實測蓄熱室吸熱、放熱溫度變化曲線，同時測定速度、壓力分布和煙氣成分等參數，以驗證仿真計算結果。搭建現場測試裝置，首次完整實測了超大型頂燃式熱風爐內部速度場、流場分布，驗證了仿真計算和試驗結果（圖19）。通過熱態試驗熱風爐半工業試驗，實測研究了熱風爐燃燒-送風期的蓄熱室溫度分布及其規律（圖20、圖21），對比實測研究了不同孔徑格子磚的熱工性能，為研發高效格子磚奠定了試驗基礎。
圖19 熱風爐熱態試驗和實際熱風爐實測研究
圖20 試驗熱風爐燃燒期蓄熱室溫度分布
圖21 試驗熱風爐送風期蓄熱室溫度分布
開發了非穩態數學模型計算程序，通過對熱風爐蓄熱室進行傳熱計算，研究了格子磚熱工參數對熱風爐傳熱性能影響，開發出不同孔徑的熱風爐系列高效格子磚（圖22、表3），不同格子磚傳熱參數對比見圖23。高效格子磚體系的成功研發應用，迅速改變了我國熱風爐用格子磚落后的研發生產狀況，取得了重大技術突破。
圖22 高效格子磚實物照片
表3 系列高效格子磚的熱工參數
圖23 不同格孔的格子磚加熱面積和蓄熱體積比較
4、研發了低應力-無過熱熱風爐爐體及管道長壽技術，設計開發了低應力熱風爐爐體及熱風管道體系
研究解析了大型熱風爐高溫區爐殼、耐火材料和熱風管道等關鍵部位局部過熱、應力腐蝕疲勞開裂及其破損的機理和規律。在5500m3高爐頂燃式熱風爐上，首創采用新型耐腐蝕不銹鋼-高強合金鋼的復合爐殼結構，開發了抗腐蝕-低應力的爐殼建造技術。發明應用了一系列熱風爐維護修復技術，建立了用于爐殼焊后殘余應力消除、爐體及管道智能化監測、評價等技術體系。
（1）熱風爐爐殼及管道破損機理研究
針對爐殼焊縫開裂及波紋補償器失效進行原位分析、宏觀觀察、化學成分檢測、微觀金相組織及掃描電鏡觀察，結合工況條件，對爐殼及波紋補償器破損原因進行分析研究。研究揭示了熱風爐爐殼焊縫開裂主要原因是由于應力破壞（見圖24），主要包括：①焊接殘余應力破壞。爐殼焊接過程產生的殘余應力，導致爐殼在服役過程中焊縫處出現應力集中，造成爐殼焊縫開裂、鋼板基體受損；②晶間應力腐蝕。由于熱風爐拱頂溫度過高形成大量NOx，在應力集中的焊縫處與水積聚，腐蝕晶界破壞金屬微觀結構，從而產生裂紋、開裂；③交變應力破損。熱風爐燃燒-送風交替工作，產生交變應力變化，對爐殼造成破壞。熱風爐爐殼在多種破壞因素綜合作用下，更加劇了爐殼破損。
圖24 爐殼焊縫斷裂處微觀形貌
（2）熱風爐安全長壽技術研究
基于彈塑性力學理論，對熱風爐爐殼及管道強度進行了有限元仿真計算，為爐殼精準設計提供了科學依據（圖25），京唐3號高爐熱風爐首創采用耐腐蝕不銹鋼+高性能合金鋼復合爐殼結構（904L+Q345LK）。
圖25 熱風爐爐殼FEM計算分析研究
研究發現造成爐殼失效的裂紋主要是爐殼內表面焊縫附近的疲勞裂紋，原因是焊縫附近應力超過了材料的疲勞極限，為此開發出熱風爐焊縫附近局部區域應力監測技術（圖26、圖27）。與此同時，還開發出一系列兼顧應力控制和爐殼防腐的熱風爐爐殼修復技術。針對拱頂整體修復、局部修復和新建熱風爐分別從材質、裝配、焊接工藝、應力控制等方向對方案進行了優化，最大程度考慮了應力控制和防腐問題，在生產實踐中應用取得顯著效果。
圖26 熱風爐工作過程爐殼應力測試研究
圖27 熱風爐工作過程爐殼最大交變應力檢測結果
（3）低應力-無過熱熱風爐管道長壽技術研發
基于彈塑性結構力學和材料力學理論，復雜管系采用專業管道分析軟件進行建模分析（圖28），對管道的支吊架和補償器進行優化設計，形成了以三角形剛性拉桿為代表的熱風爐管道安全長壽設計方法和結構（圖29）。開發研制出異形鎖砌結構的組合磚，顯著提高砌筑結構穩定性。設計開發了熱風管道新型自鎖密閉式砌筑結構（圖30）、補償器內部耐火襯砌筑結構（圖31）。本研究包括熱風支管結構優化設計、熱風管系仿真計算分析、熱風管道低應力管系設計、熱風支管預變位技術、熱風管道耐火材料結構優化等。
圖28 復雜管道的仿真計算分析
圖29 低應力熱風爐管系優化設計結構
圖30 新型熱風管道組合磚結構
圖31 幾種補償器內部磚襯設計優化結構
5、開發了熱風爐燃燒動態精準控制模型和智能化信息物理系統（CPS），開發了熱風爐爐體及管道系統全天候智能化監測系統
首創提出熱風爐能效比的概念，為熱風爐高效低碳、節能減排、提高能效奠定了量化評價標準。通過數字化控制實現了煤氣和助燃空氣流量、熱風爐拱頂溫度、送風溫度、煙氣溫度及成分的精準控制調節。高爐風溫穩定達到1250℃以上，熱風爐能效比≤1.15，助燃空氣過剩系數≤3%，熱風爐風溫系數≥91.5%，熱風爐拱頂溫度與風溫差值≤120℃。
（1）研發大型頂燃式熱風爐智能化控制技術
熱風爐工作時燃燒、換爐、送風循環交替運行，屬于典型的耗散結構過程。本研究通過建立準確的、多變量參數的熱風爐信息物理系統（CPS），基于數字模型對蓄熱和送風趨勢進行預測，根據預測結果，借助機器學習構建人工神經網絡進行推演，獲得對空煤氣調節閥的智能化感知和控制決策。熱風爐智能化燃燒控制的技術路線是利用熱風爐拱頂溫度、煙氣溫度、煙氣中殘氧檢測值、煤氣和空氣流量等檢測儀表的參數，基于快速燒爐的方法，使計算機自動調節煤氣和空氣的流量，在達到燃燒效果的同時實現燃燒期的智能化控制（圖32）。熱風爐智能燃燒控制系統在京唐2號高爐熱風爐系統應用取得顯著成效（圖33、圖34），實現了由傳統的反饋型控制向智能預測型控制的轉變，系統具有了自感知、自適應、自學習和自決策能力。
圖32 熱風爐燃燒期各階段及優化燒爐
圖33 首鋼京唐2號高爐熱風爐智能化控制系統
圖34 智能控制系統投用前后熱風爐操作參數曲線變化情況
（2）開發與應用熱風爐紅外在線監控技術
開發了紅外成像、溫度檢測和圖像識別綜合技術的熱風爐爐體及管道監測系統，為熱風爐系統安全長壽和穩定運行奠定了技術基礎。在首鋼高爐熱風爐應用取得顯著成效（圖35），實現了熱風爐及管道系統全天候智能化監控。
圖35 首鋼熱風爐及管道智能化監控系統
四、應用情況與效果
近年來，本項目研究成果及相關技術，在完成單位9座高爐22座熱風爐應用。具體應用情況詳見表4。
表4 本項目研究技術及創新成果應用代表性工程業績
以首鋼京唐為例，京唐3號高爐熱風爐集成應用了本項目研究成果及關鍵技術，包括熱風爐清潔燃燒和高效傳熱、復合鋼板爐殼、熱風管道安全長壽等技術，于2019年4月投產至今應用效果優異。京唐3號高爐頂燃式熱風爐投產5年來，經歷了多種復雜工況，燃燒量在設計范圍的30%～120%的工況條件下運行穩定可靠，噸鐵煤氣消耗≤380Nm3/t，煙氣中NOx≤50mg/m3，CO≤20mg/m3，在拱頂溫度1370℃條件下風溫達到1250℃，高爐生產高效低碳，達到并超越設計指標。京唐1號、2號高爐，分別于2009年5月和2010年6月投產，為了滿足環保和長壽要求對熱風爐進行了全面技術升級改造。采用本項目研發的超大功率陶瓷燃燒器替代原有裝置，大幅度提高了燃燒效率，污染物實現超低排放。結合熱風爐爐殼開裂機理研究成果，爐殼采用了復合鋼板及應力消除技術，提高了熱風爐爐殼安全性，現已完成2座高爐5座熱風爐的改造。2號高爐熱風爐應用智能化控制模型，實現了熱風爐動態精準控制。在其他新建和改造項目中，頂燃熱風爐應用后，風溫和能效均顯著提升，煙氣中污染物排放大幅度降低，減污降碳效果突出。
同時，研究成果已推廣應用國內外240余高爐、780座熱風爐。核心技術獲得俄羅斯、日本、烏克蘭、印度等國專利授權。2021年，與俄羅斯MMK鋼鐵集團簽訂7號1280m3高爐內燃熱風爐升級改造燃熱風爐EP項目，印度JSW的5872m3高爐新建頂燃熱風爐EP項目。突破國外技術壁壘，技術輸出國外，引領國際高風溫熱風爐技術發展。
本項目在首鋼京唐、遷鋼、中天、俄羅斯MMK鋼鐵等國內外高爐熱風爐上應用，近3年累計經濟效益達21億元，經濟、社會和環境效益顯著，推廣應用前景廣闊。
