高爐熱風爐結(jié)構(gòu)與性能簡介

1、頁眉內(nèi)容陳維漢熱風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，一般有兩個大的類型，即間歇式工作的蓄熱式熱風爐和連續(xù)換熱式熱風爐。在高溫陶瓷換熱裝置尚不成熟的 當今，間歇式工作的蓄熱式熱風爐仍然是熱風爐的主流產(chǎn)品。蓄熱式熱風爐為了持續(xù)提供熱風最起碼必須有兩座熱風爐交替進行工作。熱風爐被廣泛應(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、熱風介質(zhì)不同而派生出不同用途與不同結(jié)構(gòu)的熱風爐。這里要介紹的是為高爐冶煉 提供高溫熱風的熱風爐，且都是蓄熱室熱風爐，因其間歇式的工作方式，必須多臺配合以實現(xiàn)向高 爐連續(xù)提供咼風溫。1、高爐熱風爐的分類高爐熱風爐從結(jié)構(gòu)可以分為外燃

2、結(jié)構(gòu)的熱風爐和內(nèi)燃結(jié)構(gòu)的熱風爐兩個大類，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結(jié)構(gòu)里面。 在內(nèi)燃結(jié)構(gòu)的熱風爐中因燃燒室與蓄熱室之間的相對位置不同而分成頂燃式（燃燒室放置在蓄熱室上部）熱風爐和側(cè)燃式（火井燃燒室 與蓄熱室并行放置）熱風爐，通常我們也將側(cè)燃式熱風爐稱為一般意義上的內(nèi)燃式熱風爐，因而在 目前使用的熱風爐中主要是外燃式熱風爐、中，外燃式熱風爐結(jié)構(gòu)最復雜而材料用量大，故實現(xiàn)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和提高風溫的技術(shù)要求也就較高；而內(nèi)燃式熱風爐的火井墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差、 且存在燃燒震蕩、熱風溫度不易提高等問題；至于頂燃式熱 風爐，因其結(jié)構(gòu)簡單而材料用量少，也便于高風溫實現(xiàn)。因此，隨著熱風爐

3、技術(shù)的發(fā)展，頂燃式熱 風爐正在逐步取代內(nèi)燃式熱風爐和外燃式熱風爐而成為熱風爐的主流產(chǎn)品。在頂燃式熱風爐中，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)燃室的頂燃式熱風爐得到 了人們的普遍認同，逐步成為頂燃式熱風爐中的主流產(chǎn)品。應(yīng)該指出的是，在旋流混合分層燃燒的帶預(yù)燃室的頂燃式熱風爐得到發(fā)展的同時，一種在卡盧 金設(shè)計的一代熱風爐技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的環(huán)形上噴交錯混合燃燒的頂燃式熱風爐逐步在國內(nèi)得 到了應(yīng)用，其快速混合、回流預(yù)熱、高強度燃燒的特征，以及均流均溫的蓄熱室高效的換熱性能，高爐 熱風爐結(jié)構(gòu)與能簡介: :i i| |/勺1 1 i i .1 r宀1 1 r r = =耳

4、Hfflijjhnnq.卄r!ItB B、內(nèi)燃式熱風爐C C、1 1 型頂燃式熱風爐D D、1 1 型頂燃式熱風E E、3 3 型頂燃式熱風爐F F、3 3 型頂燃式熱風爐內(nèi)燃式熱風爐和頂燃式熱風爐。在這三種典型的熱風爐A A、外燃式熱風爐頁眉內(nèi)容為一般條件下實現(xiàn)高熱風溫度提供了有利條件， 這是目前頂燃式熱風爐中較具發(fā)展前景的一類熱風 爐。如果我們把卡魯金結(jié)構(gòu)的熱風爐稱為帶預(yù)燃室的頂燃式熱風爐（簡稱為2型結(jié)構(gòu)），那么，環(huán) 形上噴交錯混合燃燒的頂燃式熱風爐就可稱為帶懸鏈線拱頂燃燒室的頂燃式熱風爐 （簡稱為1型結(jié) 構(gòu)）。此外，帶套筒燃燒器的球床熱風爐也基本上是屬于頂燃式熱風爐的范疇，因其燃燒裝置在

5、熱風 爐的頂部，以耐火球為蓄熱體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。其次耐火球為蓄熱體，也存在球床易積灰堵塞、 相互粘接、流動阻力大、使用周期短等問題。因此，球床熱風爐逐步被小 孔格子磚為蓄熱體的其它頂燃式熱風爐取代的趨勢。如果改變小孔格子磚 結(jié)構(gòu)與堆放形式，以及對燃燒器結(jié)構(gòu)進行改進，這種熱風爐也能在一般條 件下實現(xiàn)較高的熱風溫度。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，逐步進入人們的視線，被應(yīng)用到熱風爐的燃燒器

6、 中，成為新一代的熱風爐，不妨稱之為4型結(jié)構(gòu)的頂燃式熱風爐。該型熱 風爐借助于燃燒過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現(xiàn)比其它熱風爐更高的熱風溫度提供了有利條件。2、高爐熱風爐的結(jié)構(gòu)與組成前已述及，熱風爐是一個為工藝過程提供熱風的完成燃燒過程與傳熱過程的熱工裝置， 一定應(yīng)該包含為燃料在其中燃燒的燃燒裝置， 和氣流在其中進行熱量交換的傳熱裝置。 提供熱風的蓄熱式熱風爐而言，就必須有實現(xiàn)燃燒過程的燃燒室與燃燒器， 以及堆放能完成傳熱過 程的蓄熱體的蓄熱室；為了組織氣流

7、和實現(xiàn)氣流過程的切換， 實現(xiàn)氣流分配的冷風室和各種進出口 與閥門也是必不可少的。此外，由于高爐所需的熱風具有一定的壓力， 為此一個能夠承受壓力的金 屬外殼也是必不可少的。因此，熱風爐就是一個在金屬外殼內(nèi)砌筑耐火材料的承壓容器。下面將熱風爐的各個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)混燃燒的無焰燃燒器、半預(yù)混燃燒的短焰燃燒器、以及擴散燃燒的長焰燃燒器等。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、對沖燃燒

8、器、回流燃燒器、以及其它組合型流場的燃燒器 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，這都是人們在長期的生產(chǎn)實踐中歸納總結(jié)出來的。在頂燃式熱風爐中用得較多的是， 分層混合旋流燃燒器、或交錯混合旋流燃燒器、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 合會得到不同的燃燒效果和不同燃燒氣流流場，其對燃燒室結(jié)構(gòu)的影響也是不同的。F F、4 4 型頂燃式熱風爐中進行,能

9、使上部蓄為熱風爐其結(jié)構(gòu)對于為高爐頁眉內(nèi)容由于熱風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-莫來石磚、堇青石-莫來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程 存在劇烈的熱變化條件下實現(xiàn)其結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定地運行。2-2蓄熱體與蓄熱室從燃燒室出來的煙氣流向下進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，通常為錯位咬合式堆放，以達到堆放的穩(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。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、抗粘附能力強的材質(zhì)，如硅質(zhì)或低蠕變高鋁材質(zhì)，格子磚接近冷風室的部部溫度低，選用低溫性能好、 強度高的材質(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)。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接觸 （實際有變形而構(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） 對其的作用力（結(jié)構(gòu)應(yīng)力和熱應(yīng)力）、保持蓄熱體適當?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)，也就是與燃燒時之間設(shè)置能相 互滑動的迷宮式連接裝置。2-3爐算子及其支撐與冷風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。由于熱風爐 墻體磚是砌筑在熱風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相應(yīng)的空 間，常稱為冷風室。通過此空間，高爐鼓風由此進入熱風爐，再通過格子磚而被加熱為熱風后送入 高爐，而從蓄熱體流出的煙氣也通過它而流進熱風爐的煙道。因此，冷風室是高爐冷鼓風進入和爐 內(nèi)熱煙氣流出的一個過渡空間。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 使之進入煙氣出口管，也可以將從冷風進口管進入的冷風均勻分散到蓄熱體截面上的各個格孔之中 去。同時，鑄鐵格子磚堆放體本身也能起到蓄熱體的作用，即儲存與交換熱量，因而也能有效地降低排煙溫度而提高熱風爐效率。2-4熱風爐各管口熱風爐因其交替地完成爐內(nèi)蓄熱體的加熱過程（燃料燃燒與蓄熱體吸熱）與送風過程（冷鼓風 加熱與蓄熱體放熱），設(shè)置不同氣流的進、出口管并設(shè)置閥門以調(diào)節(jié)氣流大小和實現(xiàn)氣流的切換時 是熱風爐完成其向高爐輸送熱鼓風所必不可少的裝置。主要管口與閥門為：熱風出口管一一是熱風爐最

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)計不容忽視；煤氣、助燃空氣進口管一一是接入熱風爐燃燒器主要管口，對于外置式燃燒器他們是由金屬管制成，期內(nèi)進行防腐內(nèi)噴涂；如果是進入諸如預(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，開口于冷風室的墻體上，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；冷風進口管一一冷風管可以單獨設(shè)置，也可以借助煙氣出口而進熱風爐，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接熱風爐圓筒體的幾何結(jié)構(gòu)，也就是大、小圓筒體對接的形狀，結(jié) 構(gòu)較為復雜，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)力的作用。3、熱風爐的工作原理熱風爐本質(zhì)上就是一個通過燃燒方式將空氣加熱以獲得熱風的設(shè)備，風爐也不例外，也是一個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爐是間歇式工作 的，其工作原理可描述為：在熱風爐中煤氣與空氣在燃燒裝置中混合燃燒而產(chǎn)生高溫煙氣，并通過傳熱裝置將其攜帶的熱量在其與蓄熱體進行熱交換的過程中傳遞到蓄熱體中，一定能夠時間之后進行切換，通入冷鼓風，在其與蓄熱體的熱交

16、換過程中獲得熱量變成熱鼓風而最后送需要的熱利用裝 置，對于高爐熱風爐而言就是通過這種方式為高爐提供足夠高的熱鼓風（熱風）風。由于現(xiàn)代煉鐵 技術(shù)的發(fā)展，對高爐鼓風的要求越來越高，其風溫要求都在1200C上下。顯然，為了滿足高爐的需求，熱風爐從結(jié)構(gòu)到性能都必須與之相適應(yīng)。 因此，深入了解熱風爐的工作原理對于設(shè)計與制作 熱風爐，以及運行和管理熱風爐都是至關(guān)重要的事情。3-1熱風爐內(nèi)的燃燒過程基于高爐熱風爐是以燃燒高爐煤氣作為熱源的，其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散燃燒方式和預(yù)先 頁眉內(nèi)容這里重點講述的蓄熱式熱頁眉內(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)混部分擴散混合的半預(yù)混燃燒方式。這就是通常所說的長焰燃燒模式、無焰燃燒模式、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。這就是說在相同的絕熱條 件下，短焰燃燒的溫度就會高一些。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，勢必導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、擴散燃燒的燃燒溫 度。這就告訴我們，熱風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現(xiàn)高風溫的道理所在。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，燃燒強度（單位時間單位體積的燃燒煤氣量） 則明顯提高，而過量空氣系數(shù)也就相 應(yīng)減小，這都會直接導致燃燒溫度的提高。 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熱風爐內(nèi)的傳熱過程在對熱風爐燃燒問題清楚之后，其傳熱與蓄熱問題也不能忽視。因為燃燒后高溫煙氣所攜帶的 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（冷、熱風）中。因此，煙氣與蓄熱體間的熱交換，以及蓄熱體與鼓風之間的熱交換過程就顯得格外重要。對工程傳熱過程而言，其 性能與蓄熱體的結(jié)構(gòu)特征、材質(zhì)、及布置，與氣流的流速、流態(tài)、及分布，與兩種氣流間的流動方向及溫差等都密切相關(guān)。不難看出，燃燒后的煙氣流場能否以均勻分布的方式進入蓄熱體,均勻的氣流分布能否在進入蓄熱體后迅速調(diào)整到較為均勻的分布，是能否提高蓄熱體利用率和增強 傳熱效果的關(guān)鍵因素。 但凡在熱風爐中能夠組織起這樣的氣流流場就一定是結(jié)構(gòu)合理的熱風爐, 為實現(xiàn)高風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。進一步看，蓄