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关于热风炉重要设计与运行参数的讨论 关于热风炉重要设计与运行参数的讨论 陈维汉 陈维汉 华中科技大学教授，现为公司总工程师 电话15136271687 刘世聚 刘世聚 公司董事长 电话13803858297 （郑州豫兴耐火材料有限公司） 摘要文中利用热风炉设计程序对热风炉重要的结构与性能参数间的相互关系进行了较为详细的分析，并按照逐级评估优选的办法来确定热风炉的设计与运行参数。从而为热风炉优化设计与性能评价找出了一条简捷的途径。 一、引言 热风炉是高炉炼铁的重要辅助设备，为高炉冶炼提供高温热风是其主要目的，随着冶炼技术的发展对热风温度的要求越来越高，而同时高炉煤气的热值却越来越低。这就意味着在较低的理论燃烧温度条件下要获得到尽可能高的热风温度。一般而言，提高煤气与助燃空气的预热温度是一条直接的途径，这反过来又要求提高排烟温度，而高排烟温度必然降低热风炉的热利用效率，同时也要增加预热所需的换热设备。如何在现有条件下通过对热风炉重要参数的分析找到一条高效、高温、低投入（或投入不变）的热风炉设计与运行途径，是一件十分有意义的课题。长期以来人们在这方面做了大量的工作，积累了大量的设计与运行管理经验[1]、[2]、[3]、[4]。 就目前热风炉设计与运行状态而言[5]、[6]，继续进行上述的事情仍然十分必要。因为热风炉设计工作还没有做到规范化和最佳化，整体状况较为粗放；而运行管理也未能实现运行参数优化与合理的操作制度。有鉴于此，首先要做的工作就是从性能参数调整出发，实现已投产热风炉高风温、高效率的运行，以及从设计入手确定合理、优化的结构参数与性能参数，并逐步通过实践加以完善与规范。其次是进行高效燃烧装置与高效蓄热装置的研究与设计[7]、[8]。 这里将针对性能参数的设计与调整问题，在自行开发的热风炉设计计算程序的帮助下对热风炉运行参数的相互间关系以及对热风炉结构参数的影响进行一点有益的探索。为实现热风炉高风温、高效率与低投入的运行做一点切实可行的努力。 二、热风炉排烟温度的选择 一般而言，热风炉高效运行是符合节能要求的，在任何情况下是设计的首要目标。合理的热效率选择在燃烧装置和燃料成分确定之后，热风炉排烟温度的选择是决定性的因素。决不能为了提高热风（鼓风）温度而没有原则地提高排烟温度，而应该在综合权衡利弊的情况下进行合理选择。 利用自行编制的热风炉设计计算程序，计算了在确定燃料成分、煤气与助燃空气温度、蓄热体结构、热风出口温度下，热风炉排烟温度与热效率、单位鼓风蓄热体重量、蓄热体高度等参数的关系，以及不同排烟温度下，排烟温度和热风出口温度的波动值。表1给出详细计算结果。为了说明问题，这里以排烟温度为200℃作为基准，给出各种参数的相对变化情况（如图1、2）。 表1排烟温度对效率及其他参数的影响※ 排烟温度℃ 热风炉效率η 蓄热体计算高度h 蓄热体修正高度h 单位鼓风蓄热体质量kg/m3/min 单位鼓风加热面积m2/m3/min 热风温度波动ΔTr℃ 烟气温度波动ΔTy℃ 200 0.8323 25.57 37.12 1030.47 44.44 28.48 38.75 220 0.8195 21.4 30.04 857.69 36.53 41.88 56.99 240 0.8066 18.85 25.9 746.92 31.99 54.87 74.84 260 0.7936 16.93 22.9 680.05 28.75 67.45 92.15 280 0.7806 15.41 20.6 616.39 26.3 79.5 108.81 300 0.7674 14.18 18.77 566.97 24.37 91.06 124.74 320 0.7542 13.15 17.27 532.52 22.81 102.04 139.89 ※计算中各种参数的设置 助燃空气温度20℃，煤气温度120℃，热风温度1200℃，φ30mm孔径S/d1.5的19孔格砖；煤气热值3400Kj/Nm3，过量空气系数为1.02。 从图1可见，排烟温度的提高会导致热效率减小，且为线性变化规律；而相应蓄热体高度却是显著降低（包括加热面积、蓄热体质量等）；注意到变化曲线是开始提高温度时变化显著，而进一步提高温度时变化平缓。据此规律，不妨将平均变化率作为选取合理排烟温度的准则，最恰当的排烟温度应该在240℃～260℃之间（图中黄色平行四边形下沿与变化曲线接合处）。再注意图2，表示了随着排烟温度的提高，热风与排烟温度的波动值逐步增大，这很不利于热风炉性能的改善和提高热风的平均热风温度水平。综合上述分析，这里选取260℃作为合理的排烟温度，并以此温度作为预热煤气与助燃空气的热源，以提高热风温度和热风炉效率，以及在蓄热体高度不变下减小热风温度的波动值。 三、煤气与助燃空气预热温度的合理选取 利用排烟余热加热煤气与助燃空气能有效地提高燃烧温度，从而提高热风温度和提高热风炉效率，并能在相同条件下降低蓄热体高度。预热煤气与空气的作用效果如何，以及如何选择合理的预热温度是设计者必须考虑的问题。这里同样利用热风炉设计计算程序在一定条件下分析煤气与空气分别预热，以及煤气与空气同时预热对热风炉效率和燃烧温度的影响。表2和表3分别给出空气预热和煤气不同预热温度下的热风炉燃烧温度与热效率的变化，而图3和图4则绘出相应的曲线。表4和图5则表示了煤气与空气同时预热的情况。 10 表2助燃空气预热对效率和燃烧温度的影响 煤气温度120度,排烟温度260度,热风温度1200度,空气系数1.02 助燃空气温度 热风炉效率 燃烧烟气温度 20 0.7936 1336 40 0.795 1345 60 0.7963 1354 80 0.7976 1363 100 0.7989 1372 120 0.8009 1382 140 0.8021 1391 160 0.8033 1400 180 0.8044 1409 200 0.8063 1419 表3煤气预热对效率和燃烧温度的影响 助燃空气温度120度,排烟温度260度,热风温度1200度,空气系数1.02 煤气温度 热风炉效率 燃烧烟气温度 20 0.7932 1334 40 0.7944 1343 60 0.7963 1353 80 0.7973 1362 100 0.7991 1372 120 0.8009 1382 140 0.8018 1391 160 0.8034 1401 180 0.805 1411 200 0.8066 1421 表4助燃空气与煤气同时预热对热效率和燃烧温度的影响 （排烟温度260度,热风温度1200度,空气系数1.02） 助燃空气温度 煤气温度 热风炉效率 燃烧烟气温度 20 20 0.7856 1288 40 40 0.7882 1306 60 60 0.7915 1325 80 80 0.7948 1344 100 100 0.7979 1363 120 120 0.8009 1382 140 140 0.803 1400 160 160 0.8058 1419 180 180 0.8085 1438 200 200 0.8111 1457 从上述图表中可以清晰看出，助燃空气与煤气温度的改变对热风炉效率与燃烧温度的影响是线性的。于是可以由排烟温度选取的高低来确定助燃空气和煤气的预热温度的高低。对于小型高炉由于采用干法除尘，煤气温度在120度以上，可以不再进行预热，而助燃空气预热温度可以在260度排烟温度下选取160度～180度范围。如果煤气预热也可以在160度～180度的范围内为好。如果燃烧室结构不容许燃烧温度高过1400度，那么预热温度在160度上下为宜。 这里按照前面的选择计算一种理想的设计工况。 表5合理选择排烟、助燃空气、煤气温度后的设计与运行参数计算结果 煤气成分与热值 设置的结构与运行参数 程序计算的结构与运行参数 干煤气一氧化碳含量 25 冷风入口温度Tf4℃ 150 计算实际燃烧温度℃ 1409 干煤气氢含量 2 热风出口温度Tf1℃ 1200 计算热风炉总效率 0.8044 干煤气甲烷含量 0.5 废气出口温度℃ 260 热风炉蓄热体内直径m 3.9642 干煤气乙烷含量 0 煤气温度℃ 120 燃烧室内直径m 5.5642 干煤气氧气含量 0 空气温度℃ 180 理论蓄热体总高m 13.5079 干煤气氮气含量 54 蓄热体孔径d1mm 30 修正的蓄热体总高m 18.4453 干煤气二氧化碳含量 18.5 蓄热体孔间距比S/d1 1.5 单位鼓风加热面积m2/m3/min 22.9980 干煤气硫化氢含量 0 蓄热体对角宽度mm 270 单位鼓风格砖重量（kg/m3/min） 533.9564 过量空气系数 1.02 蓄热体完整孔数 19 烟气出口温度波动℃ 86.0547 煤气的发热量kj/Nm3 3393.3133 蓄热室烟气流速选择Nm/s 2.25 热风出口温度波动℃ 68.7436 这里必须指出，双预热对热风炉效率的增加值是不能和排烟温度升高同样温度差所带来的效率下降相比的，在ΔΤ100℃情况下，前者的效率增加为0.0132，而后者的下降则为0.0649。显然，通过提高排烟温度来提高煤气与助燃空气温度以最后达到提高燃烧温度的目的是不经济的。当然，降低排烟温度会增加蓄热体体积（或增加炉高），而不增加蓄热体体积又会增加预热换热器的面积以提升预热煤气与助燃空气的温度。总之，通过综合评估出合理的排烟温度、煤气温度、助燃空气温度是一个多因素设计优化的问题，限于篇幅这里不再深入讨论。 四、操作制度对热风炉结构与性能的影响 热风炉在一个操作周期内热风温度是逐步降低的，而排烟温度则是逐步升高的。显然，长的操作周期就意味着有较大的热风和排烟温度的波动值。此外，为了不使排烟温度升高过快，必然要增加蓄热体体积或蓄热体高度，从而使投资成本增加。在一个周期中热风温度的波动大小也直接影响到热风温度的平均值，进而影响到热风的送风品质。因此，从改善热风品质，以及降低投资成本的角度考虑，缩短热风炉操作周期应该是一种不错的选择。为此，本节着重分析运行周期改变对热风温度波动和蓄热体结构的影响。设计程序针对上述的合理工况来改变操作时间，其各种参数的计算结果显示在表6中，而这些参数的相对变化率则显示在图7中（以鼓风时间1小时的计算结果为基准进行相对变化率的比较）。 表6不同操作周期下蓄热体结构和温度波动的改变 燃烧时间（小时） 鼓风时间（小时） 设计蓄热体高度（m） 蓄热体单重kg/（Nm3/min） 蓄热室直径（m） 烟气温度波动（℃） 热风温度波动（℃） 0.9 0.5 13.05 339.68 4.026 56.67 46.92 1.3 0.7 18.45 533.96 3.964 86.05 68.75 1.6 0.85 22.51 640.43 3.9376 108.2 85.06 1.9 1 26.57 752.16 3.919 130.79 101.39 从上面的图表中可见，缩短运行周期几乎按线性比例关系缩小蓄热体体积、高度、与温度波动，而对蓄热室的直径改变很小。当然，由于仅仅改变操作周期，燃烧温度和热效率都不会改变。因此，改变操作周期不失为一种十分有效地改变热风炉性能的好途径，对于设计新热风炉应尽量采用较短的操作周期，以减小温度波动和减少初投资，而对于已经运行的热风炉 则应该调整操作周期，使热风炉性能得到显著的改善，以实现高风温、高热风品质、稳定运行的状态。 五、蓄热体结构对热风炉结构与性能的影响 减小热风温度和排烟温度的波动除了改变操作制度外就是改变蓄热体的结构，也就是增加蓄热体的蓄热能力，其实就是在相同换热面积下增大蓄热体体积。本节采取改变蓄热体孔间距来实现，针对不同的孔间距计算热风炉热风与排烟温度的波动值变化，以及蓄热室直径和单位鼓风蓄热体格子砖重量的变化情况。表7显示了上述合理工况在改变蓄热体孔间距情况下的计算的结果，从中反映出随着孔间距的增大蓄热体直径逐步增大，单位鼓风格砖的重量增加，以及热风与排烟温度波动的减小，此时蓄热体高度、热效率、燃烧温度均不发生改变。图8，表示了蓄热体孔间距相对改变引起的结构与温度波动的相对改变情况（这里以S/d01.45为基准进行相对比较），其线性的变化规律展示无余。显然增大蓄热体的蓄热能力能够按比例地减小热风与排烟温度的波动，其付出的代价是增大热风炉的初投资，而换来的好处是增加热风的品质。 表7不同蓄热体孔间距下热风炉结构与温度波动 蓄热体孔间距比S/d0 热风炉蓄热体内直径m 单位鼓风格砖重量（kg/m3/min） 热风出口温度波动℃ 烟气出口温度波动℃ 1.45 3.8321 475.3170 77.2244 96.6712 1.5 3.9642 533.9564 68.7436 86.0547 1.55 4.0963 594.5835 61.7341 77.2800 1.6 4.2285 657.1984 55.8523 69.9171 1.65 4.3627 722.4870 50.8054 63.6386 六、实现热风炉高效率、高风温、低投入的途径 从上述分析不难看出，通过对热风炉主要的结构参数与运行参数的调控，能够有效实现热风炉的高效率、高风温、与低投入地运行。其中合理选择排烟温度是重要的一环，在此基础上进行助燃空气与煤气预热温度的选择，其次是操作周期的合理挑选，以及配合蓄热体孔间距的选取，最后确定热风与排烟温度的波动值。由于在上述过程中涉及到蓄热体的体积、预热换热器的选取，也就会涉及初投资的大小，因而有必要进行上述参数的综合后进行选择。 这里还必须指出，热风炉燃烧室及燃烧器的好坏，蓄热体中气流分布，和蓄热体结构特征及其传热性能也会对参数的选取起到极为重要的作用，而热风炉设计中热经济学的评估也值得引起重视。这些问题将在后续的研究中给与详细的讨论。 参考文献 [1] 陈厚章.热风温度的探讨.工业加热,1994,5 [2] 刘全兴.鞍钢热风炉最佳风温选择的探讨.鞍钢技术,1989,4 [3] 戴杰.用低热值高炉煤气获得高风温的可能性.钢铁,1983,7 [4] 刘全兴.热风炉采用纯高炉煤气获得1200℃高风温工业实验.钢铁,1996,9 [5] 周传典主编.高炉炼铁生产技术手册.北京冶金工业出版社，1999 [6] 炼铁设计参考资料.北京冶金工业出版社，1979 [7] 陈维汉,刘世聚.带环形上喷燃烧器的悬链线拱顶燃烧室冷态流场研究. [8] 陈维汉,罗海兵.蓄热式换热器流动传热的数值模拟 华中科技大学学报2005，33（3） A discussion on some primary parameters of design and operation for hot-blast stove Chen Weihan Liu Shiju AbstractUsing a program of design for hot-blast stove, some primary parameters of structure and perance have been analyzed in this paper. The rational or optimal design and operation parameters have been determined for the hot-blast stove on the basis of comparison and uation of design data. A simple has been given for optimal design and perance uation of hot-blast stove. Keywords hot-blast stove, parameters of structure and perance, rational or optimal design and uation