高爐熱風爐理論與設計

摘 要：應用傳熱學理論，建立了描述熱量飽和時間的非穩態二維傳熱數學模型。運用VB語言進行程序設計，通過計算機模擬和可視化輸出，直觀地反映了熱風爐一個周期內的傳熱過程特性和規律，并對結果進行分析，為蓄熱室最佳操作時間的確定和優化，以及耐火材料的配置提供了理論依據。

關鍵詞： 熱風爐；蓄熱體；傳熱；數值模擬；耐材配置

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.17.039

0 引言

我國高爐均使用設有燃燒和蓄熱室的熱風爐。燃燒室制造供熱交換的熱量。燃燒室在燃燒時產生的煙氣會通過熱風爐頂開始下降，在煙氣下降的過程中，煙氣會隨之冷卻，但熱量會透過格磚被傳遞。同時，鼓風會在轉向之后在蓄熱室上升時加熱。蓄熱室的格磚受熱風爐工作周期性的影響，也在重復經歷加熱和冷卻的間斷式處理。本文主要根據H.Hausen精密控制蓄熱室平衡的理論來建立了熱風爐蓄熱模型，以期能直觀的反應出高爐熱風爐的傳熱過程，為何時為最佳操作時間的選定提供依據。

1 熱風爐理論

上世紀末本世紀初，我國引進霍戈文內燃式熱風爐，俄羅斯卡魯金頂燃式熱風爐、日本新日鐵外燃式熱風爐技術，在我國各設計院各自形成自主知識產權品牌的頂燃式熱風爐技術。南銳工程技術研究人員通過與國內多家企業反饋交流，設計生產了臥式噴煤機和立式爐，應用小型鍋爐及烘干機上，調節靈活，可與鍋爐或需要純凈熱源的設備對接，占地面積小、投資少，為中國鋼鐵行業做出了巨大的貢獻，也為中國自主工業品牌的發展奠定了良好的基礎。

熱風爐根據需求和燃料的差異，其類型也比較多樣。分類如表1

19世紀20年代H.Hausen首次提出了精密控制蓄熱室平衡的理論，即眾所周知的H.Hausen理論，研究其影響周期性溫差的因素，將蓄熱室中溫度振蕩的換向以及過程的條件公式化。

在風爐工作運行過程中，煙氣、格磚的溫度隨時間的推移以及溫度的變化而變化。如圖1所示，表示在送風期格磚、蓄熱室中部格磚及假定格磚溫度隨時間變化的關系。

2 數值計算模型的建立

本公司在Hausen理論的基礎上，采取更為精確的計算處理方法進行結果計算，深入拓展，近期，本公司展開了新一輪的深化研究升級。在Hausen理論進行數值計算的基礎下，進行創新，將處于平均溫度分布時，風爐需要計算的項目中加入計算沿蓄熱室橫斷面上的格子磚內部溫度分布。

在熱傳導的基本方程式（1）的基礎上，建立了熱風爐蓄熱模型。模型考慮了格磚的特性、阻損、氣體流動狀態對傳熱的影響。

模型實現了熱風爐三燒一送、一燒一送、變風量交錯并聯、兩燒一送、定風量交錯并聯、等多種送風操作制度下的數值模擬。

目前我公司已把該數值計算模型應用到多座熱風爐工程當中，而且應用效果良好，能為熱風爐提供實際操作指導。

3 格磚溫度結果與分析

應用開發的熱工計算軟件，可以得到燃燒及送風過程中任意時刻的格磚溫度分布，如圖2所示。

從圖2可以看出，對于某一格子磚特定點在高度方向上的溫度分布除首端與末端外，基本上呈直線分布。

經過整理，我們可以得到給定條件下的熱風爐內部蓄熱室燃燒期及送風期格磚內部的橫向溫度分布以及沿格子磚高度方向的縱向溫度分布如圖3所示。

圖3a所示格子磚內部不同點單個格磚溫度隨時間的變化，我們從圖中可以看出燃燒的初期與送風初期不是隨時間呈現直線變化，其余各時期都是隨時間呈直線變化的。從圖3b以及圖3c我們可以得到格磚內部的溫度分布情況，根據分析不同時期格磚中心溫度與表面溫度的差值變化，可以全面地掌握格子磚在燃燒以及送風的過程中蓄熱傳熱過程特性和規律。

基于建立數字模型時假設格磚頂部的加熱煙氣溫度分布均勻的條件下，在數值計算時處于格磚頂的A點，不考慮其溫度的差異。同樣的，E～F點之間也是一樣的理論基礎。

除去A～B以及E～F這兩處區間，從B～E這一區間可以看出，格磚的橫向溫差異很小，基本處于平緩狀態，而且根據區間的走向分布，清晰的分為三個區間。而后經過分析研究得出，B～E區間發生的溫差變化，是由于格磚材質的影響，不同格磚的材質在熱傳遞中產生的效果也不盡相同，故引起了區間內溫度的差異。圖4中給出的燃燒末期格子磚內部橫向溫差隨高度方向變化可見表2。

從曲線可以看出，B～E區域溫差都在大于60℃區域變化的，表明了此種耐材配置及操作條件下格子磚的剩余利用能力。在不改變耐材配置的條件下，我們可以根據剩余利用能力的大小，在特定的操作模式情況下，通過改變操作計算格子磚的剩余利用能力，從而為選擇最佳操作周期提供理論依據。

如果我們不改變耐材的配置，那么理想的情況是，B～E應該基本上呈現為一條直線。但是，在格子磚外形尺寸一定的條件下，受格子磚材質和傳熱性能不同的影響，格子磚橫向溫差的變化曲線發生了轉折，也就是表現出剩余利用能力不一樣。如果我們選擇不同尺寸的格子磚格子磚內部溫度也會有所不同，選擇尺寸較厚的格子磚應用到傳熱效果較好的區域（如B～C區域）；選擇尺寸較薄的格子磚應用到傳熱效果較差的區域（如C～D，D～E區域），這樣有利于在保持操作周期不變的情況下，提高格子磚的利用效率，以便加強蓄熱室的熱效率。

總結來看，在相同的絕熱條件下，短焰燃燒的溫度就會高一些。如圖5所示，其中設定一個理論空氣量即一定量煤氣完全燃燒所需的理想空氣量，但是在實際燃燒過程中我們所需的空氣量一般要多于理論空氣量，則實際空氣量與理論空氣量的之比即為過量空氣系數。在不同燃燒過程中預混燃燒過程中的實際空氣消耗量要小，擴散燃燒過程中的實際空氣消耗量要更多一點。那么過量的空氣要加熱到燃燒溫度，就損耗實際燃燒熱量，這樣會降低整體的燃燒溫度，因此預混燃燒的燃燒溫度要高于擴散燃燒的燃燒溫度。因而我們在選擇熱風爐燃燒方式最好選擇預混燃燒。

我們可以根據對于生產中的高爐熱風爐利用Hausen理論及其計算方法可以尋求蓄熱室操作的最佳化。

4 結論

本文詳細說明了Hausen理論在運用過程中的工作情況，Hausen理論經長期實踐證明，已得到全世界的認可，廣泛應用于風爐設計中，為其提供科學的理論實踐指導。建立數字計算模型，有利于提高風爐數據計算時的精準性，及時了解格磚溫度的分布情況，并以此為依據篩選格磚以及以格磚縱向傳熱的性質來篩選格磚的形態大小。與此同時。一些特定的格磚，還能以此為依據獲取最為精確的運行操作時間，進而進行相關技術操作指導。

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