热风炉实质是一个什么(高炉热风炉的结构与格子砖耐火球的选用)

Posted 2023-06-02

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热风炉实质是一个什么(高炉热风炉的结构与格子砖耐火球的选用)

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、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。

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。

如果我们把卡鲁金结构的热风炉称为带预燃室的顶燃式热风炉（简称为 2 型结构)，那么，环形上喷交错混合燃烧的顶燃式热风炉就可称为带悬链线拱顶燃烧室的顶燃式热风炉(简称为 1 型结构)。

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的蓄热室中，为叙述方便不妨将其称为 3 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 4 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。

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。

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总结出来的。

在顶燃式热风炉中用得较多的是，分层混合旋流燃烧器、或交错混合旋流燃烧器、或环状布置喷嘴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，其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，如硅砖、红柱石高铝砖、低蠕变高铝砖等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。

格子砖的外形为正六棱柱体，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通孔。格子砖按一定规律堆放在蓄热室中，通常为错位咬合式堆放，以达到堆放的稳定性。

堆放过程中一定要保证上下孔的通畅，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，格子砖接近冷风室的部部温度低，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，如高铝质或红柱石高铝质。

此外，在堆放中格子砖与格子砖之间留有足够的膨胀缝隙，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。

耐火球也是热风炉采用的一类蓄热体，其结构为球形，堆放形式是随机倒入整平即可，其材质与格子砖是一样的，也要随所处的位置而做相应的变化。

由于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）、保持蓄热体适当的温度环境、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设置能相互滑动的密宫式连接装置。

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。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各个格孔之中去。

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，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、小圆简体对接的形状，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。

3、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，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。因此，深入了解热风炉的工作原理对于设计与制作热风炉，以及运行和管理热风炉都是至关重要的事情。

3-1 热风炉内的燃烧过程

基于高炉热风炉是以燃烧高炉煤气作为热源的，其燃烧过程是受物理过程控制，也就是受煤气与空气的混合过程控制。按照两种气体的混合情况，通常分为边混合边燃烧的扩散燃烧方式和预先混合后再燃烧的预混燃烧方式，以及介于两者之间的部分预混部分扩散混合的半预混燃烧方式。这就是通常所说的长焰燃烧模式、无焰燃烧模式、及短焰燃烧模式。

显然，要完成一定量煤气的燃烧，长焰燃烧所需要的燃烧空间是最大的，短焰燃烧所需要的空间是最小的。

这就是说在相同的绝热条件下，短焰燃烧的温度就会高一些。再定义一下，一定量煤气完全燃烧所需的空气量为理论空气量，实际空气量总是大于理论空气量,其比值为过量过量空气系数。显见，三种燃烧过程中预混燃烧的过量空气系数一定最小，而扩散燃烧过量空气系数一定最大。

那么多余的空气要加热到燃烧温度，就要消耗热量,势必导致燃烧温度的整体下降。所以预混燃烧的燃烧温度要高于扩散燃烧的燃烧温度。这就告诉我们，热风炉的燃烧方式只能是越接近预混燃烧方式越好。这也就是套筒燃烧器,矩形燃烧器、旋流多喷嘴分层混合燃烧器等不易实现高风温的道理所在。

结论只能是，燃烧器一定要让煤气与空气快速且均匀地混合、充分预热后即时燃烧。这样的燃烧器所需燃烧空间明显缩小，散热也相应减小，燃烧强度（单位时间单位体积的燃烧煤气量）则明显提高，而过量空气系数也就相应减小，这都会直接导致燃烧温度的提高。

因此，采用预混燃烧方式的燃烧器就一定能在相同条件下获得最高的燃烧温度。

3-2热风炉内的传热过程

在对热风炉燃烧问题清楚之后，其传热与蓄热问题也不能忽视。因为燃烧后高温烟气所携带的能量，一定要以蓄热室的蓄热体为传热介质才能传递到高炉鼓风（冷、热风）中。

因此，烟气与蓄热体间的热交换，以及蓄热体与鼓风之间的热交换过程就显得格外重要。对工程传热过程而言，其性能与蓄热体的结构特征、材质、及布置，与气流的流速、流态.及分布，与两种气流间的流动方向及温差等都密切相关。

不难看出，燃烧后的烟气流场能否以均匀分布的方式进入蓄热体，以及不均匀的气流分布能否在进入蓄热体后迅速调整到较为均匀的分布，是能否提高蓄热体利用率和增强传热效果的关键因素。但凡在热风炉中能够组织起这样的气流流场就一定是结构合理的热风炉，就为实现高风温提供了基本的炉型结构。其次是蓄热体间气流的流速选择，这直接影响蓄热体高度与直径，成为蓄热体结构形态的主要影响因素。

进一步看，蓄热体格子砖的结构特征也不能忽视，格孔的大小以及孔与孔间的距离，孔的形状以及格砖层间构成的形状，都会显著地影响传热性能与吸热-放热性能，其表现为烟气温度的变化和热风温度的变化，以及会影响在给定烟气流速、热风温度与排烟温度下的蓄热体堆砌高度和蓄热体直径大小。

严格地讲，格孔直径和孔间距与孔径的比值是两个主要因素，比值一定，孔径越小，单位体积的换热面积越大，孔隙率越大，导致传热性能的加强而蓄热（放热）能力的减弱。基于热风炉的传热过程是一个动态过程，传热与蓄热（或放热）的性能任何一方面都不能偏废，这取决于加热时间与放热时间的选取，基于热风炉是大型装备，加热时间（燃烧时间）是不能太短的，经验值是加上换风时间在 2 小时左右，因而单位体积的换热面积控制在 40 上下为宜，大于此值蓄热体高度减小，热风温度波动增加；小于此值蓄热体高度增加，热风温度波动减小。

此外，蓄热体格子砖的体积密度、热传导系数、和比热容也是需要考虑的因素，不同的材质，表现出不同的热扩散特性，因而需要在热设计过程中予以调整。总之，对于进入蓄热体气流的安排、蓄热体的几何与物理特征都对传热-蓄热过程（也就是热扩散过程）起着至关重要的作用。

总之，只有通过高强度的燃烧来实现高的燃烧温度，也只有通过气流与蓄热体结构间高效而合理的传热来实现高烟气温度与高温鼓风之间的高效热转换与温度调节。这也是高风温热风炉所必须具备的性能，也是评价一个热风炉是否具有产生高风温潜质的标准。