热风炉单位风量加热面积的合理选择

热风炉单位风量加热面积的合理选择杜春松（中冶赛迪工程技术股份有限公司）摘要通过热工计算及分析。研究了热风炉蓄热面积大小等参数，认为可以通过加强操作，在热风炉单 位风量加热面积30m2 / m3左右的条件下，实现1200C高风温的目标。关键词热风炉热工计算风量蓄热面积目前，国内热风炉设计的加热能力采用一些经验设计数据，通常单位炉容加热面积在70 m2/ m3以上，单位风量加热面积在40 m2/m3以上。而实际设计过程中，往往这个数据还有所放大，有 的甚至达到了单位炉容加热面积在90 m2 / m3以上。根据统计，蓄热面积大的高炉热风温度反而由于 操作等原冈造成送风温度低。在实际生产过程中，过大的加热能力能减小操作换炉频率但造成了不 必要的浪费。国外高炉的蓄热面积普遍均比较低。本文通过实例计算和对比分析，提出了可以通过选择适当的加热 能力及合理的操作制度来减小热风炉的尺寸。减小尺寸，控制投资，强化生产操作及维护。能比以往 经验数据设计热风炉节约大量投资。同时达到供给高炉同等热风温度的效果。l热工计算本文以某已投产热风炉为背景进行。该热风炉目前运行情况稳定能力充足。通过非稳态热风 炉热工计算，提出呵以减小该热风炉尺寸的理论数据。（1）热风炉的摹本参数（见表1）。表1热风炉的基本参数项目数值加热风量,Nm3 / min3 400设计风温，C1200（最高 1250）拱顶温度，C1340冷风温度，C180热风座数3操作模式三炉循环送风周期，min45换炉时间,min10混合煤气温度，C45助燃宅气温度，C25富化煤气焦炉煤气混合煤气压力，kPa9格子砖孔直径,mrn40格子砖单孔加热面积,m2 / m340.3最高废气温度，C380最小过剩空气系数，6高炉煤气热值，kJ/m33252.6焦炉煤气热值，kJ/m34738.5(2) 热风炉实际尺寸及理论计算尺寸对比。热风炉实际尺寸及理论计算尺寸见表2,两种尺寸下 的运行参数见表3。实际尺寸计算结果说明了在配烧一定焦炉煤气，加热风量为3 400 Nm3/min, 送风温度可以达到1200C，热效率75. 7%。在这种情况下，送风初期到送风末期格子砖平均温度降到 120C，硅砖界面安全温度966C，远大于650C的安全温度。从计算结果可以看出在这样的工作 条件下，热风炉格子砖仍有一定的蓄热及放热潜力。可以通过提高下部格子砖温度增加蓄热及加大格 子砖温度差来增加其吸放热量。根据实际热风炉设计参数及计算结果，保持拱顶的设计温度1 340 C 不变，假设缩小热风炉直径500mm,降低4m格子砖高度，减小热风炉蓄热面积，操作中增大送风 初期与末期格子砖平均温度差，可以看出缩小尺寸的计算结果，说明了在配烧一定焦炉煤气，加热风 量为3400Nm3 / min。送风温度也达到了 1 200C，热效率72. 4%。在这种情况下，送风初期到送 风末期格子砖平均温度降达到160 C，硅砖界面温度为1006C。由于加热7下部格子砖，烟气温度上升，带来的不利因素为热效率下降及对炉箅子的耐热性能要求提高。烟气温度高有利于预热空煤气，进而更一步的有利于提高燃 烧温度、降低高热值煤气配比；而炉算子的耐热性问题，目前供货商已经能提供耐热温格子砖高度方 向上的等分点(一个等分0. 855m)度达到500 C以上的产品。故只要合理配置小区域的热量循环， 操作低蓄热面积热风炉所带来的不利因素是可以化解甚至可以转化为有利因素。沿格子砖高度方向上 的送风初期及送风末期的温度变化如图1所示。-1?笛1 J 5- J 11 (JU If 23 2S2TW3L3335 JFS 孙子ic斗廈为HUfl静甘内I報.Ti-yS 1再艮冲卷于甘道直輛奥足遇咸K卑灣幡孑岭蛊度上的3丰#分点温底守*(3) 结果分析。以上不同热风炉尺寸的两种计算结果表明，在不预热空煤气的情况下均可满足 送风温度1200 C。热风炉尺寸缩小后，降低了单位风量加热面积，仅29. 8 m2/m3。为达到加热 同等风量 到相等温度，热风炉工作过程中有以下几点变化：在保持拱顶温度及高温区格子砖温度不变的情况 下，为了增加蓄热量，只有提高下部格子砖温度，格子砖高度降低正好有利于提高下部格子砖温度， 同时通过调节煤气燃烧提高烟气温度来提高低温区格子砖蓄热量。对比看出烟气平均温度升高了 44C,但最高烟气温度仍控制在400C以下。格子砖蓄热及放热时的平均温度差扩大了 40C。增 加下部格子砖蓄热量，提高了整体格子砖平均温度约66C，在放热过程中，温度平均下降160C， 即使如此，格子砖送风末期整体平均温度仍高于大尺寸热风炉26C。计算结果显示要加热3400 C Nm3/min的冷风，当蓄热体减小后，需要整体蓄热体格子砖平均多变化40C温度所释放的热量来弥 补其面积的减少。从整体格子砖工作效率来看，虽然增大了温度变化范围，但因提高了下部格子砖的 利用率而使整个格子砖工作效率提高。由于排放烟气温度升高，导致热风炉热效率有所降低。在该 工程中未采用余热回收技术，若考虑运行经济因素，为提高整体热风炉运行热效率，应采用余热回收 技术预热助燃空气及煤气，热风炉热效率可以达到82% 84%。故缩小的尺寸造成的热效率降低可 以通过采用余热回收技术解决。表2热风炉实际尺寸及理论计算尺寸项目实际理论计算热风炉座数33热风炉直径，mm申8500申8000蓄热室断面积，m232.227.93燃烧室断面积，m26.285.02格子砖高度，m34.230格子砖高度，m咼效7孔砖咼效7孔砖格孔直径，mm申40申40格子砖活面积，m2/m30.40310.40311m3格子砖加热面积，m2/m340.340.3格子砖当量厚度，mm3030每座热风炉加热面积，m24438033767单位炉容加热面积，m2/m376.157.9单位风量加热面积，m2/m339.229.8每座热风炉格子砖质量，t14801126热风炉总高度，m约44约40表3热风炉实际尺寸及理论计算尺寸运行参数项目实际理论计算热风炉数量33风量，Nm3/min34003400风温，C12001200拱顶温度，C13401340富化煤气，%8.348.34送风时间，min4545燃烧时间，min8080助燃空气温度，C2525混合煤气温度，c4545混合煤气热值，kJ/m343364336混合煤气量，Nm3/h5350056000煤气在格孔中流速，m/s2.092.52冷风温度，C180180烟气最高温度，C331400烟气最低温度，C227242烟气平均温度，C282326送风初期高温区最高格子砖温度，C13401340送风末期高温区最高格子砖温度，C12451245送风末期硅砖界面温度，C9661006送风初期与末期格子砖平均温度，C120160热风炉效率，%75.772.4本文理论计算缩小的尺寸是较为合适的热风炉尺寸。在该缩小尺寸基础上，若再进一步缩小热 风炉尺寸，将造成烟气温度的进一步升高及热效率的进一步降低，同时格子砖送风前后温度差将进一 步扩大，烟气在格孔中的流速将进一步增大，燃烧器由于燃烧室面积限制无法满足能力要求。由于炉 箅子设计温度一般小于400C（可以允许有瞬时的最高450C烟气温度出现），而烟气在格孔中的流速 不宜过高，一般满足其雷诺数Re2320，使得气流在格孔中为湍流流动即可。本理论计算中，烟气 在格孔中的速度2. 52m / s，对于40mm的高效格子砖来说，本速度处于烟气的湍流区域。过高的 烟气流速将影响换热效率及引起燃烧器震动等不利因素。为保证在燃烧过程中下部格子砖有足够的蓄热量，合理的热风炉操作控制及选择设计周期十分 重要。通过对30min送风、50min燃烧周期进行计算，结果显示由于没有足够的燃烧时间，不能将下 部格子砖的蓄热量达到指定要求，而45 min送风、80 min燃烧周期正好能满足这一要求。（4）单位风量加热面积与废气温度、周期格子砖温差、格孔烟气流速的关系。在恒定送风温度 1200C、选择送风45 min时间，采用高效7孔,1,40格子砖对单位风量加热面积从2545 m2 / m3 的热风 炉的能力进行计算及分析，热风炉单位风量加热面积与废气温度、格子砖送风初期及送风末期温度差 具有一定的关系（如图2所示），热风炉单位风量加热面积与格孔烟气流速关系如图3所示。360L J 鼻融 M-均废幷筆厂 用須将广駢巡度绘 -,-J F 40 bfl Nr 1一 丄 1! 一 25 27 W 31 U 3S 17 39 钊 $3 K单桓凤如罰狷枳7治S3签风疔单睦玖憂晟協面耦与屎气温嵐、格子時送風初期现谴艮耒期遇度屈的关抿霜 2131333?3$,期 45单世帆ItiitR图3 站凤护单位風量加嶽西辄号据孔烟毛流遠的熹爲2工程实例目前，世界上运行的单位风量加热面积较小的热风炉也比较多(见表4)。这些实际存在的单位 风量加热面积较小的热风炉运行情况均良好。对小加热面积热风炉来说，操作过程中要做好燃烧控制， 特别是燃烧后期的烟气温度管理控制，以确保足够的热量能储存到下部格子砖中去。热风炉燃烧具有复 杂性、参数不确定性和非线性，在针对不同工程中，应分析拱顶温度变化与最佳空燃比关系、废气温 度变化与煤气流量关系，开发模糊控制的热风炉燃烧控制模型，并将模糊控制及传统操作经验相结合 来进行操作，确保格子砖的高效率利用。3结语(1) 经验要求的单位炉容加热面积在70 m2 / m3以上，单位风量加热面积在40m2 / m3以上的 条件是可以适当减小的。根据热风炉的耐材布置特点，做好热风炉燃烧及送风控制操作，对要求提供 热风温度在丨200C的热风炉来说，单位风量加热面积在30 m2/m3左右能满足要求。(2) 目前，高风温冶炼是一种潮流。高风温会使高炉软熔带下移，使软熔区间变窄，有着促进 煤气流顺畅的积极作用，但是太高的风温会促进硅的还原，使渣铁流动性变差，导致软熔带煤气阻力 增大。同时，要获得高风温，通常采用附加高热质煤气或采用前置炉，需消耗更多的空煤气，不可避 免的排出更多的废气。这些高炉煤气都是焦炭及煤粉这些不可再生能源的一种转换态，虽然节约了焦炭，但实际上是浪费了能源，在讲究循环经济的形式下，其实整体效果是不经济的。在多少送风温度 下进行高炉冶炼最为经济有待研究。表 4 国内夕卜部分单位风量加热面积较小热风炉有关参数项目热风炉类型送风温度C单位风量加热面积 m2/m3巴西Asominas 1号高炉内燃式125033.1巴西CST 3号高炉内燃式125029.9加拿大Dofasco2号高炉内燃式110020德国施韦根2号高炉地得外然式130033.7中国鞍钢新1号高炉内燃式120037.2中国国风1号高炉卡鲁金顶燃式120033.5(3) 采用热风炉自身热废气进行双预热空煤气是十分经济环保的生产方式，减少单位风量加热 面积有利于提高热风炉自身热废气温度，有利于热风炉系统内的自身热量循环，有利于节能减排。(4) 国内现阶段众多高炉的年平均风温处于1 150C，也有少数达到1250C以上。从经济生铁 生产角度考虑，减少热风炉的单位风量蓄热面积，减小热风炉尺寸，设计余热回收，合理利用高炉煤 气这种附加产品，加强操作管理具有更现实的经济意义，符合科学发展观理论。