一、研究的背景與問題

　　目前，我國熱風爐高風溫技術(shù)發(fā)展過程中存在以下關(guān)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(zhuǎn)化效率低（熱效率＜75%），致使燃耗高、能源轉(zhuǎn)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(huán)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(fù)雜操作條件，導致熱風爐高溫區(qū)爐殼、高溫高壓管道和關(guān)鍵部位耐火材料，投產(chǎn)3～5年后出現(xiàn)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(lǐng)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(zhuǎn)換、燃燒與傳熱、氣體運動規(guī)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(tǒng)研究。

　　6、熱風爐設(shè)計技術(shù)體系、冷-熱態(tài)實驗和測試方法、熱風管道系統(tǒng)、高效蓄熱室、長壽耐火材料、相關(guān)技術(shù)標準規(guī)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(shù)提升和推廣應(yīng)用。

　　二、解決問題的思路與技術(shù)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(fā)展和超低排放對高爐及熱風爐節(jié)能減排、減污降碳的新要求、新標準，組建聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)團隊進行長達10余年系統(tǒng)深入研究。主要研發(fā)內(nèi)容包括：

　?、倩谌S空間渦旋燃燒技術(shù)的頂燃式熱風爐的研發(fā)；

　?、谔卮笮蜔犸L爐超大功率陶瓷燃燒器關(guān)鍵技術(shù)研究；

　　③頂燃式熱風爐關(guān)鍵耐火材料體系的研究；

　?、芨郀t熱風系統(tǒng)安全長壽技術(shù)研究；

　　⑤內(nèi)燃式熱風爐改造為頂燃式熱風爐的工程化集成創(chuàng)新與應(yīng)用研究；

　?、藁跓犸L爐耗散結(jié)構(gòu)優(yōu)化的動態(tài)精準控制模型開發(fā)；

　?、邿犸L爐高效清潔與超低排放研究。

　　圖1 主要研究內(nèi)容和技術(shù)路線

　　項目研究總體技術(shù)思路是通過理論研究及數(shù)字化仿真研究、工程設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)研究開發(fā)、工程集成應(yīng)用研究多層次-多維度進行系統(tǒng)全面的研究攻關(guān)。圖2為項目總體技術(shù)研發(fā)思路。

　　圖2 項目研究總體技術(shù)研發(fā)思路

　　三、主要創(chuàng)新性成果

　　1、研究開發(fā)并應(yīng)用了新一代高效低碳高風溫頂燃式熱風爐及其關(guān)鍵技術(shù)

　　提出了基于耗散結(jié)構(gòu)優(yōu)化的新一代頂燃式熱風爐高效清潔燃燒理論與技術(shù)；發(fā)明了頂燃式熱風爐實現(xiàn)三維空間渦旋擴散燃燒技術(shù)；開發(fā)超大功率高效旋流擴散燃燒器及其綜合技術(shù)，燃燒器單體燃燒功率達到180MW；集成創(chuàng)新了高效低碳清潔燃燒與能源高效轉(zhuǎn)換耦合關(guān)鍵技術(shù)；熱風爐燃燒效率達99.99%，系統(tǒng)熱效率≥85%，熱風爐能效比≤1.15。

　　（1）現(xiàn)代熱風爐燃燒理論研究

　　運用現(xiàn)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(guī)律?；诤纳⒔Y(jié)構(gòu)理論，以流體力學、傳熱學、傳質(zhì)學、燃燒學為基礎(chǔ)，建立熱風爐內(nèi)物質(zhì)流、能量流模型。在大型工作站上仿真研究熱風爐系統(tǒng)物質(zhì)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(xiàn)多場耦合。全面應(yīng)用多種先進設(shè)計計算方法和實驗手段，實現(xiàn)在信息流的精準調(diào)控下，物質(zhì)流、能量流動態(tài)有序、協(xié)同高效轉(zhuǎn)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(guī)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(zhì)、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(yīng)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(shù)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(yōu)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(guān)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(wěn)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(shù)精準調(diào)控和合理匹配是優(yōu)化燃燒耗散過程的關(guān)鍵要素。

　　圖8 頂燃式熱風爐煙氣中NOx、CO和O2含量變化及關(guān)系

　　2、創(chuàng)新開發(fā)出頂燃式熱風爐高效、低碳、清潔和低排放燃燒技術(shù)

　　運用多場耦合數(shù)值仿真模擬、物理模型實驗研究、熱態(tài)半工業(yè)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(zhì)和燃燒過程，發(fā)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(shù)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(yōu)化

　　針對新一代頂燃式熱風爐技術(shù)研發(fā)，進行了三維渦旋擴散高效燃燒技術(shù)仿真研究及多場耦合優(yōu)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(shè)計參數(shù)耦合優(yōu)化。結(jié)合熱風爐冷態(tài)、熱態(tài)模型試驗研究分析，指導燃燒器設(shè)計及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。

　　圖9 燃燒過程多場耦合協(xié)同優(yōu)化仿真研究

　　圖10 三維空間渦旋擴散燃燒器流場設(shè)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(fā)

　　創(chuàng)新燃燒器采用錐-柱復(fù)合結(jié)構(gòu)，煤氣噴口設(shè)置在燃燒器的錐段，空氣噴口設(shè)置在圓柱段。煤氣流與空氣流在燃燒空間內(nèi)，形成多層交叉射流、三維渦旋混合流動狀態(tài)，混合氣流經(jīng)過喉口段壓縮整流后，形成負壓區(qū)流動斷面收縮后再旋流擴張，優(yōu)化了煤氣和空氣的擴散傳質(zhì)進程，使得高溫煙氣進入格子磚分布均勻。研發(fā)出三維渦旋擴散燃燒技術(shù)，實現(xiàn)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）?；诙鄨鲴詈戏抡嫜芯亢湍Ｐ脱芯?，本項目所研發(fā)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(yīng)用獲得成功。本項目技術(shù)輸出海外，已推廣應(yīng)用到印度5800m3高爐。

　　圖11 三維渦旋擴散高效燃燒器設(shè)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(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

　　基于已有技術(shù)成果，針對超大型頂燃式熱風爐燃燒器存在的技術(shù)難題進行研究，攻克技術(shù)缺陷和關(guān)鍵技術(shù)難題（見圖13）。優(yōu)化超大型熱風爐燃燒過程耗散結(jié)構(gòu)，強化超大功率燃燒工況的動力學條件，研發(fā)出新型超大功率燃燒器，實現(xiàn)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(yōu)化研究，圖15為京唐熱風爐超大功率燃燒器設(shè)計參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，圖16為NOx生成計算結(jié)果。研發(fā)的新型超大功率陶瓷燃燒器，成功應(yīng)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(shù)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(yōu)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(shù)難題及解決措施

　　圖14 超大功率陶瓷燃燒器開發(fā)-基于CFD多場耦合仿真優(yōu)化研究

　　圖15 超大功率燃燒器設(shè)計參數(shù)優(yōu)化結(jié)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(lián)合研究

　　為了驗證仿真計算的結(jié)果，深入解析研究熱風爐實際工況的燃燒過程特性及規(guī)律，建立了物理模型和熱態(tài)試驗平臺，針對新一代頂燃式熱風爐進行了冷態(tài)+熱態(tài)耦合實驗-試驗聯(lián)合研究（圖17）。冷態(tài)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(jié)果進行驗證（如表1所示）。熱態(tài)試驗平臺通過熱風爐半工業(yè)化試驗，模擬實際熱風爐運行狀態(tài)，對試驗熱風爐燃燒-送風過程進行溫度、壓力、成分等多參數(shù)試驗測試，對仿真計算采用的數(shù)學模型及結(jié)果進行再次驗證。

　　圖17 頂燃式熱風爐冷態(tài)-熱態(tài)聯(lián)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(shù)

　　3、創(chuàng)建了新一代頂燃式熱風爐工藝及耐火材料設(shè)計、制造、選用和配置技術(shù)標準體系。

　　建立了頂燃式熱風爐節(jié)能、熱平衡測試方法、耐火材料配置等一系列技術(shù)標準；解析研究了服役后熱風爐耐火材料破損機理及規(guī)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(shù)措施；基于物相組分優(yōu)化設(shè)計和格子磚熱工參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，開發(fā)出抗蠕變性能優(yōu)異的高效格子磚和耐高溫熱震性優(yōu)異的莫來石-紅柱石-堇青石磚；研制并批量生產(chǎn)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(zhì)的全系列高效高性能格子磚。

　　（1）創(chuàng)建頂燃式熱風爐工藝及關(guān)鍵耐火材料技術(shù)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(yè)標準（3項）和團體標準（2項），創(chuàng)建并形成了完整的熱風爐耐火材料標準規(guī)范技術(shù)體系，如表2所示。牽頭制定的標準涵蓋熱風爐節(jié)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(shù)規(guī)范、熱風爐用紅柱石磚、熱風爐陶瓷燃燒器用耐火磚等行業(yè)標準，覆蓋了熱風爐燃燒、傳熱、節(jié)能、減排、耐火材料配置、材料制造、技術(shù)評價等多維度技術(shù)標準，由技術(shù)到產(chǎn)品，從關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)與領(lǐng)先，發(fā)展成為技術(shù)標準體系的創(chuàng)建與完善。

　　表2 本項目研究制定的熱風爐及相關(guān)耐火材料技術(shù)標準規(guī)范

　　（2）研發(fā)頂燃式熱風爐陶瓷燃燒器專用關(guān)鍵耐火材料

　　根據(jù)頂燃式熱風爐燃燒器復(fù)雜惡劣工況條件，研發(fā)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計，協(xié)同提升材料高溫性能和抗熱震性能。創(chuàng)新采用M-70燒結(jié)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(yōu)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(yōu)異的綜合高溫性能。多物相協(xié)同優(yōu)化耦合使復(fù)合相材料理化性能顯著提升，滿足了熱風爐核心關(guān)鍵設(shè)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(jié)構(gòu)

　　（3）開展半工業(yè)試驗研發(fā)高效格子磚

　　以相似原理為理論基礎(chǔ)，首次建立1:10熱風爐熱態(tài)試驗平臺，設(shè)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(shù)，以驗證仿真計算結(jié)果。搭建現(xiàn)場測試裝置，首次完整實測了超大型頂燃式熱風爐內(nèi)部速度場、流場分布，驗證了仿真計算和試驗結(jié)果（圖19）。通過熱態(tài)試驗熱風爐半工業(yè)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(guī)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(fā)高效格子磚奠定了試驗基礎(chǔ)。

　　圖19 熱風爐熱態(tài)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(fā)了非穩(wěn)態(tài)數(shù)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(shù)對熱風爐傳熱性能影響，開發(fā)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(shù)對比見圖23。高效格子磚體系的成功研發(fā)應(yīng)用，迅速改變了我國熱風爐用格子磚落后的研發(fā)生產(chǎn)狀況，取得了重大技術(shù)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(shù)

　　圖23 不同格孔的格子磚加熱面積和蓄熱體積比較

　　4、研發(fā)了低應(yīng)力-無過熱熱風爐爐體及管道長壽技術(shù)，設(shè)計開發(fā)了低應(yīng)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(qū)爐殼、耐火材料和熱風管道等關(guān)鍵部位局部過熱、應(yīng)力腐蝕疲勞開裂及其破損的機理和規(guī)律。在5500m3高爐頂燃式熱風爐上，首創(chuàng)采用新型耐腐蝕不銹鋼-高強合金鋼的復(fù)合爐殼結(jié)構(gòu)，開發(fā)了抗腐蝕-低應(yīng)力的爐殼建造技術(shù)。發(fā)明應(yīng)用了一系列熱風爐維護修復(fù)技術(shù)，建立了用于爐殼焊后殘余應(yīng)力消除、爐體及管道智能化監(jiān)測、評價等技術(shù)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(jié)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(yīng)力破壞（見圖24），主要包括：①焊接殘余應(yīng)力破壞。爐殼焊接過程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，導致爐殼在服役過程中焊縫處出現(xiàn)應(yīng)力集中，造成爐殼焊縫開裂、鋼板基體受損；②晶間應(yīng)力腐蝕。由于熱風爐拱頂溫度過高形成大量NOx，在應(yīng)力集中的焊縫處與水積聚，腐蝕晶界破壞金屬微觀結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生裂紋、開裂；③交變應(yīng)力破損。熱風爐燃燒-送風交替工作，產(chǎn)生交變應(yīng)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(shù)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(shè)計提供了科學依據(jù)（圖25），京唐3號高爐熱風爐首創(chuàng)采用耐腐蝕不銹鋼+高性能合金鋼復(fù)合爐殼結(jié)構(gòu)（904L+Q345LK）。

　　圖25 熱風爐爐殼FEM計算分析研究

　　研究發(fā)現(xiàn)造成爐殼失效的裂紋主要是爐殼內(nèi)表面焊縫附近的疲勞裂紋，原因是焊縫附近應(yīng)力超過了材料的疲勞極限，為此開發(fā)出熱風爐焊縫附近局部區(qū)域應(yīng)力監(jiān)測技術(shù)（圖26、圖27）。與此同時，還開發(fā)出一系列兼顧應(yīng)力控制和爐殼防腐的熱風爐爐殼修復(fù)技術(shù)。針對拱頂整體修復(fù)、局部修復(fù)和新建熱風爐分別從材質(zhì)、裝配、焊接工藝、應(yīng)力控制等方向?qū)Ψ桨高M行了優(yōu)化，最大程度考慮了應(yīng)力控制和防腐問題，在生產(chǎn)實踐中應(yīng)用取得顯著效果。

　　圖26  熱風爐工作過程爐殼應(yīng)力測試研究

　　圖27  熱風爐工作過程爐殼最大交變應(yīng)力檢測結(jié)果

　　（3）低應(yīng)力-無過熱熱風爐管道長壽技術(shù)研發(fā)

　　基于彈塑性結(jié)構(gòu)力學和材料力學理論，復(fù)雜管系采用專業(yè)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(yōu)化設(shè)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(shè)計方法和結(jié)構(gòu)（圖29）。開發(fā)研制出異形鎖砌結(jié)構(gòu)的組合磚，顯著提高砌筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。設(shè)計開發(fā)了熱風管道新型自鎖密閉式砌筑結(jié)構(gòu)（圖30）、補償器內(nèi)部耐火襯砌筑結(jié)構(gòu)（圖31）。本研究包括熱風支管結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、熱風管系仿真計算分析、熱風管道低應(yīng)力管系設(shè)計、熱風支管預(yù)變位技術(shù)、熱風管道耐火材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化等。

　　圖28  復(fù)雜管道的仿真計算分析

　　圖29  低應(yīng)力熱風爐管系優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)

　　圖30  新型熱風管道組合磚結(jié)構(gòu)

　　圖31  幾種補償器內(nèi)部磚襯設(shè)計優(yōu)化結(jié)構(gòu)

　　5、開發(fā)了熱風爐燃燒動態(tài)精準控制模型和智能化信息物理系統(tǒng)（CPS），開發(fā)了熱風爐爐體及管道系統(tǒng)全天候智能化監(jiān)測系統(tǒng)

　　首創(chuàng)提出熱風爐能效比的概念，為熱風爐高效低碳、節(jié)能減排、提高能效奠定了量化評價標準。通過數(shù)字化控制實現(xiàn)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(diào)節(jié)。高爐風溫穩(wěn)定達到1250℃以上，熱風爐能效比≤1.15，助燃空氣過剩系數(shù)≤3%，熱風爐風溫系數(shù)≥91.5%，熱風爐拱頂溫度與風溫差值≤120℃。

　　（1）研發(fā)大型頂燃式熱風爐智能化控制技術(shù)

　　熱風爐工作時燃燒、換爐、送風循環(huán)交替運行，屬于典型的耗散結(jié)構(gòu)過程。本研究通過建立準確的、多變量參數(shù)的熱風爐信息物理系統(tǒng)（CPS），基于數(shù)字模型對蓄熱和送風趨勢進行預(yù)測，根據(jù)預(yù)測結(jié)果，借助機器學習構(gòu)建人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行推演，獲得對空煤氣調(diào)節(jié)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(shù)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(shù)，基于快速燒爐的方法，使計算機自動調(diào)節(jié)煤氣和空氣的流量，在達到燃燒效果的同時實現(xiàn)燃燒期的智能化控制（圖32）。熱風爐智能燃燒控制系統(tǒng)在京唐2號高爐熱風爐系統(tǒng)應(yīng)用取得顯著成效（圖33、圖34），實現(xiàn)了由傳統(tǒng)的反饋型控制向智能預(yù)測型控制的轉(zhuǎn)變，系統(tǒng)具有了自感知、自適應(yīng)、自學習和自決策能力。

　　圖32  熱風爐燃燒期各階段及優(yōu)化燒爐

　　圖33  首鋼京唐2號高爐熱風爐智能化控制系統(tǒng)

　　圖34  智能控制系統(tǒng)投用前后熱風爐操作參數(shù)曲線變化情況

　　（2）開發(fā)與應(yīng)用熱風爐紅外在線監(jiān)控技術(shù)

　　開發(fā)了紅外成像、溫度檢測和圖像識別綜合技術(shù)的熱風爐爐體及管道監(jiān)測系統(tǒng)，為熱風爐系統(tǒng)安全長壽和穩(wěn)定運行奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。在首鋼高爐熱風爐應(yīng)用取得顯著成效（圖35），實現(xiàn)了熱風爐及管道系統(tǒng)全天候智能化監(jiān)控。

　　圖35 首鋼熱風爐及管道智能化監(jiān)控系統(tǒng)

　　四、應(yīng)用情況與效果

　　近年來，本項目研究成果及相關(guān)技術(shù)，在完成單位9座高爐22座熱風爐應(yīng)用。具體應(yīng)用情況詳見表4。

　　表4 本項目研究技術(shù)及創(chuàng)新成果應(yīng)用代表性工程業(yè)績

　　以首鋼京唐為例，京唐3號高爐熱風爐集成應(yīng)用了本項目研究成果及關(guān)鍵技術(shù)，包括熱風爐清潔燃燒和高效傳熱、復(fù)合鋼板爐殼、熱風管道安全長壽等技術(shù)，于2019年4月投產(chǎn)至今應(yīng)用效果優(yōu)異。京唐3號高爐頂燃式熱風爐投產(chǎn)5年來，經(jīng)歷了多種復(fù)雜工況，燃燒量在設(shè)計范圍的30%～120%的工況條件下運行穩(wěn)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(chǎn)高效低碳，達到并超越設(shè)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(chǎn)，為了滿足環(huán)保和長壽要求對熱風爐進行了全面技術(shù)升級改造。采用本項目研發(fā)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(xiàn)超低排放。結(jié)合熱風爐爐殼開裂機理研究成果，爐殼采用了復(fù)合鋼板及應(yīng)力消除技術(shù)，提高了熱風爐爐殼安全性，現(xiàn)已完成2座高爐5座熱風爐的改造。2號高爐熱風爐應(yīng)用智能化控制模型，實現(xiàn)了熱風爐動態(tài)精準控制。在其他新建和改造項目中，頂燃熱風爐應(yīng)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(yīng)用國內(nèi)外240余高爐、780座熱風爐。核心技術(shù)獲得俄羅斯、日本、烏克蘭、印度等國專利授權(quán)。2021年，與俄羅斯MMK鋼鐵集團簽訂7號1280m3高爐內(nèi)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(shù)壁壘，技術(shù)輸出國外，引領(lǐng)國際高風溫熱風爐技術(shù)發(fā)展。

　　本項目在首鋼京唐、遷鋼、中天、俄羅斯MMK鋼鐵等國內(nèi)外高爐熱風爐上應(yīng)用，近3年累計經(jīng)濟效益達21億元，經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益顯著，推廣應(yīng)用前景廣闊。