高爐熱風(fēng)爐理論與設(shè)計(jì)

摘 要：應(yīng)用傳熱學(xué)理論，建立了描述熱量飽和時(shí)間的非穩(wěn)態(tài)二維傳熱數(shù)學(xué)模型。運(yùn)用VB語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，通過計(jì)算機(jī)模擬和可視化輸出，直觀地反映了熱風(fēng)爐一個(gè)周期內(nèi)的傳熱過程特性和規(guī)律，并對結(jié)果進(jìn)行分析，為蓄熱室最佳操作時(shí)間的確定和優(yōu)化，以及耐火材料的配置提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 熱風(fēng)爐；蓄熱體；傳熱；數(shù)值模擬；耐材配置

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.17.039

0 引言

我國高爐均使用設(shè)有燃燒和蓄熱室的熱風(fēng)爐。燃燒室制造供熱交換的熱量。燃燒室在燃燒時(shí)產(chǎn)生的煙氣會(huì)通過熱風(fēng)爐頂開始下降，在煙氣下降的過程中，煙氣會(huì)隨之冷卻，但熱量會(huì)透過格磚被傳遞。同時(shí)，鼓風(fēng)會(huì)在轉(zhuǎn)向之后在蓄熱室上升時(shí)加熱。蓄熱室的格磚受熱風(fēng)爐工作周期性的影響，也在重復(fù)經(jīng)歷加熱和冷卻的間斷式處理。本文主要根據(jù)H.Hausen精密控制蓄熱室平衡的理論來建立了熱風(fēng)爐蓄熱模型，以期能直觀的反應(yīng)出高爐熱風(fēng)爐的傳熱過程，為何時(shí)為最佳操作時(shí)間的選定提供依據(jù)。

1 熱風(fēng)爐理論

上世紀(jì)末本世紀(jì)初，我國引進(jìn)霍戈文內(nèi)燃式熱風(fēng)爐，俄羅斯卡魯金頂燃式熱風(fēng)爐、日本新日鐵外燃式熱風(fēng)爐技術(shù)，在我國各設(shè)計(jì)院各自形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)品牌的頂燃式熱風(fēng)爐技術(shù)。南銳工程技術(shù)研究人員通過與國內(nèi)多家企業(yè)反饋交流，設(shè)計(jì)生產(chǎn)了臥式噴煤機(jī)和立式爐，應(yīng)用小型鍋爐及烘干機(jī)上，調(diào)節(jié)靈活，可與鍋爐或需要純凈熱源的設(shè)備對接，占地面積小、投資少，為中國鋼鐵行業(yè)做出了巨大的貢獻(xiàn)，也為中國自主工業(yè)品牌的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。

熱風(fēng)爐根據(jù)需求和燃料的差異，其類型也比較多樣。分類如表1

19世紀(jì)20年代H.Hausen首次提出了精密控制蓄熱室平衡的理論，即眾所周知的H.Hausen理論，研究其影響周期性溫差的因素，將蓄熱室中溫度振蕩的換向以及過程的條件公式化。

在風(fēng)爐工作運(yùn)行過程中，煙氣、格磚的溫度隨時(shí)間的推移以及溫度的變化而變化。如圖1所示，表示在送風(fēng)期格磚、蓄熱室中部格磚及假定格磚溫度隨時(shí)間變化的關(guān)系。

2 數(shù)值計(jì)算模型的建立

本公司在Hausen理論的基礎(chǔ)上，采取更為精確的計(jì)算處理方法進(jìn)行結(jié)果計(jì)算，深入拓展，近期，本公司展開了新一輪的深化研究升級(jí)。在Hausen理論進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)下，進(jìn)行創(chuàng)新，將處于平均溫度分布時(shí)，風(fēng)爐需要計(jì)算的項(xiàng)目中加入計(jì)算沿蓄熱室橫斷面上的格子磚內(nèi)部溫度分布。

在熱傳導(dǎo)的基本方程式（1）的基礎(chǔ)上，建立了熱風(fēng)爐蓄熱模型。模型考慮了格磚的特性、阻損、氣體流動(dòng)狀態(tài)對傳熱的影響。

模型實(shí)現(xiàn)了熱風(fēng)爐三燒一送、一燒一送、變風(fēng)量交錯(cuò)并聯(lián)、兩燒一送、定風(fēng)量交錯(cuò)并聯(lián)、等多種送風(fēng)操作制度下的數(shù)值模擬。

目前我公司已把該數(shù)值計(jì)算模型應(yīng)用到多座熱風(fēng)爐工程當(dāng)中，而且應(yīng)用效果良好，能為熱風(fēng)爐提供實(shí)際操作指導(dǎo)。

3 格磚溫度結(jié)果與分析

應(yīng)用開發(fā)的熱工計(jì)算軟件，可以得到燃燒及送風(fēng)過程中任意時(shí)刻的格磚溫度分布，如圖2所示。

從圖2可以看出，對于某一格子磚特定點(diǎn)在高度方向上的溫度分布除首端與末端外，基本上呈直線分布。

經(jīng)過整理，我們可以得到給定條件下的熱風(fēng)爐內(nèi)部蓄熱室燃燒期及送風(fēng)期格磚內(nèi)部的橫向溫度分布以及沿格子磚高度方向的縱向溫度分布如圖3所示。

圖3a所示格子磚內(nèi)部不同點(diǎn)單個(gè)格磚溫度隨時(shí)間的變化，我們從圖中可以看出燃燒的初期與送風(fēng)初期不是隨時(shí)間呈現(xiàn)直線變化，其余各時(shí)期都是隨時(shí)間呈直線變化的。從圖3b以及圖3c我們可以得到格磚內(nèi)部的溫度分布情況，根據(jù)分析不同時(shí)期格磚中心溫度與表面溫度的差值變化，可以全面地掌握格子磚在燃燒以及送風(fēng)的過程中蓄熱傳熱過程特性和規(guī)律。

基于建立數(shù)字模型時(shí)假設(shè)格磚頂部的加熱煙氣溫度分布均勻的條件下，在數(shù)值計(jì)算時(shí)處于格磚頂?shù)腁點(diǎn)，不考慮其溫度的差異。同樣的，E～F點(diǎn)之間也是一樣的理論基礎(chǔ)。

除去A～B以及E～F這兩處區(qū)間，從B～E這一區(qū)間可以看出，格磚的橫向溫差異很小，基本處于平緩狀態(tài)，而且根據(jù)區(qū)間的走向分布，清晰的分為三個(gè)區(qū)間。而后經(jīng)過分析研究得出，B～E區(qū)間發(fā)生的溫差變化，是由于格磚材質(zhì)的影響，不同格磚的材質(zhì)在熱傳遞中產(chǎn)生的效果也不盡相同，故引起了區(qū)間內(nèi)溫度的差異。圖4中給出的燃燒末期格子磚內(nèi)部橫向溫差隨高度方向變化可見表2。

從曲線可以看出，B～E區(qū)域溫差都在大于60℃區(qū)域變化的，表明了此種耐材配置及操作條件下格子磚的剩余利用能力。在不改變耐材配置的條件下，我們可以根據(jù)剩余利用能力的大小，在特定的操作模式情況下，通過改變操作計(jì)算格子磚的剩余利用能力，從而為選擇最佳操作周期提供理論依據(jù)。

如果我們不改變耐材的配置，那么理想的情況是，B～E應(yīng)該基本上呈現(xiàn)為一條直線。但是，在格子磚外形尺寸一定的條件下，受格子磚材質(zhì)和傳熱性能不同的影響，格子磚橫向溫差的變化曲線發(fā)生了轉(zhuǎn)折，也就是表現(xiàn)出剩余利用能力不一樣。如果我們選擇不同尺寸的格子磚格子磚內(nèi)部溫度也會(huì)有所不同，選擇尺寸較厚的格子磚應(yīng)用到傳熱效果較好的區(qū)域（如B～C區(qū)域）；選擇尺寸較薄的格子磚應(yīng)用到傳熱效果較差的區(qū)域（如C～D，D～E區(qū)域），這樣有利于在保持操作周期不變的情況下，提高格子磚的利用效率，以便加強(qiáng)蓄熱室的熱效率。

總結(jié)來看，在相同的絕熱條件下，短焰燃燒的溫度就會(huì)高一些。如圖5所示，其中設(shè)定一個(gè)理論空氣量即一定量煤氣完全燃燒所需的理想空氣量，但是在實(shí)際燃燒過程中我們所需的空氣量一般要多于理論空氣量，則實(shí)際空氣量與理論空氣量的之比即為過量空氣系數(shù)。在不同燃燒過程中預(yù)混燃燒過程中的實(shí)際空氣消耗量要小，擴(kuò)散燃燒過程中的實(shí)際空氣消耗量要更多一點(diǎn)。那么過量的空氣要加熱到燃燒溫度，就損耗實(shí)際燃燒熱量，這樣會(huì)降低整體的燃燒溫度，因此預(yù)混燃燒的燃燒溫度要高于擴(kuò)散燃燒的燃燒溫度。因而我們在選擇熱風(fēng)爐燃燒方式最好選擇預(yù)混燃燒。

我們可以根據(jù)對于生產(chǎn)中的高爐熱風(fēng)爐利用Hausen理論及其計(jì)算方法可以尋求蓄熱室操作的最佳化。

4 結(jié)論

本文詳細(xì)說明了Hausen理論在運(yùn)用過程中的工作情況，Hausen理論經(jīng)長期實(shí)踐證明，已得到全世界的認(rèn)可，廣泛應(yīng)用于風(fēng)爐設(shè)計(jì)中，為其提供科學(xué)的理論實(shí)踐指導(dǎo)。建立數(shù)字計(jì)算模型，有利于提高風(fēng)爐數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)的精準(zhǔn)性，及時(shí)了解格磚溫度的分布情況，并以此為依據(jù)篩選格磚以及以格磚縱向傳熱的性質(zhì)來篩選格磚的形態(tài)大小。與此同時(shí)。一些特定的格磚，還能以此為依據(jù)獲取最為精確的運(yùn)行操作時(shí)間，進(jìn)而進(jìn)行相關(guān)技術(shù)操作指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]項(xiàng)鐘庸，郭慶弟.蓄熱式熱風(fēng)爐[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1988.210.

[2]劉全興.我國高爐熱風(fēng)爐的新技術(shù)應(yīng)用回顧與展望[J].煉鐵，2007，26（02）：56-59.

[3]吳啟常，蒼大強(qiáng)等.我國熱風(fēng)爐的現(xiàn)狀及提高風(fēng)溫的對策，煉鐵，2002，21（05）：1-4.

[4]賀友多. 傳輸過程數(shù)值方法[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1991

[5]周傳典.高爐煉鐵生產(chǎn)技術(shù)手冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2003.

[6]陳冠軍，趙民革 首鋼高爐熱風(fēng)爐高風(fēng)溫技術(shù)進(jìn)步[J].中國冶金，2009，19（09）：18-18.

[7]銀漢.現(xiàn)代熱風(fēng)爐設(shè)計(jì)的若干問題[J].煉鐵，2002，21（02）：27-30

[8]陳秀娟，吳啟常，張建梁，王永濤.高風(fēng)溫?zé)犸L(fēng)爐熱點(diǎn)問題討論[J].中國冶金，2013，23（09）：7-12.

[9]吳啟常，呂宇來.高風(fēng)溫長壽熱風(fēng)爐設(shè)計(jì)的一些問題[J].煉鐵，2006，25（03）：23-27.

[10]H.Husen.Uber die Theorie des Warmeaustausches in Regeneratoren，Habilitations-schrift vom 21.2.1927， veroffentlicht in Z.angew.Math.Mech.9（1929）173-200；vgl.auch H.Husen，Warmeaustausches in Regenerator.Z.VDI73（1929）431-433.