1 前言

近年来，钢铁企业在《极致能效标杆示范三年行动方案》及“双碳”目标的引领下，积极开展相关行动，在炼铁系统关于降低热风炉煤气消耗，提升能效，已成为行业内热点话题。

在一些热风炉建设项目招投标中，有要求用“吨铁煤气消耗”指标作为热风炉能效评价指标；在炼铁界同行中，有将热风炉吨铁煤气消耗指标作为对标指标；有个别单位拿出片面的甚至是虚假的热风炉吨铁煤气消耗指标广为宣传。上述做法，缺乏对“吨铁煤气消耗”的深入剖析和认知，存在一定的片面性、误导性，给热风炉的设计、操作和能效评价带来困扰，本文作者将对“吨铁煤气消耗”进行探讨，理清热风炉能耗组成及能效评价指标，并提出热风炉节能降耗主要措施，以推动行业健康发展。

2 关于热风炉吨铁煤气消耗指标的探讨

2.1  关于热风炉吨铁煤气消耗指标的研讨情况

围绕“热风炉节能降耗及其评价标准”这一话题，国内各类学术会议和报刊杂志有很多相关报告和讨论，均指出了“吨铁煤气消耗”这一指标，不适合用于衡量热风炉节能降耗指标先进性与否。

近年来，在“热风炉节能技术研讨会”、“热风炉节能降耗技术和措施交流会”、“热风炉长寿及节能新技术交流研讨会”等研讨会上，就热风炉能耗评价标准进行了系统的讨论。特别是2022年中国金属学会组织的“热风炉节能技术研讨会”上，北京科技大学、中冶京诚、首钢国际、郑州安耐克等多家单位参与讨论，与会专家和代表列举了高炉实际操作条件下吨铁煤气消耗统计结果，展示了不同条件下煤气消耗量的理论计算结果，针对热风炉节能降耗及其评价标准进行了深入讨论，认为吨铁煤气消耗这一指标，不仅受热风炉技术性能影响，而且受高炉炼铁过程影响也很大。中国金属学会炼铁分会名誉主任委员杨天钧教授在最后总结中指出，对于吨铁煤气量是否适合衡量热风炉节能降耗还需要更深入研究，需要具体分析吨铁煤气消耗的影响因素，以探讨进一步降低吨铁煤气消耗的措施，并强调应尊重科学，坚持实事求是的态度。

2.2  吨铁煤气消耗指标的局限性

热风炉是蓄热式换热器，其作用是燃烧高炉煤气产生高温烟气对蓄热体加热，再使冷风流经蓄热体而变成热风送入高炉，热风炉使用的燃料是高炉煤气，热风炉输出的是热风而不是生铁，每立方米热风可生产多少吨生铁则是由高炉决定的，高炉铁产量和热风炉消耗的高炉煤气量并不存在直接对应关系，而是通过鼓风相联系，即吨铁煤气消耗除受热风炉性能影响（主要是煤气发热值、热风温度和热风炉系统热效率），还受高炉操作参数（主要是吨铁耗风量、富氧率、煤气利用率）影响，因此，直接用“吨铁煤气消耗”指标评价热风炉能效的优劣存在很大的局限性。

以往关于热风炉能效的评价指标是热效率和阻力损失，热效率用于评价化学能和物理热的利用程度，阻力损失用于评价煤气、助燃空气和高炉鼓风经过热风炉所损失的压力能多少。文献中关于热风炉并无“吨铁煤气消耗量”之说，近年来行业中出现的“吨铁煤气消耗量”，笔者认为应将其作为高炉的技术经济指标之一，用于评价生产1吨生铁消耗了多少立方米煤气，因为“吨铁煤气消耗量”指标不仅包含了热风炉是否节能，还包含了高炉是否高效，不同规模高炉的原燃料有较大差异、高炉操作方法和制度不同，同一高炉在不同时期的生产工况也存在差异，高炉的这些因素变化，将对“吨铁煤气消耗”从高炉角度产生极大影响，而热风炉无法控制和改变高炉的影响因素，因此将“吨铁煤气消耗”用于评价和考核热风炉是不严谨、不合理的，不能作为评价热风炉技术性能的指标。

2.3 热风炉煤气消耗指标的选择

为了能够简单、便捷地对热风炉能效进行评价，笔者建议采用“单位鼓风（1000℃温升）煤气耗热量”作为热风炉能效考核指标，计算公式如下：

公式①各项含义如下：

单位鼓风煤气耗热量—1Nm³鼓风从冷风加热到1000℃的热风所消耗的煤气热量，kJ/Nm³鼓风

煤气累计流量—计算期内煤气流量随送风时间的累计值, Nm³/d或Nm³/m

煤气发热值—计算期内煤气发热值平均值，kJ/Nm³煤气

鼓风累计流量—计算期内鼓风流量随送风时间的累计值, Nm³/d或Nm³/m

平均热风温度—计算期内热风温度平均值，℃

平均冷风温度—计算期内冷风温度平均值，℃

1000--将计算期内鼓风温度升高值折算到1000℃的系数，℃。

该指标一是剔除了高炉自身冶炼因素对热风炉能效的影响，能够较准确地反映出热风炉的能耗情况。二是指标中除了鼓风累计流量、煤气累计流量，还将鼓风温升和煤气发热值两个影响因素考虑在内，在与不同高炉热风炉进行对比时具有较高的可比性。三是仅利用热风炉现有常规仪表检测数据，无需额外增加检测和现场测试项目，即可计算出单位鼓风耗热量，热风炉热平衡和热效率更具适用性。四是并可依据煤气发热值进一步计算出单位鼓风煤气消耗量，进而可依据吨铁耗风量计算出吨铁煤气消耗，具有较高的可操作性。该指标的不足是没有把煤气、空气带入的物理热和烟气用于喷煤干燥煤粉所利用的物理热等因素计入指标考核范围内。

从公式①可见，单位鼓风耗热量与煤气累计流量、煤气发热值、鼓风累计流量、鼓风温升（平均热风温度-平均冷风温度）有关，剔除了吨铁耗风量对单位鼓风耗热量的影响。在对热风炉能效进行考核和比较时，还需要考虑煤气发热值和冷风温度的影响。

单位鼓风煤气耗热量与吨铁煤气消耗的折算关系

公式②可依据单位鼓风耗热量、吨铁耗风量、热风温度和煤气发热值计算出吨铁煤气消耗。所计算出的吨铁煤气消耗与现场操作统计数据所得到的吨铁煤气消耗可能存在差距。

从公式②，吨铁煤气消耗不仅与单位鼓风耗热量有关，还与吨铁耗风量、鼓风温升、煤气发热值有关，其中吨铁耗风量和煤气发热值不是热风炉所能操控的，这也是不能用“吨铁煤气消耗”来评价热风炉能效的根本原因。

3  吨铁煤气消耗影响因素

凡是影响“吨铁耗风量”和“单位鼓风耗热量”的因素，都将对“吨铁煤气消耗”产生影响，主要影响因素如下。

图1  吨铁煤气消耗主要影响因素

3.1 富氧率对吨铁煤气消耗的影响

随着富氧率提高，鼓风氧气含量增加，吨铁耗风量显著减少，需要热风炉进行加热的鼓风量减少。另外，随着富氧率提高，鼓风中带入的N₂减少，相应生成的高炉煤气中的N₂含量也将减少，煤气发热值增加。例如某1280m³高炉，富氧率由3%增加到9%，煤气热值由3200kJ/Nm³提高到了3600kJ/Nm³。

富氧率与煤气发热值和吨铁耗风量的关系如图2所示。

图2  富氧率与吨铁耗风量、煤气发热值的关系

随着富氧率的提高，吨铁耗风量减少，煤气发热值提高，生铁产量不变情况下，需热风炉加热的鼓风流量减少，在风温不变的情况下，煤气发热值提高，单位鼓风煤气消耗量减少，吨铁煤气消耗呈明显下降趋势。以某1280m³高炉为例，高炉吨铁煤气消耗与富氧率关系如图3所示。 

图3  吨铁煤气消耗与富氧率关系

3.2  烟气排放温度对吨铁煤气消耗的影响

3.3 热风炉结构形式对吨铁煤气消耗量的影响

热风炉结构形式主要有内燃式、外燃式和顶燃式。顶燃式热风炉高温区散热面积小，采用短焰燃烧器，直接在拱顶内燃烧，减少热损失，高效节能，近年来得到广泛推广，技术日益成熟，顶燃式热风炉的发展历程也是燃烧器性能不断优化和提升的过程，采用锥柱旋切燃烧器的顶燃式热风炉，燃烧机理为三维涡旋强力混合短焰燃烧，实现了高风温、高效率、低排放的显著效果。应用实例如下。

江苏某厂2400m³高炉，配套三座锥柱旋切顶燃式热风炉，投产三年来，经过多次第三方CMA检测验证，风温1240℃，烟气中CO含量＜20mg/Nm³（16ppm），无脱销设备NOx含量＜50mg/Nm³，燃烧完全，废气污染物排放远低于国家超低排放标准。

宝武集团下属某厂二号高炉,高炉炉容1280m³，热风炉原配套三座内燃式热风炉，风温较低，能耗较高。自2022年2月至2024年6月，依次在线改造成三座锥柱旋切顶燃式热风炉，相比之前内燃式热风炉送风温度提高60℃，平均热风温度达到1230℃，煤气消耗量相比改造之前内燃式热风炉降低了8.7%。

从上述应用实例可见，热风炉的结构形式以及不同结构的顶燃热风炉燃烧器对煤气消耗影响也是较大的，其原因在于热风炉系统技术配置是否合理，煤气是否完全燃烧，以及热风炉本体及管道系统隔热是否良好。

4 结语

1）“吨铁煤气消耗”除受热风炉因素影响以外，还受高炉冶炼条件制约，因此不适合用于作为评价热风炉能耗的指标，可作为高炉系统能效评价的指标使用。

2）建议采用“单位鼓风（1000℃温升）煤气耗热量”作为热风炉能效评价指标，能够较准确、客观地反映出热风炉的能效情况，计算简单实用。

3）高炉富氧率、吨铁耗风量、煤气发热值、热风炉结构形式、热风炉烟气排放温度等都是吨铁煤气消耗重要影响因素，优选热风炉结构，降低烟气排放温度是提高热风炉能效的主要技术措施。

4）顶燃式热风炉，尤其是采用先进技术锥柱旋切顶燃热风炉，具有高风温、高效能、低排放和长寿命的显著优势，可作为新建和改造热风炉的优选方案。