高爐熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)與性能簡(jiǎn)介

1、頁(yè)眉內(nèi)容陳維漢熱風(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(guò)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。在高溫陶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)行工作。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)提供咼風(fēng)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

2、結(jié)構(gòu)的熱風(fēng)爐和內(nèi)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。 在內(nèi)燃結(jié)構(gòu)的熱風(fēng)爐中因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內(nèi)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、中，外燃式熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)最復(fù)雜而材料用量大，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；而內(nèi)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(wèn)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

3、技術(shù)的發(fā)展，頂燃式熱 風(fēng)爐正在逐步取代內(nèi)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)爐得到發(fā)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)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的環(huán)形上噴交錯(cuò)混合燃燒的頂燃式熱風(fēng)爐逐步在國(guó)內(nèi)得 到了應(yīng)用，其快速混合、回流預(yù)熱、高強(qiáng)度燃燒的特征，以及均流均溫的蓄熱室高效的換熱性能，高爐 熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)與能簡(jiǎn)介: :i i| |/勺1 1 i i .1 r宀1 1 r r = =耳

4、Hfflijjhnnq.卄r!ItB B、內(nèi)燃式熱風(fēng)爐C C、1 1 型頂燃式熱風(fēng)爐D D、1 1 型頂燃式熱風(fēng)E E、3 3 型頂燃式熱風(fēng)爐F F、3 3 型頂燃式熱風(fēng)爐內(nèi)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A A、外燃式熱風(fēng)爐頁(yè)眉內(nèi)容為一般條件下實(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)爐中較具發(fā)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) 形上噴交錯(cuò)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)）。此外，帶套筒燃燒器的球床熱風(fēng)爐也基本上是屬于頂燃式熱風(fēng)爐的范疇，因其燃燒裝置在

5、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， 為敘述方便不妨將其稱為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(wèn)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，以及對(duì)燃燒器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，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，還有一種能體現(xiàn)氣體燃料在多孔介質(zhì)中燃燒的屬于第 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

6、 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(guò)程一部分或者絕大部分在蓄熱體（格子磚堆積或耐火球床） 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， 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)與組成前已述及，熱風(fēng)爐是一個(gè)為工藝過(guò)程提供熱風(fēng)的完成燃燒過(guò)程與傳熱過(guò)程的熱工裝置， 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)行熱量交換的傳熱裝置。 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(guò)程的燃燒室與燃燒器， 以及堆放能完成傳熱過(guò) 程的蓄熱體的蓄熱室；為了組織氣流

7、和實(shí)現(xiàn)氣流過(guò)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。此外，由于高爐所需的熱風(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)在金屬外殼內(nèi)砌筑耐火材料的承壓容器。下面將熱風(fēng)爐的各個(gè)重要組成部分一一加以描述如下。2-1燃燒器與燃燒室高爐熱風(fēng)爐的燃燒器基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(wú)焰燃燒器、半預(yù)混燃燒的短焰燃燒器、以及擴(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、以及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

8、器、回流燃燒器、以及其它組合型流場(chǎng)的燃燒器 等。為了完成燃燒過(guò)程和組織氣流的形態(tài)在燃燒器后提供一個(gè)燃燒空間是必然的，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(lái)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、或交錯(cuò)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)，其對(duì)燃燒室結(jié)構(gòu)的影響也是不同的。F F、4 4 型頂燃式熱風(fēng)爐中進(jìn)行,能

9、使上部蓄為熱風(fēng)爐其結(jié)構(gòu)對(duì)于為高爐頁(yè)眉內(nèi)容由于熱風(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、低蠕變高鋁磚等用作燃燒室的砌筑材料，而紅柱石-莫來(lái)石磚、堇青石-莫來(lái)石磚則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(guò)程 存在劇烈的熱變化條件下實(shí)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定地運(yùn)行。2-2蓄熱體與蓄熱室從燃燒室出來(lái)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

10、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，以達(dá)到堆放的穩(wěn)定性。堆放過(guò)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)。格子磚按其工作溫度的不同而選用不同的材質(zhì)，接近燃燒室的部分溫度高，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(guò)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)。此外，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，以避免產(chǎn)生附加的熱應(yīng)力。耐火球也是熱風(fēng)爐采用的一

11、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，如上部米用硅質(zhì)球或剛玉球，下部米用咼強(qiáng)度咼鋁球或咼鋁球等。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） 對(duì)其的作用力（結(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、以及自身結(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 （基本的選擇是與格子磚的材質(zhì)保 持一致），且要保證其在上、下方向上有釋放其內(nèi)應(yīng)

12、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爐算子及其支撐與冷風(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(lái)支撐的。爐算子及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基礎(chǔ)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(guò)此空間，高爐鼓風(fēng)由此進(jìn)入熱風(fēng)爐，再通過(guò)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(guò)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 內(nèi)熱煙氣流出的一個(gè)過(guò)渡空間。值得一提的是，用一種帶有輻射

13、狀水平通孔鑄鐵格子磚直接堆放在冷風(fēng)室中，就可以取代爐算子及其支撐結(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內(nèi)蓄熱體的加熱過(guò)程（燃料燃燒與蓄熱體吸熱）與送風(fēng)過(guò)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

14、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)不容忽視；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，期內(nèi)進(jìn)行防腐內(nèi)噴涂；如果是進(jìn)入諸如預(yù)燃室或環(huán)形耐材砌筑的陶瓷燃燒器，是采用金屬外殼內(nèi)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；煙氣出口管一一是煙氣排出的通道，開(kāi)口于冷風(fēng)室的墻體上，通常是在金屬外殼內(nèi)用普通的耐 火粘土磚砌筑，金屬外殼一定要采用防腐內(nèi)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，其砌筑結(jié)

15、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(guò)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(guò)燃燒方式將空氣加熱以獲得熱風(fēng)的設(shè)備，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，其工作原理可描述為：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?，并通過(guò)傳熱裝置將其攜帶的熱量在其與蓄熱體進(jìn)行熱交換的過(guò)程中傳遞到蓄熱體中，一定能夠時(shí)間之后進(jìn)行切換，通入冷鼓風(fēng)，在其與蓄熱體的熱交

16、換過(guò)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(guò)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)的發(fā)展，對(duì)高爐鼓風(fēng)的要求越來(lái)越高，其風(fēng)溫要求都在1200C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，以及運(yùn)行和管理熱風(fēng)爐都是至關(guān)重要的事情。3-1熱風(fēng)爐內(nèi)的燃燒過(guò)程基于高爐熱風(fēng)爐是以燃燒高爐煤氣作為熱源的，其燃燒過(guò)程是受物理過(guò)程控制，也就是受煤氣 與空氣的混合過(guò)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 頁(yè)眉內(nèi)容這里重點(diǎn)講述的蓄熱式熱頁(yè)眉內(nèi)容混

17、合后再燃燒的預(yù)混燃燒方式，以及介于兩者之間的部分預(yù)混部分?jǐn)U散混合的半預(yù)混燃燒方式。這就是通常所說(shuō)的長(zhǎng)焰燃燒模式、無(wú)焰燃燒模式、及短焰燃燒模式。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小的。這就是說(shuō)在相同的絕熱條 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(guò)量過(guò)量空氣系數(shù)。顯見(jiàn)，三種燃燒過(guò)程中預(yù)混燃燒的 過(guò)量空氣系數(shù)一定最小，而擴(kuò)散燃燒過(guò)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

18、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） 則明顯提高，而過(guò)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相同條件F獲得最高的燃燒溫度。3-2熱風(fēng)爐內(nèi)的傳熱過(guò)程在對(duì)熱風(fēng)爐燃燒問(wèn)題清楚之后，其傳熱與蓄熱問(wèn)題也不能忽視。因?yàn)槿紵蟾邷責(zé)煔馑鶖y帶的 能量，一

19、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，以及蓄熱體與鼓風(fēng)之間的熱交換過(guò)程就顯得格外重要。對(duì)工程傳熱過(guò)程而言，其 性能與蓄熱體的結(jié)構(gòu)特征、材質(zhì)、及布置，與氣流的流速、流態(tài)、及分布，與兩種氣流間的流動(dòng)方向及溫差等都密切相關(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,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, 為實(shí)現(xiàn)高風(fēng)溫提供了基本的爐型結(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