1、第八节 热风炉操作 钢铁工业是能耗大户，其能耗约占全国能耗总量的10%，而其中炼铁系统（高炉、焦炉、烧结，下同）的能耗占整个钢铁厂能耗的70%以上，是能耗大户中的特大耗能户，炼铁系统的能源消耗主要是煤。炼铁系统的能耗为什么高？一是因为环节多（包括铁、焦、烧三个工序），又都是高温反应过程，过程本身耗热多；二是因为生产中排放的烟气、副产的煤气、熔渣等带走大量的热；三是焦炭、烧结（球团）都要经过冷却才能进入高炉，这又损失大量的热量。第八节 热风炉操作 炼铁系统的能源消耗 鼓风带入高炉的热量100%被利用。提高风温是最有效、最经济的节能措施，同时高风温还是大喷吹煤量的必要条件。国际上先进高炉的风温是1
2、200-1300，而2002年，我国54家大中型钢铁企业中风温1200的仅宝钢一家，风温在11001200之间的仅有4家，风温1100的有49家，其中1000的有19家，差距仍很大。现在我们有些厂家的精料水平已经和发达国家接近了，已经和国内的宝钢接近了，但一比焦比和燃料比却还差一大截，原因之一就是风温太低。国际上的风温是12001300，国内一些钢铁厂是1000多一点，甚至不到1000，仅此一项就使焦比或燃料比高3040kg。第八节 热风炉操作 降低高炉的焦比和燃料比的措施提高风温 纵观国内外对高风温热风炉的研究，主要采用以下两种方法获得高风温：一是用高发热值煤气；二是利用换热器预热助燃风和煤
3、气。二者的最终目的都是为了提高热风炉拱顶温度，使风温提高。对热风炉的总要求是：实现高风温和长寿。为此在设计中必须选择合理的热风炉结构和砌筑热风炉的耐火材料。第八节 热风炉操作 提高风温的方法第八节 热风炉操作 热凤炉的基本工作原理热凤炉的基本工作原理 热风炉是高炉鼓风的预热器。热风炉的种类虽然很多，但它们的基本工作原理是相同的。即利用高炉煤气（或混合煤气）燃烧产生的高温废气加热热风炉内的蓄热室格子砖（或耐火球），使格子砖（或球）吸收废气的热量，达到12001400的高温，经过一段保温时间，使格子砖内外温度基本一致后，通过换炉操作，送往高炉的鼓风穿过处于高温状态的蓄热室格孔（或球层），吸收格子砖
4、（或球）的热量，达到接近燃烧过程中格子砖（或球）所达到的温度。现代热风炉通过这样的方法，能把风温提高到1200以上。冷风在热风炉内吸收的热量，来源于煤气燃烧放出的热量，所以，热风炉实际上是一种热量转换器，它把煤气的化学热转换成鼓风的物理热，用于高炉冶炼，达到降低焦比的目的。第八节 热风炉操作 热风炉结构形式的演变热风炉结构形式的演变 从发展过程看：1829年第一座热风炉开始在美国使用。当时采用的是管式热交换器，它的结构很简单。空气从铁管中通过，有煤作燃料，热风温度只能达到315。但高炉炉况有显著改善，产量提高，焦比降低了35%。这种热风炉不能高温高压，供给的风温很低，已被淘汰。1857年考贝（
5、Cowper）开始建造用固体燃料加热的蓄热式热风炉；1865年开始出现用气体燃料加热的蓄热式热风炉（内燃式热风炉）1928年美国人建造了世界上第一座外燃式热风炉；1978年世界上第一座大型顶燃式热风炉诞生在首钢（2号高炉炉容1327m3）。目前，世界上正在使用的热风炉，可谓是种类繁多，各具特色。1829年开始采用的铸铁管式热风炉。第八节 热风炉操作 热风炉结构形式的演变热风炉结构形式的演变由于高风温是强化高炉冶炼增产节焦的重要措施之一，同时随着喷吹技术的发展，要求提供更高的热风温度。当前国内外大型先进高炉使用的风温都在1200左右，个别的达到1350，最高的鼓风压力达到（555606）kPa（
6、5.56.0大气压），因而在本世纪初出现了很多新型热风炉，1 改造型内燃式（亦称霍戈文式）2 外燃式（又分为马琴式、科珀式、地德式、新日铁式等）；3 顶燃式以及小高炉用的石球式热风炉。第八节 热风炉操作 各种类型的热凤炉的优缺点各种类型的热凤炉的优缺点 铸铁管式热风炉，不能承受高温高压，供给的风温很低，已被淘汰。第八节 热风炉操作 内燃式热风炉内燃式热风炉 1857年，考贝（Cowper）提出用蓄热式热风炉来代替换热式热风炉，蓄热式热风炉最初也用煤作燃料。1865年采用了气体燃料加热的蓄热式热风炉，形成了现有内燃式热风炉的雏形。自考贝使用蓄热式热风炉以来,其基本原理至今没有改变,而热风炉的结构
7、、设备及操作方法却有了重大改进。1972年，荷兰艾莫依登厂在新建的3667m3高炉上对内燃式热风炉作了较大改进，较好地克服了传统考贝式热风炉的缺点。这种热风炉被称为霍戈文内燃式热风炉。它的拱顶砌体呈悬链线形且直接由炉壳支承；燃烧室隔墙下部增设隔热砖，以减少燃烧室隔墙的温度梯度；外包柔性耐火纤维，以吸收砌体的不均匀膨胀；采用套筒式陶瓷燃烧器。第八节 热风炉操作 传统内燃式热风炉的通病传统内燃式热风炉的通病 由于传统内燃式热风炉结构上的特点，在使用过程中发现有以下缺点：1）燃烧室与蓄热室之间的隔墙的温差太大。鞍钢1967年在6号高炉2号热风炉上（传统内燃式）测定火井底部隔墙两侧的温差，如图1.1，
8、在送风末期可达700，再加上使用金属燃烧器产生的严重脉动现象，可引起燃烧室产生裂缝、掉砖、短路烧穿。2）拱顶坐落在热风炉大墙上的结构不合理。受到大墙不均匀涨落与自身热膨胀的影响，而产生拱顶裂缝、损坏。第八节 热风炉操作 传统内燃式热风炉的通病传统内燃式热风炉的通病 3）当高温烟气由半球形拱顶进入蓄热室时，其气流分布很不均匀，局部过热和高温区所用砖的抗高温蠕变性能差，造成火井向蓄热室倾斜，引起格子砖错位、紊乱、扭曲。4）由于高炉的大型化和高压操作，风压越来越高，热风炉已成为一个受压容器，加之热风炉壳体随着耐火砌砖的膨胀而上涨，将炉底板拉成“碟子状”，以致焊缝拉开，炉底板拉裂造成漏风。5）由于热风
9、炉存在周期性振动和上、下涨落运动，经常出现热风支管损坏，即生产中称为“短路烂脖子”现象。第八节 热风炉操作 传统内燃式热风炉的通病传统内燃式热风炉的通病 热风炉隔墙两侧温差图 第八节 热风炉操作 改造型内燃式热风炉改造型内燃式热风炉 为了克服传统内燃式热风炉的缺点，对内燃式热风炉的拱的结构形式，燃烧室与蓄热室的隔墙、燃烧器等，进行了彻底的改造。1）拱顶由传统的半球顶改为悬链线顶或锥形顶，并坐落在箱梁上，重点解决拱顶的破损和气流的分布不均匀问题。2）在隔墙的中、下部增设绝热夹层和耐热合金钢板，解决火井掉砖和短路问题。3）改金属燃烧器为陶瓷燃烧器，改善燃烧，消除脉动，减少火井破损。4）火井改为圆形
10、或眼镜形，圆形的结构形式稳定，但燃烧室占面积大；眼镜形燃烧室占面积小，气流分布较为均匀，但火井结构不够稳定，为增加隔墙的稳定性，应加大隔墙厚度，使与热风炉大墙呈滑动接触，大墙上设有滑动沟槽。使隔墙成为独立而稳固的自由涨落结构。本钢内燃式热风炉结构图 粘土格子砖废气出口中心 线煤气入口中心 线助燃风入口中 心线热风出口中心 线高铝格子砖热风阀中心线助燃风入口中 心线煤气入口中心 线内燃热风炉横断面图第八节 热风炉操作 外燃式热风炉外燃式热风炉 1910年德国人首先取得了外燃式热风炉的专利；1928年美国人建造了世界上第一座外燃式热风炉。然而，外燃式热风炉广泛应用于生产还是60年代后期的事。196
11、01965年联邦德国先后建造了地得式、柯柏式、马琴式外燃热风炉；1971年日本综合柯柏式和马琴式的优点建造了新日铁式外燃热风炉。我国于19681971年在安阳水治铁厂和济南铁厂，首先建造了外燃式热风炉，称“水冶型”外燃式热风炉（类似地得式）。1972年本钢5号高炉（炉容2000m3）vfhpb“水冶型”外燃式热风炉（图1.2）；1976年鞍钢6号高炉（炉容1050m3）建成“鞍外型”外燃式热风炉（类似马琴式），1977年鞍钢又设计建造了“鞍外型”外燃式热风炉（类似新日铁式），应用于7号高炉（炉容2580m3），1985年宝钢1号高炉引进了日本新日铁式外燃式热风炉。鞍钢6号高炉外燃式热风炉 宝钢
12、1号高炉新日铁式外燃热风 各种外燃式热风炉的比较 第八节 热风炉操作 外燃式热风炉的结构形式外燃式热风炉的结构形式 外燃式热风炉由于燃烧室与蓄热室的连接和拱顶的形状不同，有地得式、柯柏式、马琴式和新目铁式四种结构形式。由于马琴式和新目铁式气流分布均匀，而地得式拱顶结构庞大，且稳定性较差，柯柏式则气流分布较，因此，20世纪70年代以后新建的外燃式热风炉，已不再建造柯柏式，而是建造马琴式、新目铁式和一种改进了的地得式热风炉。第八节 热风炉操作 外燃式热风炉的特征外燃式热风炉的特征 1)将燃烧室搬到炉外，彻底消除了内燃式热风炉的致命弱点。2)比较好地解决了高温烟气在蓄热室横截面的均匀分布问题，新日铁
13、式、马琴式处理得更好。3)热风炉炉壳转折点均采用曲面连接，较好的解决了炉壳的薄弱环节。在建造外燃式热风炉的同时，还采用了一些新的技术，例如：1）在外燃式热风炉的高温区，使用高温性能好的硅砖2）使用陶瓷燃烧器。3)为了使热风炉耐火砌体相邻的两块能咬住，广泛采用带有凹凸子母扣，能上下左右相互间咬合的异型砖，起到自锁互锁作用，提高了砌体的整体强度和稳固性。4)普遍地在热风炉炉壳内侧喷一层约50mm陶瓷质喷涂料。热风炉投产后在高温的作用下，喷涂料可和钢壳结成一体，对保护钢壳起良好的作用。5)热风炉的拱顶和缩口坐落在箱梁上(或焊在炉壳上的砖托上)，在连接部位都设有滑动缝，这样拱顶、缩口、大墙的耐火砌体都
14、可以自由涨落。第八节 热风炉操作 外燃式热风炉的特征外燃式热风炉的特征 宝钢1号高炉使用的新日铁式外燃热风炉，自1985年投产以来风温一直维持在1200以上，最近又攀升到1250。高炉在1995年大修，而热风炉没动，预计可以使用两代高炉寿命。鞍钢6号高炉外燃式热风炉(马琴式)风温一直维持在11001150，高风温试验时曾达到1270。现已使用25年，中间只换一次格子砖。鞍钢10号高炉自身预热外燃热风炉，投产已6年，只烧单一的高炉煤气，风温一直维持在11501200的水平。外燃式热风炉的不足之处是：外燃式热风炉占地面积大、投资高。但是它高风温、长寿命、适合大型高炉使用获得的经济效益远比基建费用投
15、资大得多，弥补了占地面积大投资高的缺点。第八节 热风炉操作 顶燃式热风炉顶燃式热风炉 顶燃式热风炉的热风阀、燃烧阀、燃烧器均放置在热风炉的顶部，热风炉高温区各孔口，如热风出口、燃烧口、人孔均采用组合砖砌筑，利用炉顶空间进行燃烧，取消了侧燃室或外燃室，其结构对称、温度区分明、占地小、效率高、投资少。顶燃式热风炉在19世纪就有人提出设想，到20世纪60年代才引起重视和开始研究这种热风炉，迄今为止，已建成并运行了多种顶燃式热风炉。在众多形式的顶燃式热风炉中，中国首钢型和俄罗斯卡鲁金型表现良好。第八节 热风炉操作“中国首钢中国首钢”型顶燃式热风炉的结构特点型顶燃式热风炉的结构特点 “中国首钢”型顶燃式
16、热风炉是中国科学院（化冶所）与首钢共同合作，从20世纪60年代开始研究试验，于1978年建成了首钢2号高炉（炉容1327m3）顶燃式热风炉，这是世界上第一座大型顶燃式热风炉。90年代又建造了2500m3级高炉的顶燃式热风炉。“中国首钢”型顶燃式热风炉的结构特点是：热风炉拱顶为半球形大帽子拱顶结构，拱顶砌砖与大墙砌砖分开，拱顶砌砖坐落在上部炉壳标高不同的两个托圈上，拱顶和大墙的砌体可以自由涨落，互不干扰。在拱顶圆柱体部分侧墙上，开了个向上倾斜同时切向均匀分布的燃烧口。高温部采用低蠕变高铝砖砌筑，中部为普通高铝砖砌筑，下部黏土砖。4座热风炉正方形平面布置，在正方形的中心布置垂直的热风总管。在其顶部
17、安装一台15t旋转吊车，作为更换设备用。在中间平台上设置一台整体热管换热器，回收烟气余热来预热助燃空气。燃烧器用的是首钢经过几年时间研制、设计出的大功率短焰燃烧器。它是将燃烧器本体、燃烧阀、燃烧口作为一个整体，燃烧阀、燃烧口作为燃烧器的一个组成部分。空、煤气流出燃烧器本体后，在燃烧阀、燃烧口所组成的通道内预混，却不在此燃烧。既实现了短焰又不回火。第八节 热风炉操作 俄罗斯卡鲁金型俄罗斯卡鲁金型 前苏联的全苏冶金热工研究院对顶燃式热风炉进行了较全面的研究，1982年在下塔吉尔冶金公司的1513m3高炉上建成一座“卡鲁金式”顶燃式热风炉，成功地使用至今，并从1998年开始已推广到1380m3、17
18、19m3和3000m3高炉上。该顶燃式热风炉的结构特点是：1)热风炉拱顶、炉墙、格子砖和炉壳加热均匀而且对称，拱顶只有一个热风出口孔，保证热风炉拱顶在高温下的稳定性。2）燃烧用的煤气和助燃空气的环形集管安置在热风炉的炉壳内，这样可以节省热风炉组的占地面积。3)在热风炉球顶的基部设有一环形燃烧器，有数量很多(50个)的小直径陶瓷质烧嘴，煤气与助燃空气混合良好，保证在1.01.5m的高度上完全燃烧，彻底消除了燃烧脉动。4)燃烧器上设有调节装置，可使各烧嘴燃烧产生的烟气流量均匀地分布到蓄热室的断面，其不均匀程度在5%以内，整个周期内，蓄热室断面上的温度分布不均匀程度在2%3%。第八节 热风炉操作 顶
19、燃式热风炉的特征顶燃式热风炉的特征 1)顶燃式热风炉取消了侧面的燃烧室，从根本上消除了内燃式热风炉的致命缺点。顶燃式热风炉炉顶是对称结构，受力均匀，结构强度和稳定性较好；而且炉型简单，施工方便，省钢材和耐火材料。2)顶燃式热风炉采用短焰燃烧器，直接在拱顶处燃烧，由于热气流动距离缩短，减少了热损失。3)顶燃式热风炉温度区域分明，改善了耐火材料的工作条件，下部工作温度低，荷重大，上部工作温度高，荷重小。可以适当的提高耐火材料的工作温度，并能延长其使用寿命。但是，顶燃式热风炉的燃烧器、燃烧阀、热风阀等设备均在炉顶，位置较高，要求配备提升设备进行安装和检修。第八节 热风炉操作 旋流顶燃式热风炉旋流顶燃
20、式热风炉 旋流顶燃式热风炉是在比较了以上三种形式的热风炉的优缺点后，且考虑到内燃式、外燃式及顶燃式热风炉各自存在着不同程度的影响寿命的薄弱环节，从提高燃烧效率，延长寿命，方便维护的角度，开发设计的新型的热风炉。旋流顶燃式热风炉是内燃式与顶燃式相结合而产生的一种新型热风炉。内燃式热风炉的燃烧室有两个作用，燃烧期是燃烧室，送风期是热风通道。将这两个作用分开，把燃烧器安装在炉顶成为顶燃式，同时把燃烧室的直径缩小作为热风通道。它既保持了内燃式和顶燃式各自的优点，同时又比较好的克服了它们的缺点。将内燃式热风炉改为旋流顶燃式热风炉后,格子砖的重量和蓄热面积增加了20%40%，消除了火井的破损。可提高风温1
21、00200。硅酸盐耐热混凝土烘炉孔及烟道中心线250016400粘土格子砖8100高铝格子砖21791漂珠砖5852漂珠砖35143R1333人孔及热电偶中心线顶燃式热风炉纵剖图旋流顶燃式热风炉结构图 旋流顶燃式热风炉烧嘴 至热风炉中心线2800至热风炉中心线R1959烧嘴窥孔内管外管波纹管波纹管无缝钢管热风炉烧嘴旋流顶燃式热风炉烧嘴布置图 900烧 嘴 中 心 线烧 嘴 中 心 线烧 嘴 中 心 线烧 嘴 中 心 线烧 嘴 中 心 线烧 嘴 中 心 线烧 嘴 中 心 线烧 嘴 中 心 线烧 嘴 中 心 线烧 嘴 中 心 线烧 嘴 中 心 线烧 嘴 中 心 线30303030303030303
22、03030305600烧嘴布置图第八节 热风炉操作 影响理论燃烧温度的因素影响理论燃烧温度的因素 高风温是高炉最廉价、利用率最高的能源。多年来的实践经验表明：每提高风温100可以降低焦比47%。提高热风温度的主要方法是提高热风炉拱顶温度、热风与炉顶温度间的差值。在提高热风炉耐火材料的质量，改善热风炉的整体结构等措施受到限制时，提高热风炉拱顶温度的有效手段就是强化烧炉燃烧。第八节 热风炉操作 提高热风炉拱顶温度提高热风炉拱顶温度第八节 热风炉操作（1）配加高发热值焦炉煤气）配加高发热值焦炉煤气 焦炉煤气成分中含有较高的H2、CnHm、N2很低，发热值比高炉煤气高许多倍，因此，配加少量的焦炉煤气可
23、以有效地提高热风炉理论燃烧温度。据资料报道：每增加1%的焦炉煤气，可提高理论燃烧温度16。本钢为了提高风温，曾在内燃式热风炉燃烧器入口处配加了57%的焦炉煤气，提高理论燃烧温度近100。但是，由于配加后的焦炉煤气与高炉煤气混合不均匀，导致热风炉燃烧火焰出现高热细股，蓄热室内局部温度过高，造成蓄热室格子砖下沉、倒塌、堵塞，影响了热风炉的使用。第八节 热风炉操作（2）预热助燃空气和煤气）预热助燃空气和煤气 理论计算结果表明：提高烧炉煤气和助燃空气温度，可以提高理论燃烧温度。就本钢目前的煤气成分，助燃空气温度每提高100，理论燃烧温度大约增加40左右；加热煤气的效果比加热助燃空气要小些。目前利用回收
24、余热加热煤气和助燃空气的技术已经相当成熟，节能效益也是相当可观的。第八节 热风炉操作（2）预热助燃空气和煤气）预热助燃空气和煤气 鞍钢于1983年在9号高炉热风炉上研制和建造了大型气一气式钢、水整体热管换热器、预热助燃空气。于10月份投产运行。其工艺流程见图726，系统运行正常，当烟气平均温度在100220时，助燃空气预热到 70140，提高风温 33，节约高炉煤气 8.7。第八节 热风炉操作（2）预热助燃空气和煤气）预热助燃空气和煤气 由于热风炉排放的烟气较大，余热资源丰富，近来很多厂家又研制了分离热管换热器，即将热管的冷端和热端分开，在冷端设一个空气换热器和一个煤气换热器，使热风炉用的煤气
25、、空气都预热。唐钢2号高炉（1260m3）热风炉于1998年安装了分离式热管换热器，利用废气余热预热空气和煤气，取得了较为理想的效果。高炉热风炉分离式双预热热管换热器系统，由三台换热器组合而成，热风炉来的烟气经烟气总管进人分离式热管换热器的加热段，并在其内自然分流，分别通过煤气侧热管加热段和空气侧热管加热段，放出热量后经烟囱排空。烟气放出的热量由热管加热段吸收后，分别被传送到布置在煤气箱体和空气箱体中热管的冷凝段，将空气和煤气预热。预热后的煤气和空气送热风炉燃烧。第八节 热风炉操作（2）预热助燃空气和煤气）预热助燃空气和煤气唐钢2号高炉热风炉安装了分离式热管换热器第八节 热风炉操作（2）预热助
26、燃空气和煤气）预热助燃空气和煤气柳钢3号高炉热媒换热装置工艺流第八节 热风炉操作 烧单一低发热量煤气实现烧单一低发热量煤气实现1200以上高风以上高风 热风炉自身预热 热风炉自身预热法，就是利用热风炉给高炉送风后的余热来预热助燃空气，提高理论燃烧温度，达到提高风温的目的。它能用低发热量的煤气烧出1200以上的风温。它的基本原理是热量的叠加，把低温热量转化成高温热量。对小高炉和有3座热风炉的高炉，可采用“一烧一送一预热”的工作制度进行热风炉自身预热。具体的操作方法是一座热风炉烧好后，开始先给高炉送凤，给高炉送完风后，再改送助燃空气，送完助燃空气后再转为燃烧，如此周而复始地进行，这样能将助燃空气预
27、热到800900，风温可达到1200，助燃空气预热期拱顶温度仅降低30。第八节 热风炉操作 烧单一低发热量煤气实现烧单一低发热量煤气实现1200以上高风以上高风鞍钢经过近10年的研究、试验，完善和发展了热风炉自身预热系统。于1995年在10号高炉（炉容 2580m3）上，建成了热风炉自身预热系统并于 8月份投人运行。鞍钢10号高炉热风炉自身预热新工艺的特征：1）建4座热风炉，实行“两烧一送一预热”的工作制度。燃烧时间过短，需要燃烧室和燃烧能力过大与用自身预热和不用自身预热互相转换困难的问题。如北京钢铁设计研究总院给邯钢1260m3高炉设计3座热风炉，采用“一烧一送一预热”的工作制度自身预热。第
28、八节 热风炉操作 烧单一低发热量煤气实现烧单一低发热量煤气实现1200以上高风以上高风每座热风炉的燃烧能力高达 115000m3/h高炉煤气；而鞍钢10号高炉（2580m3）采用自身预热，实行“两烧一送一预热”的工作制度，一座热风炉的燃烧能力只有90000m3h就够用了。如果建3座热风炉采用“一烧一送一预热”的工作制度，一座热风炉的燃烧能力就要高达 200000m3/h，如果转换成不自身预热，实行“两烧一送”的工作制度，一座热风炉的燃烧能力只要80000m3/h就够用了。燃烧设备如此大的反差，给热风炉的设计和使用带来极大的困难。如邯钢 1260m3高炉，由于种种原因热风炉自身预热始终未能投人运
29、行，本应采用“两烧一送”的工作制度，但由于热风炉的燃烧能力过大只能受用“一烧两送”或“一烧一送一闷炉”的工作制度，给操作和设备造成极大的不利。建4座热风炉，自身预热时，采用“两烧一送一预热”；不自身预热时，采用“两烧两送”交叉并联”的工作制度，燃烧设备能力就没什么反差了。第八节 热风炉操作 烧单一低发热量煤气实现烧单一低发热量煤气实现1200以上高风以上高风自身预热系统的工作制度第八节 热风炉操作 烧单一低发热量煤气实现烧单一低发热量煤气实现1200以上高风以上高风自身预热系统工艺流程图第八节 热风炉操作 鞍钢鞍钢11#热风炉双预热工艺流程热风炉双预热工艺流程第八节 热风炉操作（3）调整空气过剩系数）调整空气过剩系数 在保证完全燃烧条件下，控制助燃空气过剩系数，可以获得更高的理论燃烧温度。计算表明，如果助燃空气温度由目前的1.1降至1.05，理论燃烧温度大约升高30。因此，加强控制燃烧和采用自动燃烧技术等措施，逐步实现燃烧的最佳化，是热风炉烧炉的发展方向。第八节 热风炉操作（3）调整空气过剩系数）调整空气过剩系数
