（钢铁冶金专业论文）热风炉能量平衡分析与优化.pdf

辽宁科技大学硕士论文 摘要 摘要 热风炉是高炉炼铁过程中重要的附属设备，主要的用途是为高炉生产提供高 风温热风，它供给高炉的热风热量约占炼铁生产所需能量的四分之一，它消耗的 高炉煤气约占高炉产生煤气的一半，提高热风炉的热效率具有重要的现实意义。 鉴于此，本课题以宝钢4 高炉热风炉和1 高炉热风炉为研究对象，对其进行了能 量平衡计算与对比分析，其主要内容包括以下几个方面： 首先，本课题对宝钢4 高炉热风炉和1 高炉热风炉实际生产数据进行了收集 与整理，现场测量了热风炉炉壳、冷风管道、热风管道、烟气管道等表面温度， 并测定了烟气成分。在此基础上分别进行了物料平衡计算、热平衡计算和删平衡 计算，并对计算结果进行了对比分析，以便找出影响热效率的主要因素，提出改 进措施，以达到提高热效率，降低生产能耗的目的。 其次，本课题应用m a t l a b 嵌入c + + b u i i d e r 语言编制了热风炉能量平衡电算 程序，方便对不同的实际生产数据进行能量平衡计算并对计算结果进行比较分析。 所应用的数据均来源于宝钢4 高炉热风炉和1 高炉热风炉的实际生产数据。 1 2 0 0 1 3 0 0 的风温是2 l 世纪现代化高炉的重要标志，本课题对宝钢4 高 炉热风炉及1 高炉热风炉进行能量平衡计算的基础上，对比分析了其计算结果， 提出了提高热风炉热效率的改进措施，从而达到降低生产能耗的目的，为高炉生 产提供借鉴。 关键词：热风炉，物料平衡，热平衡，炯平衡，电算程序 辽宁科技大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h eh o t - b l a s ts t o v ei sa ni m p o r t a n ta p p u r t e n a n c ei nt h eb l a s tf u m a c ei r o n - s m e l t i n g p r o c e s s ，a n dt h en o b l ec h a r a c t e ro fh o tb l a s ti sp r o v i d e db yt h eh o t b l a s ts t o v ef o rt h e b l a s tf u m a c ep r o d u c t i o n t h eh o tb l a s tq u a n t i t yw h i c hi se q u a lt oa p p r o x i m a t e l yt h e1 4 e n e r g yf o rt h en e e d so fi r o n - s m e l t i n gp r o d u c t i o ni ss u p p l i e db yi t t h ec o a lg a s c o m p o s i t i o no fh o t - b l a s ts t o v ei sa b o u to n eh a l fo fb l a s tf u r n a c e sc o a lg a s ，a n di ti s i m p o r t a n tf o re n h a n c i n gt h et h e r m a le f f i c i e n c yo f h o t - b l a s ts t o v e i nv i e wo f t h ef a c t ，w e t a k et h eh o tb l a s ts t o v e so f4b l a s tf u r n a c ea n dt h eh o tb l a s ts t o v eo f1b l a s tf h l a c eo f b a o s h a ns t e e lc o r p o r a t i o na st h er e s e a r c h i n go b j e c ti nt h i sp a p e r ，a n dw ec a l c u l a t et h e e n e r g yb a l a n c e ，t h e nc o n t r a s ta n da n a l y z et h er e s u l t t h ec o n t e n t si n c l u d e st h ef o l l o w i n g s e v e r a la s p e c t s ： f i r s t ，w ec o l l e c tm a dr e o r g a n i z a t et h ep r o d u c t i o nd a t ao fb a o g a n gs t e e l c o r p o r a t i o n ，t h e ns u r v e yt h es u r f a c et e m p e r a t u r eo f h o t b l a s ts t o v e 、c o l dw i n dp i p e l i n e 、 a i r - b l a s tc o n n e c t i o np i p e 、h a z ep i p e l i n e ，a n ds oo n w ed e t e r m i n a t et h eh a z ei n g r e d i e n t a c c o r d i n gt oa b o v ec o n t e n t s ，w ec o m p u t a t et h em a s sb a l a n c e ，t h et h e r m a le q u i l i b r i u m a n dt h ee n e r g yb a l a n c e t h ec o m p u t e dr e s u l ti sc o n t r a s t e d ，i no r d e rt od i s c o v e rt h e p r i m a r yf a c t o ro ft h e i n f l u e n c et h e r m a le f f i c i e n c y , m a dp r o p o s et h ei m p r o v e m e n t m e a s u r e , t h e nr e d u c et h ee n e r g yc o n s u m p t i o n n e x t ，w es t a b l i s ht h ec a l c u l a t i n gp r o c e d u r eo ft h ee n e r g yb a l a n c ef o rh o t b l a s ts t o v e b ym a t l a bi n s e r t e dc + 十i no r d e rt oa n a l y z et h ed i f f e r e n tc o m p u t e dr e s u l to fa c t u a l p r o d u c t i o nd a t a i nt h i sp a p e r , t h ed a t ao r i g i n a t e sf r o mt h ea c t u a lp r o d u c t i o nd a t ao f b a o s h a ns t e e lc o r p o r a t i o n t h e1 2 0 0 。c 1 3 0 0 。ct e m p e r a t u r ei st h ei m p o r t a n ts y m b o l so f b l a s tf u r n a c ei n2 1 s t c e n t u r y i nt h ef o u n d a t i o n o ft h ec o m p u t a t i o no fe n e r g yb a l a n c e ，w ea n a l y z et h e c o m p u t e dr e s u l t ，a n dp r o p o s et h ei m p r o v i n gm e a s u r e ，a n dr e d u c et h ep r o d u c i n ge n e r g y c o n s u m p t i o n ，t h e np r o v i d et h em o d e lf o rt h ep r o d u c t i o no fb l a s tf u r n a c e k e yw o r d s ：t h eh o t - b l a s ts t o v e ，t h em a s sb a l a n c e ，t h et h e r m a l e q u i l i b r i u m ，t h ee n e r g yb a l a n c e ，t h ep r o c e d u r eo fe l e c t r i c a lc a l c u l a t i o n i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得辽宁科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料，与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 签名：茎至旦! 1日期：12 关于论文使用授权的说明 本人完全了解辽宁科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 辽宁科技大学硕士论文 文献综述 1 文献综述 1 1 热风炉的分类、结构与特点 目前使用的热风炉为蓄热式热风炉，蓄热式热风炉为煤气和空气在燃烧室燃 烧，燃烧的烟气通过蓄热室将热量传给格子砖蓄热，加热到定时间后停止燃烧， 由鼓风机送入冷风，格子砖将热量传给冷风，将风温加热到1 0 0 0 1 6 0 0 k 的温度， 通过设在炉缸处的风口以大于2 0 0 m s 的速度向高炉中心方向吹入，普通高炉送风 量是每吨铁水9 5 0 1l o o n m “。 热风炉结构型式的选择主要取决于热风炉设计的风温水平。按送风温度的不 同，热风炉可分为低温热风炉( 1 1 0 0 。c 1 2 0 0 。c ) 、高温热风炉( 1 2 0 0 。c 1 2 5 0 。c ) 和超高温热风炉( 1 2 5 0 。c 1 3 5 0 。c ) 。1 。中小型高炉热风炉风温水平低，热风炉结 构型式选择的灵活性较大，大型高炉热风炉不但要求风温高，而且要求热效率高、 寿命长、操作自动化程度高。 目前热风炉结构型式包括：外燃式、内燃式、顶燃式、球式。根据2 0 0 1 年中 国金属学会炼铁专业委员会对我国热风炉本体的现状进行的全面调查( 本文利用 了其中4 4 1 座高炉的调查数据) 0 1 ，基本状况如下：有4 座热风炉的高炉4 2 座， 占被调查高炉的3 1 4 1 ；有3 座热风炉的高炉9 1 座，占被调查高炉的6 8 4 2 。 其中：外燃式热风炉6 3 座，占总数的1 4 9 l ；内燃式热风炉3 0 3 座，占总数的 6 8 7 l ；顶燃式热风炉6 2 座，占总数1 4 0 6 ；球式热风炉1 3 座，占总数的2 9 4 。可见，在我国，内燃式热风炉为热风炉的主要型式，约占6 8 7 1 ，而宝钢高 炉采用的是新日铁式外燃式热风炉。 1 1 1 内燃式热风炉 1 8 5 7 年考贝先生首先提出采用蓄热式热风炉，后来经过长期的发展，形成了 传统的内燃式热风炉“3 。 传统的内燃式热风炉存在着严重的缺陷： ( 1 ) 燃烧室与蓄热室之间的隔墙两侧的温差太大。 ( 2 ) 拱顶坐落在热风炉大墙上的结构不尽合理。 ( 3 ) 当高温烟气由半球形拱顶进入蓄热室时，其气流分布很不均匀，局部过热 和高温区所用砖的抗高温蠕变性能差，造成火井向蓄热室倾斜，引起格子砖错位、 扭曲。 辽宁科技大学硕士论文 文献综述 ( 4 ) 由于高炉的大型化和高压操作，风压越来越高，热风炉已成为一个受压容 器，加之热风炉壳体随着耐火砌体的膨胀而上涨，将炉底板拉成“碟子状”，以至 于焊缝拉开，炉底板拉裂造成漏风。 ( 5 ) 由于热风炉存在周期性振动和上、下涨落运动，经常出现热风支管损坏， 即生产中称为“短管烂脖子”现象。 1 1 2 改造型内燃式热风炉 霍戈文式热风炉”1 ( 改造型内燃式热风炉) 克服了传统内燃式热风炉诸多缺 点，改进了传统内燃式热风炉的拱顶结构形式，如燃烧室与蓄热室的隔墙及燃烧 器等。 ( 1 ) 拱顶由传统的半球顶改为悬链线顶或锥形顶，并坐落在箱梁上，重点解决 拱顶的破损和气流分布不均的问题。 ( 2 ) 在隔墙的中、下部增设绝热夹层和耐热合金钢板，解决火井掉砖和短路问 题。 ( 3 ) 改金属燃烧器为陶瓷燃烧器，改善燃烧，消除脉动，减少火井破损。 ( 4 ) 火井改为圆形或跟镜形，圆形的结构稳定，但燃烧室所占面积大；眼镜形 燃烧室所占面积小，气流分布较为均匀，但火井结构不够稳定，为增加隔墙的稳 定性，应加大隔墙厚度，使与热风炉大墙呈滑动接触，大墙上设有滑动沟槽。使 隔墙成为独立而稳固的自由涨落结构。 1 1 3 外燃式热风炉 在解决传统内燃式热风炉火井倾斜掉砖、烧穿短路的弊病中，产生了将火井 搬出热风炉的设想，而形成外燃式热风炉。当今世界上采用外燃式热风炉已比较 普遍，特别是要求提供1 2 0 0 。c 以上高风温的大型高炉的热风炉。目前2 0 0 0 m 3 以上 的大型高炉大部分使用外燃式热风炉，4 0 0 0 一以上的超大型高炉1 0 0 使用外燃式 热风炉。外燃式热风炉由于燃烧室与蓄热室的连接和拱顶形状不同，有地得式、 柯柏式、马琴式”1 和新日铁式四种结构形式。 外燃式热风炉的特征： ( 1 ) 将燃烧室搬到炉外，彻底消除了内燃式热风炉的致命弱点。 ( 2 ) 比较好地解决了高温烟气在蓄热室横截面上的均匀分布问题。 ( 3 ) 热风炉炉壳转折点均采用曲面连接，较好地解决了炉壳的薄弱环节。 ( 4 ) 外燃式热风炉高温区使用高温性能好的硅砖并使用陶瓷燃烧器。 2 辽宁科技大学硕士论文 文献综述 ( 5 ) 为了使热风炉耐火砌体相邻的两块能咬住，广泛使用带有凹凸子母扣，能 上下左右相互间咬合的异型砖，起到自锁互锁作用，提高了砌体的整体强度和稳 固性。 ( 6 ) 普遍地在热风炉炉壳内侧喷层约5 0 m m 厚的陶瓷质喷涂料。 ( 7 ) 热风炉的拱顶和缩口坐落在箱梁上( 或焊在炉壳的砖托上) ，在连接部位 都设有滑动缝，这样拱顶、缩口、大墙的耐火砌体都可以自由涨落。 一般认为外燃式热风炉也存在一些问题，例如： ( 1 ) 外燃式热风炉占地面积大、投资高。 ( 2 ) 外燃式热风炉炉壳因晶间应力腐蚀而引起的开裂。 1 1 4 顶燃式热风炉 顶燃式热风炉利用炉顶空间进行燃烧，取消了侧燃室或外燃室，其结构对称、 温度区域分明、占地小、效率高、投资少，是一种高效节能型热风炉。 当前世界各国提出各种型式的顶燃式热风炉，在我国生产中表现良好的顶燃 式热风炉有两种：中国首钢型和俄罗斯卡鲁金型。 顶燃式热风炉的特征如下： ( 1 ) 顶燃式热风炉取消了侧面的燃烧室，从根本上解决了内燃式热风炉的致命 缺点。 ( 2 ) 顶燃式热风炉采用短焰燃烧器，直接在拱顶下燃烧，减少了燃烧时的热损 失。 ( 3 ) 顶燃式热风炉炉顶是稳定的对称结构，炉型简单，结构强度好，受力均匀。 ( 4 ) 顶燃式热肛【炉温度区域分明，改善了耐火材料的工作条件，下部工作温度 低，荷重大，上部工作温度高，荷重小。可以适当的提高耐火材料的工作条件， 并能延长其使用寿命。 ( 5 ) 顶燃式热风炉炉型简单，施工方便，省钢材和耐火材料。 ( 6 ) 顶燃式热风炉，必须选用短焰燃烧器，以保证煤气在炉顶空间燃烧完全。 ( 7 ) 顶燃式热风炉的燃烧器、燃烧阀、热风阀等设各位置较高，要求配备自动 化操作设施和检修提升设备。 1 1 5 球式热风炉及其它热风炉 球式热风炉。1 属于顶燃热风炉，只是不砌格子砖，将耐火球直接装入热风炉 的蓄热室内。从1 9 7 4 年以来球式热风炉结合布袋除尘，先在l o o m 3 以下的高炉上 3 辽宁科技大学硕士论文 文献综述 得到了普遍的推广，近1 0 年已逐步扩展到3 0 0 4 2 0m 3 的高炉上。基本上解决了 小高炉长期低风温的局面。柳钢6 号7 5 0 m 3 的高炉采用大型球式热风炉，通过采用 大型无焰陶瓷燃烧器、刚玉质耐火球等新技术、新设备、新材料，解决了球式热 风炉大型化的一些制约因素，在使用单一高炉煤气的条件下，最高风温达1 2 5 0 。c 。 经生产实践证明，大型球式热风炉的热效率高、节能、风温高、投资省、运行费 用低、施工周期短等优势得到充分体现。目前，该技术已应用到柳钢7 号1 0 8 0 m 3 高炉和8 号1 2 8 0 m 3 高炉。3 。 球式热风炉主要特征如下： ( 1 ) 球式热风炉，由于耐火球的蓄热面积大，使热风炉变矮，它的拱顶多为锥 形顶和悬链线顶。 ( 2 ) 它的热风出口、燃烧口、燃烧器均设在炉顶，燃烧器多为金属与陶瓷相结 合的套筒燃烧器。 ( 3 ) 耐火球的高温部为高铝质或硅质耐火材料，球的直径4 0 6 0 m m 。低温部 多为黏土质材料，球的直径3 0 4 0 m m 。 ( 4 ) 球床的气孔度：球床内自然堆积的耐火球，其中气孔占有的体积百分数， 称之为球床的气孔度。它与球的直径无关，只与球的排列状况有关。 ( 5 ) 球床的热工特性。 每1 心球床的加热面积，m 2 m 2f = 6 ( 1 一s ) d 每1 m 3 球床的质量，t m 3r = r o ( 卜占) 气孔的当量直径，m dj = 4 占f = 2 占d ( 3 ( 卜占) ) 球的当量厚度，m s 自= d 3 重量系数 r f = y od 6 式中占一球床的气孔度，一m 3 ： d 一球的直径，m ； 一耐火材质的密度，k g m 3 。 z s d 型热风炉( 具有热风通道的顶燃式热风炉) 是内燃式与顶燃式相结合而产 生的一种新型热风炉“。内燃式热风炉的燃烧室有两个作用，燃烧期是燃烧室， 送风期是热风通道。z s d 型热风炉将燃烧室的这两个作用分开，把燃烧器安装在炉 顶成为顶燃式，把燃烧室的直径缩小作为热风通道。它保持了内燃式和顶燃式各 自的优点，同时又比较好的克服了它们的缺点。 这种热风炉于1 9 9 3 年在安阳钢铁厂的1 号高炉( 3 0 0 m 3 ) 首次应用。该炉投入 生产以来运行情况良好，很快达到较高的风温水平。现已有安阳、济南等钢铁厂 的l o 余座3 0 0 m 3 级高炉应用z s d 型热风炉，均取得了比较好的效果。风温约在 4 辽宁科技大学硕士论文 文献综述 1 0 8 0 1 1 0 0 。c 的水平。预计寿命可达1 0 年以上。这种结构热风炉比较适用于高炉 大修扩容时，热风炉保持原有炉组，将原有燃烧室去掉扩大蓄热室面积。但是在 送风期炉顶煤气环管和空气环管、各烧嘴均处在热风的高温高压的环境中，易烧 损开裂，并散失很多热量；烧嘴个数多 度高，顶燃式热风炉的炉顶整体强度差 决，所以这种结构热风炉还需要完善。 1 2 提高风温的方法和途径 间距太小易发生窜风，引起炉顶炉壳温 炉壳温度高的顽疾还没有得到彻底的解 提高热风炉的热效率具有重要的意义“。“- ”3 ，目的是实现热风高温长寿，即高 的风温水平。 决定热风炉送风温度的主要因素“”包括热风炉拱顶温度、热风炉蓄热室内的 热交换、热风炉操作制度和操作时的换向周期、热风炉的保温状况，理论燃烧温 度等，其中提高理论燃烧温度对送风温度的影响最大。 1 2 1 影响热风炉送风温度的主要因素 ( 1 ) 热风炉拱顶温度 拱顶温度的影响因素有以下方面： 耐火材料理化性能； 一些新型的耐火材料正在被开发和试用当中。如前苏联研制了含镁橄榄石 耐火材料，并在高炉热风炉高温区成功使用，结果证明在高炉热风炉上部高温区， 使用这种制品是合理的、有前途的和有效的“。 燃料的含尘量； 生成腐蚀介质的限制。 ( 2 ) 热风炉蓄热室内热交换“7 1 热风炉蓄热室内的格子砖是热风炉进行热交换的载体，它承担着将燃烧煤气 所产生的热量传递到高炉鼓风的重要作用。格子砖蓄热和放热效率的高低直接影 响到热风温度的高低和热风炉热效率等。 为了强化热风炉蓄热室内格子砖和通过气流( 燃烧期的高温烟气和送风期的 冷风) 的热交换，在设计热风炉时，要尽可能的扩大通过格子砖孔道的气流速度， 以形成高效紊流传热，同时还假设气流流过蓄热室横截面各格孔内的流速大小都 是一样的，即气流在蓄热室的截面上分配的均匀程度是理想的，1 0 0 的均匀，然 而实际工作的热风炉烟气和冷风在蓄热室截面上的分布受多种因素影响，是不均 5 辽宁科技大学硕士论文文献综述 匀的。 对热风炉内气体流动进行数值计算和对热量传递过程进行模拟分析“8 ”3 ，能 精确的分析格子砖内纵向温度的变化，寻找增加蓄热室格子砖蓄热量的方法“。 z h a n g ，s 等对外燃漩流式热风炉进行流动和热量传递的数值计算，结果表明： 通过使用外燃漩流式热风炉来预热助燃空气和煤气和使用高速煤气喷嘴，仅使用 高炉煤气进行燃烧，也能使热风温度达到1 2 5 0 1 3 0 0 “。 ( 3 ) 热风炉操作制度 合理的热风炉操作制度能够提高风温。为适应高风温的要求，热风炉普遍采 用蓄热面积大，蓄热量小的七孔格砖，其特点是格砖容易被加热和冷却。在送风 过程中，热风温度下降很快，因此，应当缩短送风时间，减小风温降落。缩短送 风周期可以减小热风温度和拱顶温度之间的温差，达到提高热风温度的目的。在 送风制度方面，缩短送风周期是提高风温的有效方法之一。 1 9 8 6 年，m a t o b a y 等研究了高炉热风炉数学模型及其最优化控制系统。对高 炉热风炉温度变化，通过最优化调节和补偿，系统能有效的控制热风温度和格子 砖温度。此系统还被应用于k o k u r a 工程o “。 对高炉热风炉燃烧制度现有条件和问题研究的基础上，王光阳等研究了一种 新的自动控制燃烧方式。它能依据煤气分析在线测定和调节空燃比，并能自动调 节热风炉燃烧参数o “。 新型热风炉温度控制系统能根据给定的温度与时间关系实现温度调节功能， 它提高了热风炉温度控制的精确性和需求的多样性。试验表明，智能的热风炉温 度控制系统实现了使用m c u 使系统变得更灵活、更精确。m c u 控制系统在制造、智 能、数字化方面，发挥了重要作用 2 4 a 美国芝加哥国内钢铁厂7 高炉热风炉的过程控制模型，建立了详细的热风炉 热量转换模型。该模型作为预测控制计划的一部分，用来确定满足高炉热风需求 的最少煤气用量o ”。 北京科技大学和济南钢铁厂合作测试了新型漩流式热风炉，满足了热风炉体 积小，效率高的特点“1 。 针对宝钢2 号高炉计算机系统的“热风炉操作预测模型”可操作性不强、灵活 性不够、可移植性差及使用的某些公式系数粗糙而影响了模型的计算精度等不足 和存在问题作了较大的改进和更新，使之面目一新，计算结果基本符合热风炉操 作的实际，从而得到了操作方的确认与好评。“。 6 辽宁科技大学硕士论文 文献综述 1 2 2 影响理论燃烧温度的因素 对理论燃烧温度的影响因素主要有煤气的发热值、助燃空气和煤气带入的 物理热量以及燃烧的空气过剩系数等。 在保证完全燃烧的条件下，控制空气过剩系数于最小值，可获得最高的理论 燃烧温度。助燃空气的温度越高，理论燃烧温度越高；随着空气过剩系数的加大， 理论燃烧温度逐渐降低。 煤气的温度越高，理论燃烧温度亦越高，随着空气过剩系数的加大，理论燃 烧温度逐渐降低。烧高炉煤气，若将空气过剩系数从1 1 0 降到1 0 5 ，理论燃烧温 度提高约2 09 c 。燃烧高炉煤气混入焦炉煤气时，将空气过剩系数从1 1 5 降到1 1 0 ， 理论燃烧温度可提高2 5 3 0 。燃烧高炉煤气混入部分天然气，将空气过剩系数 从1 2 降为1 1 5 ，理论燃烧温度可提高3 0 。c 左右。 控制空气过剩系数于最小的方法有： ( 1 ) 在热风炉燃烧时要勤观察、勤调节，借助废气分析，保证合理燃烧 ( 2 ) 改善燃烧器结构，改善煤气和空气的混合。 ( 3 ) 采用自动燃烧控制系统。4 ”1 。 1 2 3 提高理论燃烧温度的途径 提高理论燃烧温度的途径主要有：富化高炉煤气、利用热风炉烟气余热预热 煤气和助燃空气、利用高炉炉顶荒煤气预热净煤气、利用热风炉的余热自身预热 。“、附加燃烧炉预热助燃空气和煤气的“双预热”、高效能陶瓷燃烧器”2 7 “等。 ( 1 ) 富化高炉煤气 安钢炼铁厂从提高高炉风温的角度提出高炉热风炉富化焦炉煤气的问题，选 择引射器作为其实施的方案，效果是使入炉风温提高了5 0 。c 以上，达到利用二次 能源，提高高论产量，降低能耗的目的。”1 。 ( 2 ) 利用热风炉烟气余热预热煤气和助燃空气 近年来，烟气余热回收工程已经成为高炉生产中节能降耗的一项新措施，在 包钢l4 、3 4 、4 。热风炉使用烟气换热器取得较好效果后，薪建2 “高炉热风炉进 一步设计使用了整体全逆流形( 煤气空气) 双预热器。据现场实际生产情况测定统 计，助燃空气及煤气预热后比预热前提高1 0 06 c 作用。由于助燃空气和煤气带入的 物理热增加，改善了热风炉的燃烧条件，有利于提高风温，经统计分析，预热后 与预热前相比，风温提高4 0 5 04 c ，保证了热风炉1 1 5 0 1 2 0 04 c 的送风能力。 为了提高风温水平，韶钢3 号高炉热风炉采用整体式热管换热器利用烟气余 7 辽宁科技大学硕士论文 文献综述 热对助燃空气进行预热，把风温提高到1 1 0 0 c 。工程投产后运行效果良好，经济 效益与社会效益显著。“。 ( 3 ) 利用热风炉的余热自身预热 1 9 6 8 年，济铁1 号高炉( 8 4m 3 ) 首创自身预热法，获得了1 1 0 0 1 1 5 0 。c 的高风 温。9 0 年代在邯钢1 2 6 0m 3 高炉、鞍钢1 0 号( 2 5 8 0m 3 ) 高炉的热风炉设计先后采用 了自身预热技术，在实际运行中可以获得1 2 0 0 | 。c 的高风温。鞍钢1 0 号高炉利用热 风炉送风后余热来预热助燃空气，利用烟气余热预热高炉煤气，进行高风温工业 试验，结果表明，空气预热到4 0 0 。c 、煤气预热到1 6 4 。c 时，月平均风温可达1 1 3 7 ：空气预热到6 0 8 。c 、煤气预热到1 6 1 时，1 6 天平均风温可达1 2 0 1 。由于预 热空气的温度可达到8 0 0 9 0 0 。c ，就可以获得1 2 5 0 。c 以上的风温。但是，热风系 统的设备和管道能承受1 3 0 0 。c 的高温，而且热风炉要有足够的能力。可以一座热 风炉烧炉，一座热风炉预热，一座热风炉送风。否则就要增加一座热风炉，共需4 座热风炉，即两烧、一送、一预热。此外，需多烧高炉煤气。如果高炉需要1 2 0 0 以上高风温，上述办法是切实可行的。“。 ( 4 ) 利用高炉炉顶荒煤气预热净煤气 该法是将炉顶出来的荒煤气流经重力除尘器，经粗除尘后进人管式换热器预 热净煤气。鞍钢用此法使净煤气温度达到了2 5 0 。c ，也得到了1 1 0 0 。c 左右的风温。 这种方法的优点是充分利用了煤气的显热但只实现单预热，要想经济有效地得到 更高的预热温度是很困难的o 。 ( 5 ) 附加燃烧炉预热助燃空气和煤气的“双预热” 首钢在2 号高炉停炉改造时，将废旧热风炉改造成空气预热炉，独立加热助 燃空气，可使助燃空气加热到6 0 0 。c ，同时利用热风炉烟气将煤气预热到2 0 0 。c ， 实现了在全烧高炉煤气的情况下稳定供应风温1 2 5 0 。c 。 ( 6 ) 高效能陶瓷燃烧器 6 0 年代，高炉热风炉就开始应用陶瓷燃烧器“，经过近4 0 年的不断改进， 目前用于高炉热风炉的陶瓷燃烧器的类型已达数十种之多，其中应用效果较好的 有套筒式、栅格式和三孔式三种，套筒式陶瓷燃烧器在国内外应用最为广泛。 高效能陶瓷燃烧器在邯钢，柳钢，太钢，新钢的成功应用表明，高效能陶瓷 燃烧器是一种适用于各种内燃式、外燃式热风炉采用，能获得高风温的高效节能 燃烧器“”。 8 辽宁科技大学硕士论文 文献综述 1 2 4 各钢铁厂热风炉利用状况 为定量地掌握包钢3 。高炉外燃式热风炉热量使用情况，评价热风炉热工特性， 并确定其热效率及其它技术指标，以便为改进热风炉操作和设备结构、改进生产 管理，进一步提高风温，降低炼铁工序能耗，由包钢冶研所、包钢炼铁厂、包钢 能源处和包头钢铁学院等单位共同合作，于1 9 9 4 年9 月1 0 1 4 日，对四座外燃式 热风炉进行了热平衡测定，揭示了包钢3 # 高炉热风炉热能利用状况。结果表明： 1 # 、3 # 热风炉本体热效率达7 6 2 9 ，系统热效率7 3 5 7 ；2 # 、4 # 热风炉本 体热效率达7 9 1 7 ，系统热效率7 5 0 7 “。 攀钢四高炉为四座外燃式热风炉，其主要送风方式为交叉并联送风，在1 9 9 5 年4 月对其进行了四高炉热风炉的热平衡测定与计算，以2 号热风炉为例，其本 体热效率为7 7 3 8 ，系统热效率为7 6 4 0 “。 武钢4 号高炉热风炉于1 9 9 6 年易地大修，1 9 9 7 年1 月，对1 号热风炉进行了 热平衡测定，其系统热效率达7 7 4 9 “。 对济钢卡鲁金热风炉进行了热平衡测试，包括热风炉项部燃烧室出口温度、 压力、c o 与o ：浓度的测试和热平衡测试两部分内容。结果表明，卡鲁金热风炉燃 烧室出口截面上烟气温度和压力分布均匀，高炉煤气燃烧完全，拱顶温度低，热 效率高。其热风炉本体热效率为8 0 1 ，系统热效率为7 6 4 “。 1 3 热平衡和炯平衡分析方法简介 能源是产生能量的物质。为了合理使用能量资源，降低能源消耗和提高利用 水平，必须对能量利用过程进行分析。采用恰当的能量利用过程分析方法，既能 促进能源的节约，又有助于进一步优化生产过程。 能量平衡分析可分为热平衡( 焓平衡) 及炯平衡分析两种“。 1 3 1 热平衡分析 热风炉热平衡测定和计算的目的在于，评价热风炉的热工特性和定量地分析 热风炉的热量使用情况，并确定其热效率及其经济技术指标，以便对改进热风炉 的热工操作、设备结构、生产管理及制定规划等提供依据。 热风炉热平衡测定原则有： ( 1 ) 热风炉的热平衡是以一个操作周期的时间f 为基准，根据各项热量的收入 和支出进行计算。在正常生产条件下，一个操作周期的时间包括燃烧期、送风期 及换炉时间。 9 辽宁科技大学硕士论文 文献综述 ( 2 ) 基准温度可用热风炉的环境温度，一般取热风炉助燃风机吸风口处的空气 温度。 ( 3 ) 测定时机，选择在热风炉及高炉等相关设备工作正常，生产稳定的条件下 进行。对新投产的热风炉，热风温度达到设计水平的9 0 以上，方可进行测定。 ( 4 ) 热风炉各项收入热量总和与支出热量总和之差为平衡差值，热平衡允许的 相对差值为5 ，否则视为热量不平衡。该测定无效。 ( 5 ) 热风炉的漏风率很难准确测定，它又是影响热平衡的重要环节，通常以高 炉的实际风量减去计算风量求出差值。经验数据一般取：3 1 0 ，下限为新热 风炉，上限为老热风炉。 ( 6 ) 为做到测定期既不占有也不积累热风炉原有的蓄热量，目前通常的方法是 以炉顶温度的复原( 燃烧期开始的炉顶温度) 作为送风的终了时间。 根据不同的测定范围，可分别按下列各式进行求得 热风炉本体热效率： 矾：垒二鱼盟。l o o “ z q q 。 热风炉系统热效率： ，7 ：鱼二鱼1 0 0 q q 4 式中d 一一热风带走的热量，k j ； d 一一冷风带入的热量，k j ； 反一冷风管道表面散热量，k j ； 么一一热风管道表面散热量，k j ； z q 一一热风炉收入总热量，k j 。 热风炉本体就是燃烧期由燃烧器至烟道阀，送风期由冷风阀至热风阀的热风 炉本体及其内部的管路部分。热风炉系统指除了上述的热风炉本体之外，还包括 以冷风测点至热风测点的外部管路部分。热风炉全系统指除了上述的热风炉系统 之外，还包括助燃空气或煤气预热装置及其相关的管路和烟道。 一般来说，热风炉本体热效率高于热风炉系统热效率。热风炉热效率必须经 过热风炉热平衡计算。 上述仅指一座热风炉的热效率，表示一座高炉所有热风炉的热效率，应取算 术平均值，其符号为磊和砺“”。 i 0 辽宁科技大学硕士论文 文献综述 1 3 2 煳平衡分析 能量具有量的守恒性和能质的不守恒性，即同时遵循热力学第一定律、热力 学第二定律。热平衡分析法以热力学第一定律为基础，仅对能量的数量进行衡算， 以求得需消耗的能量或可获得到的能量的数量，不能真实反映出能量利用的合理 程度：炯分析法以热力学第一、第二定律为基础，考虑了能量的二重性，能够反 映出能量利用的合理程度，正确指导节能方向“。 热力学第一定律说明了不同形式的能量在转换时，数量上的守恒关系，但是 它没有区分不同形式的能量在质上的差别。 热力学第二定律指出能量转换的方向性。它指出：自然界的一切自发的变化过 程都是从不平衡状态趋于平衡状态，而不可能相反。 不同能量的可转换性不同，反映了其可利用性不相等，也就是它们的质量不同。 当能量已无法转换成其它形式的能量时，它就失去了它的利用价值。 为了衡量能量的可用性，提出以“可用能”或味用”作为衡量能量质量的物理 量。它定义为：在一定环境条件下，通过一系列的变化( 可逆过程) ，最终达到与环 境处于平衡时，所能作出的最大功。或者说，某种能量在理论上能够可逆的转换 为功的最大数量，称为该能量中具有的可用能。出此可见，炯是指能量中的可用 能部分。即熊量可分为“可用能”和“不可用能”两部分，将可用能称为炯；不 可用能称为既。 能量守恒是一个普遍的定律，能量的收支应保持平衡。但是，炯只是能量中 的可用能部分，它的收支一般是不平衡的，在实际的转换过程中，一部分可用能 将转换为不可用能，炯将减少，称为炯损失。这并不违反能量守恒定律，炯平衡 是炯与炯损失之和保持平衡。 外部损失炯是由于炯未被利用而造成的损失，相当于能量平衡中的能量损失 项所对应的炯损失，也叫第一类戈啊损失，例如被高温烟气带走的炯等，它通过适 当的回收装置有可能被回收。内部炯损失是由于过程不可逆造成的媚损失，它不 改变能量数量，只是降低能量的质量，使可用能转变为不可用能，这种损失项在 能量平衡中往往没有反映，也称第二类炯损失。妩已不可能转变为炯，要减少这 类炯损失只能从设法减小过程的不可逆性着手。 任何实际过程炯的收支是不平衡的，收支之差反映了由于过程的不可逆造成 的内部炯损失。因此，只有包含了该内部炯损失项后，才能列出炯平衡式。内部炯 损失是不可用能，属于能量的一部分，因此，炯平衡式反映了能量平衡关系，即 仍是遵守能量守恒定律。 辽宁科技人学硕士论文 文献综述 炯分析目的： ( 1 ) 定量计算能量( 炯) 的各项收支、利用及损失情况。收支保持平衡是基础， 能流的去向中包括收益项和各项损失项，根据各项的分配比例可以分清其主次。 ( 2 ) 通过计算效率，确定能量转换的效果和有效利用程度。 ( 3 ) 分析能量利用的合理性，分析各种损失大小和影响因素，提出改进的可能 性及改进途径，并预测改进后的节能效果。 炯分析方法： ( 1 ) 统计的方法。通过每天的运转数据，分析影响效率和单位能耗的各种因素， 找出其相互关系。 ( 2 ) 动态模拟的方法。对操作条件给予某一阶梯形的或正弦形的变化，以测定 对其它量有何影响，对随时间与随空间的变化情况进行分析。它适合于分析负荷 变动激烈或运转率低的装置，以及生产多品种产品的装置。 ( 3 ) 稳态的方法。用于锅炉、连续加热炉、高炉等热工设备的分析。正常情况 下，工况几乎不随时间变化。通过对分析对象的物料平衡和能量平衡测定，可弄 清能流情况以及各项损失的大小。 ( 4 ) 周期的方法。适用于间歇工作的热设备，例如锻造炉、热处理炉等。分析 时至少要测定一个周期内的数据，并要考虑装置积蓄能量的变化。 炯分析步骤： ( 1 ) 确定体系。首先要明确分析对象，确定体系的边界； ( 2 ) 分析体系与外界的质量交换。物料平衡是分析的基础，要标明和计算出穿 过边界的各股物质流的流量和成分； ( 3 ) 分析体系与外界的能量交换。通过边界的能流包括功量、热量和物流携带 的焓( 炯) ，有的要通过测定温度、压力等参数后计算确定； ( 4 ) 计算各项的数值，确定各项损失的大小； ( 5 ) 分析能量平衡和炯平衡； ( 6 ) 计算炯效率及局部炯损失率等评价指标； ( 7 ) 评价与分析结果。根据计算结果，分析造成能量损失与炯损失的原因，探 讨体系进一步提高有效利用能量的措施和可能性。 效率的一般定义：效率的一般定义为效果与代价之比，对能量转换装置，也 就是取得的有效能( 收益能) 与供给装置耗费的能( 支付能) 之比。炯效率是指 能量转换系统或设备，在进行转换的过程中，被利用或收益的炯与支付或消耗的炯 之比。 依据热力学基本定律，王华军“9 1 等从* 用平衡角度分析了常压锅炉的能量转换 】2 辽宁科技大学硕士论文 文献综述 利用过程，并通过实例计算，分析比较了热平衡与炯平衡的各项损失。结果表明： 常压锅炉的热效率与炯效率有所不同。热效率高，并不意味着炯效率也高。相反， 炯效率还远远低于热效率。其中的根本原因在于热效率的导出是基于热力学第一 定律( 能量守恒定律) ，它仅仅考虑了能量的数量平衡：而炯效率的定义与推导是依 据热力学第二定律。热力学第二定律不仅表征了自然宏观过程进行的方式，而且 能够反映出能量品位( 或者“质量”高低) 的变化。因此，炯效率能够从根本上反 映出系统状态的改变时的能量有效利用率，揭示出炯损失部位，大小和原因，为 系统节能提供有利的方向和途径。“。文献 5 2 应用平衡；i ：用分析计算了热泵空调 器各部件的炯损失情况，提出了系统的节能部位和应采取的措施，使整个系统的炯 损失为最小，炯效率最大，实现热泵节能优化。 1 3 辽宁科技大学硕士论文 现场数据收集与测试 2 现场数据收集与测试 2 1 四高炉热风炉数据收集与测试 2 0 0 6 年4 月1 9 日，现场收集测试四高炉热风炉生产操作数据如下： ( 1 ) 计算原始数据收集，见表2 1 ； ( 2 ) 煤气成分收集，见表2 2 ； ( 3 ) 煤气日使用量收集，见表2 3 ； ( 4 ) 使用气体分析仪测定烟气成分，见表2 4 ： ( 5 ) 热风炉炉体表面积及温差测量，按热风炉结构从上到下顺序，蓄热室1 平 台为蓄热室测试位置1 ，燃烧室1 平台为燃烧室测试位置1 ，每一平台分8 个方位 测量，每一方位分上中下3 个位置测量炉壳表面温度，数据经整理，取平均值， 结果见表2 5 。 表2 1 四高炉热风炉计算原始数据 名称煤气冷风环境热风烟气燃烧送风周期 流量温度流量温度温度温度温度期期时间 符号 f mv n，n f e 啦 h 2 fr f f f 单位 m 3 ，hm r a i nhm mh 数据1 4 1 8 5 8 】8 03 3 2 42 2 42 51 4 0 02 8 71 4 31 0 63 5 名称煤气总综合给冷却水热风管道冷风总管冷风支管 含水量热系数流量温差面积温差面积温差面积温差 符号孙 世 g si s ：- t s ia m幻4 n琅 a f 2 缸 单位 g m k j f m 2 4 k g h m 2m 2 m 2 h + 、 数据 6 6 6 4 05 8 6 02 1 6 8 7 51 27 7 1 01 0 9 51 2 5 61 6 31 1 3 01 6 9 表2 2 四高炉热风炉煤气成分分析 1 4 辽宁科技大学硕士论文 现场数据收集与测试 蓄热室 测试面积温差， 位置m 2 l 号热风炉2 号热风炉3 号热风炉4 号热风炉平均温差 1 6 8 5 2 55 2 75 2 85 3 o5 2 - 8 25 41 0 81 0 89 71 421 1 4 32 6 06 0 47 6 ，9 6 545 6 06 4 7 4 3 3 16 1 76 7 _ 36 1 05 9 96 2 5 53 9 25 6 35 2 15 1 25 0 75 2 6 64 7 15 5 64 3 54 204 4 44 6 4 76 2 82 6 72 6 92 7 52 9 12 7 6 8 6 2 8 1 7 61 8 11 7 81 7 2 1 7 7 燃烧室 测试面积温差， 位置 m 1 号热风炉2 号热风炉3 号热风炉4 号热风炉 平均温差 16 84 7 ，84 8 34 4 14 8 74 7 2 2 2 6 06 3 2 6 3 56 0 45 2 o 5 98 31 5 06 7 74 1 4 3 52 3 9 14 5 9 41 5 04 9 4 4 8 55 1 84 8 74 9 6 5 2 7 14 0 4 4 5 34 8 64 0 24 3 6 6 2 1 1 9 51 0 91 1 19 11 0 2 辽宁科技大学硕士论文现场数据收集与测试 2 2 一高炉热风炉数据收集与测试 2 0 0 6 年4 月1 3 日，现场收集测试高炉热风炉生产操作数据如下： ( 1 ) 计算原始数据收集，见表2 6 ； ( 2 ) 煤气成分收集，见表2 7 ； ( 3 ) 煤气流量收集，见表2 8 ；