关于热风炉重要的设计与运行参数的讨论

关于热风炉重要设计与运行参数的讨论1关关关于于于热热热风风风炉炉炉重重重要要要设设设计计计与与与运运运行行行参参参数数数的的的讨讨讨论论论陈维汉1刘世聚2（郑州豫兴耐火材料有限公司）摘要：文中利用热风炉设计程序对热风炉重要的结构与性能参数间的相互关系进行了较为详细的分析，并按照逐级评估优选的办法来确定热风炉的设计与运行参数。从而为热风炉优化设计与性能评价找出了一条简捷的途径。一、引言热风炉是高炉炼铁的重要辅助设备，为高炉冶炼提供高温热风是其主要目的，随着冶炼技术的发展对热风温度的要求越来越高，而同时高炉煤气的热值却越来越低。这就意味着在较低的理论燃烧温度条件下要获得到尽可能高的热风温度。一般而言，提高煤气与助燃空气的预热温度是一条直接的途径，这反过来又要求提高排烟温度，而高排烟温度必然降低热风炉的热利用效率，同时也要增加预热所需的换热设备。如何在现有条件下通过对热风炉重要参数的分析找到一条高效、高温、低投入（或投入不变）的热风炉设计与运行途径，是一件十分有意义的课题。长期以来人们在这方面做了大量的工作，积累了大量的设计与运行管理经验[1]、[2]、[3]、[4]。就目前热风炉设计与运行状态而言[5]、[6]，继续进行上述的事情仍然十分必要。因为热风炉设计工作还没有做到规范化和最佳化，整体状况较为粗放；而运行管理也未能实现运行参数优化与合理的操作制度。有鉴于此，首先要做的工作就是从性能参数调整出发，实现已投产热风炉高风温、高效率的运行，以及从设计入手确定合理、优化的结构参数与性能参数，并逐步通过实践加以完善与规范。其次是进行高效燃烧装置与高效蓄热装置的研究与设计[7]、[8]。这里将针对性能参数的设计与调整问题，在自行开发的热风炉设计计算程序的帮助下对热风炉运行参数的相互间关系以及对热风炉结构参数的影响进行一点有益的探索。为实现热风炉高风温、高效率与低投入的运行做一点切实可行的努力。二、热风炉排烟温度的选择一般而言，热风炉高效运行是符合节能要求的，在任何情况下是设计的首要目标。合理的热效率选择在燃烧装置和燃料成分确定之后，热风炉排烟温度的选择是决定性的因素。决不能为了提高热风（鼓风）温度而没有原则地提高排烟温度，而应该在综合权衡利弊的情况下进行合理选择。利用自行编制的热风炉设计计算程序，计算了在确定燃料成分、煤气与助燃空气温度、蓄热体结构、热风出口温度下，热风炉排烟温度与热效率、单位鼓风蓄热体重量、蓄热体高度等参数的关系，以及不同排烟温度下，排烟温度和热风出口温度的波动值。表1给出详细计算结果。为了说明问题，这里以排烟温度为200℃作为基准，给出各种参数的相对变化情况（如图1、2）。表1排烟温度对效率及其他参数的影响※排烟温度℃热风炉效率η蓄热体计算高度h蓄热体修正高度h单位鼓风蓄热体质量kg/(m3/min)单位鼓风加热面积m2/(m3/min)热风温度波动ΔTr(℃)烟气温度波动ΔTy(℃)2000.832325.5737.121030.4744.4428.4838.752200.819521.430.04857.6936.5341.8856.991陈维汉华中科技大学教授，现为公司总工程师电话：151362716872刘世聚公司董事长电话：[phone]关于热风炉重要设计与运行参数的讨论22400.806618.8525.9746.9231.9954.8774.842600.793616.9322.9680.0528.7567.4592.152800.780615.4120.6616.3926.379.5108.813000.767414.1818.77566.9724.3791.06124.743200.754213.1517.27532.5222.81102.04139.89※计算中各种参数的设置：助燃空气温度20℃，煤气温度120℃，热风温度1200℃，φ30mm孔径S/d=1.5的19孔格砖；煤气热值3400Kj/Nm3，过量空气系数为1.02。图1排烟温度对其他参数的影响0.30.40.50.60.70.80.91200240280320排烟温度参数相对变化率热风炉效率η蓄热体相对计算高度h/h200蓄热体相对修正高度h/h200单位鼓风蓄热体质量相对变化率单位鼓风加热面积相对变化率图2排烟温度相对变化对应的热风与烟气温度相对变化00.511.522.533.5411.11.21.31.41.51.6排烟温度相对变化热风与烟气温度相对波动值热风温度相对波动ΔTr/ΔTr200烟气温度相对波动ΔTy/ΔTy200从图1可见，排烟温度的提高会导致热效率减小，且为线性变化规律；而相应蓄热体高度却是显著降低（包括加热面积、蓄热体质量等）；注意到变化曲线是开始提高温度时变化显关于热风炉重要设计与运行参数的讨论3著，而进一步提高温度时变化平缓。据此规律，不妨将平均变化率作为选取合理排烟温度的准则，最恰当的排烟温度应该在240℃～260℃之间（图中黄色平行四边形下沿与变化曲线接合处）。再注意图2，表示了随着排烟温度的提高，热风与排烟温度的波动值逐步增大，这很不利于热风炉性能的改善和提高热风的平均热风温度水平。综合上述分析，这里选取260℃作为合理的排烟温度，并以此温度作为预热煤气与助燃空气的热源，以提高热风温度和热风炉效率，以及在蓄热体高度不变下减小热风温度的波动值。三、煤气与助燃空气预热温度的合理选取利用排烟余热加热煤气与助燃空气能有效地提高燃烧温度，从而提高热风温度和提高热风炉效率，并能在相同条件下降低蓄热体高度。预热煤气与空气的作用效果如何，以及如何选择合理的预热温度是设计者必须考虑的问题。这里同样利用热风炉设计计算程序在一定条件下分析煤气与空气分别预热，以及煤气与空气同时预热对热风炉效率和燃烧温度的影响。表2和表3分别给出空气预热和煤气不同预热温度下的热风炉燃烧温度与热效率的变化，而图3和图4则绘出相应的曲线。表4和图5则表示了煤气与空气同时预热的情况。表2助燃空气预热对效率和燃烧温度的影响煤气温度120度,排烟温度260度,热风温度1200度,空气系数1.02助燃空气温度热风炉效率燃烧(烟气)温度200.79361336400.7951345600.79631354800.797613631000.798913721200.800913821400.802113911600.803314001800.804414092000.80631419表3煤气预热对效率和燃烧温度的影响图3a助燃空气温度对燃烧温度的影响132013401360138014001420144004080120160200助燃空气温度烟气温度燃烧(烟气)温度图3b助燃空气温度对热风炉效率的影响0.7920.7940.7960.7980.80.8020.8040.8060.80804080120160200助燃空气温度热风炉效率热风炉效率助燃空气温度120度,排烟温度260度,热风温度1200度,空气系数1.02煤气温度热风炉效率燃烧(烟气)温度200.79321334400.79441343600.79631353800.797313621000.799113721200.800913821400.801813911600.803414011800.80514112000.80661421关于热风炉重要设计与运行参数的讨论4图4a煤气温度对燃烧温度的影响132013401360138014001420144004080120160200煤气温度烟气温度煤气温度图4b煤气温度对热风炉效率的影响0.7920.7940.7960.7980.80.8020.8040.8060.80804080120160200煤气温度热风炉效率热风炉效率表4助燃空气与煤气同时预热对热效率和燃烧温度的影响（排烟温度260度,热风温度1200度,空气系数1.02）助燃空气温度煤气温度热风炉效率燃烧(烟气)温度20200.7856128840400.7882130660600.7915132580800.794813441001000.797913631201200.800913821401400.80314001601600.805814191801800.808514382002000.81111457图6a煤气空气温度对燃烧温度的影响12601280130013201340136013801400142014401460148004080120160200煤气空气温度烟气温度燃烧(烟气)温度图6b煤气空气温度对热风炉效率的影响0.780.7850.790.7950.80.8050.810.81504080120160200煤气空气温度热风炉效率热风炉效率关于热风炉重要设计与运行参数的讨论5从上述图表中可以清晰看出，助燃空气与煤气温度的改变对热风炉效率与燃烧温度的影响是线性的。于是可以由排烟温度选取的高低来确定助燃空气和煤气的预热温度的高低。对于小型高炉由于采用干法除尘，煤气温度在120度以上，可以不再进行预热，而助燃空气预热温度可以在260度排烟温度下选取160度～180度范围。如果煤气预热也可以在160度～180度的范围内为好。如果燃烧室结构不容许燃烧温度高过1400度，那么预热温度在160度上下为宜。这里按照前面的选择计算一种理想的设计工况。表5合理选择排烟、助燃空气、煤气温度后的设计与运行参数计算结果煤气成分与热值设置的结构与运行参数程序计算的结构与运行参数干煤气一氧化碳含量25冷风入口温度Tf4(℃)150计算实际燃烧温度(℃)1409干煤气氢含量2热风出口温度Tf1(℃)1200计算热风炉总效率0.8044干煤气甲烷含量0.5废气出口温度(℃)260热风炉蓄热体内直径(m)3.9642干煤气乙烷含量0煤气温度(℃)120燃烧室内直径(m)5.5642干煤气氧气含量0空气温度(℃)180理论蓄热体总高m13.5079干煤气氮气含量54蓄热体孔径d1(mm)30修正的蓄热体总高(m)18.4453干煤气二氧化碳含量18.5蓄热体孔间距比S/d11.5单位鼓风加热面积(m2/m3/min)22.9980干煤气硫化氢含量0蓄热体对角宽度(mm)270单位鼓风格砖重量（kg/m3/min）533.9564过量空气系数1.02蓄热体完整孔数19烟气出口温度波动(℃)86.0547煤气的发热量kj/Nm33393.3133蓄热室烟气流速选择(Nm/s)2.25热风出口温度波动(℃)68.7436这里必须指出，双预热对热风炉效率的增加值是不能和排烟温度升高同样温度差所带来的效率下降相比的，在ΔΤ=100℃情况下，前者的效率增加为0.0132，而后者的下降则为0.0649。显然，通过提高排烟温度来提高煤气与助燃空气温度以最后达到提高燃烧温度的目的是不经济的。当然，降低排烟温度会增加蓄热体体积（或增加炉高），而不增加蓄热体体积又会增加预热换热器的面积以提升预热煤气与助燃空气的温度。总之，通过综合评估出合理的排烟温度、煤气温度、助燃空气温度是一个多因素设计优化的问题，限于篇幅这里不再深入讨论。四、操作制度对热风炉结构与性能的影响热风炉在一个操作周期内热风温度是逐步降低的，而排烟温度则是逐步升高的。显然，长的操作周期就意味着有较大的热风和排烟温度的波动值。此外，为了不使排烟温度升高过快，必然要增加蓄热体体积或蓄热体高度，从而使投资成本增加。在一个周期中热风温度的波动大小也直接影响到热风温度的平均值，进而影响到热风的送风品质。因此，从改善热风关于热风炉重要设计与运行参数的讨论6品质，以及降低投资成本的角度考虑，缩短热风炉操作周期应该是一种不错的选择。为此，本节着重分析运行周期改变对热风温度波动和蓄热体结构的影响。设计程序针对上述的合理工况来改变操作时间，其各种参数的计算结果显示在表6中，而这些参数的相对变化率则显示在图7中（以鼓风时间1小时的计算结果为基准进行相对变化率的比较）。表6不同操作周期下蓄热体结构和温度波动的改变燃烧时间（小时）鼓风时间（小时）设计蓄热体