某鋼廠1080m3高爐頂燃式熱風爐的設計與應用

李學華

（中冶華天工程技術有限公司，安徽馬鞍山 243005）

某鋼廠1080m3高爐頂燃式熱風爐的設計與應用

李學華

（中冶華天工程技術有限公司，安徽馬鞍山 243005）

某鋼廠為滿足風溫要求，設計了1080m3頂燃式熱風爐。介紹了該風爐蓄熱室設計參數、燃燒器設計特點和耐材結構設計方法，以及投產后熱風爐的風溫、風壓、主要部位的溫度、換熱器的預熱溫度等實際操作參數。熱風爐投產后，風溫達到1200～1230℃，滿足了高爐對風溫、熱交換及燒爐的要求。

頂燃式熱風爐；風溫；蓄熱室；燃燒器

1 引言

頂燃式熱風爐概念的提出帶來了熱風爐設計的革命。在國內，隨著首鋼型大拱頂多切向預混燃燒器（2～4個）頂燃式熱風爐的淘汰，以卡魯金熱風爐為代表的新型頂燃式熱風爐逐漸在各級別高爐中得到推廣和運用。由于使用年限較短，相關的研究和實踐數據還較少。新型頂燃式熱風爐取消了傳統內燃式、外燃式熱風爐的獨立燃燒室，將熱風爐的拱頂作為燃料燃燒的空間；在拱頂之上另設一個直徑較小的預燃室（燃燒器），內有煤氣和空氣的集氣室和噴口，采用擴散火焰燃燒。燃燒器火焰較短，且燃燒器結構簡單、運行中溫度較低，使用壽命長。頂燃式熱風爐具有減少散熱損失、提高風溫、節約占地面積、節約投資、耐材結構穩定、壽命長等許多優點。

某鋼廠一期新建2座1080m3高爐，計劃年產量200萬t。高爐配3座新型頂燃式熱風爐，在全燒高爐煤氣的條件下，要求年平均風溫1150～1200℃。采用熱管式換熱器回收煙氣余熱，預熱煤氣和助燃空氣。

2 設計方法

2.1 熱風爐設計參數

熱風爐蓄熱室格子磚分3段，材質分別為RG-95、DRL-135、DRN-115。熱風爐燃燒和熱平衡計算得到：單爐平均煤氣量，50500Nm3/h；單爐理論平均空氣量，36500Nm3/h；單爐平均煙氣量，81300Nm3/h。蓄熱室內煙氣理論流速：1.78Nm/s。

熱風爐原始設計參數見表1。

熱風爐性能參數見表2。

2.2 熱風爐耐材設計

拱頂和蓄熱室上部采用Si磚作為內層耐火層，Si磚具有很好的高溫抗蠕變性。采用輕質高鋁磚和輕質黏土磚作為隔熱層；隔熱磚和噴涂層之間設有硅酸鋁耐火纖維制品以吸收膨脹和絕熱。蓄熱室中部和下部分別采用低蠕變高鋁磚（DRL-135）和低蠕變黏土磚（DRN-115）作耐火層，使用輕質黏土磚作隔熱層，并和爐殼之間設有硅酸鋁耐火纖維制品。

表1 熱風爐原始設計參數

表2 熱風爐性能參數

熱風爐的燃燒器內層采用高抗熱震性磚RT-B（Al2O3≥55%），因為這部分磚需承受周期性的燃燒和送風交替的較大幅度的溫度變化。緊貼RT-B磚的燃燒器環道和噴嘴采用黏土磚HZN-42。

拱頂耐材和預燃室耐材分別通過拱頂底部的磚托和預燃室底部的磚托獨立支撐在熱風爐爐殼上。蓄熱室砌體、拱頂砌體以及預燃室均可獨立自由膨脹，并由迷宮縫保證彼此之間的密封。熱風爐拱頂錐段采用平砌的方式，即層與層之間的磚縫平行于地面，磚的內表面與水平方向成60°逐漸向內縮；內層磚及第一層隔熱磚采用異型磚，內層磚設置子母槽。實踐證明，這種砌筑方法雖然簡單，但使用可靠，實際生產中沒有出現拱頂坍塌的情況。

熱風爐爐體各口均采用組合磚，熱風出口組合磚采用低蠕變高鋁磚DRL-150a，DRL-150a相對于DRL-150增加了抗熱震性指標。

2.3 熱風爐燃燒器設計

頂燃式熱風爐的燃燒器是其設計的核心之一。燃燒器的設計合理和正常使用是保證送風溫度的前提。燃燒器的設計要保證一定量的煤氣和空氣通過燃燒器進入爐內后在蓄熱室以上充分燃燒，不能發生燃燒不完全的情況。這里采用擴散火焰，要求煤氣在拱頂空間大量、充分燃燒，而在預燃室只是進行預混合少量燃燒，降低預燃室的溫度。

煤氣和空氣進入各自的環道（集氣室），分別通過兩層沿圓周方向均布的噴口噴入爐內。從上到下第一層、第二層和第四層噴口均與半徑方向成一定夾角，使進入爐內的氣體形成一定程度的切向旋流；第三層噴口沿半徑方向、并向上傾斜一定角度噴入爐內，與其他各層氣體形成交叉切割的關系，從而加強混合。通過合理的燃燒器噴口大小和切向角度的選取，以及與熱風爐煤氣量和拱頂直徑相適應的預燃室內徑，可以保證燃燒器達到使用要求。燃燒器的噴口流速一般取1 8.0～20.0m/s，切向噴口與半徑方向的夾角取25°～27°。

投產后熱風爐喉口底部（拱頂頂部）的溫度約800℃，而熱風爐拱頂（熱風爐出口的高度）的溫度約1330℃。說明大量燃燒在拱頂內進行。在燃燒期，預燃室頂部的溫度最高400℃，煤氣環道和空氣環道的溫度為200～250℃；在送風期，預燃室頂部的溫度最高約760℃，煤氣環道和空氣環道的溫度約450℃。說明熱風爐燃燒器耐材承受著周期性的熱震；由于熱風輻射的影響，送風期溫度高于燃燒期溫度。

2.4 熱風爐的余熱回收和管道外保溫

熱風爐燒爐后的廢氣平均溫度有300℃，如果直接排放，則是能源的浪費。采用余熱回收裝置回收廢氣余熱，用于加熱煤氣和助燃空氣，可以提高煤氣的理論燃燒溫度，從而提高風溫。這里采用熱管換熱器回收廢氣余熱，預熱煤氣和助燃空氣。

表3為高爐投產后某日（2012年7月）換熱器前后的溫度檢測數據。

實踐中證明，采用熱管換熱器預熱煤氣和空氣，至少可以將風溫提高50℃。設計中采用了煙氣——煤氣——空氣一體式換熱器，結構緊湊，節約占地面積。

表3 熱管換熱器預熱溫度

對冷風管道、煤氣管道以及預熱器后的空氣管道進行厚度為100mm的外保溫，以減少在室溫環境中氣體熱量的損失，提高風溫。冷風溫度實際中測得數據為222℃（冷風壓力334kPa）。

熱風管道采用低蠕變高鋁磚DRL-135和隔熱磚LG140-0.8L、NG120-0.6砌筑，管殼內表面噴涂輕質保溫噴涂料，上方120°范圍內磚襯與噴涂料之間充填16mm厚的硅酸鋁棉毯。熱風管道內襯總厚度約450mm。熱風管道上各三岔口采用組合磚砌筑。熱風管道的內襯既要保證管道耐材在1200℃的高溫條件下的穩定性和耐用性，又要兼顧保溫隔熱性能，保護管殼并減少熱風的散熱損失。設計中采用合理的總圖布置、縮短至高爐段熱風總管的長度，減少了散熱損失，提高了風溫。

煙氣管道采用管殼內表面噴涂輕質保溫噴涂料，厚度115mm。保護管殼的同時減少散熱損失，提高換熱器的預熱溫度。

3 應用效果

該鋼廠一期2座高爐分別于2011年4月和12月投產，投產后單座高爐年產量110萬t。熱風爐實際加熱風量約為2750Nm3/min；冷風壓力334kPa，送風壓力325kPa；混風前熱風溫度1210～1293℃，混風后熱風溫度維持在1200℃。熱風爐穩定的高風溫為高爐順行、達產提供了有利的條件。表4為2012年7月高爐的生產指標。

表4 高爐的生產指標（2012年7月）

4 結論

（1）實踐證明，在全燒高爐煤氣的條件下，采用熱管式換熱器預熱煤氣和助燃空氣，新型頂燃式熱風爐可以實現送風溫度1200～1230℃，全年平均風溫可以達到1200℃。

（2）本座熱風爐的蓄熱室參數：采用19孔Φ30mm的格子磚，單位風量的加熱面積36.2m2/Nm3·min，單位爐容的加熱面積107.7m2/m3是夠用的，滿足了熱風爐熱交換的要求。

（3）本座熱風爐燃燒器設計滿足了熱風爐的燒爐要求，滿足生產需要。

[1]劉國軍.天鐵煉鐵工序節能實踐[J].天津冶金，2009（6）：43-44.

[2]項鐘庸，王筱留.高爐設計-煉鐵工藝設計理論與實踐[M].北京:冶金工業出版社，2007.

Design and Application of Top Fired Hot Blast Stove of 1080m3 BF of Certain Steel Plant

LI Xue-hua

(Huatian Engineering&Technology Corporation,MCC,Maanshan,Anhui Province 243005,China)

The 1080m3top fired hot blast stove was designed for Certain Steel Plant to meet the requirement on blast temperature.The paper describes the design parameter of its regenerative chamber,combustor design features and the design approach of refractory structure.It also expounds actual operating parameters such as the blast temperature and pressure,temperatures at major positions and exchanger preheating temperature of the stove after start-up.After the stove was put into operation,the blast temperature reached 1 200～1 230℃ and the demand by the blast furnace on blast temperature,heat exchange and combustion was met.

top fired stove;blast temperature;regenerative chamber;combustor

2013-01-05

2013-01-27

李學華（1980—），女，湖北隨州人，碩士，工程師，主要從事高爐煉鐵熱風爐系統設計工作，E-mail：lgsluo@163.com。

（編輯 潘娜）