高爐熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)與性能簡(jiǎn)介

1、高爐熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)與性能簡(jiǎn)介維漢華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 聯(lián)系熱風(fēng)爐顧名思義就是為工藝需要提供熱氣流的集燃燒與傳熱過程于一體的熱工設(shè)備， 一般有兩個(gè)大的類型，即間歇式工作的蓄熱式熱風(fēng)爐和連續(xù)換熱式熱風(fēng)爐。在高溫瓷換熱裝 置尚不成熟的當(dāng)今，間歇式工作的蓄熱式熱風(fēng)爐仍然是熱風(fēng)爐的主流產(chǎn)品。蓄熱式熱風(fēng)爐 為了持續(xù)提供熱風(fēng)最起碼必須有兩座熱風(fēng)爐交替進(jìn)展工作。熱風(fēng)爐被廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn) 的諸多領(lǐng)域，因工藝要求不同、燃料種類不同、熱風(fēng)介質(zhì)不同而派生出不同用途與不同結(jié) 構(gòu)的熱風(fēng)爐。這里要介紹的是為高爐冶煉提供高溫?zé)犸L(fēng)的熱風(fēng)爐，且都是蓄熱室熱風(fēng)爐， 因其間歇式的工作方式，必須多臺(tái)配合以實(shí)現(xiàn)向高爐連續(xù)提供高風(fēng)

2、溫。1、高爐熱風(fēng)爐的分類高爐熱風(fēng)爐從結(jié)構(gòu)可以分為外燃結(jié)構(gòu)的熱風(fēng)爐和燃結(jié)構(gòu)的熱風(fēng)爐兩個(gè)大類，前者是燃燒室 設(shè)置在蓄熱室的外面，而后者是燃燒室與蓄熱室在一個(gè)結(jié)構(gòu)里面。在燃結(jié)構(gòu)的熱風(fēng)爐中因A、外燃式熱風(fēng)爐B、內(nèi)燃式熱風(fēng)爐C、1型頂燃式熱風(fēng)爐D、1型頂燃式熱風(fēng)爐E、3型頂燃式熱風(fēng)爐F、3型頂燃式熱風(fēng)爐燃燒室與蓄熱室之間的相對(duì)位置不同而分成頂燃式（燃燒室放置在蓄熱室上部）熱風(fēng)爐和側(cè) 燃式（火井燃燒室與蓄熱室并行放置）熱風(fēng)爐，通常我們也將側(cè)燃式熱風(fēng)爐稱為一般意義上 的燃式熱風(fēng)爐，因而在目前使用的熱風(fēng)爐中主要是外燃式熱風(fēng)爐、燃式熱風(fēng)爐和頂燃式熱 風(fēng)爐。在這三種典型的熱風(fēng)爐中，外燃式熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)最復(fù)雜而材料用量

3、大，故實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)穩(wěn) 定和提高風(fēng)溫的技術(shù)要求也就較高；而燃式熱風(fēng)爐的火井墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差、且存在燃燒震 蕩、熱風(fēng)溫度不易提高等問題；至于頂燃式熱風(fēng)爐，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而材料用量少，也便于 高風(fēng)溫實(shí)現(xiàn)。因此，隨著熱風(fēng)爐技術(shù)的開展，頂燃式熱風(fēng)爐正在逐步取代燃式熱風(fēng)爐和外 燃式熱風(fēng)爐而成為熱風(fēng)爐的主流產(chǎn)品。在頂燃式熱風(fēng)爐中，隨著卡魯金旋流分層混合燃燒 技術(shù)的應(yīng)用，與該技術(shù)相適應(yīng)的帶旋流混合預(yù)燃室的頂燃式熱風(fēng)爐得到了人們的普遍認(rèn)同， 逐步成為頂燃式熱風(fēng)爐中的主流產(chǎn)品。應(yīng)該指出的是，在旋流混合分層燃燒的帶預(yù)燃室的頂燃式熱風(fēng)爐得到開展的同時(shí)，一種在 卡盧金設(shè)計(jì)的一代熱風(fēng)爐技術(shù)根底上開展起來的環(huán)形上噴交織混合燃燒的頂

4、燃式熱風(fēng)爐逐 步在國得到了應(yīng)用，具快速混合、回流預(yù)熱、高強(qiáng)度燃燒的特征，以與均流均溫的蓄熱室 高效的換熱性能，為一般條件下實(shí)現(xiàn)高熱風(fēng)溫度提供了有利條件，這是目前頂燃式熱風(fēng)爐 中較具開展前景的一類熱風(fēng)爐。如果我們把卡魯金結(jié)構(gòu)的熱風(fēng)爐稱為帶預(yù)燃室的頂燃式熱風(fēng)爐簡(jiǎn)稱為2型結(jié)構(gòu)，那么，環(huán)形上噴交織混合燃燒的頂燃式熱風(fēng)爐就可稱為帶懸鏈線拱頂燃燒室的頂燃式熱風(fēng)爐簡(jiǎn)稱為1型結(jié)構(gòu)。止匕外，帶套筒燃燒器的球床熱風(fēng)爐也根本上是屬于頂燃式熱風(fēng)爐的疇，因其燃燒裝置 在熱風(fēng)爐的頂部，以耐火球?yàn)樾顭狍w裝在燃燒室下面的蓄熱室中，為表達(dá)方便不妨將其稱 為3型結(jié)構(gòu)的頂燃式熱風(fēng)爐。這種爐型一般帶有旋流上噴的套筒燃燒器，受燃燒器噴

5、嘴數(shù)量 限制，存在混合燃燒欠佳，氣流組織紊亂的缺點(diǎn)。其次耐火球?yàn)樾顭狍w， 也存在球床易積灰堵塞、相互粘接、流動(dòng)阻力大、使用周期短等問題。因此，球床熱風(fēng)爐逐步被小孔格子磚為蓄熱體的其它頂燃式熱風(fēng)爐取 代的趨勢(shì)。如果改變小孔格子磚結(jié)構(gòu)與堆放形式，以與對(duì)燃燒器結(jié)構(gòu) 進(jìn)展改良，這種熱風(fēng)爐也能在一般條件下實(shí)現(xiàn)較高的熱風(fēng)溫度。值得注意的是,還有一種能表達(dá)氣體燃料在多孔介質(zhì)中燃燒的屬于一刑幣-mF、4型頂燃式熱風(fēng)爐第三代燃燒技術(shù)的燃燒器，逐步進(jìn)入人們的視線，被應(yīng)用到熱風(fēng)爐的燃燒器中，成為新一代的熱風(fēng)爐，不妨稱之為 4型結(jié)構(gòu)的頂燃式熱風(fēng)爐。該型熱風(fēng)爐借助于燃燒過程一局部或者絕大局部在蓄熱體格子磚堆積或耐火球床

6、 中進(jìn)展，能使上部蓄熱體的溫度更加接近燃燒溫度，縮小了熱風(fēng)溫度與燃燒溫度或拱頂 溫度之間的差異，為熱風(fēng)爐在使用低熱值的純高爐煤氣條件下實(shí)現(xiàn)比其它熱風(fēng)爐更高的 熱風(fēng)溫度提供了有利條件。2、高爐熱風(fēng)爐的結(jié)構(gòu)與組成前已述與，熱風(fēng)爐是一個(gè)為工藝過程提供熱風(fēng)的完成燃燒過程與傳熱過程的熱工裝置， 其結(jié)構(gòu)一定應(yīng)該包含為燃料在其中燃燒的燃燒裝置，和氣流在其中進(jìn)展熱量交換的傳熱裝 置。對(duì)于為高爐提供熱風(fēng)的蓄熱式熱風(fēng)爐而言， 就必須有實(shí)現(xiàn)燃燒過程的燃燒室與燃燒器， 以與堆放能完成傳熱過程的蓄熱體的蓄熱室；為了組織氣流和實(shí)現(xiàn)氣流過程的切換，實(shí)現(xiàn) 氣流分配的冷風(fēng)室和各種進(jìn)出口與閥門也是必不可少的。止匕外，由于高爐所需

7、的熱風(fēng)具有 一定的壓力，為此一個(gè)能夠承受壓力的金屬外殼也是必不可少的。因此，熱風(fēng)爐就是一個(gè) 在金屬外殼砌筑耐火材料的承壓容器。下面將熱風(fēng)爐的各個(gè)重要組成局部一一加以描述如 下。2-1燃燒器與燃燒室高爐熱風(fēng)爐的燃燒器根本上都是適于氣體燃料燃燒的裝置。按照氣體燃料燃燒的模式， 可分為預(yù)混燃燒的無焰燃燒器、半預(yù)混燃燒的短焰燃燒器、以與擴(kuò)散燃燒的長(zhǎng)焰燃燒器等。 按照其結(jié)構(gòu)的形式可分為圓形燃燒器、矩形燃燒器、環(huán)形燃燒器、以與其他形狀的燃燒器 等。按照燃燒氣流的組織形態(tài)可分為旋流燃燒器、直流燃燒器、對(duì)沖燃燒器、回流燃燒器、 以與其它組合型流場(chǎng)的燃燒器等。為了完成燃燒過程和組織氣流的形態(tài)在燃燒器后提供一個(gè)燃

8、燒空間是必然的，這就是 燃燒室。通常不同的燃燒器都配備有不同結(jié)構(gòu)的燃燒室，這都是人們?cè)陂L(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐中 歸納總結(jié)出來的。在頂燃式熱風(fēng)爐中用得較多的是，分層混合旋流燃燒器、或交織混合旋 流燃燒器、或環(huán)狀布置噴嘴預(yù)混或半預(yù)混燃燒器等，它們常配以錐筒狀燃燒室；套筒式燃 燒器或者噴嘴環(huán)形布置氣流垂直上噴的燃燒器常配以倒懸鏈線旋成狀燃燒室、或蘑菇狀燃 燒室、或球狀燃燒室等。應(yīng)該指出，不同的配合會(huì)得到不同的燃燒效果和不同燃燒氣流流 場(chǎng)，具對(duì)燃燒室結(jié)構(gòu)的影響也是不同的。由于熱風(fēng)爐的燃燒器與燃燒室都是在高溫下工作的耐火材料砌筑體，必須選用耐高溫 且高溫下熱穩(wěn)定性好的材料，如硅磚、紅柱石高鋁磚、低蠕變高鋁磚等用

9、作燃燒室的砌筑 材料，而紅柱石-莫來石磚、堇青石-莫來石磚那么作為燃燒器的砌筑材料，其目的在于使 燃燒器與燃燒室在燃燒過程存在劇烈的熱變化條件下實(shí)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)平安穩(wěn)定地運(yùn)行。2-2蓄熱體與蓄熱室從燃燒室出來的煙氣流向下進(jìn)入堆放著蓄熱體的蓄熱室，蓄熱室為豎向放置的筒狀結(jié) 構(gòu)。蓄熱體主要以多孔棱柱形的格子磚堆砌而成，或者由球狀耐火球隨機(jī)堆放而成。格子 磚的外形為正六棱柱體，也就是上下端面為正六邊形，兩個(gè)端面之間有數(shù)量不等的按正三 角形排列通孔。格子磚按一定規(guī)律堆放在蓄熱室中，通常為錯(cuò)位咬合式堆放，以到達(dá)堆放 的穩(wěn)定性。堆放過程中一定要保證上下孔的通暢，這也是格子磚堆放質(zhì)量的重要指標(biāo)。格 子磚按其工作溫

10、度的不同而選用不同的材質(zhì)，接近燃燒室的局部溫度高，選用高溫性能好、抗粘附能力強(qiáng)的材質(zhì)，如硅質(zhì)或低蠕變高鋁材質(zhì)，格子磚接近冷風(fēng)室的部部溫度低，選用 低溫性能好、強(qiáng)度高的材質(zhì)，如粘土質(zhì)或紅柱石粘土質(zhì)，中部材質(zhì)帶有過渡性，但高溫性 能還是其主要要求，如高鋁質(zhì)或紅柱石高鋁質(zhì)。止匕外，在堆放中格子磚與格子磚之間留有 足夠的膨脹縫隙，使得每一塊格子磚都能釋放因溫度升高而導(dǎo)致的體積膨脹，以防止產(chǎn)生 附加的熱應(yīng)力。耐火球也是熱風(fēng)爐采用的一類蓄熱體，其結(jié)構(gòu)為球形，堆放形式是隨機(jī)倒入整平即可， 其材質(zhì)與格子磚是一樣的，也要隨所處的位置而做相應(yīng)的變化。由于耐火球與耐火球之間 理論上是點(diǎn)接觸實(shí)際有變形而構(gòu)成面接觸，其

11、材質(zhì)的要求就要比格子磚高，尤其是荷重 軟化溫度要求高，如上部采用硅質(zhì)球或剛玉球，下部采用高強(qiáng)度高鋁球或高鋁球等。蓄熱室是堆放蓄熱體的圓筒狀結(jié)構(gòu)的空間， 其主要作用是承受氣流的壓力和格子磚 或 耐火球?qū)ζ涞淖饔昧Y(jié)構(gòu)應(yīng)力和熱應(yīng)力、保持蓄熱體適當(dāng)?shù)臏囟拳h(huán)境、以與自身結(jié)構(gòu) 的穩(wěn)定性。由于從上到下溫度變化較大，為了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定也要采用不同的材質(zhì)砌筑根本的 選擇是與格子磚的材質(zhì)保持一致，且要保證其在上、下方向上有釋放其應(yīng)力的相應(yīng)結(jié)構(gòu)， 也就是與燃燒時(shí)之間設(shè)置能相互滑動(dòng)的迷宮式連接裝置。2-3爐算子與其支撐與冷風(fēng)室蓄熱室中的格子磚或耐火球是放置在蓄熱室底部的爐算子上，爐算子本身是由爐算子橫梁與支柱來支撐的。爐

12、算子與其支撐通常由耐熱鑄鐵RQTSi4Mo RTCr2等鑄造加工而成。由于熱風(fēng)爐墻體磚是砌筑在熱風(fēng)爐的爐底的耐熱混凝土根底上的，這樣爐底到爐算 子之間就有了一個(gè)相應(yīng)的空間，常稱為冷風(fēng)室。通過此空間，高爐鼓風(fēng)由此進(jìn)入熱風(fēng)爐，再通過格子磚而被加熱為熱風(fēng)后送入高爐，而從蓄熱體流出的煙氣也通過它而流進(jìn)熱風(fēng)爐 的煙道。因此，冷風(fēng)室是高爐冷鼓風(fēng)進(jìn)入和爐熱煙氣流出的一個(gè)過渡空間。值得一提的是， 用一種帶有輻射狀水平通孔鑄鐵格子磚直接堆放在冷風(fēng)室中，就可以取代爐算子與其支撐 結(jié)構(gòu)，借助于與格孔互通的水平通孔既可以完成聚集煙氣而使之進(jìn)入煙氣出口管，也可以 將從冷風(fēng)進(jìn)口管進(jìn)入的冷風(fēng)均勻分散到蓄熱體截面上的各個(gè)格孔

13、之中去。同時(shí)，鑄鐵格子 磚堆放體本身也能起到蓄熱體的作用，即儲(chǔ)存與交換熱量，因而也能有效地降低排煙溫度 而提高熱風(fēng)爐效率。2-4熱風(fēng)爐各管口熱風(fēng)爐因其交替地完成爐蓄熱體的加熱過程燃料燃燒與蓄熱體吸熱與送風(fēng)過程冷 鼓風(fēng)加熱與蓄熱體放熱，設(shè)置不同氣流的進(jìn)、出口管并設(shè)置閥門以調(diào)節(jié)氣流大小和實(shí)現(xiàn)氣 流的切換時(shí)是熱風(fēng)爐完成其向高爐輸送熱鼓風(fēng)所必不可少的裝置。主要管口與閥門為：熱風(fēng)出口管一一是熱風(fēng)爐最重要的管口，由于始終處于高溫狀態(tài)，需要用優(yōu)質(zhì)耐火材 料砌筑，由于存在較大的熱應(yīng)力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力，其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)不容無視；煤氣、助燃空氣進(jìn)口管一一是接入熱風(fēng)爐燃燒器主要管口，對(duì)于外置式燃燒器他們是 由金屬管制成，

14、期進(jìn)展防腐噴涂；如果是進(jìn)入諸如預(yù)燃室或環(huán)形耐材砌筑的瓷燃燒器，是 采用金屬外殼由耐火磚砌筑而成，因其所處溫度不高，可用普通耐火粘土磚砌筑，對(duì)于溫 度變化較大的情況，可采用紅柱石粘土磚砌筑；煤氣出口管一一是煙氣排出的通道，開口于冷風(fēng)室的墻體上，通常是在金屬外殼用普 通的耐火粘土磚砌筑，金屬外殼一定要采用防腐涂層；冷風(fēng)進(jìn)口管一一冷風(fēng)管可以單獨(dú)設(shè)置，也可以借助煙氣出口而進(jìn)熱風(fēng)爐，具砌筑結(jié)構(gòu) 與用材與煙氣出口管一樣。由于這些管口均采用圓管對(duì)接熱風(fēng)爐圓筒體的幾何結(jié)構(gòu)，也就是大、小圓筒體對(duì)接的 形狀，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，多采用組合磚結(jié)構(gòu)俗稱花瓣磚，用其作為磚體結(jié)構(gòu)的過度帶，以 保證結(jié)構(gòu)的完整性和分散結(jié)構(gòu)應(yīng)力的作

15、用。3、熱風(fēng)爐的工作原理熱風(fēng)爐本質(zhì)上就是一個(gè)通過燃燒方式將空氣加熱以獲得熱風(fēng)的設(shè)備，這里重點(diǎn)講述的 蓄熱式熱風(fēng)爐也不例外，也是一個(gè)燃燒裝置與傳熱裝置的組合設(shè)備。所不同的是蓄熱式熱 風(fēng)爐是間歇式工作的，具工作原理可描述為：在熱風(fēng)爐中煤氣與空氣在燃燒裝置中混合燃 燒而產(chǎn)生高溫?zé)煔猓⑼ㄟ^傳熱裝置將其攜帶的熱量在其與蓄熱體進(jìn)展熱交換的過程中傳遞到蓄熱體中，一定能夠時(shí)間之后進(jìn)展切換，通入冷鼓風(fēng)，在其與蓄熱體的熱交換過程中 獲得熱量變成熱鼓風(fēng)而最后送需要的熱利用裝置，對(duì)于高爐熱風(fēng)爐而言就是通過這種方式 為高爐提供足夠高的熱鼓風(fēng)熱風(fēng)風(fēng)。由于現(xiàn)代煉鐵技術(shù)的開展，對(duì)高爐鼓風(fēng)的要求越 來越高，其風(fēng)溫要求都在12

16、00c上下。顯然，為了滿足高爐的需求，熱風(fēng)爐從結(jié)構(gòu)到性能 都必須與之相適應(yīng)。因此，深入了解熱風(fēng)爐的工作原理對(duì)于設(shè)計(jì)與制作熱風(fēng)爐，以與運(yùn)行 和管理熱風(fēng)爐都是至關(guān)重要的事情。3-1熱風(fēng)爐的燃燒過程基于高爐熱風(fēng)爐是以燃燒高爐煤氣作為熱源的，具燃燒過程是受物理過程控制，也就是受煤氣與空氣的混合過程控制。按照兩種氣體的混合情況，通常分為邊混合邊燃燒的擴(kuò)散 燃燒方式和預(yù)先混合后再燃燒的預(yù)混燃燒方式，以與介于兩者之間的局部預(yù)混局部擴(kuò)散混 合的半預(yù)混燃燒方式。這就是通常所說的長(zhǎng)焰燃燒模式、無焰燃燒模式、與短焰燃燒模式。 顯然，要完成一定量煤氣的燃燒，長(zhǎng)焰燃燒所需要的燃燒空間是最大的，短焰燃燒所需要 的空間是最

17、小的。這就是說在一樣的絕熱條件下，短焰燃燒的溫度就會(huì)高一些。再定義一 下，一定量煤氣完全燃燒所需的空氣量為理論空氣量，實(shí)際空氣量總是大于理論空氣量， 其比值為過量過量空氣系數(shù)。顯見，三種燃燒過程中預(yù)混燃燒的過量空氣系數(shù)一定最小， 而擴(kuò)散燃燒過量空氣系數(shù)一定最大。那么多余的空氣要加熱到燃燒溫度，就要消耗熱量， 勢(shì)必導(dǎo)致燃燒溫度的整體下降。所以預(yù)混燃燒的燃燒溫度要高于擴(kuò)散燃燒的燃燒溫度。這 就告訴我們，熱風(fēng)爐的燃燒方式只能是越接近預(yù)混燃燒方式越好。這也就是套筒燃燒器、 矩形燃燒器、旋流多噴嘴分層混合燃燒器等不易實(shí)現(xiàn)高風(fēng)溫的道理所在。結(jié)論只能是，燃 燒器一定要讓煤氣與空氣快速且均勻地混合、充分預(yù)熱后

18、即時(shí)燃燒。這樣的燃燒器所需燃 燒空間明顯縮小，散熱也相應(yīng)減小，燃燒強(qiáng)度單位時(shí)間單位體積的燃燒煤氣量那么明 顯提高，而過量空氣系數(shù)也就相應(yīng)減小，這都會(huì)直接導(dǎo)致燃燒溫度的提高。因此，采用預(yù) 混燃燒方式的燃燒器就一定能在一樣條件下獲得最高的燃燒溫度。3-2熱風(fēng)爐的傳熱過程在對(duì)熱風(fēng)爐燃燒問題清楚之后，其傳熱與蓄熱問題也不能無視。因?yàn)槿紵蟾邷責(zé)煔馑?攜帶的能量，一定要以蓄熱室的蓄熱體為傳熱介質(zhì)才能傳遞到高爐鼓風(fēng)冷、熱風(fēng)中。 因此，煙氣與蓄熱體間的熱交換，以與蓄熱體與鼓風(fēng)之間的熱交換過程就顯得格外重要。對(duì)工程傳熱過程而言，其性能與蓄熱體的結(jié)構(gòu)特征、材質(zhì)、與布置，與氣流的流速、流態(tài)、 與分布，與兩種氣流間的流動(dòng)方向與溫差等都密切相關(guān)。不難看出，燃燒后的煙氣流場(chǎng)能 否以均勻分布的方式進(jìn)入蓄熱體，以與不均勻的氣流分布能否在進(jìn)入蓄熱體后迅速調(diào)整到 較為均勻的分布，是能否提高蓄熱體利用率和增強(qiáng)傳熱效果的關(guān)鍵因素。但凡在熱風(fēng)爐中 能夠組織起這樣的氣流流場(chǎng)就一定是結(jié)構(gòu)合理的熱風(fēng)爐，就為實(shí)現(xiàn)高風(fēng)溫提供了根本的爐 型結(jié)構(gòu)。其次是蓄熱體間氣流的流速選擇，這直接影響蓄熱體高度與直徑，成為蓄熱體結(jié) 構(gòu)形態(tài)的主要影響因素。進(jìn)一步看，蓄熱體格