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0一、高炉热风炉结构与性能简介热风炉顾名思义就是为工艺需要提供热气流的集燃烧与传热过程于一体的热工设备，一般有两个大的类型,即间歇式工作的蓄热式热风炉和连续换热式热风炉。在高温陶瓷换热装置尚不成熟的当今，间歇式工作的蓄热式热风炉仍然是热风炉的主流产品。蓄热式热风炉为了持续提供热风最起码必须有两座热风炉交替进行工作。热风炉被广泛应用在工业生产的诸多领域，因工艺要求不同、燃料种类不同、热风介质不同而派生出不同用途与不同结构的热风炉。这里要介绍的是为高炉冶炼提供高温热风的热风炉，且都是蓄热室热风炉，因其间歇式的工作方式，必须多台配合以实现向高炉连续提供高风温。1．1高炉热风炉的分类高炉热风炉从结构可以分为外燃结构的热风炉和内燃结构的热风炉两个大类，前者是燃烧室设置在蓄热室的外面，而后者是燃烧室与蓄热室在一个结构里面。在内燃结构的热风炉中因燃烧室与蓄热室之间的相对位置不同而分成顶燃式(燃烧室放置在蓄热室上部)热风炉和侧燃式(火井燃烧室与蓄热室并行放置)热风炉，通常我们也将侧燃式热风炉称为一般意义上的内燃式热风炉，因而在目前使用的热风炉中主要是外燃式热风炉、内燃式热风炉和顶燃式热风炉。在这三种典型的热风炉中，外燃式热风炉结构最复杂而材料用量大，故实现结构稳定和提高风温的技术要求也就较高；而内燃式热风炉的火井墙结构稳定性差、且存在燃烧震荡、热风温度不易提高等问题；至于顶燃式热风炉，因其结构简单而材料用量少，也便于高风温实现。因此，随着热风炉技术的发展，顶燃式热风炉正在逐步取代内燃式热风炉和外燃式热风炉而成为热风炉的主流产品。在顶燃式热风炉中，随着卡鲁金旋流分层混合燃烧技术的应用,与该技术相适应的带旋流混合预燃室的顶燃式热风炉得到了人们的普遍认同，逐步成为顶燃式热风炉中的主流产品。A、外燃式热风炉B、内燃式热风炉C、1型顶燃式热风炉D、1型顶燃式热风炉E、3型顶燃式热风炉F、3型顶燃式热风炉1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鞍钢6号高炉外燃式热风炉宝钢1号高炉新日铁式外燃热风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2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φ900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30°30°30°30°30°30°30°30°30°30°30°30°φ5600烧嘴布置图旋流顶燃式热风炉烧嘴旋旋流顶燃式热风炉结构图流顶燃式热风炉烧嘴布置图二、高炉热风炉的结构与组成前已述及，热风炉是一个为工艺过程提供热风的完成燃烧过程与传热过程的热工装置，其结构一定应该包含为燃料在其中燃烧的燃烧装置，和气流在其中进行热量交换的传热装置。对于为高炉提供热风的蓄热式热风炉而言，就必须有实现燃烧过程的燃烧室与燃烧器，以及堆放能完成传热过程的蓄热体的蓄热室；为了组织气流和实现气流过程的切换，实现气流分配的冷风室和各种进出口与阀门也是必不可少的。此外，由于高炉所需的热风具有一定的压力，为此一个能够承受压力的金属外壳也是必不可少的。因此，热风炉就是一个在金属外壳内砌筑耐火材料的承压容器。下面将热风炉的各个重要组成部分一一加以描述如下。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32．1燃烧器与燃烧室高炉热风炉的燃烧器基本上都是适于气体燃料燃烧的装置。按照气体燃料燃烧的模式，可分为预混燃烧的无焰燃烧器、半预混燃烧的短焰燃烧器、以及扩散燃烧的长焰燃烧器等。按照其结构的形式可分为圆形燃烧器、矩形燃烧器、环形燃烧器、以及其他形状的燃烧器等。按照燃烧气流的组织形态可分为旋流燃烧器、直流燃烧器、对冲燃烧器、回流燃烧器、以及其它组合型流场的燃烧器等。为了完成燃烧过程和组织气流的形态在燃烧器后提供一个燃烧空间是必然的，这就是燃烧室。通常不同的燃烧器都配备有不同结构的燃烧室。2．2蓄热体与蓄热室从燃烧室出来的烟气流向下进入堆放着蓄热体的蓄热室，蓄热室为竖向放置的筒状结构。蓄热体主要以多孔棱柱形的格子砖堆砌而成，或者由球状耐火球随机堆放而成。2．3炉箅子及其支撑与冷风室蓄热室中的格子砖或耐火球是放置在蓄热室底部的炉箅子上，炉箅子本身是由炉箅子横梁与支柱来支撑的。炉箅子及其支撑通常由耐热铸铁（RQTSi4Mo，RTCr2等）铸造加工而成。由于热风炉墙体砖是砌筑在热风炉的炉底的耐热混凝土基础上的，这样炉底到炉箅子之间就有了一个相应的空间，常称为冷风室。通过此空间，高炉鼓风由此进入热风炉,再通过格子砖而被加热为热风后送入高炉，而从蓄热体流出的烟气也通过它而流进热风炉的烟道。因此,冷风室是高炉冷鼓风进入和炉内热烟气流出的一个过渡空间。2．4热风炉各管口热风炉因其交替地完成炉内蓄热体的加热过程（燃料燃烧与蓄热体吸热）与送风过程（冷鼓风加热与蓄热体放热），设置不同气流的进、出口管并设置阀门以调节气流大小和实现气流的切换时是热风炉完成其向高炉输送热鼓风所必不可少的装置。主要管口与阀门为：煤气、助燃空气进口管——是接入热风炉燃烧器主要管口，对于外置式燃烧器他们是由金属管制成，期内进行防腐内喷涂；如果是进入诸如预燃室或环形耐材砌筑的陶瓷燃烧器，是采用金属外壳内由耐火砖砌筑而成，因其所处温度不高，可用普通耐火粘土砖砌筑，对于温度变化较大的情况，可采用红柱石粘土砖砌筑；烟气出口管——是烟气排出的通道，开口于冷风室的墙体上，通常是在金属外壳内用普通的耐火粘土砖砌筑，金属外壳一定要采用防腐内涂层；冷风进口管——冷风管可以单独设置，也可以借助烟气出口而进热风炉，其砌筑结构与用材与烟气出口管一样。由于这些管口均采用圆管对接热风炉圆筒体的几何结构，也就是大、小圆筒体对接的形状，结构较为复杂，多采用组合砖结构（俗称花瓣砖），用其作为砖体结构的过度带，以保证结构的完整性和分散结构应力的作用。4热风炉系统框图1—混风切断阀；2—热风温度调节阀；3—烟道阀；4—冷风切断阀；5—冷风旁通阀；6—冷风调节阀；7—排风阀；8—废气阀；9—助燃空气燃烧阀；10—助燃空气调节阀；11—热风阀；12—煤气燃烧阀；13—煤气切断阀；14—煤气调节阀；15—煤气放散阀；16—倒流休风阀；17—放风阀；18—烟气进预热器阀；19—烟气进烟道阀；20—助燃空气阀；21—预热器进口切断阀；22—预热器出口切断阀；23—助燃空气旁通阀三、热风炉的工作原理热风炉本质上就是一个通过燃烧方式将空气加热以获得热风的设备，蓄热式热风炉是间歇式工作的，其工作原理可描述为：在热风炉中煤气与空气在燃烧装置中混合燃烧而产生高温烟气，并通过传热装置将其携带的热量在其与蓄热体进行热交换的过程中传递到蓄热体中，一定能够时间之后进行切换，通入冷鼓风，在其与蓄热体的热交换过程中获得热量变成热鼓风而最后送需要的热利用装置，对于高炉热风炉而言就是通过这种方式为高炉提供足够高的热鼓风（热风）风。由于现代炼铁技术的发展，对高炉鼓风的要求越来越高，其风温要求都在1200℃上下。显然，为了满足高炉的需求，热风炉从结构到性能都必须与之相适应。高炉热风炉是给高炉燃烧提供热风以助燃的设备，是一种储热型热交换器。国内大部分高炉均采用每座高炉带3至4台热风炉字并联轮流送风方式，保证任何瞬时都有一座热风炉给高炉送风，另外每座热风炉都按：燃烧-休止-送风-休止-燃烧的顺序循环生产。当一座或者多座热风炉送风时，另外的热风炉处于燃烧或休止状态。送风的热风炉温度降低后，处于休止状态的热风炉投入送风，原热风炉即停止送风并开始燃烧、蓄热直至温度达到要求后，转入休止状态等待下一次送风。热风炉工作状态改变周期顺序如下：燃烧休止送风休止3.1燃烧制度选择的原则：5（1）结合热风炉设备的具体情况，充分发挥助燃风机、煤气管网的能力；（2）在允许范围内最大限度地增加热风炉的蓄热量，利于提高风温；（3）燃烧完全、热损少，效率高，降低能耗。较优的燃烧制度是固定煤气量调节空气量的快速烧炉法，即燃烧初期利用砖温与烟气温度相差较大的时机，以最大煤气量和最小空气过剩系数来强化燃烧，尽快在15～30min内将拱顶温度烧到规定最高值。燃烧后期适当增大空气过剩系数，维持拱顶温度至燃烧结束(废气温度达到规定值)。最大限度地增加热风炉蓄热量，以利于提高风温。有预热的助燃空气或煤气时，调节其预热温度，也可在一定范围内作为控制燃烧的辅助手段。热风炉燃烧过程原理图3.2送风制度由于热风炉的周期性质，包括送风、燃烧和闷炉3种工作状态，在3种工作状态之间还存在一个换炉的过程。送风和燃烧是主要的工作状态，闷炉只是各热风炉在燃烧或送风之间的一种调节方式或者是在特殊情况下(高炉休风)，没有必要进行燃烧或送风的一种休止状态。目前，大型高炉都有四座热风炉，其送风制度有单炉送风、并联送风等。（1）单炉送风单炉送风是在热风炉组中只有一座热风炉处于送风状态的操作制度，热风炉出口温度随送风时间的延续和蓄热室贮存热量的减少而逐渐降低。单炉送风方式一般是在某个热风炉进行检修或高炉不需要很高的风温的情况下进行的送风方式。对于只有3座热风炉的高炉，也基本采用这种送风方式。（2）并联送风并联送风操作是热风炉组中经常有两座热风炉同时送风的操作制度。交错并联送风操作是两座热风炉，其送风时间错开半个周期。对于4座热风炉的高炉来说，各个热风炉的内部状态均错开整个周期的l／4。热风炉从单炉送风向交错并联送燃烧期蓄热期t烟气温度煤气流量助燃空气量拱顶温度350℃280℃6风操作制度过渡时，热风炉的燃烧时间相对缩短，热风炉的燃烧率提高，两座热风炉同时重叠送风的时间延长。交错并联送风操作时，在两座送风的热风炉中，其中一座“后行炉”处于热量充分的送风前半期；另一座“先行炉”处于热量不足的送风后半期。前半期称为高温送风期，此时热风炉送出高于热风主管内温度的热风。后半期称为低温送风期，此时热风炉送出低于热风主管内温度的热风。交错并联送风又分为冷并联送风和热并联送风，两种送风操作制度的区别在于热风温度的控制方式不同。冷并联送风时的热风温度主要依靠“先行炉”的低温热风与“后行炉”的高温热风在热风主管内混合，由于混合后的温度仍高于规定的热风温度，需要通过混风阀混入少量的冷风，才能达到规定的风温。冷并联送风操作的特点是：送风热风炉的冷风调节阀始终保持全开状态，不必调节通过热风炉的风量。风温主要依靠混风调节阀调节混入的冷风量来控制。热并联送风操作时，热风温度的控制主要是依靠各送风炉的冷风调节阀调节进入“先行炉”和“后行炉”的风量，使“先行炉”的低温热风与“后行炉”的高温热风在热风主管中混合后的热风温度符合规定的风温。四、加热过程介绍在加热期内，在限定燃烧时间和热风炉拱顶温度后,应尽量缩短达到规定拱顶温度的时间,即缩短加热期,这样可以使蓄热期延长,使热风炉内存储较多的热量,降低送风时风温的波动。在蓄热期内，除了保证拱顶温度不变外,还需要考虑废气的温度。热风炉废气温度不能超过规定的界限，否则炉篦子支柱将被损坏,使炉体寿命降低,而且使热损失增加。欲使废气温度降低，目前主要采用减少煤气量的方法来解决这个问题，而煤气量的减少会导致拱顶温度下降、热风炉蓄热量降低。如何获得更多的蓄热量，同时保持废气温度在规定界限内是热风炉控制急需解决的问题。热风炉燃烧用燃料为高炉煤气，采用过剩空气法进行燃烧控制，在规定的燃烧时间内，保持最佳燃烧状态燃烧；在保证热风炉蓄热量的同时，尽量提高热效率并保护热风炉设备。4.1热风炉燃烧分三个阶段：加热初期、拱顶温度管理期和废气温度管理期。⑴加热初期：设定高炉煤气流量和空燃比，燃烧至拱顶温度达到拱顶管理温度后，转入拱顶温度管理期。在加热初期内，高炉煤气流量和助燃空气流量均为定值进行燃烧。在燃烧初期，为了保证空气先行而不冒黑烟，需给空气流量调节阀一个初期开度以防止煤气先行而冒黑烟。同时为避免燃烧一开始，就有大量的煤气流量产生，所以需给煤气流量调节阀一个初期