顶燃式热风炉高风温机理的分析.doc

1300℃超高风温热风炉高风温机理的研究

刘全兴
（青岛钢铁有限公司）

摘　要：提出了高风温和超高风温的概念，高风温：1200℃--1300℃;超高风温：1300℃--1400℃。好的热风炉要解决燃烧、传热、气流分布和结构稳定几方面问题。分析了理论燃烧温度、拱顶温度与风温的关系。热风炉关键技术集中在燃烧介质高效预热的工艺方法选择上。对于热值3343.46kJ/m3的高炉煤气，其理论燃烧温度为1289.57℃。实现1250--1300℃ 的高风温,燃烧介质预热是技术关键。助燃空气预热温度和煤气预热温度在双300℃以上情况下，理论燃烧温度为1480℃。实现1300℃以上超高风温是相匹配的。
关键词：高炉　热风炉　高效预热　高风温 机理　

1.前言
随着当前全球性的铁矿石、焦炭、焦煤和原油等原燃料大幅涨价，钢铁生产正在进入高成本的时代。然而，炼铁工作者一直没有放松对高炉新技术的关注、研究、开发与应用。为了降低炼铁制造成本，在关注贯彻精料方针，降低原燃料消耗及回收各工序余热、余压等方面的同时，提高风温的作用愈加突现。采用先进的高风温技术已成为许多钢铁厂的首选。新建的高炉都采用高风温和超高风温热风炉，设计风温1250℃。旧高炉热风炉大修改造，风温1200℃，这些新技术的应用为高炉稳定顺行、高产稳产、降低成本提供了可靠保障。
从发展趋势看，未来几年国际、国内市场钢材价格将继续存在不确定性的风险。提高风温作用愈加突显，已不是工艺技术的“简单”问题，已转化成为提升钢铁企业核心竞争力的主角。
什么是高风温和超高风温？高炉用高效、高风温顶燃式热风炉节能技术规范明确：高风温 ：1200℃--1300℃;作者认为：超高风温：1300℃--1400℃。超高风温是有风险的。
近十年来，我国炼铁热风温度逐年大幅度提高，重点钢铁企业主要技术经济指标如表1。
表1 全国重点钢铁企业主要技术经济指标
年份
生铁量
万t
燃料比
kg/t
煤比
kg/t
焦比
kg/t
入炉品位/%
风温
℃
系数
t/m3.d
工序能耗kgce/t
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
25185
33040
42755
47141
47067
57375
63089
68326
543
536
530
529
532
519
518
522
116
124
135
137
131
145
149
148
427
412
395
392
396
374
369
374
58.21
58.03
57.78
57.71
57.32
57.62
57.41
56.98
1074
1084
1100
1125
1133
1158
1160
1179
2.516
2.624
2.675
2.677
2.607
2.615
2.589
2.530
466.20
456.79
433.08
426.84
427.72
410.565
407.76

我国风温有较大提高，已接近国际先进水平。但是，还没能达到高风温和超高风温水平。个别企业风温仍比此指标低100℃左右；对炼铁工作者而言，这是前所未有的“挑战与机遇”。在炼铁制造成本快速增长的今天，我们要加速技术改造和各种新技术的研究与应用。进一步利用高炉煤气，大力提高风温、提高喷煤质量和促进富氧喷煤强化炼铁，消化不利因素，降低成本和增加经济效益。唱好风温和喷煤提升钢铁企业核心竞争力的主角戏。

2. 顶燃式热风炉高风温机理的分析
2.1 热风炉关键技术分类
好的热风炉要解决哪几方面问题?
(1) 燃烧技术 (Combustion)。
　　包括燃烧介质，燃烧器结构、材质，燃烧空间，空燃比，热工参数的选择，温度场、浓度场，燃烧温度、火焰长度、燃烧稳定性、燃烧振动、燃烧效率及其相互影响等。
1) 燃烧介质：煤气（或混合煤气）、空气。
煤气：发热值要高、物理热要高、含水量要低和含尘量要低。压力稳定。以及流量、流速等对燃烧的影响。
空气：温度、流量、流速压力等对燃烧的影响。
2) 燃烧器: 燃烧器是热风炉的心脏。燃烧器结构形式：材质优异，燃烧器受热和受压集于一身,要求高级耐火材料。结构稳定等。
燃烧空间的分布：具有足够强大的燃烧、加热能力等。
3) 煤气与空气混合方式：强化混合。顶燃式热风炉的关键是强有力的燃烧器 （取决于混合能力和效果）。
(2) 传热技术(Heat transfer)。
主要包括燃烧速率，热容量、热交换系数、传热温度、传热系数、热效率，蓄热体的材质、结构等。
　　燃烧期是对流传热与辐射传热的综合传热过程。要增加格子砖中、上部蓄热能力——减慢热风温度降落。
　　送风期是对流传热过程。缩小格孔可提高加热面积，孔格异形化，例如六角孔格子砖—等壁厚，减少格子砖的热应力，提高格子砖利用率。
烟气也可用于余热回收利用；烟气除尘水平；可用插入件加强下部对流传热。提高热风炉组热效率。
高风温顶燃式热风炉稳定而合理的结构实现了高强度燃烧并燃烧完全与高效率传热的结合，在单纯使用高炉煤气、在排烟温度平均低于300℃的条件下实现稳定的高风温。面对当前钢铁行业的节能、降耗、减排、环保、增效的整体要求，豫兴型顶燃式热风炉是值得普遍推广应用的性能优良的炉型。
(3) 气流流动(Gas flow in stoves)
　　高温烟气的均匀分布与冷风的均匀分布。
1） 拱顶烟气流动
内燃式：悬链线拱顶优于半球顶；外燃式：结构上的对称性，烟气扩散角限制；顶燃式与石球热风炉：切园燃烧器，烟气四周多，中心少。
2）冷风在炉篦子空间内流动
冷风入口与燃烧室位置对称；二股对称流入优于单股；冷风入口射流而引起顶部卷吸效应。
(4) 结构稳定(Structural Stability )
炉体与管道结构强度，管道的长短与膨胀，交接口组合砖，绝热保温等。热风炉的工况表现出“压力容器”和“非平衡动态”两个特征，在热风炉系统设计上要给予足够重视。
压力输送管道中，凡是管道的端部、开口不对称以及变径处都会产生盲板力。顶燃式热风炉的热风管道系统存在四种盲板力： 热风出口主管端部盲板力；联络管上下部弯头盲板力；支管三通盲板力； 个别热风炉还有变径管盲板力。

2.2 煤气低发热值和理论燃烧温度简易计算
煤气发热值有高发热值、低发热值两种，一般燃料燃烧计算采用低发热值。
理论燃烧温度:燃料燃烧时，热量的主要来源是燃料的化学热，即燃料的QDW，若空气或煤气预热时，还包括这部分的物理热Qa和Qg。当这些热量全部用来加热燃烧产物，没有其他热损失时，燃烧产物可以达到的温度应当是理论燃烧温度，但在高温下由于CO2和H2O有一部分产生热分解，因此，理论燃烧温度比预想的要低一些。
由在实际燃烧过程中，燃烧发出的热量有一部分散失于周围环境中，也可能有些燃料并没有完全燃烧，故实际炉子所能达到的温度要比理论燃烧温度低。
对于计算理论燃烧温度来说是非常复杂的，往往采取简易计算。
　　某热风炉使用的高炉煤气成分如表2。煤气的低发热值和理论燃烧温度计算结果如表3。
表2 　　　　　 高炉煤气平均成分，%
组分
CO2
CO
CH4
H2
N2
O2
H2O
%
19.47
23.45
0.57
1.63
54.83
0.5
5.0
煤气中含1体积的各个可燃成分的热效应/kJ

126.36
358.81
107.85


表3 煤气的低发热值和理论燃烧温度计算结果
项目
理论计算公式
计算结果
煤气的低发热值

3343.46kJ/Nm3　(798.57kcal/Nm3)

理论燃烧温度

1289.57℃

1285.87℃

2.3　理论燃烧温度、拱顶温度与风温的关系
2.3.1 理论燃烧温度与炉顶温度的关系
　　由于炉顶、炉墙的散热损失和燃料燃烧不完全性，实际上，炉顶温度低于理论燃烧 温度70～90℃。燃烧条件好和蓄热能力强的炉子一般为100～120℃。
2.3.2　炉顶温度与风温的关系 热风温度与烧炉时的炉顶温度有关，因此，提高炉顶温度可以提高风温，一般认为热风温度要比炉顶温度低100～150℃。而燃烧条件好和蓄热能力强的炉子要低90～130℃ 。
理论燃烧温度与风温相差150-200℃。
由此推断，理论燃烧温度为1300℃，理论风温只有1150℃。 要想实现1250--1300℃ 的高风温，理论燃烧温度应为1430-1500℃。理论燃烧温度相差100-170℃。高效燃烧、传热具有明显“减差”作用。
那么，1250--1300℃ 的高风温又是如何实现的呢？燃烧介质预热是技术关键。

2.4　燃烧介质预热的效果
根据能量平衡原理，预热燃烧介质，提高燃烧介质的温度，进而提高理论燃烧温度是获得高风温的有效方法。
由理论燃烧温度定义式可知，在QDW一定的情况下，煤气的物理热Qg，空气的物理热Qa与理论燃烧温度Tf均成正比。因此，把常温下的助燃空气和煤气预热，使Qg、Qa增加，无疑会提高Tf。Tf的高低决定了热风温度的高低。
　　提高Qa的影响：一般来说，对于热值在3700kJ/m3高炉煤气燃烧时，助燃空气温度提高100℃，约提高理论燃烧温度35℃。若将理论燃烧温度由1350℃提高到1500-1600℃，则需将助燃空气温度预热到700-800℃。
提高Qg的影响：预热煤气的效果要优于预热助燃空气，这是由于煤气的体积大于助燃空气的体积，即空气与煤气之比小于1。同样，要使Tf提高到1600℃，将煤气预热到600℃就可以了。每提高100℃煤气温度，理论燃烧温度Tf可以提高48℃。

3.　运行的效果
对于发热值为3000-3500kJ/m3的高炉煤气，其温度每升高1℃，将吸热1.4512kJ/m3，而燃烧该热值的1m3高炉煤气所需要的空气量仅吸热0.8306kJ/m3。在这种情况下，高炉煤气温度升高到250℃，会使理论燃烧温度升高130℃，而助燃空气温度升高到250℃，理论燃烧温度仅升高73℃。
助燃空气和煤气双预热：助燃空气和煤气两者都预热时提高理论燃烧温度的效果为两者分别效果之和。当燃烧高炉煤气时，若将空气过剩系数n从1.10降为1.05，tf还将提高约20℃。
要想达到1250-1300℃高风温，理论燃烧温度应为1430-1500℃。理论燃烧温度相差160-170℃。
假如助燃空气和煤气双预热分别为130℃和100℃推算：助燃空气预热温度为330℃;而煤气预热温度为300℃才行。
那么如何实现助燃空气预热温度和煤气预热温度在双300℃以上呢？燃烧介质进入高温区的预燃室时，气－固高温传导和高温辐射综合传热，一定会使燃烧介质温度大幅度升高。强化传热也是正方向，有利蓄热，也有利于放热，这就是高效顶燃式热风炉实现高风温的“奥秘
热风出口组合砖结构是最不稳定的部位。在长期的平均大于1200℃（最高1309℃）高风温下运行，仍然保持结构完好，无变形是不容易的。关于热风炉热风出口组合砖的结构，目前国内一些钢铁公司1780m3、2500m3、2800m3、3200m3等高炉配套热风炉的热风出口都不同程度的出现砖体变形、整体塌陷、局部掉砖，致使支撑在其上的拱顶结构出现问题，严重时会出现拱顶彻底塌陷。超高风温热风炉是有稳定性风险的。
　　新型结构热风炉燃烧产物均匀供给蓄热室(95%-97%)，提高了热风炉利用率。热风炉阻损小。燃烧前煤气压力仅为6kPa时，就足以维持热风炉满负荷运行。可承受煤气和空气预热到500-600℃。在所有的运行模式中不会发生脉动燃烧。气流喷射不会直接喷至格子砖面，格子砖不会出现局部过热情况，温度在拱顶、蓄热室、内层和外壳上对称分布。降低了温度剧变，改善了热风炉的稳定性。
　　硅砖拱顶结构稳定、可长期运行。因为硅砖拱顶可在燃烧温度最高1550℃条件下正常工作，因此卡式热风炉拱顶温度可以大大提高，热风温度最高可达1400℃。预燃室砖体不承受高温。烧炉和送风周期之间砖体温度变化与第一代卡式热风炉接近（该顶燃式热风炉运行27年，并保持良好状况）。因此这是一种结构稳定、长寿的独立预燃室。
卡式热风炉的使用寿命为30年。

4.结论
4.1炼铁工作者在关注贯彻精料方针，降低原燃料消耗及回收各工序余热、余压等方面的同时，提高风温的作用愈加突现。采用先进的高风温技术已成为许多钢铁厂的首选。新建的高炉都采用高风温和超高风温热风炉，设计风温1250℃。旧高炉热风炉大修改造，风温1200℃，这些新技术的应用为高炉稳定顺行、高产稳产、降低成本提供了可靠保障。
4.2提出了高风温和超高风温的概念，高风温：1200℃--1300℃;超高风温：1300℃--1400℃。好的热风炉要解决燃烧、传热、气流分布和结构稳定几方面问题。分析了理论燃烧温度、拱顶温度与风温的关系。热风炉关键技术集中在燃烧介质高效预热的工艺方法选择上。对于热值3343.46kJ/m3的高炉煤气，其理论燃烧温度为1289.57℃。实现1250--1300℃ 的高风温,燃烧介质预热是技术关键。超高风温是有风险的。
助燃空气预热温度和煤气预热温度在双300℃以上情况下，理论燃烧温度为1480℃。实现1300℃以上超高风温是相匹配的。

参考文献
1. 刘全兴，高炉热风炉操作与煤气知识问答，冶金工业出版社，2005
2．刘述临，炼铁，我们也要加入“强国高俱乐部”，风温长寿热风炉研讨会
论文集，1-4，秦皇岛，2005年9月
3．刘全兴，我国高炉热风炉的发展，钢铁产业，2006（10）：34-51
4. 刘全兴，高炉热风炉自身预热基础研究及传热过程数值模拟，博士学位论文，东北大学1998
5. 任立军，魏红旗，高风温技术在首钢京唐公司5500m3高炉应用，世界金属导报，2010-5-25
6. 刘全兴，热风炉采用纯高炉煤气获得1200℃高风温工业试验.钢铁，1996(9)：5-9
7. 刘全兴. 炼铁系统提高风温和喷煤特征及价值分析，炼铁交流，创刊号，2008.6，21-24
8. 刘全兴. 风温和喷煤--炼铁的“两大主角”，中国冶金报,2008.7.10
9 刘全兴. 提高风温与节能减排并举，中国冶金报,2008.1.31
10. 刘全兴. 高炉送风系统结构稳定性的研究，炼铁机械设备，2010
11. 杨天均、张建良、国宏伟，以科学发展观指导，实现低消耗、低排放、高效益的低碳炼铁，炼铁，2012 （4）：1-9
12. 刘全兴. 高效预热技术的发展与应用，炼铁产业，2012（4）：20-23,29
13. 高炉用高效、高风温顶燃式热风炉节能技术规范,