基于數學模型的高爐熱風爐合理工藝周期的分析

王 冰

(中冶京誠工程技術有限公司，北京 100176)

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基于數學模型的高爐熱風爐合理工藝周期的分析

王 冰

(中冶京誠工程技術有限公司，北京 100176)

高爐熱風爐是高爐煉鐵的重要設備，通過為高爐提供預熱的高溫空氣，輔助高爐的作業生產，并提高高爐熱效率。生產過程中，高爐熱風爐以爐組的方式，通過燃燒期和供風期的交替，保證向高爐輸送熱風的連續。目前的研究和工程現狀，由于變周期操作存在著較大的難度，熱風爐常采用固定的工藝周期。然而，這種操作方式，可能會帶來燃料能量的浪費以及供風溫度不穩定等問題。文中建立了熱風爐單體傳熱模型，通過對時下熱風爐組的供風交替方式進行分析，得到了三座和四座熱風爐供風的情況下較好的周期運行方式。

變周期；熱風爐組

0 引 言

熱風爐作為高爐煉鐵的重要設備，供給高爐的熱量占高爐總能耗的25%以上，消耗的高爐煤氣占高爐產生的總煤氣量的50%左右，同時研究表明，熱風溫度每提高100可以降低焦比3%～4%，同時可以增產3%～5%[1]。

完整的熱風爐工作周期包括燃燒期、送風期和換爐期。通常情況下，為保證熱風爐在不同周期情況下連續地向高爐輸送熱風，一座高爐要配備3座或4座熱風爐進行交替工作。多座熱風爐的基本送風制度主要有三種：單獨送風、交錯并聯送風(兩燒兩送制)、半并聯送風[2]。在實際生產中，由于對合理周期制度的研究較少，目前熱風爐常采用固定的運行周期燃燒送風。然而，固定周期運行的熱風爐并不能保證最優的運行效果[3]，可能會出現熱風溫度低于高爐生產所要求溫度值的現象，如圖1所示。

圖1 固定周期熱風爐風溫曲線

同時，熱風爐采用固定周期還會由于單體熱風爐存在個體特性的差異，固定周期會因為各個熱風爐積蓄熱量的區別, 導致風溫波動較大等問題。

目前，很多學者對熱風爐可變的工藝周期進行研究[4-6]，然而由于實現可變周期運行的復雜性，并沒有得到廣泛應用。文中已頂燃式熱風爐為例，先通過對熱風爐單爐的研究驗證數學模型的正確性，再通過對熱風爐各工藝周期關系的研究，對三座、四座熱風爐配合工作下的典型配合方式進行了分析，得到了合理的工藝周期。

1 熱風爐蓄熱室傳熱過程數學模型

文中通過文獻[7-8]中的經典模型和假設條件作為數學模型的建立依據，將熱風爐蓄熱體內的物理模型進行了簡化，簡化后的物理模型如圖2所示。

圖2 簡化模型幾何示意圖

假設氣體為理想氣體，忽略其徑向溫度變化，根據能量守恒方程和連續性方程建立如下氣體控制方程：

(1)

式中：Tg為氣體溫度，℃；Ts為固體溫度，℃；vg為氣體流速，m/s；ρg為氣體密度，kg/m3；Cp,g為氣體的熱容，J/kg·℃；h為氣固換熱系數，W/m2·℃；Dh為格孔水力直徑，m。

根據能量守恒，對管壁得出如下固體控制方程：

(2)

式中：Ts為固體溫度，℃；ρs為固體密度，kg/m3；Cp,s為固體熱容，J/kg·℃；ks為固體導熱系數，W/m·℃。

忽略徑向的溫度變化，將其進行簡化后可以得到：

(3)

傳熱系數采用文獻[9]和[10]中的經典公式，對流換熱系數可以通過粗糙管道的相關方程計算得出。

當流動為湍流時(雷諾數Re>10000)：

當流動為層流時(雷諾數Re<2200)：

(5)

式中：C為格子磚表面的粗糙度系數，為了接近實際情況，取1.2。當流動處于層流和湍流之間的過渡狀態時，可利用雷諾數Re在2 200～10 000 進行內插值法求得其對流換熱系數。輻射換熱系數可由下式確定：

(6)

式中：εs為固體吸收率；εg為氣體吸收率。

通過對傳熱方程進行離散化處理，并給定其邊界和初始條件，對模型進行求解。

2 熱風爐不同送風制度工作特性分析

熱風爐進行不同送風制度時，其風溫和風量會發生變化，但應滿足高爐的需求。設燃燒期、送風期和換爐期時長分別為τ燃、τ送和τ換，其工藝周期之間的關系如表1和通過表1對各周期關系的分析，在滿足假定參數的情況下，分別計算出相應的送風期時間，且在滿足熱風爐工況穩定的情況下，計算得到各供風制度下熱風溫度的對比，計算結果如圖3和圖4所示。

圖3 熱風爐不同送風制度單體送風溫度曲線

表所示，其中黑線表示熱風爐的送風期，紅線為送風量的變化。本節假定τ燃=120min和τ換=10min的情況下，比較不同送風制度下的各項參數。對于半并聯送風和交錯并聯送風的情況，為滿足爐組的風溫和風量滿足要求并保持穩定，需滿足如下關系，即：

(7)

圖4 熱風爐不同送風制度疊加送風溫度曲線

式中：G1為先行爐的送風量，Nm3/h；G2為后行爐的送風量，Nm3/h；G為總送風量，Nm3/h；T1為先行爐的送風溫度，℃；T2為后行爐的送風溫度，℃；T為最終送風溫度，℃。

本節采用第二節中建立的熱風爐模型，冷風入口溫度取150 ℃，最低供風溫度為1 150 ℃，在熱風爐達到穩定運行狀態時得到計算結果并進行分析。

表1 三座熱風爐不同送風制度工藝周期關系

通過表1對各周期關系的分析，在滿足假定參數的情況下，分別計算出相應的送風期時間τ送，且在滿足熱風爐工況穩定的情況下，計算得到各供風制度下熱風溫度的對比，計算結果如圖3和圖4所示。

表2 四座熱風爐不同送風制度工藝周期關系

通過對上述結果的分析，我們可以得到：在燃燒期相同的情況下，兩燒一送制度的送風期時間最短，交錯并聯送風制度的送風期最長。對比圖3和圖4可以發現，盡管各供風制度下單體熱風爐的熱風溫度區間差別不大，但由于熱風爐通過變風量的配合送風，導致混合的熱風溫度變化趨勢存在了較大的差異：

(1)兩燒一送時由于始終只有一座熱風爐送風，其疊加后的送分溫度曲線與單體相同。

(2)半并聯送風時，送風溫度曲線分為三部分：在送風前期開始時先行爐送風量所占比例較大，所以送風溫度會先降低，隨著先行爐的送風量不斷減少，后行爐的送風量不斷增加，溫度會繼續升高；在送風中期，由于蓄熱體溫度的降低送風溫度也隨之降低；送風后期時，后行爐變先行爐，送風量不斷減少，下一后行爐開始送風，工作狀態與送風前期相同。

(3)對于交錯并聯送風，其工作過程與半并聯送風相同，但由于任意時刻都有兩座熱風爐進行合并供風，因此混合風溫波動較小。詳細的計算結果見表3。

表3 三座熱風爐不同送風制度計算結果

由表3可以看出，隨著送風制度由兩燒一送向半并聯和交錯并聯送風的變化，混合熱風的溫度有所升高，而煙氣出爐平均溫度有所降低；單爐的燃料消耗量有所增加，隨著單體燃料消耗量的增加，氣固換熱得到加強，因此爐組的燃燒消耗量反而有一定的減少。但是對于交錯并聯送風，單體的燃料消耗量過大，會使燃燒器的負荷加重，需要開發大符合的燃燒器以滿足需求；對于兩燒一送，由于送風期時間較短，換爐的頻率會增加，影響爐體的壽命。因此，綜合以上考慮，對于三座熱風爐半并聯送風的各項參數相對較好，但是該送風制度對風量的控制比較復雜，在實際的應用中較少，目前對于三座熱風爐大都采用兩燒一送制度，這也是造成能源浪費的一個原因。

3 結束語

文中對三座熱風爐送風下的風溫制度進行了分析，并對各運行特征進行了綜合的對比，得到了不同制度下較好的爐組工作制度。

通過對不同制度下的配合方式與實際生產所采用的方式進行對比，驗證了本文研究結果的正確性，為高爐熱風爐變周期的最優選擇提供了一定的依據。

[1] 賈馮睿, 劉 楊, 馮耀強, 等. 高爐熱風爐高風溫技術[J]. 工業爐, 2009(4):5-8.

[2] 劉全興. 高爐熱風爐操作與煤氣知識問答[M]. 北京: 冶金工業出版社, 2005.

[3] 邢一丁, 溫 治, 劉訓良, 等. 高爐熱風爐高效送風策略的研究進展及發展趨勢[J]. 工業爐, 2008(5):10-14.

[4] 孫進生, 吳建華, 許小強. 高爐熱風爐可變周期運行策略的研究和實現[J]. 自動化儀表, 2006(S1):97-100.

[5]MuskeK,HowseJ,HansonG.TemperatureProfileEstimationforaThermalRegenerator:Proceedingsofthe38thConferenceonDecisionandControl, 1998[C].

[6]MinetF,HeyenG,KalitventzeffB.DynamicDataReconciliationofregenerativeHeatExchangerscoupledtoaBlastFurnace: 11thEuropeanSymposiumonComputerAidedProcessEngineering, 2001[C].

[7] 羅海兵, 陳維漢. 蓄熱式換熱器傳熱過程的數值模擬[J]. 化工裝備技術, 2004(4):14-19.

[8] 郭敏雷, 程樹森, 張福明, 等. 熱風爐送風期格子磚溫度分布計算[J]. 鋼鐵, 2008(6):15-21.

[9] 項鐘庸, 郭慶弟. 蓄熱式熱風爐[M]. 北京: 冶金工業出版社, 1988.

[10] 張福明. 我國大型頂燃式熱風爐技術進步[J]. 煉鐵, 2002(5):5-9.

Analysis of Reasonable Process Cycle Based on Mathematical Model of Hot Blast Stove

WANG Bing

(Capital Engineering & Research Incorporation Ltd. MCC，Jian An Street, Economic Development Zone, Beijing, 100176, China)

Hot blast stove is an important device for blast furnace, which helps blast furnace operate product and improve its efficiency by means of provide hot air preheated. In the product process, the hot blast stoves work as a group to ensure the continuity of hot wind for the blast furnace by means of the turns of heating cycle and wind cycle. At present, because it is difficult to operate the stoves at variable cycles, fixed cycles are frequently adopted. However, it will easily result in the waste of fuel and the unstable wind temperature in this way. In this paper, we established the single heat transfer model of the hot blast stove, and analyze the way of alternate wind cycle with stove groups, and obtain the best ways of operating cycles in the case of three and four hot blast stoves as a group.

Operating cycles; Stove group

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.03.006

2014-12-15

2015-01-31

王 冰(1983-)，男，北京市大興區，主要從事冶金工業爐窯設計工作。

TK229.3

B

1009-3230(2015)03-0027-04