高炉热风炉结构与性能简介

高炉热风炉结构与性能简介

陈维汉

(华中科技大学能源与动力工程学院 联系电话)

热风炉顾名思义就就是为工艺需要提供热气流得集燃烧与传热过程于一体得热工设备,一般有两个大得类型,即间歇式工作得蓄热式热风炉与连续换热式热风炉。在高温陶瓷换热装置尚不成熟得当今,间歇式工作得蓄热式热风炉仍然就是热风炉得主流产品。蓄热式热风炉为了持续提供热风最起码必须有两座热风炉交替进行工作。热风炉被广泛应用在工业生产得诸多领域,因工艺要求不同、燃料种类不同、热风介质不同而派生出不同用途与不同结构得热风炉。这里要介绍得就是为高炉冶炼提供高温热风得热风炉,且都就是蓄热室热风炉,因其间歇式得工作方式,必须多台配合以实现向高炉连续提供高风温。

1、高炉热风炉得分类

高炉热风炉从结构可以分为外燃结构得热风炉与内燃结构得热风炉两个大类,前者就是燃烧室设置在蓄热室得外面,而后者就是燃烧室与蓄热室在一个结构里面。在内燃结构得

热风炉中因燃烧室与蓄热室之间得相对位置不同而分成顶燃式(燃烧室放置在蓄热室上部)热风炉与侧燃式(火井燃烧室与蓄热室并行放置)热风炉,通常我们也将侧燃式热风炉称为一般意义上得内燃式热风炉,因而在目前使用得热风炉中主要就是外燃式热风炉、内燃式热风炉与顶燃式热风炉。在这三种典型得热风炉中,外燃式热风炉结构最复杂而材料用量大,故实现结构稳定与提高风温得技术要求也就较高;而内燃式热风炉得火井墙结构稳定性差、且存在燃烧震荡、热风温度不易提高等问题;至于顶燃式热风炉,因其结构简单而材料用量少,也便于高风温实现。因此,随着热风炉技术得发展,顶燃式热风炉正在逐步取代内燃式热风炉与外燃式热风炉而成为热风炉得主流产品。在顶燃式热风炉中,随着卡鲁金旋流分层混合燃烧技术得应用,与该技术相适应得带旋流混合预燃室得顶燃式热风炉得到了人们得普遍认同,逐步成为顶燃式热风炉中得主流产品。

应该指出得就是,在旋流混合分层燃烧得带预燃室得顶燃式热风炉得到发展得同时,

一

A 、外燃式热风炉

B 、内燃式热风炉

C 、1型顶燃式热风炉

D 、1型顶燃式热风炉

E 、3型顶燃式热风炉

F 、3型顶燃式热风炉

种在卡卢金设计得一代热风炉技术基础上发展起来得环形上喷交错混合燃烧得顶燃式热风炉逐步在国内得到了应用,其快速混合、回流预热、高强度燃烧得特征,以及均流均温得蓄热室高效得换热性能,为一般条件下实现高热风温度提供了有利条件,这就是目前顶燃式热风炉中较具发展前景得一类热风炉。

如果我们把卡鲁金结构得热风炉称为带预燃室得顶燃式热风炉(简称为2型结构),那么,环形上喷交错混合燃烧得顶燃式热风炉就可称为带悬链线拱顶燃烧室得顶燃式热风炉(简称为1型结构)。

此外,带套筒燃烧器得球床热风炉也基本上就是属于顶燃式热风炉得范畴,因其燃烧装置在热风炉得顶部,以耐火球为蓄热体装在燃烧室下面得蓄热室中,为叙述方便不妨将其称为3型结构得顶燃式热风炉。这种炉型一般带有旋流上喷得套筒燃烧器,受燃烧器喷嘴数量限制,存在混合燃烧欠佳,气流组织紊乱得缺点。其次耐火球为蓄热体,

也存在球床易积灰堵塞、相互粘接、流动阻力大、使用周期短等问题。

因此,球床热风炉逐步被小孔格子砖为蓄热体得其它顶燃式热风炉取

代得趋势。如果改变小孔格子砖结构与堆放形式,以及对燃烧器结构进

行改进,这种热风炉也能在一般条件下实现较高得热风温度。

值得注意得就是,还有一种能体现气体燃料在多孔介质中燃烧得属

F、4型顶燃式热风炉

于第三代燃烧技术得燃烧器,逐步进入人们得视线,被应用到热风炉得

燃烧器中,成为新一代得热风炉,不妨称之为4型结构得顶燃式热风炉。

该型热风炉借助于燃烧过程一部分或者绝大部分在蓄热体(格子砖堆积或耐火球床)中进行,能使上部蓄热体得温度更加接近燃烧温度,缩小了热风温度与燃烧温度(或拱顶温度)之间得差异,为热风炉在使用低热值得纯高炉煤气条件下实现比其它热风炉更高得热风温度提供了有利条件。

2、高炉热风炉得结构与组成

前已述及,热风炉就是一个为工艺过程提供热风得完成燃烧过程与传热过程得热工装置,其结构一定应该包含为燃料在其中燃烧得燃烧装置,与气流在其中进行热量交换得传热装置。对于为高炉提供热风得蓄热式热风炉而言,就必须有实现燃烧过程得燃烧室与燃烧器,以及堆放能完成传热过程得蓄热体得蓄热室;为了组织气流与实现气流过程得切换,实现气流分配得冷风室与各种进出口与阀门也就是必不可少得。此外,由于高炉所需得热风具有一定得压力,为此一个能够承受压力得金属外壳也就是必不可少得。因此,热风炉就就是一个在金属外壳内砌筑耐火材料得承压容器。下面将热风炉得各个重要组成部分一一加以描述如下。

21燃烧器与燃烧室

高炉热风炉得燃烧器基本上都就是适于气体燃料燃烧得装置。按照气体燃料燃烧得模式,可分为预混燃烧得无焰燃烧器、半预混燃烧得短焰燃烧器、以及扩散燃烧得长焰燃烧器等。按照其结构得形式可分为圆形燃烧器、矩形燃烧器、环形燃烧器、以及其她形状得燃

烧器等。按照燃烧气流得组织形态可分为旋流燃烧器、直流燃烧器、对冲燃烧器、回流燃烧器、以及其它组合型流场得燃烧器等。

为了完成燃烧过程与组织气流得形态在燃烧器后提供一个燃烧空间就是必然得,这就就是燃烧室。通常不同得燃烧器都配备有不同结构得燃烧室,这都就是人们在长期得生产实践中归纳总结出来得。在顶燃式热风炉中用得较多得就是,分层混合旋流燃烧器、或交错混合旋流燃烧器、或环状布置喷嘴预混或半预混燃烧器等,它们常配以锥筒状燃烧室;套筒式燃烧器或者喷嘴环形布置气流垂直上喷得燃烧器常配以倒悬链线旋成状燃烧室、或蘑菇状燃烧室、或球状燃烧室等。应该指出,不同得配合会得到不同得燃烧效果与不同燃烧气流流场,其对燃烧室结构得影响也就是不同得。

由于热风炉得燃烧器与燃烧室都就是在高温下工作得耐火材料砌筑体,必须选用耐高温且高温下热稳定性好得材料,如硅砖、红柱石高铝砖、低蠕变高铝砖等用作燃烧室得砌筑材料,而红柱石莫来石砖、堇青石莫来石砖则作为燃烧器得砌筑材料,其目得在于使燃烧器与燃烧室在燃烧过程存在剧烈得热变化条件下实现其结构安全稳定地运行。

22蓄热体与蓄热室

从燃烧室出来得烟气流向下进入堆放着蓄热体得蓄热室,蓄热室为竖向放置得筒状结构。蓄热体主要以多孔棱柱形得格子砖堆砌而成,或者由球状耐火球随机堆放而成。格子砖得外形为正六棱柱体,也就就是上下端面为正六边形,两个端面之间有数量不等得按正三角形排列通孔。格子砖按一定规律堆放在蓄热室中,通常为错位咬合式堆放,以达到堆放得稳定性。堆放过程中一定要保证上下孔得通畅,这也就是格子砖堆放质量得重要指标。格子砖按其工作温度得不同而选用不同得材质,接近燃烧室得部分温度高,选用高温性能好、抗粘附能力强得材质,如硅质或低蠕变高铝材质,格子砖接近冷风室得部部温度低,选用低温性能好、强度高得材质,如粘土质或红柱石粘土质,中部材质带有过渡性,但高温性能还就是其主要要求,如高铝质或红柱石高铝质。此外,在堆放中格子砖与格子砖之间留有足够得膨胀缝隙,使得每一块格子砖都能释放因温度升高而导致得体积膨胀,以避免产生附加得热应力。

耐火球也就是热风炉采用得一类蓄热体,其结构为球形,堆放形式就是随机倒入整平即可,其材质与格子砖就是一样得,也要随所处得位置而做相应得变化。由于耐火球与耐火球之间理论上就是点接触(实际有变形而构成面接触),其材质得要求就要比格子砖高,尤其就是荷重软化温度要求高,如上部采用硅质球或刚玉球,下部采用高强度高铝球或高铝球等。

蓄热室就是堆放蓄热体得圆筒状结构得空间,其主要作用就是承受气流得压力与格子砖(或耐火球)对其得作用力(结构应力与热应力)、保持蓄热体适当得温度环境、以及自身结构得稳定性。由于从上到下温度变化较大,为了结构稳定也要采用不同得材质砌筑(基本得选择就是与格子砖得材质保持一致),且要保证其在上、下方向上有释放其内应力得相应结构,也就就是与燃烧时之间设置能相互滑动得迷宫式连接装置。

23炉箅子及其支撑与冷风室

蓄热室中得格子砖或耐火球就是放置在蓄热室底部得炉箅子上,炉箅子本身就是由炉箅子横梁与支柱来支撑得。炉箅子及其支撑通常由耐热铸铁(RQTSi4Mo,RTCr2等)铸造加工而成。由于热风炉墙体砖就是砌筑在热风炉得炉底得耐热混凝土基础上得,这样炉底到炉箅子之间就有了一个相应得空间,常称为冷风室。通过此空间,高炉鼓风由此进入热风炉,再通过格子砖而被加热为热风后送入高炉,而从蓄热体流出得烟气也通过它而流进热风炉得烟道。因此,冷风室就是高炉冷鼓风进入与炉内热烟气流出得一个过渡空间。值得一提得就是,用一种带有辐射状水平通孔铸铁格子砖直接堆放在冷风室中,就可以取代炉箅子及其支撑结构,借助于与格孔互通得水平通孔既可以完成聚集烟气而使之进入烟气出口管,也可以将从冷风进口管进入得冷风均匀分散到蓄热体截面上得各个格孔之中去。同时,铸铁格子砖堆放体本身也能起到蓄热体得作用,即储存与交换热量,因而也能有效地降低排烟温度而提高热风炉效率。

24热风炉各管口

热风炉因其交替地完成炉内蓄热体得加热过程(燃料燃烧与蓄热体吸热)与送风过程(冷鼓风加热与蓄热体放热),设置不同气流得进、出口管并设置阀门以调节气流大小与实现气流得切换时就是热风炉完成其向高炉输送热鼓风所必不可少得装置。主要管口与阀门为: 热风出口管——就是热风炉最重要得管口,由于始终处于高温状态,需要用优质耐火材料砌筑,由于存在较大得热应力与结构应力,其结构得优化设计不容忽视;

煤气、助燃空气进口管——就是接入热风炉燃烧器主要管口,对于外置式燃烧器她们就是由金属管制成,期内进行防腐内喷涂;如果就是进入诸如预燃室或环形耐材砌筑得陶瓷燃烧器,就是采用金属外壳内由耐火砖砌筑而成,因其所处温度不高,可用普通耐火粘土砖砌筑,对于温度变化较大得情况,可采用红柱石粘土砖砌筑;

烟气出口管——就是烟气排出得通道,开口于冷风室得墙体上,通常就是在金属外壳内用普通得耐火粘土砖砌筑,金属外壳一定要采用防腐内涂层;

冷风进口管——冷风管可以单独设置,也可以借助烟气出口而进热风炉,其砌筑结构与用材与烟气出口管一样。

由于这些管口均采用圆管对接热风炉圆筒体得几何结构,也就就是大、小圆筒体对接得形状,结构较为复杂,多采用组合砖结构(俗称花瓣砖),用其作为砖体结构得过度带,以保证结构得完整性与分散结构应力得作用。

3、热风炉得工作原理

热风炉本质上就就是一个通过燃烧方式将空气加热以获得热风得设备,这里重点讲述得蓄热式热风炉也不例外,也就是一个燃烧装置与传热装置得组合设备。所不同得就是蓄热式热风炉就是间歇式工作得,其工作原理可描述为:在热风炉中煤气与空气在燃烧装置中混合燃烧而产生高温烟气,并通过传热装置将其携带得热量在其与蓄热体进行热交换得过程

中传递到蓄热体中,一定能够时间之后进行切换,通入冷鼓风,在其与蓄热体得热交换过程中获得热量变成热鼓风而最后送需要得热利用装置,对于高炉热风炉而言就就是通过这种方式为高炉提供足够高得热鼓风(热风)风。由于现代炼铁技术得发展,对高炉鼓风得要求越来越高,其风温要求都在1200℃上下。显然,为了满足高炉得需求,热风炉从结构到性能都必须与之相适应。因此,深入了解热风炉得工作原理对于设计与制作热风炉,以及运行与管理热风炉都就是至关重要得事情。

31热风炉内得燃烧过程

基于高炉热风炉就是以燃烧高炉煤气作为热源得,其燃烧过程就是受物理过程控制,也就就是受煤气与空气得混合过程控制。按照两种气体得混合情况,通常分为边混合边燃烧得扩散燃烧方式与预先混合后再燃烧得预混燃烧方式,以及介于两者之间得部分预混部分扩散混合得半预混燃烧方式。这就就是通常所说得长焰燃烧模式、无焰燃烧模式、及短焰燃烧模式。显然,要完成一定量煤气得燃烧,长焰燃烧所需要得燃烧空间就是最大得,短焰燃烧所需要得空间就是最小得。这就就是说在相同得绝热条件下,短焰燃烧得温度就会高一些。再定义一下,一定量煤气完全燃烧所需得空气量为理论空气量,实际空气量总就是大于理论空气量,其比值为过量过量空气系数。显见,三种燃烧过程中预混燃烧得过量空气系数一定最小,而扩散燃烧过量空气系数一定最大。那么多余得空气要加热到燃烧温度,就要消耗热量,势必导致燃烧温度得整体下降。所以预混燃烧得燃烧温度要高于扩散燃烧得燃烧温度。这就告诉我们,热风炉得燃烧方式只能就是越接近预混燃烧方式越好。这也就就是套筒燃烧器、矩形燃烧器、旋流多喷嘴分层混合燃烧器等不易实现高风温得道理所在。结论只能就是,燃烧器一定要让煤气与空气快速且均匀地混合、充分预热后即时燃烧。这样得燃烧器所需燃烧空间明显缩小,散热也相应减小,燃烧强度(单位时间单位体积得燃烧煤气量)则明显提高,而过量空气系数也就相应减小,这都会直接导致燃烧温度得提高。因此,采用预混燃烧方式得燃烧器就一定能在相同条件下获得最高得燃烧温度。

32热风炉内得传热过程

在对热风炉燃烧问题清楚之后,其传热与蓄热问题也不能忽视。因为燃烧后高温烟气所

携带得能量,一定要以蓄热室得蓄热体为传热介质才能传递到高炉鼓风(冷、热风)中。因此,烟气与蓄热体间得热交换,以及蓄热体与鼓风之间得热交换过程就显得格外重要。对工程传热过程而言,其性能与蓄热体得结构特征、材质、及布置,与气流得流速、流态、及分布,与两种气流间得流动方向及温差等都密切相关。不难瞧出,燃烧后得烟气流场能否以均匀分布得方式进入蓄热体,以及不均匀得气流分布能否在进入蓄热体后迅速调整到较为均匀得分布,就是能否提高蓄热体利用率与增强传热效果得关键因素。但凡在热风炉中能够组织起这样得气流流场就一定就是结构合理得热风炉,就为实现高风温提供了基本得炉型结构。其次就是蓄热体间气流得流速选择,这直接影响蓄热体高度与直径,成为蓄热体结构形态得主要影响因素。进一步瞧,蓄热体格子砖得结构特征也不能忽视,格孔得大小以及孔与孔间得距离,孔得形状以及格砖层间构成得形状,都会显著地影响传热性能与吸热放热性能,其表现为烟气温度得变化与热风温度得变化,以及会影响在给定烟气流速、热风温度与排烟温度下得蓄热体堆砌高度与蓄热体直径大小。严格地讲,格孔直径与孔间距与孔径得比值就是两个主要因素,比值一定,孔径越小,单位体积得换热面积越大,孔隙率越大,导致传热性能得加强而蓄热(放热)能力得减弱。基于热风炉得传热过程就是一个动态过程,传热与蓄热(或放热)得性能任何一方面都不能偏废,这取决于加热时间与放热时间得选取,基于热风炉就是大型装备,加热时间(燃烧时间)就是不能太短得,经验值就是加上换风时间在2小时左右,因而单位体积得换热面积控制在40上下为宜,大于此值蓄热体高度减小,热风温度波动增加;小于此值蓄热体高度增加,热风温度波动减小。此外,蓄热体格子砖得体积密度、热传导系数、与比热容也就是需要考虑得因素,不同得材质,表现出不同得热扩散特性,因而需要在热设计过程中予以调整。总之,对于进入蓄热体气流得安排、蓄热体得几何与物理特征都对传热蓄热过程(也就就是热扩散过程)起着至关重要得作用。

总之,只有通过高强度得燃烧来实现高得燃烧温度,也只有通过气流与蓄热体结构间高效

而合理得传热来实现高烟气温度与高温鼓风之间得高效热转换与温度调节。这也就是高风温热风炉所必须具备得性能,也就是评价一个热风炉就是否具有产生高风温潜质得标准。