高炉热风炉使用效果与热效率的研究

高炉热风炉使用效果与热效率的研究

袁雷

中天钢铁集团有限公司 江苏常州  213011

摘要：本文通过对中天钢铁有限公司（南通）炼铁厂三座高炉共12座热风炉，每座高炉配置了四座热风炉，采用两烧两送并联送风方式送风，根据实际参数对三座高炉的热风炉进行热平衡测定，并根据测定数据对三座高炉的热风炉进行热效率计算。通过对热风炉的检测及热效率的结论进行分析，得出结论该热风炉效率高、能耗低等优势。并指出热风炉使用效果方法，提出如何解决存在的问题，提高热风炉风温水平的方法。

关键词：热风炉；热效率；低能耗；高风温

1引言

中天钢铁集团有限公司（南通）炼铁厂共三座高炉各配置四座热风炉，热风炉均为顶燃式热风炉，顶燃式热风炉结构主要分为蓄热室、燃烧室和预燃室三部分，则不同结构处是预燃室烧嘴形状和材质不同，也就是燃烧气流混合不同。其中2#、3#高炉热风炉采用了郑州安耐克耐材有限公司自行研发的锥柱复合三维燃烧器（第四代新型燃烧器），1#高炉热风炉采用的是中冶赛迪设计的低氮交错旋流燃烧器。三座高炉的热风炉自投产运行至今来看，三座高炉的热风炉目前与冶金行业对比在同等条件下煤气消耗较低风温高，起到节能减排的效果，空煤气配比合适且燃烧充分，热效率高，减少残余CO的废气排放量。风炉采用“两烧两送”的工作方式，配备了整套空煤板式双预热器，预热高炉煤气和助燃空气，预热温度197-220℃之间。其中3#热风炉为2022年3月29日投用，1#热风炉为2022年6月11日投用，2#热风炉于2023年3月1日投用。当前送风温度均为1240℃,运行较为稳定。

2 热风炉技术参数及性能

2.1测评周期

以热风炉的一个完整操作周期作为测评周期，从燃烧期开始至下一个燃烧期开始(

括燃烧，送风和换炉)的整个过程。四座高炉热风炉的测评周期如表1所示：

2.2基准温度

以热风炉周围环境温度为基准温度，即30℃。

1#2#3#高炉热风炉测评周期统计

炉号   燃烧时间  送风时间  换炉时间  送风温度 硅砖界面温度   拱顶温度

1#      2h         1h      13min      1240      1124          1370

2#      2h         1h      13min      1240      1130          1370

3#      2h         1h      13min      1240      1135          1370

2.3低发热值计算

煤气成分中燃烧成分为CH₄、H₂及CO,低发热 值的计算如下：

则：

QoM=3359.73kJ/m³

2.4煤气的理论燃烧温度

=1294℃

2.5 理论空燃比

（23.90%+3.15%）/2/0.21

      =0.64

2.6理论空气量

理论助燃空气量为Lo=80000×0.64=51200/h 。

 Ln =n·LO=1.05×51200=53760/h 

2.7低发热值计算

煤气成分中燃烧成分为CH₄、H₂及CO,低发热 值的计算如下：

则：

QoM=3434.06kJ/m³

2.8  煤气的理论燃烧温度

=1315℃

2.9  理论空燃比

（24.42%+3.23%）/2/0.21

      =0.66

2.10  理论空气量

理论助燃空气量为Lo=77000×0.66=50820/h 。

 Ln =n·LO=1.05×50820=53361/h 

为了保证煤气完全燃烧，实际空气需要量应比理论空气量略大些。每1高炉煤气理论助燃空气量为0.66，实际空气需要量为53361/h.

2.11低发热值计算

煤气成分中燃烧成分为CH₄、H₂及CO,低发热 值的计算如下：

则：

QoM=3505.53kJ/m³

2.12   煤气的理论燃烧温度

=1336℃

2.13  理论空燃比

（24.96%+3.26%）/2/0.21

      =0.67

2.14  理论空气量

理论助燃空气量为Lo=81000×0.67=54270

/h 。

 Ln =n·LO=1.05×54270=56983/h 

为了保证煤气完全燃烧，实际空气需要量应比理论空气量略大些。每1高炉煤气理论助燃空气量为0.64-0.67m³，但实际0.8-0.85，即空气需要量为75000-80000/h.

由于在实际的燃烧过程中，有一些从燃烧中散发出来的热量会消散到周围的空气中，也有一些燃料还没有被彻底的点燃，所以实际的火炉所能达

达到的温度低于理论值。

在燃油燃烧过程中，其产生的热能以燃油的化学反应热为主，也就是燃油的 QDW。同时，也将对该区域的 Qa、 Qg进行研究。在这一刻

这些热量完全用来加热燃烧产物，在没有其他热损失的情况下，燃烧产物可以达到的温度应该是理论燃烧温度。

由于H2O中有部分发生了热解，所以，其理论燃点低于预期。

3热效率计算

1#高炉热风炉系统热效率：

=84%

2#高炉热风炉系统热效率：

=78%

3#高炉热风炉系统热效率：

=83%

4高炉热风炉单位风温风量消耗及热效率分析、效率途径

4.1结果分析

(1)本次测定单位风量风温煤气消耗平均值是0.552（m³/(km³•℃)），煤气利用率值分别为1#炉30.71%、2#炉30.07%、3#炉31.57%,数据显示煤气消耗低效率高，可视为热量守恒，该测定明显。

(2)热风炉风温水均为1240℃使用风温高。

(3)热风炉预热器将煤气与助燃空气预热实际预热至200～230℃,采用板式预热器预热效果明显。

(4)烟气中残氧含量分别为2%,说明在测定过程中燃烧期间空气与煤气混合均匀，燃烧完全。

（5）热风炉热效率已达到80%以上高水平，一般的热风炉热效率在75%左右，2#高炉入炉风量比1、3#高炉入炉风量略低，所以热效率稍微偏低一些。

4.2  提高热风炉效率途径

4.2.1 提高煤气热值

(1)增加炉气的低产热值：根据测量结果，炉气的低产热值为3324.54-3500千焦/立方米，如果将炉气的低产热值增加100 kJ/立方米，则在其它条件相同的前提下，可使空气温度增加约30摄氏度。通过对烟气烟气温度的升高，可以使烟气温度升高，使烟气温度升高，从而增加烟气的热值。

(2)高炉富氧高，可增加气体的热值：随著对炉气的使用率的增加，气体的热值呈下降趋势，对空气温度的升高不利，而增加含氧高，则可增加气体的热值；每小时富氧1000米，可使其理论燃点升高50℃左右。

(3)降低气体水分含量：将气体水分含量降低1%，可使高炉气体的低发火热值增加36.86 kJ/m，而且气体热量增加时，气体水分含量下降，对提高气体的低发火热值更有利。

4.2.2提高热效率提高风温

增加风温的方式有很多种，这里重点从热效率方面来探讨如何增加风温，然而，在增加风温的过程中，必然会对热效率造成一定的影响，而且其影响因素比较多，比如增加烟气的温度可以增加风温，但会使热效率下降。降低热量损耗，不仅能增加空气温度，而且还能增加热效率。为了便于分析，在此假设热风炉热效率一定及 提高热效率两种情况，通过以下措施提高风温。

提高热效率主要通过减少热损失及烟气带走的热量，目前热风炉炉本体外表从底部40℃、中部60℃、上部80℃，热风管道外表温度150℃，水温差4℃，在其他条件不变的情况下，减少的热损失的热量完全用于加热冷风，则热损失每降低1%,约可提高热风炉系统热效率1.1%,同时约可提高风温15℃。

加强保温措施，减少热损失

炉体表面散热所占比例在3.2%～5.3%之间，大量热量从炉体表面散失掉。冬季散热损失更大，为此，增强热风炉炉体的保温可以提高热风炉系统热效率。

4.2.3  减少不完全燃烧损失的热量

热风炉燃烧过程中燃烧完全，损失的热量少，残氧量均为1-2%,利用好这部分热量，将会提高热风炉系统热效率。进一步提高风温。

4.2.4 合适的空燃比

（1）根据理论燃烧温度1314℃来配比合适的空燃比，提高空气过剩系数1.05，空燃比0.8-0.85.

（2）空燃比达到1：0.75-0.8之间来降低煤气用量达到最佳效果。

4.2.5 提高热风炉耐火材料性能

改善耐火物理化学参数是保证炉龄的根本，也是改善炉膛温度的必要条件。其中包括：

(1)高温应激效应。当采用热风炉进行加温时，其燃烧腔内的温度较高，最高可达1500~1560℃，并由炉壁、方格砖开始往下降温。在供气过程中，快速的冷空气由回热器的下部进入，并逐步升温。因为热风炉不断地加热和送风，热风炉炉衬和格子砖常常处在突然的冷热变化中，所以，砌体会出现裂纹、开裂和剥落。

(2)化学腐蚀。燃气及助燃气体中都存在着大量的碱金属氧化物，其所产生的灰中的氧化铁、氧化锌及氧化铁含量均为20%，其中绝大多数为从炉膛中排除出去的，只有一小部分附着在炮膛上，并渗入到炮膛内部。随着时间的推移，内里的结构会受到破坏，产生开裂，使内里的性能下降。

(3)力学载荷的影响。热风炉属于高层建筑，通常有35~50米的高度。蓄热炉格砖底部所受的静载荷最大可达到0.8MPa，而燃烧炉格砖底部所受的静载荷也很大，在力学载荷及温度的共同影响下，会导致炮砖的收缩、变形及开裂；对其运行时间有较大的影响。

(4)加压效应。在加热过程中，加热过程中存在着一种循环的循环，即在燃烧阶段为低气压，在供气阶段为高气压。常规的大墙体及穹顶结构，其穹顶与炉体之间留出了很大的空隙，且墙体与炉体之间的填充物在长时间的高温环境下，因受到压力而产生的收缩，以及被压缩后的自然压缩，也留出了空隙。因其内部空隙，在高压燃气的作用下，炮体受到较大的外部排挤，容易引起砌体倾斜、开裂、松动，且砌体外部空隙会定期从砌体缝隙中填充、卸压，进一步加重砌体损伤。

热风炉用耐火材料的主要功能是隔热和承受高温荷载，所以在决定各个部分所用的炉衬的材质和厚度时，应该以砌体所承受的温度、负荷和隔热的需要为依据，还有烟雾对砌体的物理、化学作用等条件。

定。

结论：

从结果分析中可以得知，提高热风炉效率主要是提高低发热煤气热值，合适的空燃比和空气过剩系数，减低热损失，合理的操作制度，才能够起到低能耗高效率效果。

(1)现有的条件下，1号、2号、3号高炉热风炉系统热效率分别为84%、78%、83%.

(2)可通过降低煤气含水量或混入高发热值煤气的方法来提高风温。

(3)可通过更换预热器来提高煤气及助燃空气温度，从而达到提高风温的目的。

(4)可通过改善预燃室燃烧器喷嘴结构或富氧烧炉来改善热风炉燃烧条件，使煤气与助燃空气燃烧充分，从而达到提高热效率及风温的目的。

(5)对炉体及热风管道采取一定的保温措施可提 高热风炉系统热效率，从而达到提高风温的目的。

（6）通过合理的空燃比充分燃烧来提高拱顶温度使风温进一步提高。

热风炉在工作时，炉衬受到热交换过程中温度急剧变换的作用，高炉煤气带入灰尘的化学侵蚀作用，机械荷载作用，燃烧气体的冲刷作用等。

(2)热风炉本体热效率：