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1、高炉热风炉结构与性能简介高炉热风炉结构与性能简介11、高炉热风炉的分类12、高炉热风炉的结构与组成22-1燃烧器与燃烧室32-2蓄热体与蓄热室32-3炉箅子及其支撑与冷风室42-4热风炉各管口43、热风炉中燃烧与传热分析53-1热风炉内的燃烧过程53-2热风炉内的传热过程63-3热风炉蓄热体（多孔介质）中的燃烧74、典型热风炉的结构与性能104-1内燃式热风炉104-2外燃式热风炉134-3顶燃式热风炉134-4蓄热体中燃烧的典型热风炉炉型2017高炉热风炉结构与性能简介高炉热风炉结构与性能简介陈维汉（华中科技大学能源与动力工程学院 联系电话15136271687）热风炉顾名思义就是为工艺需要
2、提供热气流的集燃烧与传热过程于一体的热工设备，通常有两个大的类型,即间歇式工作的蓄热式热风炉和连续性工作的换热式热风炉。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。基于热风炉被广泛应用在工业生产的诸多领域，就会因工艺要求不同、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。这里要介绍的仅仅是为高炉冶炼提供高温热风的热风炉，且限于间歇式工作的蓄热式热风炉，因其间歇式的工作方式，就必须多台配合以实现向高炉连续提供高风温。1、高炉热风炉的分类图1各种典型的热风炉结构与名称E、型顶燃式热
3、风炉D、型顶燃式热风炉C、型顶燃式热风炉A、内燃式热风炉F、型顶燃式热风炉B、外燃式热风炉高炉热风炉从其结构上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，前者的燃烧室是设置在蓄热室的外面，而后者的燃烧室是与蓄热室在同一个结构里面。在内燃结构的热风炉中因燃烧室与蓄热室之间相对位置的不同又分成顶燃式(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特指为一般意义上的内燃式热风炉。因此，在目前使用的热风炉中主要有内燃式热风炉、外燃式热风炉和顶燃式热风炉等三个类型。在这三种典型的热风炉中，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
4、温度不易提高等问题；而外燃式热风炉结构最复杂且材料用量大，要实现其结构稳定和提高送风温度的技术要求也就较高；至于顶燃式热风炉，因其结构简单且材料用量少，是最便于实现高风温的炉型结构。正因如此，随着高炉炼铁对高风温要求的提高，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炼铁热风炉的主流产品。在顶燃式热风炉中，随着卡鲁金带预燃室的顶燃式热风炉的应用，其旋流分层混合燃烧技术得以推广,且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，并在此基础上演化出了很多结构稳定且性能优良热风炉炉型结构。应该指出的是，在旋流混合分层燃烧的带预燃室的顶燃式热风炉得到发展的同时，一种在卡卢金设计的一
5、代热风炉技术基础上发展起来的环形上喷交错混合燃烧的顶燃式热风炉也逐步在国内得到了应用，其快速混合、回流预热、高强度燃烧的特征，以及均流均温的蓄热室高效的换热性能，为一般条件下实现高热风温度提供了有利条件，这也是目前顶燃式热风炉中较具发展前景的一类热风炉。如果我们把类似于卡鲁金外形结构的带预燃室的锥形拱顶燃烧室的顶燃式热风炉（简称为型结构），那么，带环形上喷交错混合燃烧器的顶燃式热风炉就可称为带球形（或锥球形）拱顶燃烧室的顶燃式热风炉（简称为1型结构）。图1g、型顶燃式热风炉此外，带套筒燃烧器的球床热风炉也基本上是属于顶燃式热风炉的范畴，因其燃烧装置在热风炉的顶部，以耐火球为蓄热体装在燃烧室下面
6、的蓄热室中。当然，带套筒燃烧器的顶燃式热风炉也有采用格子砖为蓄热体的，也有燃烧器仅仅起到预混气流的作用的，为叙述方便不妨将这一类热风炉也可统称为型结构的顶燃式热风炉。这种炉型一般带有旋流上喷的套筒燃烧器,受燃烧器喷嘴数量限制，存在混合燃烧欠佳,气流组织紊乱的缺点。其次耐火球为蓄热体，也存在球床易积灰堵塞、相互粘接、流动阻力大、使用周期短等问题。因此，球床热风炉逐步被小孔格子砖为蓄热体的其它顶燃式热风炉取代的趋势。如果改变小孔格子砖结构与堆放形式，以及对燃烧器结构进行改进,这种热风炉也能在一般条件下实现较高的热风温度。值得注意的是,还有一种能体现气体燃料在多孔介质中燃烧的属于第三代燃烧技术的燃烧
7、器，逐步进入人们的视线，被应用到热风炉的燃烧器中，成为新一代的热风炉，不妨称之为型结构的顶燃式热风炉。该型热风炉借助于燃烧过程一部分或者绝大部分在蓄热体（格子砖堆积或耐火球床）中进行，能使上部蓄热体的温度更加接近燃烧温度，缩小了热风温度与燃烧温度（或拱顶温度）之间的差异，为热风炉在使用低热值的纯高炉煤气条件下实现比其它热风炉更高的热风温度提供了有利条件。可以相信，随着钢铁行业对节能、环保、高效与高风温要求的提高，以第三代燃烧技术为核心的型结构的顶燃式热风炉将逐步成为热风炉的主流产品。2、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
8、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，以及能完成传热过程的堆放蓄热体的蓄热室；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须的。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。下面就将热风炉的各个重要组成部分一一加以描述。2-1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
9、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，这都是人们在长期的生产实践中归纳与总结出来的。在顶燃式热风炉中用得较多的是，多喷嘴喷射气流的分层混合旋流燃烧器、或多喷嘴喷射气流的交错混合旋流燃烧器、或环状布置喷嘴喷射气流的预混或半预混燃烧器等，它们常配以锥筒状燃烧室；套筒式燃烧器或者喷嘴环形布置气流
10、垂直上喷的燃烧器常配以倒悬链线旋成状燃烧室、或蘑菇状燃烧室、或球状燃烧室等。应该指出，不同的配合会得到不同的燃烧效果和不同燃烧气流流场，以及气流流场对燃烧室结构的影响也是不同的。由于热风炉的燃烧器与燃烧室都是在高温下工作的耐火材料砌筑体，必须选用耐高温且高温下热稳定性好的材料。诸如硅砖、红柱石高铝砖、低蠕变高铝砖等都是用作燃烧室的砌筑材料，而红柱石-莫来石砖、堇青石-莫来石砖则作为燃烧器的砌筑材料，其目的在于使燃烧器与燃烧室在燃烧过程存在剧烈的热变化条件下实现其结构安全稳定地运行。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，蓄热室为垂直放置的筒状结构。蓄热体主要以多孔
11、棱柱形的格子砖堆砌而成，或者由耐火球随机堆放而成。格子砖的外形为截面为正六边形的棱柱体，也就是上下端面为正六边形，两个端面之间有数量不等的按正三角形排列的通孔（格孔）。格子砖按一定规律堆放在蓄热室中，通常采取错位排列相互咬合式堆放，以达到堆放结构的稳定性。堆放过程中一定要保证上下格孔的通畅，这也是格子砖堆放质量的重要指标。格子砖按其工作温度的不同而选用不同的材质，接近燃烧室的部分温度高，选用高温性能好、抗粘附能力强的材质，如硅质或低蠕变高铝材质，格子砖接近下部冷风室的部分温度低，选用低温性能好、强度高的材质，如粘土质或红柱石粘土质，中部材质带有过渡性，但高温性能还是其主要要求，材料可选用高铝质
12、或红柱石高铝质。此外，在堆放中格子砖与格子砖之间应留有一定的膨胀缝隙，使得每一块格子砖都能释放因温度升高而导致的体积膨胀，以避免产生附加的热应力；而留有足够的缝隙还可以起到贯通格孔的气流流动空间，可以使得格子砖的调压与均流作用得到显著提高。耐火球也是热风炉经常采用的一种蓄热体，其结构为球形，堆放形式是随机倒入处理平整后即可，其材质要求与格子砖是一样的，也要随所处的位置而做相应的变化，因耐火球与耐火球之间理论上是点接触（实际有变形而构成面接触），其材质的要求就要比格子砖高，尤其是荷重软化温度要求高，如上部采用硅质球或刚玉球，下部采用高强度高铝球或高铝球等。蓄热室是堆放蓄热体的圆筒状结构的空间，其
13、主要作用是承受气流的压力和格子砖（或耐火球）对其的作用力（结构应力和热应力），并保持蓄热体适宜的温度环境、以及自身结构的稳定性。由于从上到下温度变化较大，为了结构稳定也要采用不同的材质砌筑（基本的选择是与格子砖的材质保持一致），且要保证其在上、下方向上有释放其内应力的相应结构，也就是与燃烧时之间应设置能相互滑动的迷宫式连接装置。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
14、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烟气出口管而离开热风炉。因此,冷风室是高炉冷鼓风进入和炉内的热烟气流出的一个过渡空间。值得一提的是，用一种带有辐射状水平通孔铸铁格子砖直接堆放在冷风室中，就可以取代炉箅子及其支撑结构，借助于与格孔互通的水平通孔既可以完成聚集烟气而使之进入烟气出口管，也可以将从冷风进口管进入的冷风均匀分散到蓄热体截面上的格孔之中。同时，铸铁格子砖堆放体本身也能起到蓄热体的作用，即储存与交换热量，因而也能有效地降低排烟温度而提高热风炉效率。2-4热风炉各管口热风炉因其
15、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：热风出口管是热风炉最重要的管口，由于始终处于高温状态，需要用优质耐火材料砌筑，由于存在较大的热应力和结构应力，其结构的优化设计不容忽视；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，其内进行防腐内喷涂；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
16、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入热风炉，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），使其作为热风炉砖体结构的过渡带，以保证热风炉结构的完整性和充分分散管口集中的结构应力作用。3、热风炉中燃烧与传热分析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，这里重点讲述的蓄热式热风炉也不例外，也是一个燃烧装置与传热装置的组合设备。所不同的是蓄热式热风炉是间歇式工作的，其工作原理
