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东北大学硕士学位论文摘要 基于c f d 方法的顶燃式热风炉仿真研究与应用 摘要 钢铁作为当今时代主要的生产资料，其重要性是不吉而喻的。伴随着国民经济的快 速发展，我国的钢铁工业也进入了快速发展阶段。为满足炼钢生产的需求，我国连续1 0 年成为世界产铁第一大国。在各项炼铁技术水平不断提高的同时，我国重点企业高炉热 风炉热风温度却进展缓慢，这已成为我国炼铁系统中最薄弱环节，解决这些问题具有重 要意义。 热风炉是高炉鼓风的加热设备，提高风温必须从研究热风炉入手。随着炼铁技术的 不断进步，蓄热式热风炉也在不断演变，从最早的内燃式到外燃式，再到现在的顶燃式， 涉及的很多技术环节都发生了变化。 本文以某炼铁厂热风炉为研究对象，采用c f d ( 计算流体动力学) 方法，对热风炉 中包含的燃烧、换热等一系列过程进行了仿真。从而更清晰地认识了该种热风炉以及其 使用技术的优劣程度，为建设新型的技术含量更高、性能更优越的热风炉提供智力支持。 首先，本文阐述了高风温技术和热风炉的相关知识，分析了这些技术的当今研究现 状。重点介绍了拟采用的研究方法的选定，采用c f d 方法的优点。 其次，介绍了国内外热风炉燃烧系统的现状，并结合本文研究的热风炉的燃烧系统 介绍了燃烧的相关知识，再就是对具体的燃烧系统进行了c f d 仿真，并分析了仿真结 果。介绍了格子砖的知识，并详细介绍了为进行仿真所作的各种准备，然后分别对五孔 格子砖和七孔格子砖进行了仿真，并分析了其仿真结果，比较了七孔和十九孔格子砖的 优劣。 再次，重点研究了热风炉内的气流分布，首先介绍了国内外研究热风炉气流分布的 手段，然后介绍了本文利用c f d 方法，分别对炉喉区域和在蓄热室区域燃烧器和送风 期的气体流速分布进行了仿真，并分析了仿真结果。 最后，对本文工作进行了总结，并对能改进的地方进行了展望。 关键词： c f d 方法；顶燃式热风炉；燃烧器；格子砖；气流分布；仿真 一i i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t s i m u l a t i o ns t u d ya n d a p p l i c a t i o n so fh o t b l a s ts t o v eb a s e do n c f dm e t h o d s a b s t r a c t a sm e a d so fp r o d u c t i o n ，i r o na n ds t e e lt a k et h ei m p o r t a n tp l a c en o w a d a y s h o na n ds t e e l i n d u s t r yg r o w sf a s tp r o f i t e df r o mt h eq u i c kd e v e l o p m e n to fd o m e s t i ce c o n o m y t h eo u t p u to f i r o ni nc h i n ah a sb e e nt h el a r g e s ti nt h ew o r l df o rt e ny e a r s o nt h eo n e h a n d ，v a r i o u so fi r o n m a k i n gt e c h n i q u e sh a v em a d em u c hp r o g r e s s ，o nt h eo t h e rh a n d ，t h et e c h n o l o g yo nh o tb l a s t s t o v ee v o l v es l o w l y , a n dw h i c hh a sb e e nt h ew e a k h e s si nt h ew h o l ei r o nm a k i n gs y s t e m h o tb l a s ts t o v ei su s e dt oh e a tu pt h eb l a s to fb l a s tf u r n a c e ，r a i s et h et e m p e r a t u r eo fb l a s t m u s ts t a r tw i t hh o tb l a s ts t o v e w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi r o nm a k i n gt e c h n o l o g y ，h o tb l a s t s t o v eh a se v o l v e dc e a s e l e s s l yf r o mi n t e r n a l - c o m b u s t i o nt oe x t e r n a l c o m b u s t i o na n dt o p c o m b u s t i o n ，w h i c hi n c l u d em a n yd e v e l o p e dt e c h n o l o g yd e t a i l s ， i nt h i st h e s i st h et o pc o m b u s t i o nh o tb l a s ts t o v eo fs o m es t e e lc o r p o r a t i o ni ss t u d i e db y u s i n gt h ec f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) m e t h o d s c o m b u s t i o na n dd i a t h e r m a n c ya n d g a sf l o wi st os h o wt h ep e r f o r m a n c eo fh o tb l a s ts t o v ec l e a r l y s ot h ec o r p o r a t i o nw i l lh a v e m o r et e c h n o l o g yb a s i st ob u i l d i n gn e wh o tb l a s ts t o v e ， f i r s t l y , s o m er e l a t e dt e c h n i q u e sa b o u th i g hb l a s tt e m p e r a t u r ea n dh o tb l a s ts t o v ea r e i n t r o d u c e d ，t h es i g n i f i c a n c eo fr e s e a r c hi se x p o u n d e da n dt h es o u r c eo fp r o b l e mn a r r a t e d ，t h e n t h er e s e a r c hm e t h o ds e l e c t e da n dr e l e v a n tm e a s u r e sa r ee x p l a i n e d s e c o n d l y , t h es t a t u si nq u oo fc o m b u s t i o ns y s t e m so fh o t - b l a s ts t o v ei s i n t r o d u c e d a s a ne x a m p l eo fs u c hs t u d i e s ，t h ek n o w l e d g eo ft h eb u r n e rs t u d i e di se x p l a i n e d t h es i m u l a t i o n w o r ko nt h ec o m b u s t i o ns y s t e mi sd o n ea n dt h er e s u l t sa r ea n a l y z e d t h ek n o w l e d g eo ft h e c h e c k e ri s p r e s e n t e d ，t h e5 - h o l ec h e c k e ra n d 19 - h o l ec h e c k e ru s e di nt h ec o r p o r a t i o na r e s t u d i e d i nt h er e s e a r c hp r o c e s s ，e q u i v a l e n tm e t h o dh a sb e e na p p l i e d t h ep e r f o r m a n c e so f t h et w ok i n d so fc h e c k e r sa r ec o m p a r e da n du s e f u lc o n c l u s i o n sa r em a d e t h i r d l y , g a sd i s t r i b u t i o ni nt h es t o v ei s s t u d i e d a tf i r s tt h em e t h o dt ot a c k l et h i sp r o b l e m i si n t r o d u c e d t h e ng a sd i s t r i b u t i o n si nt h e3a r e a sa r es i m u l a t e db yt h ec f dm e t h o d s a tl a s t t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ea n a l y z e d f i n a l l y , a 1 1m ew o r ko f t h e t h e s i si ss u m m a r i z e d ，w i t hp o s s i b l ei m p r o v e m e n ts u g g e s t e d ， k e yw o r d s ：c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，t o pc o m b u s t i o nt y p eh o t b l a s ts t o v e ，b u r n e r , c h e c k e r , a i rf l o wd i s t r i b u t i o n ，s i m u l a t i o n 1 1 1 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加 以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为 获得其他学位而使用过的材料。与我一1 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诚挚的谢意。 学位论文作者签名：名弋者上 签字同期：加6 、l i j 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交 流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意) 学位论文作者签名：导师签名 签字f 7 期： 签字同期： 东北大学硕士学位论文 第一章引言 第一章引言 中国国民经济的快速发展，使中国的钢铁工业进入了快速发展阶段，也拉动了中国 钢铁工业的快速发展。近十年来，我国一直是世界产铁第一大国。伴随着中国生铁产量 的高速增长，中国的炼铁技术也取得了长足的进步。在我国炼铁技术水平与国际先进水 平的差距不断缩小时，我国重点企业高炉的热风温度却进展缓慢。虽然我国高炉的风温 逐年提高，但与国际先进水平相比，仍偏低约1 0 0 。c 以上。热风温度偏低，严重影响了 炼铁节能降耗和提高喷煤比，这已经成为我国炼铁系统技术进步的最薄弱环节【“。作为 廉价的能源，高风温具有显著的经济效益。因此，进步提高我国高炉的风温水平，不 断改进热风炉的相关技术，具有非常重要的现实意义。 1 1 研究背景 1 9 世纪2 0 年代以前高炉使用冷风炼铁，燃料消耗很高，而生产率却很低。为了改 变这种状况，1 9 2 8 年英国的尼尔森( d n e i l s o n ) 建议在高炉上使用“热鼓风”炼铁， 并在1 8 2 9 年在苏格兰克拉伊特厂实施该建议，j x l 温虽然仅有1 4 9 | 0 c ，却取得了惊人的效 果，每吨生铁的燃料消耗由原来的8 0 6 t t 降到5 1 6 t t ，降低了3 0 以上，而产量却提高 了4 6 ，而用于加热鼓风消耗的燃料却仅为o 4 t t 生铁。1 8 3 1 年浚厂将风温提高到3 1 6 ，燃料消耗降低到了2 2 5 t t ，产量却比冷风炼铁时翻了一番。从此热风炼铁技术很快 被推广，并成为高炉炼铁史上的重要技术进步之一。 1 7 0 余年来，在高炉炼铁的过程中，风温水平不断得到提高，在日本、西欧、北欧、 北美高炉的普遍风温水平已经达到了1 2 0 0 。c ，有的先进高炉已经达到了1 3 5 0 。c ，前苏 联的全苏水平在1 9 9 0 年已经达到了1 1 5 0 。c 左右。 中国重点企业的平均风温在1 9 9 7 年为1 0 4 7 。c ，梅山冶金公司、包头钢铁公司高炉 的风温在1 1 0 0 。c 以上，宝山钢铁( 集团) 公司3 号高炉的风温在1 9 9 7 年达到了1 2 3 0 。c 。 而地方骨干企业的平均飙温在1 9 9 7 年为9 7 1 ，虽然其中个别钢铁厂商炉的风温在1 0 0 0 以上【2 】。近年来，国内重点企业高炉的热风温度进展缓慢，2 0 0 0 年、2 0 0 1 年、2 0 0 2 年、2 0 0 3 年上半年分别为1 0 3 4 、1 0 8 1 、1 0 6 6 、1 0 7 8 。 2 0 0 2 年我国4 座高炉风温超过了1 2 0 0 。c ，有2 9 座高炉风温超过了l 1 0 0 。c 。表1 1 列出了部分企业热风温度变化情况。2 0 0 2 年重点企业有3 4 个单位热风温度比上年度有 所提高，部分企业风温在下降，见表1 1 一】一 东北犬学硕士学位论文 第一章引言 表11 部分企业热风温度情况( ) t a b l e1 1b l a s t t e m p e r a t u r eo f p a r t i a lc o r p o r a t i o n s f 1 截至到2 0 0 3 年，我国高炉热风炉温度虽然逐年提高，但与国际先进水平相比，仍 然偏低1 0 0 左右，成为我国炼铁系统技术进步中的最薄弱环节和炼铁生产中存在的最 主要的问题。 高风温是高炉降低能耗、生铁优质、提高产量和降低成本的有效措施，为高炉提供 高风温的设备是热风炉。热风炉有换热式和蓄热式两种形式。换热式热风炉是利用换热 原理进行热交换，它的燃烧烟气与鼓风同时在炉内流动，热量通过隔壁由烟气传给鼓风。 这种热风炉在中国的小型高炉曾被广泛使用过其中以管式热风炉应用最广。但是由于 加热鼓风温度低、寿命短、热效率低，以及金属消耗大等原因，现在已经很少采用。蓄 热式热风炉则是利用先在格子砖内贮存热量后，再将热量传递给鼓风的先蓄热后放热原 理进行热交换的一种高炉鼓风加热装置。这种热风炉具有加热鼓风温度高、寿命长，有 一1 一 东北大学硕士学位论文第一章引言 很高的热效率，因此为现代高炉所普遍使用。 出于热风炉在高炉炼铁中扮演着重要角色，因此，提高高炉的肛l 温，就要落脚在对 热风炉的研究和改进上。目前我国钢铁企业提高热风温度采用比较多的有下列几个方 法：( 1 ) 改进热风炉结构、材质和设备【2 1 f 3 1 。我国传统的热风炉形式是内燃式，已经越 来越不能满足高风温的要求，各钢铁企业根据自己的实际情况，采用外燃式、顶燃式或 改造型内燃式热风炉。( 2 ) 预热煤气和助燃空气。主要技术措施有热风炉自身余热预热 助燃空气法、附加换热器预热助燃空气和煤气法、荒煤气余热净煤气法h 罐】。( 3 ) 缩短 送风周期提高热风温度。为强化换热，提高格子砖的砖重利用率，目前热风炉均采用砖 孔小、砖厚薄的格子砖，容易被加热和冷却。采用缩短送风周期的方法，可减少风温的 降落，对提高热风温度有明显效果【2 】 铆。 1 2 课题来源及其研究内容 本文的课题来源是一个横向课题一某炼铁厂热风炉仿真试验，其研究内容是通过 仿真的手段，对热风炉的燃烧系统、蓄热室中格子砖以及烟气和鼓风分布进行数值模拟， 对燃烧系统侧重研究燃烧器对燃烧效率的影响，研究烧嘴数量及布置对燃烧效率的影 响；研究蓄热室格子砖主要研究孔格尺寸、孔格形状对蓄热室阻力、热工效率的影响， 并对不同型号的格子砖进行比较；研究烟气分布主要是研究喉口直径、长度、燃烧空间 对烟气分布的影响；研究鼓风分布主要是研究烟道、热风出口布置对高炉中烟气、鼓风 分布的影响。 1 3 研究方法 关于本仿真试验的研究方法，考虑了以下三种方法：纯数学方法、利用m a t l a b 里的p d e t o o l 工具箱的方法、c f d 方法。 纯数学方法 纯数学方法即理论分析的方法，其优点在于所得结果具有普遍性，各种影响因素清 晰可见，是指导试验研究和验证新的数值计算方法的理论基础。但是，它往往要求对计 算对象进行抽象和简化，才有可能得到理论解，对于非线性模型，只有少数流动才可能 得到解析解。 根据目前的任务而言，使用理论分析的方法有以下不便：一是相关的理论知识不够 深厚( 涉及到流体力学、燃烧理论、传热理论等等) ，难以抽象出合适的数学模型和物 3 一 东北大学硕士学位论文 第一章引言 理模型；二是根据这些模型独立开发软件模型进而最终实现仿真目标的工作量太大，时 间上也不允许。 p d e t o o l 工具箱 m a t l a b 是一个十分有用的数学工具软件，在各方面的用途十分广泛，同时，它 也提供了用户根据需要而使用的多种工具箱，p d e t o o l 工具箱就是其中的一个。在 m a t l a b 中，不仅能方便地对要分析问题的几何问题进行描述( 并存为r n 文件) ，而 且能够非常方便的进行网格划分( 和r e f i n em e s h ) ，也能方便的进行前后处理，是一个 不可多得的有限元软件。它不仅可以求解椭圆、抛物线型偏微分方程，而且也可以求解 双曲线型偏微分方程。边界条件可以是狄利克雷域、诺埃曼边界条件，还可以是两者的 混合型。它可以处理以下问题：固体中的稳态传热和非稳态传热、多孔介质中的流动和 扩散问题、导体和绝缘体中的静电学、潜流问题。 虽然使用方便，功能也很强大，但本文要解决的是三维模型的仿真问题，而 p d e t o o l 工具箱只能解决二维模型的仿真问题，其功能不能满足仿真试验的要求，故 需要寻找新的研究方法 1 l 】。 计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 是通过计算机数值计 算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所作的分析。其基本 思想是：把原来在时间域和空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列 有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的规则和方式建立起关于这些离散点 的场变量之间的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。 c f d 的长处在于适应性强、应用面广。首先，流动问题的控制方程一般是非线性的， 自变量多，计算域的几何形状和边界条件复杂，很难求得解析解，而用c f d 方法则有 可能找出满足工程需要的数值解；其次，可利用计算机进行各种数值试验；再者，它不 受物理模型和试验模型的限制，省时省钱，有较多的灵活性，能给出详细和完整的资料， 很容易模拟特殊尺寸、高温、有毒、易燃等真实条件和在试验中只能接近而无法达到的 理想条件。 c f d 也存在一定的局限性。首先，数值解法是一种离散近似的计算方法，依赖于物 理上合理、数学上适用、适合于在计算机上进行计算的离散的有限物理模型，且最终结 果不能提供任何形式的解析表达式，只是有限离散点上的数值解，并有一定的计算误差； 第二，它不像物理模型试验一开始就能给出流动现象并定性地描述，往往需要由原体观 测或物理模型试验提供某些流动参数，并需要对建立的数学模型进行验证；第三，程序 4 东北大学硕士学位论文 第一章引言 的编制及资料的收集、整理和正确利用，在很大程度上依赖于经验和技巧。此外，因数 值处理方法等原因有可能导致计算结果的不真实；还有，就是c f d 涉及大量的数值计 算，因此，常常需要较高的计算机软硬件资源1 2 】。 综上考虑，采用c f d 方法较有优势，原因是：是相关商业软件的快速发展，为 使用该方法提供了诸多便利，避免了从底层开发所耗费的巨大时间和精力：二是该方法 提供的相关软件能够解决三维模型的仿真问题；三是现在的计算机资源较为廉价，易于 获得。 因此，本仿真试验的研究方法采用计算流体动力学的方法，即c f d 方法。 选择了研究方法之后，需要选用相应的系列软件，根据文献结合实际需要，本 文所用的软件环境如下所示： 操作系统：m i c r o s o f tw i n d o w sx pp r o f e s s i o n a l 版本2 0 0 2s e r v i c ep a c k2 软件工具：a u t o c a d ( 用以确定厂方给定的二维平面模型的具体的参数) e x c e e d7 0 ( 用来模拟u n i x 环境) p r o e n g i n e e rw i d e f i r e2 0 ( 用来建立三维立体几何模型) g a m b i t 2 1 6 ( 对已建立的几何模型划分网格) f l u e n t6 1 ( 对网格模型进行解算) f l o w i z a r d1 0 8 ( 对网格模型进行解算) 5 一 一型! 查芏塑主兰堡垒圭 苎三主垫垦翌垫些 第二章热风炉概述 热风炉是炼铁生产巾的重要设备之，它供给高炉热风的热量约占炼铁生产耗热的 1 4 ，它消耗的高炉煤气约占高炉产生的煤气的一半，因此提高热风炉的热效率对降低能 耗有很大的现实意义。因此需要合理组织热风炉的热交换过程和回收其余热，充分挖掘 潜力。热风炉的投资约占整个高炉基建费用的半，减少热x l 炉的体积和重量，能节约 材料、降低造价；延长热风炉的使用寿命，减少维修量和修理时间，能增加产量，降低 生产成本；而这些都与正确的理论指导和合理设计有密切关系“。为此，必须对热风炉 的有一个清晰的认识。 2 1 热风炉简史 高炉炼铣在1 8 2 7 年开始加热鼓风炼铁，当时用的是铸铁管换热式热风炉。1 8 5 7 年考贝( e a c o w p e r ) 首先提出采用蓄热式热风炉以来，经过长期改进成为现代内燃 式热风炉。其中，1 9 7 2 年荷兰艾奠伊臀( 1 j m u i d e n ) 别内燃式做了较大改进后称 为霍戈文( h o o g o v e n s ) 内燃式热风炉( 图2l a ) ，它的特点足拱顶砌体呈悬链状形， 并直接支撑在炉壳上：燃烧室隔墙下部增设隔热层，以减小燃烧室隔墙的温度梯度； 并采用陶瓷燃烧器。外燃式热风炉的构思是在1 9 1 0 年由达尔( e d a h l ) 提出并申请专 利的。1 9 2 8 年首次在美国卡尔基尼钢铁公司建成，但由于其热损失大而没有得到发展， 1 9 3 8 年科珀( k o p p e r s ) 公司又提出专利，并在化学工业上得到了发展。1 9 5 0 年才用 于高炉。它的特点是燃烧室拱顶和蓄热式拱项由各自不同、# 释的半球形砌体构成( 图 21 6 ) ，1 9 5 9 年出现了地得( d i d i e r ) 式外燃热；i c 【炉，它的拱顶由近似半个卵形拱顶连 接( 图2 1 c ) 。1 9 6 5 年德国奥古斯特一蒂森( a u g u s t t h y s s e d ) 公司使用了马琴( m a r t i n a n dp a g e n s t e c h e r ) 式外燃热风炉。它的蓄热式项部具有圆锥形的缩口，使蓄热室拱顶 由两个半径相同的1 4 球形和大半个圆柱体所组成( 图2 1 d ) 。新日铁( n s c ) 式外燃 热风炉，于6 0 年代末综台了科珀式和马琴式外燃热雠l 炉的特点，首先在八幡制铁所的 高炉上使用。它的蓄热室顶部也有圆锥形的缩口，是蓄热室顶部直径与燃烧室直径相 同，拱预有两个半径相同的半球形拱顶和一个圆柱体的联络管所组成( 图2l e ) 。早在 2 0 年代哈特曼( h a r t m a t m ) 就提出了顶燃式热风炉的设想，但末受到人们的重视，后 来在化工部门得到了应用。从7 0 年代来开始应用于巾国的中小型高炉上，1 9 7 8 年酋 来在化工部门得到了应用。从7 0 年代末开始应用于中国的中小型高炉上，1 9 7 8 年首 一7 一 东北大学硕士学位论文 第二章热风炉概迷 第二章热风炉概述 热风炉是炼铁生产中的重要设备之一，它供给高炉热风的热量约占炼铁生产耗热的 1 4 ，它消耗的高炉煤气约占高炉产生的煤气的一半，因此提高热风炉的热效率对降低能 耗有很大的现实意义。因此需要合理组织热风炉的热交换过程和回收其余热，充分挖掘 潜力。热风炉的投资约占整个高炉基建费用的半，减少热风炉的体积和重量，能节约 材料、降低造价；延长热风炉的使用寿命，减少维修量和修理时间，能增加产量，降低 生产成本；而这些都与正确的理论指导和合理设计有密切关系1 1 ”。为此，必须对热风炉 的有一个清晰的认识。 2 1 热风炉简史 高炉炼铁在1 8 2 7 年开始加热鼓风炼铁，当时用的是铸铁管换热式热风炉。1 8 5 7 年考贝( e a c o w p e r ) 首先提出采用蓄热式热风炉以来，经过长期改进成为现代内燃 式热风炉。其中，1 9 7 2 年荷兰艾莫伊登( i t j 。m u i d c n ) 对内燃式做了较大改进后，称 为霍戈文( h o o g o v e n s ) 内燃式热风炉( 图2 1 a ) ，它的特点是拱顶砌体呈悬链状形， 并直接支撑在炉壳上；燃烧室隔墙下部增设隔热层，以减小燃烧室隔墙的温度梯度： 并采用陶瓷燃烧器。外燃式热风炉的构思是在1 9 1 0 年由达尔( f d a h l ) 提出并申请专 和的。1 9 2 8 年首次在美国卡尔基尼钢铁公司建成，但由于其热损失大而没有得到发展， 1 9 3 8 年科珀( k o p p e r s ) 公司又提出专利，并在化学工业上得到了发展。1 9 5 0 年才用 于高炉。它的特点是燃烧室拱顶和蓄热式拱顶由各自不同半径的半球形砌体构成( 图 2 1 b ) ，1 9 5 9 年出现了地得( d i d i e r ) 式外燃热风炉，它的拱顶由近似半个卵形拱顶连 接( 图2 ，】c ) 。1 9 6 5 年德国奥古斯特一蒂森( a u g u s t t h y s s e n ) 公司使用了马琴( m a r t i n a n dp a g e n s t e c h e r ) 式外燃热风炉。它的蓄热式顼部具有圆锥形的缔口，使蓄热室拱顶 由两个半径相同的1 4 球形和大半个圆柱体所组成( 图2 i d ) 。新日铁( n s c ) 式外燃 热风炉，于6 0 年代末综合了科珀式和马琴式外燃热风炉的特点，首先在八幡制铁所的 高炉上使用。它的蓄热室项部也有圆锥形的缩口，是蓄热室顶部直径与燃烧室直径相 同，拱项有两个半径相同的半球形拱顶和一个圆柱体的联络管所组成( 图2 1 e ) 。早在 2 0 年代哈特曼( h a r t m a n n ) 就提出了顶燃式热风炉的设想，但未受到人们的重视，后 来在化工部门得到了应用。从7 0 年代末开始应用于中国的中小型高炉上，1 9 7 8 年酋 7 东北大学硕士学位论文第二章热风炉概述 钢2 号高炉( 1 3 2 7 m 3 ) 使用了顶燃式热风炉，丌大型高炉使用顶燃式热风炉的先河1 。 矗 图2 1 各种彤式的热风炉 f i g2 1t h eh o tb l a s ts t o v eo fs o r t s 2 0 世纪9 0 年代首钢大修改造的2 5 0 0 m 3 级高炉都采用了这种顶燃式热风炉。目前， 顶燃式热风炉广泛应用于3 0 0l r l 3 级以下的高炉，在国外，前苏联的全苏冶会热工研究员 对顶燃式热风炉进行了较全面的研究，并于1 9 8 2 年在下塔吉尔冶金公司建成了一座“卡 鲁金式”顶燃式热风炉，成功地使用至今，并在1 9 9 8 年开始推广到1 3 8 0m 3 、1 7 1 9 i n 一r 一 墨苎垄兰翌主堂堡垒墨 苎兰主垫堕生垫查 和3 0 0 0n 1 3 高炉上。顶燃式热风炉是很有前途的，它是高炉热风炉的发展方向。本文研 究的热风炉其图形如下所示。 热风炉燃烧室眨 热风妒炉嚷区 热风管出口布美隔 热风炉蔷热宝医域 说明；在燃烧室周围的两个圆管 用来向热风炉输送高炉煤气和助燃空 气在高炉煤气管和助燃空气管会台的 地方是烧嘴，共九个，均匀分布在燃烧 室例圃 鼓风a 口烟气出日布置医 图2 2 本文所研究的热风炉模型示意图 f i g2 , 2 t h es k e t c h m a po f h o tb l a s t s t o v es t u d i e d i n t h i s t h e s i s 2 2 热风炉在高炉生产中的地位 热风炉是炼铁生产过程中的重要设备之。，它供给高炉热风的热量约占高炉炼铁生 产耗热的四分之一，它消耗的高炉煤气约占高炉生产煤气的4 0 ，因此提高热风炉的热 效率对降低能耗具有重大现实意义。台理组织热风炉的热交换过程和余热到收利用，充 分挖掘潜力，可提高经济效益。热矾炉的投资约占整个商炉基建投资费用的一半，减少 热风炉的体积和重量，可节约材料，降低造价；延长热风炉使用寿命，提商蓄热能力， 减少维修工作量和修理时间对增加产量、降低成本都具有十分重要的意义。 高炉炼铁使用高风温是当今世界高炉炼铁技术发展的方向，据统计，热风温度每提 高1 0 0 ( 3 可降低焦比4 c o 7 ，同时可增产3 5 ，还日允许增加喷吹煤粉4 0 k g ，t - 铁或 增加喷吹重油2 5 k g t 铁，相应地迸一一步降低焦眈。随着氧煤强化炼铁新工艺的推广应用t 一9 一 东北大学硕士学位论文 第二章热风炉概迷 高炉对高风温的需求更为迫切，因此，热风炉在高炉生产中的地位越来越重要。 2 3 热风炉的工作原理 以顶燃式热风炉为例，构造如图所示，顶燃式热风炉的外形为圆柱形，炉顶为锥形。 炉壳由钢板焊成，炉壳内衬以酬火材料。炉内分为两部分：一部分为燃烧室：另一部分 为蓄热室，即由耐火砖垛成的砖垛。燃烧室处于拱顶下部，由烧嘴喷出的煤气和助燃空 气在此混合燃烧。蓄热室由格子砖砌成的格子砖垛。砖格子上有许多垂直的孔道，即格 孔。砖格子由下面的铸铁炉箅子和支柱托住。其示意图及其工作原理如图2 2 所示。 蓄热式热风炉是循环周期工作的。在一个循环周期内，分燃烧期和送风期。 燃烧期：将热风炉烧热，此时冷风入口和热风出口关闭，将煤气和空气将一定的比 例从燃烧器送入，煤气燃烧将热风炉( 主要是其中的格子砖) 加热，燃烧产物及烟气出 烟气出口经过烟道从烟囱排掉，这样将热风炉加热到需要的温度，然后转入送风期。 热随 冷飙 燃烧 莩i旗阀潮 图2 ，2 热风炉， ：作示意图 t a b l e2 2s k e t c hm a po f f l o wo f h o tb l a s ts t o v e 送风期：将由鼓飓机鼓来的冷风加热后( 一般是1 0 0 0 t 2 0 0 c ) 送入高炉。此时燃 烧器和烟气出口管道关闭，冷风入口和热风出口打开，由鼓风机经冷风管道送来的冷风 进入热风炉，冷风在通过格孔时被加热，热风经热风出口和一些管道送入高炉。 送风一段时间，热风炉蓄存的热量减少，不能将冷风加热到所需要的温度，这时再 一1 0 东北大学硕士学位论文 第二章热风炉概述 由送风期转入燃烧期。一座高炉经过燃烧期和送风期即完成一个循环，热风炉就是这样 燃烧和送风不断循环地工作着。两座( 或三座或凹座) 热风炉交替地燃烧和送风就保证 了不间断地供给高炉热风。 蓄热式热风炉的工作原理，简要地说，就是在燃烧过程中热风炉的砖格子将热量储 备起来，当转为送风后，砖格子又把热量传给冷风，把冷风加热后送至高炉炼铁。其实 质就是燃烧煤气的热量以格子砖为媒介传给高炉冷风的过程 】。 2 4 热风炉的基本结构 蓄热式热风炉有提供高温烟气的燃烧器和燃烧室以及放置蓄热体的蓄热室组成。按 燃烧室的位置可以分为内燃式、外燃式和顶燃式3 种；按蓄热室内放置的耐火蓄热体的 形状又可以分为格子砖式和球式两种。内燃式热风炉是把燃烧室和蓄热室放在同一个用 钢板制成的圆筒形炉壳内，两者之间砌有耐火砖墙分开。燃烧室由耐火材料砌筑成的圆 形、苹果形和眼睛形断面的简状燃烧空间，其下设有燃烧器。蓄热室也是由耐火材料砌 筑成的简状空间，其内部填充耐火格子砖或耐火球，以及支撑蓄热体的炉箅子及支柱。 外燃式热风炉具有单独设置的燃烧室，它与蓄热室分别设在两个独立的圆柱形钢壳中。 钢壳内都由耐火材料砌筑成圆筒状空间，在燃烧室和蓄热室内部用不同形状的拱顶连接 起来。由于拱顶形状和结构的不同又分为前述的4 种外燃式热风炉。顶燃式热风炉则是 把燃烧室放在蓄热室的顶部，将热风炉拱顶就作为燃烧室。煤气燃烧后就直接向下进入 蓄热室。 外燃式热风炉和顶燃式热风炉的优点是，蓄热室内气流分布较均匀，出于燃烧室与 蓄热室不在同一个钢壳内，因而可以避免隔墙烧穿或倒塌等事故，结构稳定性好，使用 寿命长。缺点是砖型多等。项燃式还具有占地面积小、钢材和刺火材料的用量小、基建 费用低的特点，与外燃式热风炉比较优点更为突出。以容积1 2 0 0 m 3 为例，外燃式热风 炉占地面积较顶燃式热风炉多4 0 ，较内燃式热风炉多3 0 ，钢材分别增加4 0 和3 5 ， 耐火材料增加1 4 和i1 0 ，基建费用高2 5 3 5 和2 5 3 0 。 拱顶结构 最初内燃式热风炉为半球形砌体构成，外包钢壳，拱顶砌体由炉墙支撑。由于炉墙 受热膨胀，拱顶也随之产生位移，往往由于炉墙的不均匀膨胀，使拱顶开裂，当热风炉 冷却时，炉墙与拱顶之间会产生4 0 e m 以上宽度的裂缝，影响拱顶寿命。因此现代高风 温热风炉均采用拱顶砌体与炉墙砌体分离的结构，拱顶砌体独立地支撑在炉壳上，炉墙 东北大学硕士学位论丈 笫z - 章热风炉概述 _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ h _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - h 一 与拱顶砌体采用迷宫式的密封结构，受热时，炉墙与拱顶砌体之间可以滑动，自由膨胀。 现代内燃式热风炉拱顶采用悬链线形的砌筑形式。科珀式和新日铁式外燃热风炉两个半 球形拱顶之问用联络管连接。当蓄热室和燃烧室受热上膨胀不致时，联络管要做成能 吸收上下位移的结构。在联络管的钢壳上装有两组波形伸缩管，砌体没有伸缩缝。地得 式和马琴式外燃热风炉整个拱顶是刚性结构的，为了吸收上下位移，在燃烧室下面设有 液压千斤顶或调整燃烧室的高度使之膨胀一致。顶燃式热风炉的拱顶也采用悬链线形的 砌筑结构，但中、小型高炉多采用锥形与球形结合的拱顶结构。由于拱顶就作为燃烧室 需要适当的容积，以及安装燃烧器和热风出口，在悬链线形砌体下部还设有一段圆筒形 砌体，它使拱顶砌体受力均匀，上部拱顶的直径较小，而下部又不承受推力，具有很好 的稳定性。拱顶和管道出入口采用异型砖砌筑，以提高砌体的整体性。 燃烧器 最初的热风炉燃烧装置是燃烧固体燃料的炉算子，后来改为燃烧高炉荒煤气。近代 高炉使用了高炉净煤气、焦炉煤气以及转炉煤气，由于焦炉煤气缺乏鼓风温度，使用受 到了限制， ( 1 9 9 5 年开始，中国宝山钢铁( 集团) 公司3 号高炉全烧转炉煤气，获得 1 2 5 0 。c 的热风温度。) 1 9 2 0 年开始使用助燃风机，强制鼓入燃烧所需要的助燃空气。现 代高炉热风炉使用的燃烧装置有金属燃烧器和陶瓷燃烧器两种。金属燃烧器又分为套筒 式和栅格式两种形式。陶瓷燃烧器也分为套筒式、栅格式和三孔式三种基本形式。 图2 3 三种不同类型的燃烧器 f i g2 3t h e r ek i n d so f c o m b u s t i o n 套筒式陶瓷燃烧器 上世纪6 0 年代初联邦德国地得公司首次在热风炉上采用该种燃烧器，它具有燃烧 能力大，燃烧稳定等优点，在新建或改建的热风炉上得到了迅速推广。套筒式燃烧器设 有两个套在一起的圆管和环管，助燃空气和煤气分别通入其中，并在管子的出1 2 处混合 一】2 一 东北大学硕士学位论文 第二章热风炉概述 燃烧。图2 3 a 为套筒式陶瓷燃烧器，它由耐火材料砌成，并在助燃空气和煤气出口处设 有狭窄喷口的环状板，以帮助这两种气体的均匀混合和燃烧。这种燃烧器所用的砖型较 少，砌筑也较方便；但喷口数目较少，能力较小，混合差些，火焰较长。 栅格式陶瓷燃烧器 在这种燃烧器中，煤气和助燃空气都被分割在若干狭窄的通道中，并且煤气和助燃 空气的通道呈间隔分布，煤气和助燃空气在狭窄通道的末端进行混合燃烧。栅格式陶瓷 燃烧器的隔板由耐火材料砌筑而成，并且在出r l 处设有带隔板的分布板，使煤气和助燃 空气在燃烧器上部充分混合，形成几十个甚至上百个小燃烧器的喷出口( 图2 3 b ) 。栅 格式陶瓷燃烧器的结构较为复杂，砖型较多；但气流混合均匀，火焰较短，燃烧能力大。 三孔式陶瓷燃烧器 该种燃烧器中部为焦炉煤气通道，外侧为圆环形高炉煤气通道，两者之间为圆环形 助燃空气通道。燃烧器上部设有分布板，将三种气体切割成若干个小的流股，进行混合 和燃烧，形成燃烧器的喷出口( 图2 3 c ) 。这种燃烧器的结构较为复杂，砖型较多，但 气体混合均匀，火焰较短。燃烧能力大。 大型高炉热风炉的陶瓷燃烧器结构复杂，有许多异型砖砌筑而成。一般陶瓷燃烧器 均直立设置让气体向上喷出，以便于喷口砖固定。顶燃式热风炉中要求燃烧器水平设置， 因此适合于顶燃式热风炉的陶瓷燃烧器f 在研制中，还没有内燃式和外燃式热风炉垂直 设置的燃烧器那样成熟，这也是顶燃式热矾炉在大型高炉上尚未推广的原因之一1 1 4 】。 蓄热体 热风炉作为热交换装置的功能来考虑，蓄热室内蓄热体的热工性能具有重要的意 义。蓄热体一格子砖的热工参数及其形状主要取决于煤气的净化程度、鼓风温度，允 许的压力损失和热风炉操作制度等。 一般蓄热式热风炉采用耐火砖作为蓄热体。格子砖的热工特性在很大程度上影响了 热风炉的建设费用和生产费用。最初热风炉燃烧劣质燃料，格子砖容易被渣化，格孔容 易被灰尘堵塞，因此使用极其简单的平板砖，格子砖厚，格孔大，便于清灰，由于结构 稳定性差，容易错位、倒塌，已被淘汰。随着煤气净化设麓的发展、热风温度的提高以 及格砖制造技术的进步，为了增加格子砖的稳定性，防止格子砖倒塌采用了大块格子砖； 为了改善格子砖的热工性能，逐渐缩小格孔尺寸，减薄格子砖的当量厚度，形状也变得 比较复杂。通常使用的块状格子砖有五孔砖和蜂窝砖( 见图2 4 ) 。它的格孔流体直径 4 0 m m 左右，格砖的当量厚度在3 0 r a m 左右，每立方米的格砖的蓄热面积在4 0 m 2 左右。 一】3 一 查! ! 垄堂翌主量堡垒查箜三主垫垦芝垫鲨 蕊国“ 圈2 4 常用的格子砖 f i g2 , 4c h e c k e r si nc o m m o nu s e 中国的中小型高炉的顶燃式热风炉广泛采用耐火球作为蓄热体，其特点是单位体积 蓄热体的蓄热面积大，热交换系数高，参与热交换的有效重量大，具有良好的热工特性， 表2 1 常用蓄热体的热工性能 t a b l e2 1p y r o l o g yc a p a b i l i t yo f s o m er e g e n e r a t o ri nc o m m o nu s e 格孔格砖1 m 3 蓄热体 1 m 3 格子砖重量系数当鼍流体 砖型 尺寸厚度的蓄热面积的重簧g f厚度直径 m m m m 伽2g k g 蚝m 2 s l m md m m 可以参见表2 1 。由于耐火球制造简单，能降低投资和维修费用：但耐火球床的气体阻 力大，故尚未在大型高炉上应用。现代热风炉格子砖和耐火球一样，在改善热工特性之 后也同时要求改进热风炉的操作制度，缩短周期时间，有效利用蓄热体，才能提高热风 温度，并使单位高炉容积的蓄热体容积和重量大幅度降低，充分发挥投资效益。 一1 4 一 东北大学硕士学位论文 第二章热风炉概迷 2 5 热风炉操作 热风炉操作是指在热风炉加热高炉鼓j x l 过程中进行的烧炉、送风、换炉和配合高炉 休风和复风的作业。热风炉的工作特点是燃烧和送风交替进行，为了保证向高炉供风的 连续性和稳定性，每座高炉至少配备两座，一般配有3 座或4 座热风炉。热风炉工作制 度的选择和操作的好坏，关系到它本身的风温、人身安全、设备安全和炉体寿命，还直 接关系到高炉的正常运转。所以热风炉必须有正确的工作制度、燃烧制度、烘炉制度以 及配合高炉休风和复风的操作制度。 工作制度 根据每座高炉配置热风炉座数和风温实用水平的不同，有不同的工作制度，两座热 风炉必然一烧一送；3 座热风炉一般采用两烧一送；当风温使用水平较低时可以使用一 烧两送或半交叉并联的送风制度；当风温要求水平较高时，燃烧器能力又比较富裕时， 可采用两烧一送半交叉并联和送风末期关混风闸板阀的送风制度。四座热风炉一般采用 两烧两送交叉并联，或采用三少一送的制度。 燃烧制度 在保证热风炉寿命的条件下，充分发挥热风炉能力，达到可能达到的最高热风温度。 三种燃烧策略 ( 1 ) 固定煤气量调节助燃空气量。在整个燃烧周期内，保