格子磚幾何參數對蓄熱室熱交換能力的影響

張慧杰 陳川

摘 要：增強格子磚和氣體之間的熱交換有利于提高風溫，因此，如何提高蓄熱室熱交換能力是熱風爐操作者普遍關注的問題。通過建立蓄熱室格子磚二維傳熱模型，研究了格子磚幾何參數對蓄熱室熱交換能力的影響。結果表明：蓄熱室熱交換能力和格子磚蓄熱面積以及氣體的換熱系數有關，提高格子磚活面積后，換熱面積增大，換熱系數降低。雖然在整個送風期熱風溫度整體升高，但是升高幅度較小。縮小格孔直徑可以同時提高換熱面積和換熱系數，格孔直徑對風溫的影響非常顯著，在生產條件允許的前提下，為了提高風溫，應盡量縮小格孔直徑。

關鍵字：格子磚；格孔直徑；活面積；熱交換能力

RESEARCH ON GAS FLOW PATTERN IN CHECKER BRICKS OF HOT STOVE

Zhang Huijie? Chen Chuan

（Zhongtian Iron and Steel Co. Ltd.? ? Nantong? ? 226000， China）

Abstract：Improving the heat transfer ability is beneficial to increase blast temperature. So how to improving the heat transfer ability has been a problem paid general attention to by most hot stove operators. In this paper a two-dimentional mathematical model is established and the influence of checker brick geometry on the heat transfer ability is studied. The results indicate that the heat transfer ability is associated with the heat air and convection coefficient. As increasing the void area， the heat area increased and the convection coefficient decreased. Although the hot air temperature increased， the increasing extent is small. Reducing the brick hole diameter can increase the heat area and convection coefficient. The influence of brick hole diameter on the hot air temperature is very remarkable. If the manufacture condition is allowed， the brick hole diameter should be reduced in order to increase hot air temperature.

Key words： checker bricks; brick hole diameter; void area; heat transfer ability

0? ? 引? ? 言

熱風爐是現代化高爐煉鐵工藝中的重要設備之一，高風溫可以改善高爐下部熱制度，提高能源利用效率。提高熱風送風溫度有許多途徑，例如提高拱頂溫度、優化格子磚結構、提高廢氣溫度、提高預熱空氣溫度等[1-4]。在熱風爐操作過程中，氣體和格子磚主要通過對流和輻射進行熱量交換，由對流換熱公式可得，提高流體溫度可以提高換熱系數，由于提高拱頂溫度、廢氣溫度、預熱空氣溫度之后，蓄熱室內氣體溫度上升，從而提高對流換熱系數，強化了氣體與格子磚之間的換熱效率。優化格子磚結構參數主要是通過調整格孔直徑以及活面積，使得在一定的送風周期條件下，既保障格子磚的換熱面積，又要保證格子磚的蓄熱體容積。上述各種措施的最終目的是為了提高蓄熱室的換熱系數和熱交換面積。因此，為了描述蓄熱室熱交換能力，定義蓄熱室熱交換指標，蓄熱室熱交換指標表示當溫差為1℃時，單位時間內氣體和單位體積格子磚之間的換熱量，表達式如下：

Hta=Aα? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：Hta為蓄熱室熱交換指標，W/（m3·℃）；A為單位體積格子磚的蓄熱面積，m2/m3；α為平均換熱系數，W/（m2·℃）。

本文根據傳熱學和流體力學建立氣體和格子磚溫度分布的數學模型，通過編寫熱風爐蓄熱室格子磚溫度分布應用程序，研究了格子磚幾何參數對蓄熱室熱交換能力的影響，為優化格子磚設計提供依據。

1? ? 物理模型和數學模型

1.1? ? 物理模型

格子磚的物理模型如圖1所示。該模型是將蓄熱室看做由很多氣體通道組成[5-7]，氣體通道內徑為格孔水力學當量直徑，管道的外半徑由式（2）求得：

di

de=——? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

√f

式中：de為格孔外徑，m；di為格孔內徑，m；f為格子磚活面積。

1.2? ? 基本假設

1） 在燃燒期和送風期，氣體入口溫度保持不變。

2）煤氣、助燃空氣以及冷風的質量流量保持穩定。

3） 格子磚和氣體的物性參數僅是溫度的函數。

4）氣體速度、溫度在同一高度上分布均勻。

1.3? ? 數學模型

氣體與格子磚在格孔中的換熱方程如下[8]：

?Tg? ? ? ? ?Tg? ? ? ? ? ??P? ? ? 4α

ρgCp，g（——+vg——）+vg——=——（Tw-Tg）（3）

?t? ? ? ? ? ?z? ? ? ? ? ? ??z? ? ? ?di

?Ts? ? 1? ? ??? ? ? ? ? ? ?Ts? ? ? ? ??2Ts

ρsCp，s——-— ——（rλ——）-——=0? ? ? ? （4）

?t? ? ? r? ? ?r? ? ? ? ? ? ?r? ? ? ? ? ??z2

式（3）為氣體換熱方程，式（4）為固體換熱方程。

式中：ρg為氣體密度，kg/m3；Cp，g為氣體比熱，J/（kg·℃）；vg為氣體速度，m/s；P為氣體壓力，Pa；α為綜合換熱系數，W/（m2·℃）；Tw為格子磚壁體溫度，℃；di為格孔內徑，m；ρs為格子磚密度，kg/m3；λ為格子磚導熱系數，W/（m·℃） 。

蓄熱室內的熱量傳遞共有三種方式：導熱、對流和輻射。格子磚內部只考慮導熱，煙氣和格子磚之間有對流換熱和輻射換熱兩種形式，在燃燒期，煙氣和格子磚之間進行輻射和對流換熱。在送風期，由于氮氣和氧氣為雙原子分子，輻射和吸收能力很小，可以忽略不計，因此送風期空氣和格子磚之間只進行對流換熱。對流換熱系數由式（5）、式（6）進行計算[9]：

氣體流動為湍流時（Re≥2 300），

αc=0.740.8 0·d-0.333 i·T0.25? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

氣體流動為層流時（Re<2 300）：

αc=（0.96+0.21V0·d-0.6 i）·T0.25? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

ρ0v0d

Re=———? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （7）

?

C

1+——

273? ? ? ? ? ? ? T

?=?0·————·? ?——? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（8）

C? ? ? ? √? ?273

1+—

T

式中：v0為流體在蓄熱室孔道內的流速，Ｎm/s； ρ0為標態下氣體密度，kg/m3；d為格孔直徑，m； ?為氣體的動力黏度，Pa·s；?0為標準狀態下氣體的動力黏度，Pa·s；T為氣體的絕對溫度，K；C為氣體常數，送風期為122，燃燒期為105。

從式（7）可以看出，氣體雷諾數和氣體黏度有關，黏度越大，氣體雷諾數越小。式（8）說明氣體的黏度只和溫度有關，溫度越高，氣體黏度越大。

式（9）～式（11）計算輻射換熱系數。

αr=αr，CO2 +αr，H2O? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （9）

Ty

0.28·B[qCO2·ty-（——）0.65qCO2·tz]

Tz

αr，CO2 =——————————————? ? ? （10）

Ty-Tz

Ty

0.28·B[qH2O·ty-（——）0.65qH2O·tz]

Tz

αr，H2O=——————————————? ? ? （11）

Ty-Tz

式中：αr為輻射換熱系數，W/（m2·℃）；

αr，CO2 ，αr，H2O為二氧化碳和水的輻射換熱系數；B為耐火磚黑度，計算中取0.75；Ty、Tz為煙氣溫度和磚壁溫度，K；qCO2·ty，qH2O為煙氣溫度Ty時二氧化碳和水的輻射熱，W/m2。

1.4? ? ?計算條件

本文計算所采用的熱風爐設計參數見表1。

2? ? 計算結果分析

活面積和格孔直徑是格子磚最基本的幾何參數，以下分別研究活面積和格孔直徑對蓄熱室換熱能力以及風溫的影響。其中圖1～圖4的計算條件：格孔直徑d為0.03 m，其余參數見表1。圖5～圖8的計算條件：格子磚活面積f為0.36，其余參數見表1。

從圖1中可以看出，隨著活面積的增大，單位體積格子磚的換熱面積逐漸提高，當活面積為0.3、0.36、0.42時，換熱面積分別為40、48、56 m2/m3。圖2為燃燒末期格子磚活面積對綜合換熱系數的影響，綜合換熱系數為對流換熱和輻射換熱系數之和。由圖2可見，氣體綜合換熱系數近似呈線性分布，沿蓄熱室高度方向逐漸增加。隨著格子磚活面積的增加，相同高度處的綜合換熱系數逐漸降低。因此，增加格子磚活面積可以提高換熱面積，但是會降低氣體的綜合換熱系數。

通過計算單位體積格子磚的換熱面積以及蓄熱室不同位置的換熱系數，根據公式（1）可計算出蓄熱室不同位置的熱交換指標，結果如圖3所示。從圖中曲線可以看出，沿蓄熱室高度方向蓄熱室熱交換能力逐漸升高，蓄熱室上部換熱能力最強，下部換熱能力最弱，隨著格子磚活面積的增加，相同高度位置處的格子磚換熱能力逐漸增大。圖4為格子磚活面積對熱風溫度的影響，在送風期，熱風溫度隨時間逐漸降低，當活面積為0.3、0.36、0.42時，熱風最高溫度分別為1 294、1 297、1 302 ℃，熱風最低溫度分別為1 172、1 179、1 180 ℃。當活面積從0.3增加到0.42時，活面積提高了40%，加熱面積提高了16 m2/m3，但是風溫僅上升8 ℃。當增大格子磚活面積后，雖然在整個送風期熱風溫度整體升高，但是升高幅度較小。

因此，由圖1～圖4可得，提高格子磚活面積雖然可以增加換熱面積，但是會導致氣體換熱系數降低，熱風溫度上升幅度較小。

從圖5中可以看出，格孔直徑越小，蓄熱面積越大，當格孔直徑小于20 mm后，蓄熱面積隨格孔直徑的減小迅速增大。近期熱風爐生產過程中都使用干法除塵或布袋除塵，煤氣含塵量較低，基本可以避免格子磚渣化堵孔，因此，在生產條件允許的情況下，為了增加蓄熱面積，應盡量減小格孔直徑。圖6為格孔直徑對綜合換熱系數的影響。沿蓄熱室高度方向綜合換熱系數逐漸增大，格孔直徑越小，相同高度位置處的換熱系數越大。因此，減小格孔直徑不僅可以增大熱交換面積，而且有利于提高綜合換熱系數。

從圖7中可以看出，當格孔直徑為25、30、35 mm時，蓄熱室底部換熱指標分別為1 720、

1 351、1 180 W/（m3·℃），頂部換熱指標分別為

3 139、2 485、2 044? W/（m3·℃）。格孔直徑越小，換熱指標越大，說明格子磚的換熱能力越強。圖8為格孔直徑對風溫的影響。當格孔直徑為25、30、35 mm時，最高風溫分別為1 305、1 298、

1 291 ℃，最低風溫分別為1 198、1 179、1 154 ℃，熱風溫降分別為107、119、137 ℃。因此，減小格孔直徑有利于降低熱風溫降，并且提高最低風溫。當采用“兩燒一送”操作制度時，由于送風初期熱風溫度高，送風末期熱風溫度低，為了保障熱風溫度恒定，需要混入冷風。因此，送風末期的風溫實際為高爐熱風溫度，提高送風末期風溫對高爐冶煉至關重要。當格孔直徑由25 mm增加至35 mm時，格孔直徑提高了40%，最低熱風溫度降低了44 ℃。

3? ? 結? ? 論

1）增加格子磚活面積可以提高換熱面積，但是會降低氣體的綜合換熱系數。

2）當格孔直徑為30 mm，活面積從0.3增加到0.42時，活面積提高40%，加熱面積提高了16 m2/m3，但是最低風溫僅上升8 ℃。因此，當增大格子磚活面積后，雖然在整個送風期熱風溫度整體升高，但是升高幅度較小。

3）減小格孔直徑不僅可以增大熱交換面積，而且有利于提高綜合換熱系數。

4）當活面積為0.36，格孔直徑由25 mm增加至35 mm時，格孔直徑提高40%，加熱面積減小16 m2/m3，最低熱風溫度降低了44 ℃。因此，格孔直徑對風溫的影響非常顯著，在生產條件允許的前提下，為了提高風溫，應盡量縮小格孔直徑。

參考文獻

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

[2]? ? 吳啟常，沈明，陳秀娟．高風溫熱風爐設計理念的調整及相關問題討論[J]．煉鐵，2008，27（4）：11-12．

[3]? ? 林成城，徐宏輝．熱風爐高風溫新技術開發[J]．鋼鐵，2005，40（11）：9-10．

[4]? ? 杜春松．熱風爐單位風量加熱面積的合理選擇[J]．煉鐵，2010，29（3）：39．

[5]? ? 郭敏雷，程樹森．熱風爐送風期格子磚溫度分布計算[J]．鋼鐵，2008，43（6）：16．

[6]? ? Willmott A J， Hinchcliffe C. The Effect of Gas Heat Storage upon the Performance of the Thermal Regenerator[J]. Int.J.Heat mass transfer， 1976， 19（8）： 821.

[7]? ? Muske K R， Howse J W， Hansen G A， et al. Hot Blast Stove Process Model and Model-Based Controller. Journal of Iron and Steel Institute， 1999， 76（6）： 56.

[8]? ? 楊世銘，陶文銓．傳熱學[M].第四版．北京：高等教育出版社，2009．

[9]? ? 《煉鐵設計參考資料》編寫組．煉鐵設計參考資料[M]．北京：冶金工業出版社，1975．