绿色高效旋切顶燃式热风炉技术

2026年度绿色技术创新案例

申报单位：中冶京诚工程技术有限公司

一、案例背景

热风炉是钢铁企业高炉炼铁系统至关重要的关键设备，通过提高风温能够显著降低高炉燃料比和铁水生产成本。本技术针对传统热风炉送风温度低、能耗高、污染物排放量大、寿命短、智能化水平低等关键技术难题，通过“关键设备+核心技术+系列产品”的全流程创新，开发出绿色高效旋切顶燃式热风炉技术：一是开发出低碳低氮旋切顶燃式燃烧器及其关键技术，实现了在单烧高炉煤气条件下，送风平均温度≥1250℃、单位风量单位风温热量消耗从1.6kJ/Nm3/℃降至≤1.52kJ/Nm3/℃、烟气中NOx排放浓度从50mg/Nm3降至≤25mg/Nm3、热风炉系统热效率提高至88%以上；二是开发出无扰换炉、分时预热等极致能效技术保证能源介质的高效利用，回收排压废气用于无扰动换炉，分时预热技术提高烧炉后期空煤气预热温度60℃；三是开发出锁扣独立拱顶及分段式热风炉结构、约束导向型热风管道等一系列安全长寿技术，保证了热风炉关键位置结构的稳定性，延长热风炉使用寿命达到高炉两代炉龄；四是开发出热风炉自寻优控制系统及烧炉模型，解决了热风炉烧炉大滞后、非线性的控制要求，实现了精准烧炉，可节省煤气消耗3%~8%。本技术突破了传统热风炉在节能降耗、污染物排放、结构寿命等方面的质量瓶颈，为行业高质量发展提供了全新解决方案，已成功应用于天津荣程、河钢乐亭、河钢邯钢、马来西亚东钢等国内外合计218座高炉，技术效果在业内获得广泛认可。技术成果具有完全自主知识产权，累计申请专利、软件著作权84项，2023年入选中国金属学会《钢铁工业降本增效共性技术的清单》，经中国金属学会成果评价，整套技术综合水平达到“国际领先”。

如何为高炉提供长期、稳定的高风温，同时有效控制CO₂和NOx的排放量，是钢铁企业实现绿色低碳转型必须跨越的核心关卡，绿色高效旋切顶燃式热风炉技术有效破解了以下行业痛点：一是破解“高能耗”痛点，在单烧高炉煤气条件下实现平均风温≥1250℃，单位风量单位风温热量消耗从1.6kJ/Nm3/℃降至≤1.52kJ/Nm3/℃，热风炉热效率提升至88%以上；二是破解“高排放”痛点，创新开发低氮燃烧器，从源头抑制污染物生成，实现烟气中NOx平均排放浓度≤25mg/m³，远优于超低排放标准；三是破解“结构不稳定”痛点，采用锁扣独立拱顶及分段式热风炉结构、约束导向型热风管道等系列安全长寿技术，解决传统炉壳开裂、砖衬垮塌等问题；四是破解“控制粗放”痛点，融合热焓模型与专家系统，开发自寻优智能控制系统，实现热风炉的全自动精准烧炉，提高热风炉煤气利用率。无论是新建项目还是改造项目，本技术均能在有限的投资约束下，实现能效提升与环保超低排放的双重目标，应用前景广阔。

二、主要做法

本技术围绕高效低碳低氮燃烧、废气资源化回收、安全长寿结构、智能精准控制四大方向开展研究与开发，核心技术创新内容如下：

（一）高效低碳低氮燃烧器+互锁式气流均衡格子砖，实现高风温、低能耗、超低氮排放。一是首创高效低碳低氮燃烧器。针对传统热风炉燃烧效率低以及CO2、NOx排放量高的问题，基于浓淡燃烧和低氧燃烧理论指导燃烧器结构优化，开发了高效低碳低氮燃烧器，形成了绿色高效旋切顶燃式热风炉低碳低氮核心技术，实现了在助燃空气过剩系数≤1.03的条件下煤气完全燃烧，并且烟气中O2含量≤0.25%、NOx浓度≤25mg/m3。二是开发互锁式气流均衡格子砖。针对传统格子砖换热效率低的问题，基于维数变化原理和卯榫结构特点，通过设置凹凸槽锁扣和水平气体通道，开发了互锁式气流均衡格子砖，形成了三维气流互通换热技术，将蓄热体有效换热利用率从约70%提高至80%以上。

（二）废气资源化回收配套节能工艺，最大化利用余热效率。一是开发回收排压废气用于热风炉充压换炉技术。通过回收热风炉换炉阶段排压废气，搭建多功能充排压系统，实现换炉操作完全独立于高炉运行工况，杜绝高炉入炉风压大幅波动；同步回收废气余热，实现吨铁碳排放降低约1kg；回收排压废气中的O2，折合吨铁可利用氧气5.3Nm3，大幅减少废气直排造成的能源浪费。二是开发热风炉分时预热技术。利用热风炉烧炉时废烟气温度变化的特性，结合烧炉阶段对空、煤气预热温度的需求，创新开发空煤气分时预热工艺，提升烧炉后期空煤气预热温度约50℃，充分挖掘热风炉烟气余热利用潜力。

（三）锁扣独立拱顶+分段式炉体+长寿热风管道技术，延长设备寿命。创新研发锁扣式独立拱顶、分段式热风炉本体结构，配套约束导向型热风管道长寿技术、热风输送管道吸收膨胀及拉紧装置，显著改善热风出口、管道三岔口钢壳和内衬耐火材料的受力状态，保障热风炉核心部位钢壳和内衬长期稳定运行，大幅延长设备整体使用寿命。

（四）热焓模型+专家系统智能自控平台，实现热风炉全自动精准烧炉。融合热焓燃烧数值模型与专家系统，自主开发热风炉自寻优控制系统及烧炉模型，有效解决了热风炉烧炉过程大滞后、非线性的控制难点，实现了全程无人干预智能精准烧炉，综合煤气消耗量降低3%~8%。

三、主要成效

（一）应用推广成效显著。中冶京诚采用EPC总包及设计方式实施绿色高效旋切顶燃式热风炉技术，已经成功应用于河钢邯钢、河钢乐亭钢铁、兴澄特钢、印尼喀钢、马来西亚东钢等国内外合计218座高炉。通过提供高风温、降低煤气消耗、降低污染物排放、保证关键部位使用寿命创造了显著的经济效益和社会效益。

（二）知识产权与成果建设成效。技术成果具有完全自主知识产权，累计申请84项专利，其中已授权发明专利12项、海外专利2项、实用新型专利32项，登记软件著作权1项。本技术于2023年通过中国金属学会组织的科学技术成果评价，评价委员会专家一致认为，本技术成果达到国际领先水平；入选2023年由中国金属学会组织的“钢铁工业降本增效关键共性技术推荐目录”；2019年10月，热风炉燃烧模型入选工业和信息化部组织的“国家工业节能技术装备推荐目录（2019）”。成果相关产品已通过备案并被认定为专利密集型产品（备案号20251100001109.0）。本案例形成44项核心专利：ZL 2017 1 0701233.8（一种顶燃式热风炉燃烧器）、ZL 2017 1 0383720.4（热风炉助燃空气分时预热系统）、ZL 2018 1 0193683.5（一种热风管道结构和热风输送系统）、ZL 2018 1 0194824.5（热风管道的内衬砌筑结构和热风管道三岔口内衬砌筑结构）、ZL 2022 1 0828455.7（热风炉充压机构；协同换炉系统以及稳压换炉方法）、ZL 2022 1 0828465.0（一种热风炉换炉废气回收利用系统及方法）、ZL 2022 1 0827464.4（热风炉充排压系统及充排压控制方法）、ZL 2022 1 0828463.1（热风炉充排压系统及其控制方法）、ZL 2022 1 0828467.X（热风炉充排压系统及其控制方法）、ZL 2020 1 1039223.0（用于格子砖的防滑移结构及格子砖砌筑结构）、ZL 2023 1 0602126.5（热风炉废烟气再利用系统）、ZL 2020 1 0817570.5（一种热风炉用格子砖）、PID201803328（COMBUSTOR FOR TOP-COMBUSTION HOT BLAST STOVE）、10-2018-0001313（A TOP-BURNING HOT BLAST FURNACE BURNER）、ZL 2023 2 21203373（环布式热风炉低氮燃烧器）、ZL 2022 2 1856777.4（具有液压管线保温结构的热风炉装置）、ZL 2022 2 2794311.2（顶燃式热风炉燃烧装置）、ZL 2022 2 2794243.X（空燃混合结构；低氮燃烧机构以及热风炉燃烧器）、ZL 2022 2 2806669.2（一级燃烧器；二级燃烧器以及热风炉用低氮燃烧器）、ZL 2022 2 2814232.3（热风炉低氮燃烧装置）、ZL 2022 2 1812549.7（热风炉充压机构以及协同换炉系统）、ZL 2022 2 1813835.5（一种热风炉换炉废气回收利用系统）、ZL 2022 2 1812547.8（热风炉充排压系统）、ZL 2022 2 1815348.2（热风炉换炉系统）、ZL 2022 2 1812546.3（热风炉充排压系统）、ZL 2022 2 1815182.4（热风炉充排压系统）、ZL 2020 2 2166828.8（一种带气体通道的格子砖）、ZL 2020 2 2166838.1（一种热风炉格子砖支撑装置）、ZL 2020 2 2168430.8（具有气体通道的格子砖）、ZL 2020 2 2166837.7（用于格子砖的防滑移结构及格子砖砌筑结构）、ZL 2020 2 1223507.0（旋切顶燃式热风炉燃烧器）、ZL 2020 2 1693422.9（一种热风炉用格子砖）、ZL 2019 2 2143327.5（一种蓄热室带锥度的顶燃式热风炉）、ZL 2018 2 0323422.6（一种热风管道结构和热风输送系统）、ZL 2018 2 0324179.X（热风管道的内衬砌筑结构和热风管道三岔口内衬砌筑结构）、ZL 2017 2 1862979.9（锁扣独立拱顶结构和窑炉）、ZL 2017 2 1871703.7（热风炉控制系统）、ZL 2017 2 1862988.8（四段式顶燃热风炉）、ZL 2017 2 1025310.4（一种顶燃式热风炉燃烧器）、ZL 2017 2 1024535.8（一种旋切顶燃式热风炉燃烧器）、ZL 2017 2 0944926.5（一种高炉的热风炉系统）、ZL 2017 2 0603545.0（热风炉助燃空气分时预热系统）、ZL 2013 2 0859217.9（一种组合式换热器）、ZL 2023 2 3176682.5（转炉煤气热量回收再利用的系统）。

四、典型意义

本技术解决了传统高炉热风炉送风温度低、煤气消耗高、烟气中NOx排放浓度高等关键难题，适用于钢铁行业热风炉新建项目和升级改造项目，得到冶金企业的广泛认可，还可以推广应用于石油化工行业的煤气加热领域等。

（本文依据申报单位填报材料整理编写，未对其中数据、事实及表述的真实性、准确性和完整性进行独立核实，相关内容以申报单位填报材料为准）