基于數(shù)學(xué)模型的高爐熱風(fēng)爐合理工藝周期的分析

王 冰

(中冶京誠工程技術(shù)有限公司，北京 100176)

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基于數(shù)學(xué)模型的高爐熱風(fēng)爐合理工藝周期的分析

王 冰

(中冶京誠工程技術(shù)有限公司，北京 100176)

高爐熱風(fēng)爐是高爐煉鐵的重要設(shè)備，通過為高爐提供預(yù)熱的高溫空氣，輔助高爐的作業(yè)生產(chǎn)，并提高高爐熱效率。生產(chǎn)過程中，高爐熱風(fēng)爐以爐組的方式，通過燃燒期和供風(fēng)期的交替，保證向高爐輸送熱風(fēng)的連續(xù)。目前的研究和工程現(xiàn)狀，由于變周期操作存在著較大的難度，熱風(fēng)爐常采用固定的工藝周期。然而，這種操作方式，可能會帶來燃料能量的浪費以及供風(fēng)溫度不穩(wěn)定等問題。文中建立了熱風(fēng)爐單體傳熱模型，通過對時下熱風(fēng)爐組的供風(fēng)交替方式進行分析，得到了三座和四座熱風(fēng)爐供風(fēng)的情況下較好的周期運行方式。

變周期；熱風(fēng)爐組

0 引 言

熱風(fēng)爐作為高爐煉鐵的重要設(shè)備，供給高爐的熱量占高爐總能耗的25%以上，消耗的高爐煤氣占高爐產(chǎn)生的總煤氣量的50%左右，同時研究表明，熱風(fēng)溫度每提高100可以降低焦比3%～4%，同時可以增產(chǎn)3%～5%[1]。

完整的熱風(fēng)爐工作周期包括燃燒期、送風(fēng)期和換爐期。通常情況下，為保證熱風(fēng)爐在不同周期情況下連續(xù)地向高爐輸送熱風(fēng)，一座高爐要配備3座或4座熱風(fēng)爐進行交替工作。多座熱風(fēng)爐的基本送風(fēng)制度主要有三種：單獨送風(fēng)、交錯并聯(lián)送風(fēng)(兩燒兩送制)、半并聯(lián)送風(fēng)[2]。在實際生產(chǎn)中，由于對合理周期制度的研究較少，目前熱風(fēng)爐常采用固定的運行周期燃燒送風(fēng)。然而，固定周期運行的熱風(fēng)爐并不能保證最優(yōu)的運行效果[3]，可能會出現(xiàn)熱風(fēng)溫度低于高爐生產(chǎn)所要求溫度值的現(xiàn)象，如圖1所示。

圖1 固定周期熱風(fēng)爐風(fēng)溫曲線

同時，熱風(fēng)爐采用固定周期還會由于單體熱風(fēng)爐存在個體特性的差異，固定周期會因為各個熱風(fēng)爐積蓄熱量的區(qū)別, 導(dǎo)致風(fēng)溫波動較大等問題。

目前，很多學(xué)者對熱風(fēng)爐可變的工藝周期進行研究[4-6]，然而由于實現(xiàn)可變周期運行的復(fù)雜性，并沒有得到廣泛應(yīng)用。文中已頂燃式熱風(fēng)爐為例，先通過對熱風(fēng)爐單爐的研究驗證數(shù)學(xué)模型的正確性，再通過對熱風(fēng)爐各工藝周期關(guān)系的研究，對三座、四座熱風(fēng)爐配合工作下的典型配合方式進行了分析，得到了合理的工藝周期。

1 熱風(fēng)爐蓄熱室傳熱過程數(shù)學(xué)模型

文中通過文獻[7-8]中的經(jīng)典模型和假設(shè)條件作為數(shù)學(xué)模型的建立依據(jù)，將熱風(fēng)爐蓄熱體內(nèi)的物理模型進行了簡化，簡化后的物理模型如圖2所示。

圖2 簡化模型幾何示意圖

假設(shè)氣體為理想氣體，忽略其徑向溫度變化，根據(jù)能量守恒方程和連續(xù)性方程建立如下氣體控制方程：

(1)

式中：Tg為氣體溫度，℃；Ts為固體溫度，℃；vg為氣體流速，m/s；ρg為氣體密度，kg/m3；Cp,g為氣體的熱容，J/kg·℃；h為氣固換熱系數(shù)，W/m2·℃；Dh為格孔水力直徑，m。

根據(jù)能量守恒，對管壁得出如下固體控制方程：

(2)

式中：Ts為固體溫度，℃；ρs為固體密度，kg/m3；Cp,s為固體熱容，J/kg·℃；ks為固體導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·℃。

忽略徑向的溫度變化，將其進行簡化后可以得到：

(3)

傳熱系數(shù)采用文獻[9]和[10]中的經(jīng)典公式，對流換熱系數(shù)可以通過粗糙管道的相關(guān)方程計算得出。

當(dāng)流動為湍流時(雷諾數(shù)Re>10000)：

當(dāng)流動為層流時(雷諾數(shù)Re<2200)：

(5)

式中：C為格子磚表面的粗糙度系數(shù)，為了接近實際情況，取1.2。當(dāng)流動處于層流和湍流之間的過渡狀態(tài)時，可利用雷諾數(shù)Re在2 200～10 000 進行內(nèi)插值法求得其對流換熱系數(shù)。輻射換熱系數(shù)可由下式確定：

(6)

式中：εs為固體吸收率；εg為氣體吸收率。

通過對傳熱方程進行離散化處理，并給定其邊界和初始條件，對模型進行求解。

2 熱風(fēng)爐不同送風(fēng)制度工作特性分析

熱風(fēng)爐進行不同送風(fēng)制度時，其風(fēng)溫和風(fēng)量會發(fā)生變化，但應(yīng)滿足高爐的需求。設(shè)燃燒期、送風(fēng)期和換爐期時長分別為τ燃、τ送和τ換，其工藝周期之間的關(guān)系如表1和通過表1對各周期關(guān)系的分析，在滿足假定參數(shù)的情況下，分別計算出相應(yīng)的送風(fēng)期時間，且在滿足熱風(fēng)爐工況穩(wěn)定的情況下，計算得到各供風(fēng)制度下熱風(fēng)溫度的對比，計算結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 熱風(fēng)爐不同送風(fēng)制度單體送風(fēng)溫度曲線

表所示，其中黑線表示熱風(fēng)爐的送風(fēng)期，紅線為送風(fēng)量的變化。本節(jié)假定τ燃=120min和τ換=10min的情況下，比較不同送風(fēng)制度下的各項參數(shù)。對于半并聯(lián)送風(fēng)和交錯并聯(lián)送風(fēng)的情況，為滿足爐組的風(fēng)溫和風(fēng)量滿足要求并保持穩(wěn)定，需滿足如下關(guān)系，即：

(7)

圖4 熱風(fēng)爐不同送風(fēng)制度疊加送風(fēng)溫度曲線

式中：G1為先行爐的送風(fēng)量，Nm3/h；G2為后行爐的送風(fēng)量，Nm3/h；G為總送風(fēng)量，Nm3/h；T1為先行爐的送風(fēng)溫度，℃；T2為后行爐的送風(fēng)溫度，℃；T為最終送風(fēng)溫度，℃。

本節(jié)采用第二節(jié)中建立的熱風(fēng)爐模型，冷風(fēng)入口溫度取150 ℃，最低供風(fēng)溫度為1 150 ℃，在熱風(fēng)爐達到穩(wěn)定運行狀態(tài)時得到計算結(jié)果并進行分析。

表1 三座熱風(fēng)爐不同送風(fēng)制度工藝周期關(guān)系

通過表1對各周期關(guān)系的分析，在滿足假定參數(shù)的情況下，分別計算出相應(yīng)的送風(fēng)期時間τ送，且在滿足熱風(fēng)爐工況穩(wěn)定的情況下，計算得到各供風(fēng)制度下熱風(fēng)溫度的對比，計算結(jié)果如圖3和圖4所示。

表2 四座熱風(fēng)爐不同送風(fēng)制度工藝周期關(guān)系

通過對上述結(jié)果的分析，我們可以得到：在燃燒期相同的情況下，兩燒一送制度的送風(fēng)期時間最短，交錯并聯(lián)送風(fēng)制度的送風(fēng)期最長。對比圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn)，盡管各供風(fēng)制度下單體熱風(fēng)爐的熱風(fēng)溫度區(qū)間差別不大，但由于熱風(fēng)爐通過變風(fēng)量的配合送風(fēng)，導(dǎo)致混合的熱風(fēng)溫度變化趨勢存在了較大的差異：

(1)兩燒一送時由于始終只有一座熱風(fēng)爐送風(fēng)，其疊加后的送分溫度曲線與單體相同。

(2)半并聯(lián)送風(fēng)時，送風(fēng)溫度曲線分為三部分：在送風(fēng)前期開始時先行爐送風(fēng)量所占比例較大，所以送風(fēng)溫度會先降低，隨著先行爐的送風(fēng)量不斷減少，后行爐的送風(fēng)量不斷增加，溫度會繼續(xù)升高；在送風(fēng)中期，由于蓄熱體溫度的降低送風(fēng)溫度也隨之降低；送風(fēng)后期時，后行爐變先行爐，送風(fēng)量不斷減少，下一后行爐開始送風(fēng)，工作狀態(tài)與送風(fēng)前期相同。

(3)對于交錯并聯(lián)送風(fēng)，其工作過程與半并聯(lián)送風(fēng)相同，但由于任意時刻都有兩座熱風(fēng)爐進行合并供風(fēng)，因此混合風(fēng)溫波動較小。詳細(xì)的計算結(jié)果見表3。

表3 三座熱風(fēng)爐不同送風(fēng)制度計算結(jié)果

由表3可以看出，隨著送風(fēng)制度由兩燒一送向半并聯(lián)和交錯并聯(lián)送風(fēng)的變化，混合熱風(fēng)的溫度有所升高，而煙氣出爐平均溫度有所降低；單爐的燃料消耗量有所增加，隨著單體燃料消耗量的增加，氣固換熱得到加強，因此爐組的燃燒消耗量反而有一定的減少。但是對于交錯并聯(lián)送風(fēng)，單體的燃料消耗量過大，會使燃燒器的負(fù)荷加重，需要開發(fā)大符合的燃燒器以滿足需求；對于兩燒一送，由于送風(fēng)期時間較短，換爐的頻率會增加，影響爐體的壽命。因此，綜合以上考慮，對于三座熱風(fēng)爐半并聯(lián)送風(fēng)的各項參數(shù)相對較好，但是該送風(fēng)制度對風(fēng)量的控制比較復(fù)雜，在實際的應(yīng)用中較少，目前對于三座熱風(fēng)爐大都采用兩燒一送制度，這也是造成能源浪費的一個原因。

3 結(jié)束語

文中對三座熱風(fēng)爐送風(fēng)下的風(fēng)溫制度進行了分析，并對各運行特征進行了綜合的對比，得到了不同制度下較好的爐組工作制度。

通過對不同制度下的配合方式與實際生產(chǎn)所采用的方式進行對比，驗證了本文研究結(jié)果的正確性，為高爐熱風(fēng)爐變周期的最優(yōu)選擇提供了一定的依據(jù)。

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Analysis of Reasonable Process Cycle Based on Mathematical Model of Hot Blast Stove

WANG Bing

(Capital Engineering & Research Incorporation Ltd. MCC，Jian An Street, Economic Development Zone, Beijing, 100176, China)

Hot blast stove is an important device for blast furnace, which helps blast furnace operate product and improve its efficiency by means of provide hot air preheated. In the product process, the hot blast stoves work as a group to ensure the continuity of hot wind for the blast furnace by means of the turns of heating cycle and wind cycle. At present, because it is difficult to operate the stoves at variable cycles, fixed cycles are frequently adopted. However, it will easily result in the waste of fuel and the unstable wind temperature in this way. In this paper, we established the single heat transfer model of the hot blast stove, and analyze the way of alternate wind cycle with stove groups, and obtain the best ways of operating cycles in the case of three and four hot blast stoves as a group.

Operating cycles; Stove group

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.03.006

2014-12-15

2015-01-31

王 冰(1983-)，男，北京市大興區(qū)，主要從事冶金工業(yè)爐窯設(shè)計工作。

TK229.3

B

1009-3230(2015)03-0027-04