一、研究的背景与问题
目前，我国热风炉高风温技术发展过程中存在以下关键难题：
1、我国高炉风温长期停滞在1100～1150℃，与国外先进相差约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。热风炉烟气中污染物排放标准要求颗粒物、SO2、NOx排放分别低于10、50、200mg/m3。2021年唐山市颁布新标准：颗粒物、SO2、NOx分别低于5、30、100mg/m3。
4、由于高温、高压、高富氧等复杂操作条件，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。
二、解决问题的思路与技术方案
本项目研究以高炉热风炉低碳绿色、高效长寿为目标，围绕“双碳”发展和超低排放对高炉及热风炉节能减排、减污降碳的新要求、新标准，组建联合技术攻关团队进行长达10余年系统深入研究。主要研发内容包括：
①基于三维空间涡旋燃烧技术的顶燃式热风炉的研发；
②特大型热风炉超大功率陶瓷燃烧器关键技术研究；
③顶燃式热风炉关键耐火材料体系的研究；
④高炉热风系统安全长寿技术研究；
⑤内燃式热风炉改造为顶燃式热风炉的工程化集成创新与应用研究；
⑥基于热风炉耗散结构优化的动态精准控制模型开发；
⑦热风炉高效清洁与超低排放研究。
图1 主要研究内容和技术路线
项目研究总体技术思路是通过理论研究及数字化仿真研究、工程设计及关键技术研究开发、工程集成应用研究多层次-多维度进行系统全面的研究攻关。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
1、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
提出了基于耗散结构优化的新一代顶燃式热风炉高效清洁燃烧理论与技术；发明了顶燃式热风炉实现三维空间涡旋扩散燃烧技术；开发超大功率高效旋流扩散燃烧器及其综合技术，燃烧器单体燃烧功率达到180MW；集成创新了高效低碳清洁燃烧与能源高效转换耦合关键技术；热风炉燃烧效率达99.99%，系统热效率≥85%，热风炉能效比≤1.15。
（1）现代热风炉燃烧理论研究
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。全面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仿真研究
（2）超低NOx燃烧热力学和动力学研究
研究解析了热风炉燃烧过程NOx形成机理及规律。研究表明，在热风炉高温燃烧时，气相中的N2和O2在燃烧过程生成NOx，属于热力型NOx生成机制（图5），影响NOx生成要素包括传质、扩散、混合、温度、速度、停留时间等，但主要受燃烧温度及气相成分的影响。其中，随着氧浓度、助燃空气温度和煤气温度的提高，NOx生成速率和生成浓度均相应升高。
图5 烟气温度对NOx生成速率及生成量的影响
图6 操作参数对NOx生成速率及浓度的影响
图7 顶燃式热风炉烟气中NOx随时间和拱顶温度变化的实测曲线
（3）燃烧耗散过程优化研究
通过热风炉燃烧实测分析，对比研究燃烧效率、燃烧耗散过程及污染物排放量的关系（图8）。研究表明，顶燃式热风炉燃烧效率可高达99.99%以上，因此顶燃式热风炉烟气中CO含量极低，测试的3座顶燃式热风炉烟气平均CO含量均＜100mg/m3，其中燃烧稳定期烟气CO含量均＜20mg/m3。顶燃式热风炉烟气中NOx含量总体较低，3座热风炉烟气NOx含量分别为117.3、95、30mg/m3，因此操作参数精准调控和合理匹配是优化燃烧耗散过程的关键要素。
图8 顶燃式热风炉烟气中NOx、CO和O2含量变化及关系
2、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、物理模型实验研究、热态半工业化试验研究、热风炉实际运行测试研究等多种研究模式。研究解析了三维空间涡旋扩散燃烧型高效燃烧器的气体扩散、混合、传质和燃烧过程，发明了基于旋流高效燃烧、强化扩散混合、低NOx和低空气过剩系数的超大功率燃烧器。在风温1250℃条件下，吨铁热风炉燃料消耗≤1.14GJ/t(折算高炉煤气消耗370m3/t)，热风炉烟气中NOx和CO排放量分别≤50mg/m3和20mg/m3。
（1）燃烧过程仿真研究与多场耦合优化
针对新一代顶燃式热风炉技术研发，进行了三维涡旋扩散高效燃烧技术仿真研究及多场耦合优化研究。采用CFD仿真模拟对温度场、速度场、浓度场及流场分布进行理论研究和设计参数耦合优化。结合热风炉冷态、热态模型试验研究分析，指导燃烧器设计及结构参数优化。
图9 燃烧过程多场耦合协同优化仿真研究
图10 三维空间涡旋扩散燃烧器流场设计与仿真研究
（2）新一代顶燃式热风炉及三维涡旋扩散燃烧器研发
创新燃烧器采用锥-柱复合结构，煤气喷口设置在燃烧器的锥段，空气喷口设置在圆柱段。煤气流与空气流在燃烧空间内，形成多层交叉射流、三维涡旋混合流动状态，混合气流经过喉口段压缩整流后，形成负压区流动断面收缩后再旋流扩张，优化了煤气和空气的扩散传质进程，使得高温烟气进入格子砖分布均匀。研发出三维涡旋扩散燃烧技术，实现煤气和空气在垂直方向上的交叉混合、强化燃烧，拱顶空间流场分布均匀，蓄热室格子砖表面温度分布均匀（见图11）。基于多场耦合仿真研究和模型研究，本项目所研发的三维涡旋扩散高效燃烧器温度场、浓度场分布更加合理，NOx生成大幅度降低（见图12），在3000m3级高炉应用获得成功。本项目技术输出海外，已推广应用到印度5800m3高炉。
图11 三维涡旋扩散高效燃烧器设计模型及其流场特征
图12 新型顶燃式热风炉仿真计算全炉NOx分布云图
（3）超大型热风炉燃烧过程耗散结构优化研究
基于已有技术成果，针对超大型顶燃式热风炉燃烧器存在的技术难题进行研究，攻克技术缺陷和关键技术难题（见图13）。优化超大型热风炉燃烧过程耗散结构，强化超大功率燃烧工况的动力学条件，研发出新型超大功率燃烧器，实现了低碳、高效、低耗、低排放的目标。图14为超大型热风炉多场耦合仿真优化研究，图15为京唐热风炉超大功率燃烧器设计参数优化结果，图16为NOx生成计算结果。研发的新型超大功率陶瓷燃烧器，成功应用于京唐5500m3高炉热风炉新建及改造工程，取得显著成效：助燃空气过剩系数由10%降低到3%；烟气中CO含量≤20mg/m3；拱顶温度1350℃时，风温达1250℃，烟气中NOx排放量低于30mg/Nm3，优于唐山市超低排放标准。
图13 超大型热风炉燃烧过程的技术难题及解决措施
图14 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15 超大功率燃烧器设计参数优化结果
图16 超大型热风炉燃烧时NOx分布云图
（4）新一代顶燃式热风炉燃烧过程实验-试验联合研究
为了验证仿真计算的结果，深入解析研究热风炉实际工况的燃烧过程特性及规律，建立了物理模型和热态试验平台，针对新一代顶燃式热风炉进行了冷态+热态耦合实验-试验联合研究（图17）。冷态模型主要用于测定空气、煤气喷口处的气体流速，检验燃烧器气体分配均匀性，对仿真计算结果进行验证（如表1所示）。热态试验平台通过热风炉半工业化试验，模拟实际热风炉运行状态，对试验热风炉燃烧-送风过程进行温度、压力、成分等多参数试验测试，对仿真计算采用的数学模型及结果进行再次验证。
图17 顶燃式热风炉冷态-热态联合试验平台
表1 物理模型实测速度和温度平均值和分布指数
3、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。
建立了顶燃式热风炉节能、热平衡测试方法、耐火材料配置等一系列技术标准；解析研究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；研制并批量生产出热风管道用系列耐火材料和热风炉长寿组合砖，研制出不同材质的全系列高效高性能格子砖。
（1）创建顶燃式热风炉工艺及关键耐火材料技术体系
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，如表2所示。牵头制定的标准涵盖热风炉节能、热平衡测定及计算方法等国家标准，还包括顶燃式热风炉用耐火材料技术规范、热风炉用红柱石砖、热风炉陶瓷燃烧器用耐火砖等行业标准，覆盖了热风炉燃烧、传热、节能、减排、耐火材料配置、材料制造、技术评价等多维度技术标准，由技术到产品，从关键技术的研发与领先，发展成为技术标准体系的创建与完善。
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
（2）研发顶燃式热风炉陶瓷燃烧器专用关键耐火材料
根据顶燃式热风炉燃烧器复杂恶劣工况条件，研发出高荷软、低蠕变、高抗热震的陶瓷燃烧器专用莫来石-红柱石-堇青石砖，显微结构如图18所示。以红柱石、堇青石为主要原料，利用堇青石低膨胀和红柱石的富硅玻璃相特性，进行材料成分及相结构设计，协同提升材料高温性能和抗热震性能。创新采用M-70烧结莫来石+红柱石+堇青石工艺方案，通过加入堇青石使制品具有优良的抗热震性能，加入红柱石以提高制品的荷重软化温度和抗蠕变性，从而获得优异的综合高温性能。多物相协同优化耦合使复合相材料理化性能显著提升，满足了热风炉核心关键设备陶瓷燃烧器的性能要求。
图18 莫来石-红柱石-堇青石砖的显微结构
（3）开展半工业试验研发高效格子砖
以相似原理为理论基础，首次建立1:10热风炉热态试验平台，设置289个热电偶测温点，实测蓄热室吸热、放热温度变化曲线，同时测定速度、压力分布和烟气成分等参数，以验证仿真计算结果。搭建现场测试装置，首次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（图19）。通过热态试验热风炉半工业试验，实测研究了热风炉燃烧-送风期的蓄热室温度分布及其规律（图20、图21），对比实测研究了不同孔径格子砖的热工性能，为研发高效格子砖奠定了试验基础。
图19 热风炉热态试验和实际热风炉实测研究
图20 试验热风炉燃烧期蓄热室温度分布
图21 试验热风炉送风期蓄热室温度分布
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，开发出不同孔径的热风炉系列高效格子砖（图22、表3），不同格子砖传热参数对比见图23。高效格子砖体系的成功研发应用，迅速改变了我国热风炉用格子砖落后的研发生产状况，取得了重大技术突破。
图22 高效格子砖实物照片
表3 系列高效格子砖的热工参数
图23 不同格孔的格子砖加热面积和蓄热体积比较
4、研发了低应力-无过热热风炉炉体及管道长寿技术，设计开发了低应力热风炉炉体及热风管道体系
研究解析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。在5500m3高炉顶燃式热风炉上，首创采用新型耐腐蚀不锈钢-高强合金钢的复合炉壳结构，开发了抗腐蚀-低应力的炉壳建造技术。发明应用了一系列热风炉维护修复技术，建立了用于炉壳焊后残余应力消除、炉体及管道智能化监测、评价等技术体系。
（1）热风炉炉壳及管道破损机理研究
针对炉壳焊缝开裂及波纹补偿器失效进行原位分析、宏观观察、化学成分检测、微观金相组织及扫描电镜观察，结合工况条件，对炉壳及波纹补偿器破损原因进行分析研究。研究揭示了热风炉炉壳焊缝开裂主要原因是由于应力破坏（见图24），主要包括：①焊接残余应力破坏。炉壳焊接过程产生的残余应力，导致炉壳在服役过程中焊缝处出现应力集中，造成炉壳焊缝开裂、钢板基体受损；②晶间应力腐蚀。由于热风炉拱顶温度过高形成大量NOx，在应力集中的焊缝处与水积聚，腐蚀晶界破坏金属微观结构，从而产生裂纹、开裂；③交变应力破损。热风炉燃烧-送风交替工作，产生交变应力变化，对炉壳造成破坏。热风炉炉壳在多种破坏因素综合作用下，更加剧了炉壳破损。
图24 炉壳焊缝断裂处微观形貌
（2）热风炉安全长寿技术研究
基于弹塑性力学理论，对热风炉炉壳及管道强度进行了有限元仿真计算，为炉壳精准设计提供了科学依据（图25），京唐3号高炉热风炉首创采用耐腐蚀不锈钢+高性能合金钢复合炉壳结构（904L+Q345LK）。
图25 热风炉炉壳FEM计算分析研究
研究发现造成炉壳失效的裂纹主要是炉壳内表面焊缝附近的疲劳裂纹，原因是焊缝附近应力超过了材料的疲劳极限，为此开发出热风炉焊缝附近局部区域应力监测技术（图26、图27）。与此同时，还开发出一系列兼顾应力控制和炉壳防腐的热风炉炉壳修复技术。针对拱顶整体修复、局部修复和新建热风炉分别从材质、装配、焊接工艺、应力控制等方向对方案进行了优化，最大程度考虑了应力控制和防腐问题，在生产实践中应用取得显著效果。
图26 热风炉工作过程炉壳应力测试研究
图27 热风炉工作过程炉壳最大交变应力检测结果
（3）低应力-无过热热风炉管道长寿技术研发
基于弹塑性结构力学和材料力学理论，复杂管系采用专业管道分析软件进行建模分析（图28），对管道的支吊架和补偿器进行优化设计，形成了以三角形刚性拉杆为代表的热风炉管道安全长寿设计方法和结构（图29）。开发研制出异形锁砌结构的组合砖，显著提高砌筑结构稳定性。设计开发了热风管道新型自锁密闭式砌筑结构（图30）、补偿器内部耐火衬砌筑结构（图31）。本研究包括热风支管结构优化设计、热风管系仿真计算分析、热风管道低应力管系设计、热风支管预变位技术、热风管道耐火材料结构优化等。
图28 复杂管道的仿真计算分析
图29 低应力热风炉管系优化设计结构
图30 新型热风管道组合砖结构
图31 几种补偿器内部砖衬设计优化结构
5、开发了热风炉燃烧动态精准控制模型和智能化信息物理系统（CPS），开发了热风炉炉体及管道系统全天候智能化监测系统
首创提出热风炉能效比的概念，为热风炉高效低碳、节能减排、提高能效奠定了量化评价标准。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。高炉风温稳定达到1250℃以上，热风炉能效比≤1.15，助燃空气过剩系数≤3%，热风炉风温系数≥91.5%，热风炉拱顶温度与风温差值≤120℃。
（1）研发大型顶燃式热风炉智能化控制技术
热风炉工作时燃烧、换炉、送风循环交替运行，属于典型的耗散结构过程。本研究通过建立准确的、多变量参数的热风炉信息物理系统（CPS），基于数字模型对蓄热和送风趋势进行预测，根据预测结果，借助机器学习构建人工神经网络进行推演，获得对空煤气调节阀的智能化感知和控制决策。热风炉智能化燃烧控制的技术路线是利用热风炉拱顶温度、烟气温度、烟气中残氧检测值、煤气和空气流量等检测仪表的参数，基于快速烧炉的方法，使计算机自动调节煤气和空气的流量，在达到燃烧效果的同时实现燃烧期的智能化控制（图32）。热风炉智能燃烧控制系统在京唐2号高炉热风炉系统应用取得显著成效（图33、图34），实现了由传统的反馈型控制向智能预测型控制的转变，系统具有了自感知、自适应、自学习和自决策能力。
图32 热风炉燃烧期各阶段及优化烧炉
图33 首钢京唐2号高炉热风炉智能化控制系统
图34 智能控制系统投用前后热风炉操作参数曲线变化情况
（2）开发与应用热风炉红外在线监控技术
开发了红外成像、温度检测和图像识别综合技术的热风炉炉体及管道监测系统，为热风炉系统安全长寿和稳定运行奠定了技术基础。在首钢高炉热风炉应用取得显著成效（图35），实现了热风炉及管道系统全天候智能化监控。
图35 首钢热风炉及管道智能化监控系统
四、应用情况与效果
近年来，本项目研究成果及相关技术，在完成单位9座高炉22座热风炉应用。具体应用情况详见表4。
表4 本项目研究技术及创新成果应用代表性工程业绩
以首钢京唐为例，京唐3号高炉热风炉集成应用了本项目研究成果及关键技术，包括热风炉清洁燃烧和高效传热、复合钢板炉壳、热风管道安全长寿等技术，于2019年4月投产至今应用效果优异。京唐3号高炉顶燃式热风炉投产5年来，经历了多种复杂工况，燃烧量在设计范围的30%～120%的工况条件下运行稳定可靠，吨铁煤气消耗≤380Nm3/t，烟气中NOx≤50mg/m3，CO≤20mg/m3，在拱顶温度1370℃条件下风温达到1250℃，高炉生产高效低碳，达到并超越设计指标。京唐1号、2号高炉，分别于2009年5月和2010年6月投产，为了满足环保和长寿要求对热风炉进行了全面技术升级改造。采用本项目研发的超大功率陶瓷燃烧器替代原有装置，大幅度提高了燃烧效率，污染物实现超低排放。结合热风炉炉壳开裂机理研究成果，炉壳采用了复合钢板及应力消除技术，提高了热风炉炉壳安全性，现已完成2座高炉5座热风炉的改造。2号高炉热风炉应用智能化控制模型，实现了热风炉动态精准控制。在其他新建和改造项目中，顶燃热风炉应用后，风温和能效均显著提升，烟气中污染物排放大幅度降低，减污降碳效果突出。
同时，研究成果已推广应用国内外240余高炉、780座热风炉。核心技术获得俄罗斯、日本、乌克兰、印度等国专利授权。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、俄罗斯MMK钢铁等国内外高炉热风炉上应用，近3年累计经济效益达21亿元，经济、社会和环境效益显著，推广应用前景广阔。
