在钢铁工业的发展历程中，热风炉作为高炉炼铁的关键设备，高风温高效稳定运行直接关系到高炉降低燃料比和生产成本。首钢工程在热风炉技术领域的不断持续研究与实践，不仅代表了我国钢铁工业的进步，也体现了工业技术传承与创新的完美结合。
顶燃式热风炉是一种针对于内燃式和外燃式热风炉的不足而发展起来的新型热风炉结构。其结构特点是取消了燃烧室，将燃烧器直接布置在热风炉的拱顶，以拱顶空间作为燃烧室。同时其结构设计也充分吸收了内燃式、外燃式热风炉的技术优点。与内燃式、外燃式热风炉相比，顶燃式热风炉具有如下特点：一是取消了内置或外置燃烧室和隔墙，扩大了蓄热室容积，在相同的容量条件下，蓄热面积增加25%-30%。二是结构稳定性增强。三是采用大功率短焰燃烧器，直接安装在拱顶部位燃烧，使高温热量集中在拱顶部位，热损失减少，有利于提高拱顶温度，并缩小拱顶温度与风温的差值。四是其工作过程是一种典型的逆向强化换热过程，提高了热效率。五是耐火材料稳定性提高，热风炉寿命延长。六是布置紧凑，占地面积小，节约钢材和耐火材料。
一、技术背景与发展历程
提高高炉风温在降低高炉燃料消耗、增加喷煤量等方面具有重要影响，是最有效和最经济的节能减排措施，也是实现低碳绿色炼铁的重要支撑技术。高风温对于高炉技术的发展起到了巨大的推动作用。
自1979年首钢开发出首钢型顶燃式热风炉并成功应用于1327m3高炉至2002年首钢2号高炉改为改进型内燃式热风炉，其中两座顶燃式热风炉改造为助燃空气高温预热炉，剩余三座高炉配套顶燃式热风炉正常生产至2010年底首钢环保搬迁停炉。经过30多年的演变，首钢型热风炉在热风炉燃烧器、耐材砌筑、管系布置等方面为国内外顶燃式热风炉技术的发展积累了宝贵经验。图1为北京首钢工业遗址公园中首钢型顶燃式热风炉实景展示情况。
从2004年开始，顶燃式热风炉作为行业关键共性技术在全国推广。2009年首钢京唐公司首次成功将BSK新型顶燃式热风炉应用于两座5500m3特大型高炉，达到国际领先水平。其顺利投产为顶燃式热风炉在中国的推广起到了积极示范作用。此后首钢工程一直致力于顶燃式热风炉技术的研究、开发与推广。
首钢工程新型顶燃式热风炉，集成了国内外热风炉的优点，并实现了自主创新和提高，形成了具有完全自主知识产权的一系列核心技术，在提高热风温度、延长热风炉寿命、节能环保以及减少占地面积、节约投资等方面具有显著优势。其技术研究路线如图2所示。
二、技术先进性及创新成果
（一）新一代高效超净燃烧器助力超低排放
燃烧器的工作情况直接影响热风温度和热效率、污染物排放浓度。顶燃式热风炉的燃烧空间有限，为充分利用拱顶空间，使煤气燃烧完全，并使高温烟气在蓄热室格子砖内均匀分布，主流燃烧器都采用了扩散燃烧技术，主要为环形陶瓷燃烧器。布置方式为：煤气、助燃空气喷口沿圆周切线方向布置，其中下环助燃空气喷口设置在燃烧器的下部并呈向上的倾角，使喷出的气流以一定的速度在预混室内交叉混合并向下旋流，强化煤气与助燃空气的扩散混合，以实现煤气完全燃烧。
首钢工程最新设计的高效旋流扩散式大功率陶瓷燃烧器的CFD仿真分析，如图3、图4所示。结合现场生产验证，其具有如下特点：
一是燃烧充分，混合均匀。高炉煤气和助燃空气在燃烧器内旋转混合充分，可有效降低助燃空气过剩系数，提高燃料利用率。燃烧后的高温烟气分布均匀，能够提高格子砖的利用效率，CO燃烧耗散率低于20ppm，系统热效率达到85%以上。
二是燃烧器结构稳定，使用寿命长。该燃烧器在介质流量30%-140%的范围内均能稳定燃烧，可适应各种温度的燃烧介质，工程应用燃烧器单体燃烧功率最大达到180MW，在服役期间，不需要单独对燃烧器进行修理和维护。
三是达到超净排放标准。采用高温低氧燃烧法，合理抑制氧气的供给、降低燃烧产物中氧气的浓度，实现既能保证CO完全燃烧，又能降低烟气中NOx浓度。工程运行后效果良好，以国内某2500m3高炉为例，其排放CEMS监测氮氧化物（以NO2计），检测值<50mg/Nm3，远低于钢铁工业大气污染物排放标准。
（二）增强蓄热能力实现高风温技术
1.热风炉拱顶温度控制
提高热风炉拱顶温度是实现高风温的一个基本前提和必要条件。过去，我国多数钢铁厂缺乏高热值煤气、双预热技术也不过关，热风炉的拱顶温度偏低。随着顶燃式热风炉技术的推广应用，配置助燃空气高温预热技术，在全烧高炉煤气条件下，中国部分先进大型高炉风温水平已达到国际一流水平，特别是京唐、湛江和日照等8座5000m3以上巨型高炉，其中7座高炉采用了顶燃式热风炉配置助燃空气高温预热技术，风温均达到了1250℃甚至更高。在拱顶温度已不再是高风温的关键技术难题时，必须要将拱顶温度控制在合理范围内，减少拱顶温度与风温的差值。
理论研究表明，当拱顶温度超过1420℃时，NOx会大量生成，导致热风炉炉壳出现晶界应力腐蚀，严重影响热风炉寿命和安全，成为当前限制热风炉提高风温的重大技术障碍之一。从热风炉实践情况来看，热风炉拱顶温度控制在1380℃以下是比较安全的温度区间，例如首钢通钢3号高炉，配置3座顶燃式热风炉，在全烧高炉煤气的情况下通过空气高温预热技术，热风炉的拱顶实际操作温度长期保持在1380℃左右，热风炉炉壳情况良好。
2.热风炉废气温度控制
提高热风炉的最高烟气温度可以增加蓄热室传热的对数温差，有利传热、提高风温。在热风炉系统配置烟气余热回收装置以前，提高热风炉废气温度，会降低热风炉系统的热效率，造成能源浪费，因此热风炉烟气最高温度一般都在300℃以下。随着装备水平的提高，现在大部分热风炉都配置了烟气余热回收装置，利用回收热风炉烟气的热量来提高热风炉系统的热效率，这为热风炉通过提高废气温度的方法来提高风温提供了条件。为提高热风炉废气的温度，现代热风炉炉箅子普遍采用耐热铸铁制造，为了运行安全，烟气最高温度在400-450℃之间。若想继续提高废气温度，就要打破现在炉箅子材质的限制，要做更多的工程研究和实践。提高热风炉废气的最高温度，能够显著提高风温，但是随着废气最高温度的升高，此手段提高风温的效果在逐步下降。
3.热风炉燃烧-蓄热能力配置
选用旋流高效燃烧、强化扩散混合、低氮氧化物和低空气过剩系数的大功率燃烧器，配置20mm或25mm小孔径高效格子砖，格子砖蓄热面积大、填充率高，在高温段格子砖上涂覆高辐射材料，增强蓄热体的对流换热和辐射换热效率，提高蓄热室蓄热能力，搭配智能燃烧控制模型，通过检测烟气中的残氧和CO含量，调控空、煤气流量，实施燃烧过程控制，搭配空、煤气高效预热系统，在全烧高炉煤气条件下可稳定实现1250℃高风温。
（三）热风系统长寿安全稳定运行技术
1.低应力-无过热热风炉管道长寿技术
热风管系属于高温高压管系，在设计上属于复杂管道，生产上也属于问题频发的地方。首钢工程利用三维设计和仿真，对热风、冷风等重要管道进行全面受力分析，对管道的应力、载荷、位移等多项指标进行全面比较与优化，合理控制了管系间的应力分布和管道内耐火材料的结构稳定性。
在管系应力分布控制方面，在热风炉、热风支管、总支管三岔口处设置有热风管道三角形柔性大拉杆装置，如图5所示，能够有效吸收热风炉炉壳上涨，减少管壳和炉壳的应力，提高热风炉和管道的稳定性，特别适用于热风出口较高、炉壳上涨量较大的顶燃式热风炉。在热风管道上设置有通长大拉杆和压力平衡补偿器，既提高了管系的稳定性，降低三岔口、补偿器等部位的应力，又避免了管系受力变形造成的掉砖、钢壳开裂等问题。
实践表明，热风管道的串风、掉砖主要集中在管道三岔口与补偿器区域。首钢工程在耐材砌筑方面，通过工程实践的不断检验，在关键部位研发出了行之有效的砌筑结构形式，包括三岔口部位采用多层独立膨胀组合砖结构，补偿器部位设置异型砖或导流砖等形式，增强了砌体稳定性，实现了热风管道长期稳定工作，在多个热风管道新建及改造项目中表现出色。
2.热风炉本体的安全长寿技术
首钢工程开展了大型高炉热风炉破损调查和应力分析，明确了热风炉炉壳开裂的影响因素及机理，提出了兼顾应力控制和炉壳防腐的热风炉炉壳修复技术，并首创采用了新型耐腐蚀不锈钢—高强合金钢的复合炉壳结构。热风炉本体问题主要出现在拱顶和热风出口连接部位，通过吸收改进型内燃式热风炉拱顶设计经验，首钢工程提出了顶燃式热风炉圆弧拟合悬链线的独立拱顶结构，圆弧拟合的悬链线拱顶下部设置了托砖圈，使其与拱顶直段相互脱开、相互独立，避免了炉体耐材上涨对拱顶带来的危害，提高了热风出口的寿命。在炉本体耐材砌筑上，采用多段独立支撑砌筑结构，燃烧器、拱顶燃烧室支撑在砖托上，蓄热室大墙支撑在炉底板上，各部位砌体之间设有迷宫式滑动缝连接，不受热膨胀影响。这些技术的集成应用确保了热风炉本体的安全长寿稳定运行。
3.热风系统监控技术
首钢工程设计研发出热风炉炉体及热风管道红外热成像实时监控系统，实现了热风炉系统温度及其变化的实时在线连续监测；研发出不同布置形式的热风炉监控设置方式，实现了高炉热风系统全过程、全方位的智能化监控。
（四）无扰动换炉技术
1.热风炉外均压技术
京唐3号高炉热风炉在国内巨型高炉首次采用单独风源为热风炉安全快速充压。这项技术彻底改变了现有鼓风机充压换炉的工艺模式，消除了高炉生产对于热风炉运行的关键环节制约，使得热风炉系统工艺可以独立运行，是热风炉系统全流程自动化、智能化的技术基础。外均压系统即为热风炉设置一套独立的充压装置：包括独立的高压气罐，为高压气罐充压（间歇式）的空压机，高压气罐通过带有充压阀组的高压充压管道与每座热风炉带充压切断阀的充压进气管道相连接，通过这个独立的高压充压装置为每座热风炉进行快速充压操作。每次充压时不会对高炉风压产生影响，可以实现小压差大流量安全充压，比常规的充压过程所花费的时间缩短50%以上，可延长热风炉的有效烧炉时间。
2.热风炉废风回收技术
废风回收是指将热风炉换炉操作由“送风”状态转为“燃烧”状态放散掉的带温度和压力的热风予以部分回收，把热风炉充压和排压相结合。不仅装备4座热风炉的系统可以进行废风回收，而且采用3座热风炉的系统一样可以进行废风回收，该技术既可节能降耗，又能降低噪音。
（五）智能化控制技术
首钢工程通过建立准确的、多变量参数的热风炉信息物理系统，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，研发了热风炉数智化控制系统，实现了热风炉自动燃烧控制系统升级换代，在京唐2号高炉热风炉系统中取得显著成效，实现了由传统的反馈型控制向智能预测型控制的转变，系统具有自感知、自适应、自学习和自决策能力。图6为首钢工程智能燃烧控制系统画面。该系统不但降低了操作人员的劳动强度，而且使热风炉拱顶温度波动更小，控制更精准、安全，减少燃料浪费，节约运行成本。
三、技术特色及典型业绩
采用新一代高效超净陶瓷燃烧器，混合效果佳、燃烧更充分，同比条件下空气过剩系数可从10%降低到3%左右。在热风炉智能燃烧模型的加持下，不但可以提升火焰的温度、提高风温，而且烟气中的NOx、CO有害气体排放量更少，NOx排放浓度小于50mg/Nm3，CO排放浓度小于20ppm，烟气不需要脱硝也可以实现超净排放，不但提升了热风炉的环保和能效水平，而且也节约了烟气处理的工程投资和运行费用。
热风炉安全技术可以有效延长热风炉的服役寿命，降低日常维护量，减少因热风炉问题给高炉带来的休风停产影响。热风炉长寿技术可以延长热风炉工程建设周期，增加投资回报，节约企业的工程建设成本，具有显著的经济效益。
近年来，国内重点钢铁企业平均风温一直在1150℃徘徊，与1250℃先进水平相比仍有100℃左右的差距。若风温提高100℃，达到1250℃，按照每年铁水8.7亿吨计算，大约可节约焦炭870万吨，减少CO2排放2600万吨。
首钢工程高效低碳长寿高风温热风炉技术成功应用在京唐、迁钢、湘钢、涟钢、水钢、长钢、昆钢、新冶钢等多家钢铁企业，如图7、图8所示。以2500m3高炉为例，热风炉燃烧量在设计范围30%-140%的工况条件下仍能够可靠工作，吨铁煤气消耗380Nm3/t，烟气中NOx排放浓度低于50mg/Nm3、CO排放浓度小于20mg/Nm3，在拱顶温度1370℃条件下，风温达到1250℃，完全满足大型高炉高效低碳高风温生产要求。实践证明，与同类技术相比，热风炉系统热效率可提高2%-4%，达到85%以上，拱顶温度与送风温度之间的差值可减小到80-100℃，与传统燃烧器相比节约煤气5%-8%，热风炉烟气中NOx和CO排放浓度分别降低到50mg/Nm3和20mg/Nm3以下，基本实现“近零排放”，在热风炉加热风量相近的工艺条件下，降低工程投资约10%-18%。
首钢工程致力于创新研发热风炉技术，多年来共拥有32项热风炉相关国家专利（含发明专利14项），获得省部级科技奖8项（含一等奖5项）。该技术在高炉炼铁降低碳排放、实现极致能效、推进环境保护等方面具有重大示范意义。
四、结语
首钢工程热风炉技术发展的50年，也是钢铁工业飞速发展的50年。在这50年中首钢工程凭借敢想敢干的拼搏精神创造了多项世界第一，首钢京唐BSK顶燃式热风炉为首钢和国家在热风炉领域赢得了荣誉，为顶燃式热风炉技术在国内外的推广写下了浓墨重彩的一笔。
新一代首钢工程人对于热风炉的研究并未止步，为满足高温长寿低碳的市场需求，开发出了超净燃烧器、高效格子砖、菱形改进炉箅子、热风炉智能化操作等一系列技术。展望未来，热风炉技术不应仅是细节优化，更应紧跟时代，基于大数据平台，将智能化操作与热风炉工程设计相融合，从而设计出新一代符合市场需求的热风炉，促进热风炉技术良性发展。
