热风炉设计说明书

目录第一章热风炉热工计算21.1热风炉燃烧计算21.2热风炉热平衡计算41.3热风炉设计参数确定7第二章热风炉结构设计82.1设计原则82.2 工程设计内容及技术特点82.2.1设计内容82.2.2 技术特点82.3结构性能参数确定82.4蓄热室格子砖选择92.5热风炉管道系统及烟囱112.5.1顶燃式热风炉煤气主管包括：112.5.2顶燃式热风炉空气主管包括：112.5.3顶燃式热风炉烟气主管包括：122.5.4顶燃式热风炉冷风主管道包括：122.5.5顶燃式热风炉热风主管道包括：122.6 热风炉附属设备和设施132.7热风炉基础设计152.7.1 热风炉炉壳152.7.2 热风炉区框架及平台（包括吊车梁）15第三章 热风炉用耐火材料的选择153.1耐火材料的定义与性能153.2热风炉耐火材料的选择16参考文献18 第一章热风炉热工计算1.1热风炉燃烧计算燃烧计算采用发生炉煤气做热风炉燃料，并为完全燃烧。已知煤气化验成分见表1.1。表1.1 煤气成分表项目 CH4 C2H4 H2O H2 CO CO2 N2 O2 含量% 1.7 0.4 4.2 12.7 30.3 2.3 48.2 0.2 100.00热风炉前煤气预热后温度为300，空气预热温度为300，干法除尘。发生炉利用系数为2.3t/m3d，风量为3800m3/min，t热风=1100，t冷风=120，热=90%。热风炉工作制度为两烧一送制，一个工作周期T=2.25h，送风期Tf=0.75h，燃烧期Tr=1.4h，换炉时间T=0.1h，出炉烟气温度tg2=350，环境温度te=25。煤气低发热量计算查表煤气中可燃成分的热效应已知。0.01m3气体燃料中可燃成分热效应如下：CO:126.36KJ , H2:107.85KJ, CH4:358.81KJ, C2H4:594.4KJ。则煤气低发热量：QDW=126.3630.3107.8512.7+258.811.7+594.40.4=6046.14 KJ空气需要量和燃烧生成物量计算(1)空气利用系数b空=La/Lo计算中取烧发生炉煤气b空=1.1。燃烧计算见表2.13。(2)燃烧1m3发生炉煤气的理论Lo为Lo=25.9/21=1.23 m3。(3)实际空气需要量La=1.11.23=1.353 m3。(4)燃烧1m3发生炉煤气的实际生成物量V产=2.1416 m3。(5)助燃空气显热Q空=C空t空La=1.3193001.353=535.38 KJ/ m3。 式中C空助燃空气t空时的平均热容，t空助燃空气温度。(6)煤气显热：Q煤=C煤t煤1=1.3503001=405 KJ/ m3。(7)生成物的热量Q产=（Q空Q煤QDW）/V产=（535.384056046.14）/2.1416=3262.29 KJ/ m3。表1.2煤气计算煤气组成100 m3干煤气的百分含量反应式需要氧气的体积/m3生成物的体积/m3O2CO2H2ON2合计H2O4.24.24.2CH41.7CH42O2CO2 2H2O3.41.73.45.1C2H40.4C2H43O22CO2 2H2O1.20.80.81.6O20.2-0.20CO22.3CO2CO22.32.3CO30.3CO1/2O2CO215.1530.330.3H212.7H21/2O2H2O6.3512.712.7N248.2N2N248.248.2当b=1.0时，空气带入的25.997.4397.43当b空=1.10时，过剩空气带入的2.592.599.7412.33生成物总量/ m32.5935.121.1155.37152.03物成分/ m%1.2116.49.8572.54100.004.理论燃烧温度计算t理=（Q空Q煤QDWQ分）/V产C产Q分CO212600VCO2Vnf分CO210-4Q分H2O10800VH2OVnf分HO10-4Q分Q分CO2 Q分H2Ot理理论燃烧温度，C产燃烧产物在t理时的热量。由于C产取决于t理。须利用已知的Q产用迭代法和内插法求得t理。其过程如下：猜理论燃烧温度在1900和2000之间,查表得C产(1900) =1.6807kJ/( m3. ) ,f分CO2(1900)3.6, f分HO（1900）1.4； C产(2000) = 1.6906kJ/( m3. ), f分CO2(22000000) 6,f分HO（2000）2;则取C产=1.6817 kJ/( m3. ), f分CO24.0, f分HO1.5,再代入上式,则有Q分12600VCO2Vnf分CO210-410800VH2OVnf分HO10-416.42.1416410-4108009.852.14161.510-4121.5t理=（Q空Q煤QDWQ分）/V产C产=（535.38+405+6046.14121.5）/（2.14161.6817）=1906 。热风炉实际燃烧煤气量和助燃空气量计算热=V风（t热c热t冷c冷）/V煤（Q空Q煤QDW）0.9=380045(11001.4241201.306)/ V煤1.4(535.384056046.14)则V煤=27383.26 m3/h取27383m3/h。V空=V煤 La=273831.353=37049.2 m3/h。1.2热风炉热平衡计算1.热平衡基础参数确定（1）周期时间和介质流量确定Tr =1.4h,T=0.1h, Tf=0.75h=45min。烟气流量Vm=53603 m3/h。冷风流量Vf=3800 m3/min。（2）热风炉漏风率Lf，取3%。2.热平衡计算（1）热量收入项目燃料化学热量：Q1=VmTr QDW=273831.46046.14=.7KJ/周期。燃料化学热量：Q2= VmTr（cmtmCme-te） =273831.4(3001.35251.332) =.54 KJ/周期。助燃空气物理热量：Q3= VmTrLas（CKtKCkete） =273831.41.53(3001.319251.300) =KJ/周期。冷风带入的热量：Q4=VfTf(1-Lf)(cf1tf1-cfete) =38000.8645（1-0.03）（1.31120-1.3025） =.54KJ/周期。热收入总热：Q=Q1Q2Q3Q4=231.8014.2521.3017.79=285.14GJ/周期。（2）热量支出项目热风带出的热量：Q1= VfTf(1Lf)(cf2tf2cfete) =38000.8645（10.03）（1.42411001.3025） =KJ/周期。烟气带走的热量：Q2=VmTrVgb（cg2tg2cgete） =273831.42.281(1.4353501.393325) =.54KJ/周期。化学不完全燃烧损失热量：Q3=0 KJ/周期。煤气中机械水吸收的热量：Q4=0 KJ/周期。冷却水吸收的热量：Q5= KJ/周期。冷风管道散热量：Q6=K(tfAi) Tf=62.850.33438.10.75 =.25 KJ/周期。炉体表面散热：Q7=K(tfAi) T= KJ/周期。热风管道散热量：Q8= KJ/周期。热平衡差值：Q=Q-( Q1Q2Q8) =285.14(218.8140.86002.20.100.433.03) =19.71 GJ/周期。 1.列热平衡表1.3。表1.3 热平衡表 热收入 热支出项目燃料化学热燃料物理热助燃空气物理热冷风带入的热量Q热量/GJ231.8114.2521.3017.79285.14%81.305.007.476.24100.00项目热风带出的热烟气带走的热化学不完全燃烧损失煤气中机械水吸收的热量冷却水吸收热量冷风管道散热炉体表面散热热风管道散热热平衡差值Q热量/GJ218.8140.86002.20.100.433.0319.71285.14%76.7414.33000770.040.151.066.91100.00 4.热效率计算（1）热风炉本体热效率：1 =(Q1Q4Q6Q8)/(QQ4)100% =(218.8117.790.103.03)/(285.1417.79)100% =76.36%（2）热风炉系统热效率(Q1Q4)/(QQ4)100%= (218.8117.79)/(285.1417.79)100%=75.19%1.3热风炉设计参数确定由以上计算确定热风炉的主要设计参数如表1.4。表1.4 热风炉设计参数 项目参数发生炉容积 /m3发生炉利用系数 /t/m3发生炉入炉风量 /m3/min冷风温度 /设计风温 /拱顶温度（最高） /废气温度 /空气预热温度 /煤气预热温度 /送风制度 燃料 18002.3380012011001300350300300两烧一送制发生炉煤气 第二章热风炉结构设计2.1设计原则（1）本着技术先进成熟、完善和节能的原则；（2）热风炉工艺布置合理顺畅，充分考虑施工及生产过渡的可行性。（3）因地制宜，充分利用现有地形，最大限度的减少占地面积。（4）采用适用可靠的设备和材料，以确保稳定、安全生产的需要。2.2 工程设计内容及技术特点2.2.1设计内容设计三座热风炉，三座热风炉送风时，可实现两烧一送制，（1）设计三座热风炉，包括炉壳、基础（与原有基础的连接）、炉蓖子、燃烧器和耐火材料等；（2）烟道、热风支管、煤气管道、助燃空气支管、新建三列框架；（3）设计三座热风炉的阀门（每座共11台），及相应的液压控制和供电；（4）相应设计三座热风炉的自动化检测设备和控制系统；2.2.2 技术特点热风炉采用顶燃式热风炉；热风炉炉底采用弧形板；热风出口采用组合砖；炉篦子单独支撑在柱子上。2.3结构性能参数确定已知：发生炉有效容积为1800m3，每立方米发生炉有效容积应具有的蓄热面积为98m2/m3，选定三座热风炉。热风炉全部蓄热面积为：981800=m2。蓄热室有效断面积为：55.4m2。每座热风炉的蓄热室受热面积为：58790 m2。热风炉主要性能参数列表如表2.1。表2.1热风炉主要技术特性序号名 称单 位设计值备 注1发生炉容积m318002热风温度11003入炉风量m3/min38004热风炉座数座3顶燃式5热风炉全高mm451906热风炉炉壳内径mm9430/ 7000/111207蓄热室断面积m255.48发生炉煤气燃烧量Nm3/ h273839格子砖高度m21.8410热风炉高径比H/Dm/m4.0611一座热风炉蓄热面积m25879012格子砖型式19孔30mm13单位鼓风蓄热面积m2 /m34414单位发生炉容积蓄热面积m2 /m39815单位鼓风量格子砖重量t/m31.222.4蓄热室格子砖选择20世纪50年代，我国热风炉用耐火材料主要是黏土砖，格子砖是片状平板砖，品种也比较单一。基本上满足了当时800900风温要求。60年代，由于发生炉喷煤技术的发展，风温有了很大的提高，在热风炉的高温部开始用高铝砖砌筑，格子砖也由板状砖，发展到整体穿孔砖，基本上满足了风温10001100的要求。70年代，开始将焦炉用硅砖移植应用到热风炉，使热风炉的耐火材料又上升了一个新台阶。80年代和90年代，我国进入改革开放时期，热风炉耐火材料又有了新的长足的进步和发展。具体情况概述为：1.低蠕变高铝砖的开发与研制。2.在热风炉炉壳内侧喷涂一层约60mm的陶瓷喷涂料。热风炉投产后在高温的作用下，喷涂料可与钢壳结成一体，有保护钢壳和绝热的双重作用，热风炉的各不同部位采用不同的喷涂料。3.热风炉砌体的开口部位，如人孔、热风出口、燃烧口等处是砌体上应力集中的部位，这些部位广泛的使用组合砖，使各口都成为一个坚固的整体。4.广泛地开发了带有凹凸口的上下左右咬合的异型砖，达到了相邻砖之间自锁互锁作用，增强了砌体的整体性和结构强度。5.用耐火球代替格子砖的球式热风炉，在中小发生炉得到广泛的应用。为了适应高风温要求，本次设计中格子砖采用19孔型式，从顶部至炉篦子表面分4段砌筑，各段材质如下（由上至下）：硅砖、低蠕变粘土砖、粘土砖、低蠕变粘土砖。蓄热室格子砖热工性能见表2.2。 表2.2：19孔格子砖（d=30mm）参数1格子砖安装面积m20.2格子砖安装体积m30.31M3格子砖加热面积 fm2/m348.5743 4活面积 m2/m30.3643 5填充系数(1-)m3/m30.6357 6流体直径dhmm307当量厚度smm26 81M3格子砖块数块 159 9耐火材质RN-42低蠕变粘土硅质101M3格子砖重量t/m31.399 1.589 1.176111单块格子砖的重量kg8.79 9.99 7.392.5热风炉管道系统及烟囱2.5.1顶燃式热风炉煤气主管包括：发生炉煤气供应管道直径1220x6 mm； 煤气换热装置（HESG），用于将煤气预热到180 。使用带中间液态导热的换热器；连接每座热风炉的煤气支管，至分配阀处具有外部保温。每座热风炉的煤气管线应安装下列装置：垂直段装有两个波纹补偿器，煤气切断阀和流量孔板。当煤气管道内的温度增加时波纹补偿器用于进行补偿。水平段设有煤气调节节流阀和一个波纹补偿器构成的“万向”补偿器，带配重的煤气快速切断阀和三杆分配阀；带调节螺丝的支架用于在更换分配阀时提升连接管线并将其保持在预设的水平位置；弹簧架用于承重垂直段煤气管线以及分配阀后的设备。同时在加热热风炉炉壳时支架还可用于提升垂直段和上述设备且没有任何拉伸应力；从闸阀至预燃室的煤气管道连接件有两层（114mm和5mm）。从接到停炉信号至关闭带配重的煤气快速切断阀所用时间应不超过3秒。在密封状态下，阀门的紧密度应保证完全没有煤气泄漏。煤气切断阀，煤气分配阀和空气燃烧分配阀应在安装前测试密封度，在设备安装时也应对阀的密封度进行检测。2.5.2顶燃式热风炉空气主管包括：两台风机，每台输出量为m3/h（1台工作，1台备用）；热管道上的“烟气”换热器（HESA）用于将煤气加热到180 ；预热的助燃空气收集器；每座热风炉的空气支管直径为1420x10mm，至分配阀处带有外部保温；垂直管路段设有补偿器，类似于煤气补偿器，板阀和流量孔板；水平管路段设有调节节流阀， “万向型”补偿器，助燃空气三杆分配阀；带调节螺丝的支架用于更换分配阀时提升连接件并将其保持在预设的水平位置；弹簧架用于承重垂直段煤气管线以及分配阀后的设备。同时在加热热风炉炉壳时支架还可用于提升垂直段和上述设备且没有任何拉伸应力；从分配阀至预燃室，空气管道连接件有两层（114mm和5mm）；空气主管路分配阀的要求与煤气主管分配阀的要求相同。2.5.3顶燃式热风炉烟气主管包括：两路内径为1600mm的水平烟气支管，与每座热风炉成轴向45o；两个三杆烟气分配阀，直径1600mm；两个波纹补偿器；外部烟道，直径4520x10mm，带内外保温；烟道至煤气和助燃空气换热器间的带烟气节流切断阀的支管，内径为2800mm，位于煤气换热器前，内径为2600mm，位于助燃空气换热器前；内径为2600mm的煤气换热器和内径为2400mm的空气换热器之间的支管，换热器用于预热煤气和空气；装配冷却烟道；带烟气节流阀的旁路烟道，用于将烟道和烟囱隔开，节流阀直径为4000mm。2.5.4顶燃式热风炉冷风主管道包括：冷风主管，直径1220x6mm；冷风支管，直径1220x6mm；“万向”型补偿器；冷风阀，直径1100mm；冷风混风管道，直径900mm；混合节流阀，直径900mm；混合切断阀，直径900mm。2.5.5顶燃式热风炉热风主管道包括：每座热风炉热风连接管道；砌衬热风闸阀，直径1500mm；两个波纹补偿器通过调节装置连接，形成“万向”补偿器；在热风闸阀和补偿器间应装有带螺丝的支架。用于在维修阀门时提升连接件并将其支撑在要求位置处；从各热风炉至热风主管道的热风支管；热风管道，标高26.600mm，内径1598mm；补偿器间通过气流调节装置连接，形成“万向”型补偿器，以及“直抽烟囱”与垂直段间的连接段；本次设计在热风管道间为每座热风炉安装“万向”补偿器，由于压力的经常变化会影响补偿器的寿命，进而导致周期性金属疲劳。从热风炉方面看，压力在每个切换周期均会改变。从主管道方面看，压力只有在发生炉停炉时发生改变，这种情况很少发生。因此，“万向”补偿器的使用寿命更长。2.6 热风炉附属设备和设施（1）热风炉主要阀门热风炉在高温下长期运行，其辅助设备特别是热风炉各主要阀门必须与高风温相适应。尤其是隔热阀，热风炉的燃烧期与送风期的正常工作和切换，都要靠热风阀门的开闭来实现，热风阀在1000-1300的高温和约0.25Mpa的压力的恶劣条件下工作。采用具有耐火材料保护的汽化冷却热阀门，其他阀门也要提高质量，特别是密封性。根据热风炉周期性工作的特点，可将热风炉用的阀门分为控制燃烧系统阀门和控制鼓风系统阀门。控制燃烧系统阀门主要有燃烧阀、煤气调节阀、煤气切断阀、助燃空气调节阀、烟道阀等；控制鼓风系统的阀门有放风阀、混风阀、冷风阀、热风阀、废风阀等。送风通路时，热风炉除冷却阀门和热风阀门关闭外，其它阀门全部打开；休风时，热风炉全部阀门都关闭。本次设计中热风炉阀门采用液压阀门，每座热风炉的各种阀门规格及数量见下表23。表2.3热风炉阀门表序号名称及规格数量(个)耐温要求1热风阀DN1300313002倒流休风阀DN1100113003混风切断阀DN80012504助燃空气切断阀DN140032505煤气切断阀DN140032506煤气燃烧阀DN140032507烟道阀DN160064508废气阀DN40034509冷风阀DN1200322010充压阀DN250322011氮气阀DN10035012煤气放散阀DN250320013煤气支管放散阀DN150325014换热器空气出口切断阀DN2000125015换热器空气进口切断阀DN180023016换热器煤气出口切断阀DN2000125017换热器煤气进口切断阀DN200023018换热器烟气切断阀DN2800445019主烟道旁通阀DN3600145020助燃风机出口切断阀DN180023021助燃空气放散阀DN60013022冷风放风阀（配消音器）DN16001220（2）波纹补偿器热风炉系统在热风管道、冷风管道设置各种波纹补偿器，以吸收管道的变形。（3）炉篦子及支柱采用蘑菇型无缝格子砖蓖子。篦子单独支撑在柱子上，可使废气温度可升高500。可减少格子砖的高度，同时在平均烟气温度升高时也可提高预热煤气和空气温度。（4）热风炉检修设施热风阀侧为框架结构，设置一台Q20t，LK9.5m的电葫芦，起重能力为10t的电动葫芦一台，对框架内的各阀门进行检修和更换。 （5）维护平台应安置在热风炉的下列位置：带烧嘴的拱顶上；煤气和空气支管的入口处，且装有控制观察孔和熄火传感器的位置；热风连接件下部其他设备周围所有主要设备都应安装在KSS热风炉支架处的桥式吊车和单轨的操作区域。2.7热风炉基础设计基础为钢筋混凝土大体积基础。2.7.1 热风炉炉壳炉壳材质采用Q345C级钢。2.7.2 热风炉区框架及平台（包括吊车梁）热风炉区框架采用钢框架，钢筋混凝土独立基础。柱断面为双工字形断面，梁为工字形断面。柱脚为插入式柱脚。第三章 热风炉用耐火材料的选择3.1耐火材料的定义与性能耐火材料在冶金过程中，在各种设备上都有广泛的应用。凡在高温下（耐火度大于1580以上），能够抵抗高温骤变及物理化学作用，并能承受高温荷重作用和热应力侵蚀的材料叫做耐火材料（又叫耐火砌体）。耐火材料用于各种高温设备中，它受着高温条件的物理化学侵蚀和机械破坏作用。耐火材料的性能应满足如下要求：（1）耐火度要高，在高温作用下具有不易熔化的性能；（2）高温结构强度要大，荷重软化点要高；（3）热稳定性要好，当温度急剧变化时不致破裂和剥落；（4）抗渣性能强，能抵抗炉渣、金属及炉气等的化学侵蚀作用；（5）具有一定的高温体积稳定性；（6）外形尺寸规整、公差要小。3.2热风炉耐火材料的选择选取高质量耐火材料的目的是为了防止在长期高温或高载荷工作条件下，砌体变形、下陷、扭曲等不良现象的出现，是保证热风炉高风温长寿的重要条件。为了适应热风温度1200，满足热风炉长寿的要求，热风炉在不同区域采用不同的耐火材料。首先给出设计中参考耐火材料理化性能表：格子砖蓄热室的上部区采用硅砖RGZ-94。中部区采用低蠕变粘土砖RN-42a。下部区采用粘土砖RN-42。采用的隔热材料如下：轻质高铝砖GGR-1.2（用于高温区），比重为1.0 kg/m3（NG-1.0）和0.8 kg/m3（NG-0.8）的轻质粘土砖以及耐火纤维材料。本次设计的顶燃式热风炉拱顶由其炉壳下部的圆柱段独立支承。热风连接管件位于拱顶的圆柱段。点火燃烧器连接管件位于同一区段。在拱顶的圆柱段上方设有一个带喉管的锥形部分。煤气与空气混合燃烧气体经喉管自预热室进入拱顶的下部。该顶燃式热风炉拱顶区的耐火材料衬的内层采用450 mm厚的RGZ-94硅砖。隔热层采用轻质高铝砖，轻质粘土砖和耐火纤维材料。此外，顶燃式热风炉炉壳外喷涂隔热喷涂料。燃烧器位于拱顶的顶部，同时其格子砖独立地支承在炉壳上。该燃烧器有其自己的钢外壳，燃烧器的头部为半球面覆盖。燃烧器本身为耐热粘土砖HRN-48制作，并设有莫来石-硅酸纤维隔热材料。燃烧器段也为耐热粘土砖HRK制作。炉壳的球形区设有喷涂层。燃烧器设有环形气煤-空气两用收集器。为了使耐火材料衬砌筑坚实，并具有非常好的可靠性，应在收集器周围敷设模制砖。煤气与空气通过喷嘴自收集器进入预热室。然后，进行混合，并通过预热的预热室格子砖进行点燃。下列管线应敷设至燃烧器：-管子内径为1400 mm的两层衬煤气管线，一层衬厚度为114 mm，另一层衬厚度为5 mm；-内径为1400mm的空气管线；将通过拱顶上的热风支管送热风。连接管设有热风阀和两个万向补偿器，当热风炉炉壳发生热膨胀时，适用连接管与直热风管之间所产生的伸缩。靠近热风炉的热风连接管线的耐火砖层采用莫来石-刚玉砖（RDL-75），厚度为230 mm。连接管线的隔热材料采用轻质粘土砖和莫来石-硅酸盐纤维材料（LYGX-364）。参考文献1、高风温长寿热风炉研讨会论文集C北京：中国金属学会,2005：45-532、成兰伯发生炉炼铁工艺及计算M北京：冶金工业出版社,1990：243-2583、唐兴智，唐冬宁，汪浩我国大型顶燃式热风炉的技术进步R.鞍钢修建公司1-34、张福明高温长寿型顶燃式热风炉的应用R首钢总公司1-25、重庆钢铁设计研究院.炼铁机械设备设计M北京：冶金工业出版社,1985：381-3836、Roland Wanker，Harald Raupenstrauch，Gernot StaudingerA fully distributed model for the simulation of a catalytic combustorJChemical Engineering Science,2000(55)4709-47187、周传典发生炉炼铁生产技术手册M北京：冶金工业出版社，2003：482-4968、唐兴智 唐冬宁 汪浩 陈静之 陈习文，高温长寿型顶燃式热风炉的应用，鞍钢技术，2005年第五期。9、贾国栋窦庆和刘宝成(安阳钢