高效节能高风温大型球式热风炉的开发应用与热平衡测定
摘要 对柳钢6号高炉（750m3 )高效节能高风温大型球式热风炉的开发应用及热平衡定进行了总结。通过采用大型无焰陶瓷燃烧器、刚玉质耐火球等新技术、新设备、新材料，解决了球式热风炉大型化的一些制约因素，在使用单一高炉煤气的条件下，获得1430°C的顶温，最高风温达1250°C。目前，该技术已应用到柳钢7号高炉（1080m3)、8号高炉（1280m3)。
关键词 球式热风炉 高风温 无焰陶瓷燃烧器 热平衡
1 概述
近年来，我国高炉炼铁生产技术进入了飞速发展阶段，在高炉利用系数、综合焦化、喷吹煤粉、原燃料质量、高炉长寿、热风温度、环境保护等方面均缩小了世界先进水平的差距。但热风温度仍比国际先进水平低200°C左右，在一定程度上制约了我国中型高炉炼铁生产技术的发展，影响了高炉喷吹煤粉量和企业经济效益的进一步提高。为了获得高风温，国内外基本上彩用富化高炉煤气的措施，而采用球式热风炉技术也是获得高风温的一个途径。球式热风炉具有风温高、加热面积大、热交换系数大、热效率高、材料消耗是量少、投资省、施工方便、维护检修工作量少等诸多优点，越来越引起冶金工作者的关注，近年来得到了广泛推广。但由于小高炉球式热风炉存在着一些缺陷，如球床寿命短、阻力损失大、热风出口和燃烧口大墙开裂、燃烧器能力小等，制约了球式热风炉在中型以上高炉的应用，目前主要应用在450m3以下高炉。
球式热风炉从2000年5月参柳钢投入生产，现3座380m3高炉均采用球式热风炉，风温水平稳定在1150°C以上，最高使用热风温度已超过1200°C，取得了成功。随着技术的不断进步和使用经验和积累，球式热风炉已具备向大型化升级的条件。为填补球式热风炉在中型以上高炉应用的空白，柳钢决定在6号高炉（750m3)的工程设计中采用球式热风炉。在解决小高炉球式热风炉大型化制约因素的前提下，以小高炉球式热风炉的一些技术指标作为参照，开发高效节能高风温大型球式热风炉，为高炉增产、增效
节焦、大喷煤进一步创造条件。
2 热风炉系统设计
2.1热风炉设计参数及主要技术指标
设计参数见表1，主要技术指标见表2。
表1 柳钢6号高炉球式热风炉设计参数
| 项目 | 参数 |
| 鼓风流量，Nm3/min | 2350 |
| 设计风温，°C | 1100～1200 |
| 拱顶温度，°C | 1350 |
| 废气温度，°C | 200～300 |
| 冷风温度，°C | 170 |
| 煤气温度，°C | 150～170 |
| 助燃空气预热后温度，°C | 150～175 |
| 球床孔隙率，% | 0.37 |
| 鼓风空腔流速，Nm3/s | 0.779 |
| 烟气空腔流束，Nm3/s | 0.376 |
| 燃料组成 | 100%高炉煤气 |
| 燃烧器燃烧煤气能力，Nm3/h | 46000 |
表2 柳钢6号高炉球式热风炉主要技术指标
| 项目 | 参数 |
| 热风炉座数，座 | 4 |
| 热风炉炉壳最大内径，mm | 10306 |
| 热风炉全高，m | 31.81 |
| 蓄热室断面积，m2 | 50.265 |
| 燃烧室断面积，m2 | 10 |
| 燃烧空间体积，m3 | 260 |
| 耐火球直径，mm | Ø75，Ø60，Ø45 |
| 耐火球加热面积，m2/m3 | 50.4，63.0，84.0 |
| 球床最大直径，mm | 8000 |
| 球床全高度，m | 10.46 |
| 其中：刚玉球 | 1.00 |
| 机制镁铝球 | 2.50 |
| 高强度高铝球 | 6.96 |
| 一座热风炉耐火球重量，t | 707 |
| 其中：刚玉球 | 98 |
| 机制镁铝球 | 222 |
| 高强度高铝球 | 387 |
| 一座热风炉总蓄热面积，m2 | 19337 |
| 单位鼓风蓄热面积，m2/（m3/min） | 16.46 |
| 每立方米高炉容积蓄热面积，m2/m3 | 103.13 |
| 单位鼓风占球量，kg/(m3/min) | 301 |
| 每立方米高炉容积耐火球重量，t/m3 | 3.77 |
| 燃烧器各种耐火砖，t/座 | 147 |
| 热风炉本体各种耐火砖，t/座 | 532 |
2.2 平面布置
热风炉系统共配备4座球式热风炉，热风炉间距11.5m，总占地59m×30.5m，设1座70m的钢烟囱。
2.3 工艺设计特点
（1)球式热风炉整体为架空式框架结构，保证了下部宽敞的卸球空间和冷风从中心向上均匀进气。
（2）热风炉拱顶为三段式拱顶结构：锥形拱顶＋燃烧器＋悬链线拱顶。锥形拱顶的重量、燃烧器与悬链线拱顶的重量直接落在炉壳上。燃烧器与锥形拱顶、锥形拱顶与大墙之间均脱开，并设计有“迷宫”式密封滑缝。
（3）悬链线拱顶采用二段圆弧拟合悬链线，砌体设计有锁砖结构，以增加其稳定性。
（4）耐火砌体：下锥体部分为粘土砖；炉身大墙由内向外依次为粘土砖、双层漂珠质保温砖、轻质浇注料；拱顶大墙、锥形拱顶和悬链线拱顶为低蠕变高铝砖、双层漂珠质保温砖、MS耐酸喷涂层；燃烧器主要由红柱石砖及轻质高铝保温砖构成。
（5）热风管道系统：取消热风支管与热风总管连接的波纹补偿器，仅保留热风主管与热风围管连接的波纹补偿器。为适应1200°C以上的高风温，热风管道内壁均喷涂60mm的隔热层。
（6）组合砖：热风炉各孔口中、热风管道孔口采用组合砖砌筑或采用耐火浇注料现场浇注。
（7）热风出口置于燃烧器底部，提高了送风时气体流场的均匀性，提高球床的利用率。
（8）采用烟气余热回收技术，配置1台整体式烟气/空气单预热热管换热器预热助燃空气，可以把50°C助燃空气预热到150～175°C。
（9）率先采用独特的三段式球床结构，球床全高度为10.46m（见表2）。
（10）采用新型锥体-球冠型炉箅子，提高中心出风率及冷风分配均匀度，有效地提高球床的利用率。
（11）所有的阀门均为液压传动，提高了系统运行的可靠程度。
（12）采用独立的烘炉专用燃烧器，利用焦炉煤气实现热风炉整体烘炉。烘炉温度可精确控制在5～10°C，保证了烘炉质量。
（13）各阀门控制及流量监控、调节采用计算机控制，实现生产过程自动化，保证生产过程的稳定性，获取高风温。
3 主要设备、耐火材料的性能指标及特点
3.1无焰环形陶瓷燃烧器
柳钢750m3高炉热风炉采用了顶燃式大功率无焰环形陶瓷燃烧器，这是柳钢与武汉冶金建筑研究院联合研究开发的球式热风炉大型化的关键技术之一。该陶瓷燃烧器设计采用了特殊的煤气及空气环道结构，具有两种功能：一是低温流体（空气、煤气）降低了耐火砌体的温度，提高燃烧器的使用寿命；二是高温砌体对低温流体进行二次预热，可有效地提高煤气的理论燃烧温度。生产中，拱顶红外温度计测得球床表面温度高达1430°C；经测算，此燃烧器结构可有效提高煤气、助燃空气温度150～200°C。
3.2耐火球
球式热风炉大型化后对球床结构、耐火球提出了更高的要求。刚玉质耐火球具有热量大、导热性能好、高强度等特点，刚玉质耐火球的质量及性能指标控制是球式热风炉大型化的关键技术所在。耐火球瓣主要理化性能指标见表3。
表3 柳钢6号高炉热风炉耐火球主要理化性能指标
| 项目 | 刚玉球(Ø75mm) | 机制镁铝球(Ø60mm) | 高强度高铝球(Ø45mm) |
| A12O3,% | ≥82 | ≥75 | |
| MgO,% | ≥80% | ||
| ZrO2,% | ≥4.8 | ||
| Fe2O3,% | ≤0.5 | ≤1.5 | |
| K2O+Na2O,% | ≤0.3 | ≤0.5 | |
| 耐火度,°C | ≥1790 | ≥1790 | ≥1790 |
| 常温耐压强度,N/球 | ≥40000 | ≥18000 | ≥13000 |
| 显气孔率,% | ≤17 | ≤18 | ≤24 |
| 荷重软化温度(100N/球),°C | ≥1480 | ≥1500 | ≥1480 |
| 热震稳定性(1100°C水冷),次 | ≥5 | ≥3 | ≥5 |
| 何种密度,t/m3 | ≥3.1 | ≥2.8 | ≥2.55 |
| 0.2MPa荷重软化开始温度,°C | ≥1550 |
3.3锥体-球冠型炉箅子
球冠型炉箅子为锥台型炉箅子的改进型,总出风面积为3.15m2,中心出风面积由锥台型炉箅子的31.47%提高到44.07%,出风面积集中度达75.15%,改善了冷风的均配效果，有效地提高球床的利用率。
3.4助燃空气预热系统
(1)采用集中供风方式,系统设置2台9-26No16D鼓风机,流量79131m3/h,全压16.0kPa,一用一备。
（2）采用RH2750型烟气/空气单预热热管换热器，烟气流量<140000m3/h，换热器阻损～1000Pa,在烟气温度200～300°C时，可将助燃空气预热到150～175°C。
（3）为加强预热效果及克服换热器阻损，系统设置1台Y4-73-11No18D引风机，流量14117m3/h，全压1.5kPa.
3.5烘炉燃烧器
烘炉燃烧器为短焰式燃烧哭，采用单一焦炉煤气燃料，燃烧能力为0～500Nm3/h，配套有独立的助燃风机；每座热风炉配套一个燃烧器。该燃烧器便于拆卸，可重复使用。
4 控制系统
4.1电气自动控制系统
热风炉电气自动控制系统采用西门子新一代过程控制系统PCS7系列，实现所有阀门的自动控制。另外，还设有手动控制系统，当自动控制失效时，系统仍能正常工作。
4.2过程检测及控制
（1）设置了完善的检测项目，如燃烧室温度监测、拱顶红外测温监测；热风温度、废气温度监测；预热器进出口烟气、空气温度监测；预热器进出口烟气、空气压差监测；冷风压力、助燃风压力监测；煤气总管、助燃风总管流量监测；助燃风支管、煤气支管流量监测；热风炉空气、煤气比值控制系统等。
（2）控制系统。采用一套PCS7控制系统，完成球式热风炉及其附属系统的监测和控制。该控制系统由1个控制站和1个操作站组成，以实现热风炉比例调节燃烧和软手动调节燃烧，同时操作员通过操作站对工艺参数进行监控，以保证生产顺利进行。
（3）对关键参数，如：拱顶（燃烧室）温度、废气温度及炉顶红外测温，保留二次仪表重复显示；热风炉空气、煤气比值控制系统配备后手操器。
5 球式热风炉技术创造性及先进性
（1）在国内外，首先为中型以上高炉配套球式热风炉，填补了球式热风炉在中型以上高炉应用的空白。
（2）率先采用独特的三段式球床结构，球床总高度达10.46m，球床直径Ø8m，突破了6.5m球床高度及Ø6m球床直径的限制。
（3）首次采用具有热容量大、导热性能好、高强度的刚玉质耐火球。
（4）大功率环形无焰陶瓷燃烧器开发成功，并应用在球式热风炉上，解决了现有球式热风炉套筒式陶瓷燃烧器燃烧能力不足、结构复杂的问题，使利用单一低热值高炉煤气获得1250°C以上高风温成为现实。
（5）独立的烘炉燃烧器技术，实现了球式热风炉的整体烘炉。既保证了烘炉时温度范围的精确控制及调节，又避免在烘炉期间采用大功率燃烧器燃烧煤气带来的浪费。在烘炉期间，烘炉温度调节可控制在5～10°C。
（6）锥顶+燃烧器+悬链线拱顶结构及热风出口位置的设置，既增强了拱顶结构的稳定性，保证了送风时气体流畅的均匀分布，又提供了足够大的燃烧空间，使煤气能够完全燃烧。燃烧的高温区不延伸至球床表面以下，避免球床表面耐火球渣化及粘结，可延长热风炉的使用寿命。
（7）锥体-球冠型炉箅子，保证了气流的合理分布，提高球床利用率，又可降低设备投资。
6 生产运行效果及热平衡测定
6.1 生产运行效果
2003年9月10日高炉开炉投产，热风炉系统开始正常运行至今，一直处于良好状态。在高炉利用系数3.0的情况下，拱顶温度最高可达1430°C，废气温度最高可达320°C，为高炉提供1200°C以上的稳定风温。2004年2月，连续多日平均风温达1200°C以上，最高用到1250°C，风温仍有进一步提高的余地。在采用单炉送风的制度下，送风周期最长达2h，风温保持在1100°C左右，波动不超过20°C，混风阀开度保持在20%～ 50%。
2004年3～ 6月柳钢因渣铁系统检修、铁水罐/鱼雷罐调运不及时、喷煤系统喷吹能力不足、原燃烧成分波动大等因素的影响，6号高炉的生产受到极大的限制，影响了风温使用，但1～ 6月平均风温仍达到1102°C，见表4。
6.2 热平衡测定
为了确定大型球式热风炉的热效率和其他技术经济指标，以便为热风炉的热工操作、生产管理、节能途径及进一步大型化提供依据，2004年3月，柳钢技术中心对球式热风炉系统进行热平衡初测试。从测试情况看，在混风阀开度30%，风温1181°C 的情况下，热风炉系统的热效率达78%以上。
表4 柳钢6号高炉生产技术指标
| 月份 | 生铁平均日产量，t/d | 综合焦比kg/t | 利用系数t/(m3·d) | 综合冶强t/(m3·d) | 平均风温，°C | 平均风量 m3/min | 热风压力，MPa | 休风时间，h | 休风率% | 生铁月产量t |
| 01 | 1787.02 | 554 | 2.397 | 1.398 | 1114 | 1888 | 0.231 | 42.23 | 5.68 | 55828.38 |
| 02 | 2017.73 | 550 | 2.693 | 1.527 | 1154 | 2015 | 0.246 | 20.92 | 3.01 | 58520.08 |
| 03 | 1906.55 | 516 | 2.548 | 1.356 | 1091 | 2053 | 0.243 | 24.33 | 3.27 | 59142.45 |
| 04 | 1824.74 | 534 | 2.434 | 1.328 | 1081 | 1960 | 0.241 | 15.55 | 2.16 | 55008.01 |
| 05 | 1989.68 | 533 | 2.654 | 1.456 | 1096 | 2085 | 0.247 | 21.48 | 2.89 | 61923.82 |
| 06 | 2047.88 | 542 | 2.734 | 1.519 | 1075 | 2101 | 0.243 | 18.48 | 2.57 | 61506.46 |
（1）热平衡测定的基准。采用环境温度作基准温度；采用湿煤气低位发热量；热平衡测试范围：热风炉系统，即燃烧期内燃烧器至烟道阀，送风期由冷风阀至热风围管前热风温度计及其内部管路部分；热平衡测定的时间：测定热风炉的一个完整的操作周期，即由本次燃烧期开始，至下次燃烧期开始为止，包括燃烧期、送风期及换炉时间在内。热平衡的计算单位：采用单位何种热风的热量（kJ/m3)作为计算单位。
（2）热平衡测定的有关数据见表5、表6。
根据测定所得数据计算，高效节能高风温大型球热风炉本体热效率ηt1:
=78.95%
（3）关于热平衡测定。①在进行热平衡测定时，混风阀开度为30%。混风管无流量计且不保温，混风管的散热量未考虑，计算得热效率应为热风炉系统热效率，所以，热风炉本体热效率应大于80%。②本次热平衡测定为初测试，设置的测点数量、位置不够全面，且冷风管、烟道的表面散热量均未测定，故热平衡的相对差值大于《热风炉热平衡测定与计算方法暂行规定》（冶金工业部1983年6月允许的 ±5%。
表5 柳钢6号高炉球式热风炉热平衡主要测量项目及测取数据
| 序号 | 项目 | 数据 | 序号 | 项目 | 数据 |
| 1 | 气象状况 | 6 | 冷却水 | ||
| 大气温度，°C | 27 | 平均流量，kg/h | 90750 | ||
| 相对湿度，% | 47 | 入口温度，°C | 31 | ||
| 2 | 煤气 | 出口温度，°C | 36 | ||
| 平均温度，°C | 159 | 7 | 烟气 | ||
| 平均流量，Nm3/h | 39907 | 平均温度，°C | 176 | ||
| 干成分，% | CO CO2 H2 CH4 N2 | 干成分，% | CO CO2 N2 O2 | ||
| 21.92 18.76 1.3 0 58.2 | 0.4 28.7 71 0.3 | ||||
| 机械含水量，% | 24.86 | 8 | 热管换热器 | ||
| 3 | 助燃空气 | 助燃空气进口温度，°C | 41 | ||
| 平均温度， °C | 164 | 助燃空气出口温度，°C | 164 | ||
| 平均流量，Nm3/h | 21838 | 助燃空气平均流量，Nm3/h | 21835 | ||
| 4 | 冷风 | 烟气进口温度，°C | 178 | ||
| 平均温度，°C | 171 | 烟气出口温度，°C | 156 | ||
| 平均压力，MPa | 0.2584 | 9 | 时间 | ||
| 平均流量，Nm3/h | 64000 | 燃烧期，h | 1.92 | ||
| 5 | 热风 | 换炉,h | 0.05 | ||
| 平均温度，°C | 1210 | 送风期，h | 1.95 | ||
| 平均压力，MPa | 0.256 | 换炉，h | 0.08 | ||
| 1个工作周期，h | 3 |
表6 高效节能高风温大型球式热风炉热平衡表
| 收入项 | 支出项 | ||||||
| 符号 | 项目 | 热量 | 符号 | 项目 | 热量 | ||
| kJ/m3 | % | kJ/m3 | % | ||||
| Q1 | 燃料的化学热量 | 1823.232 | 82.97 | Q’1 | 热风带出的物理热量 | 1702.097 | 77.46 |
| Q2 | 燃料的物理热量 | 119.8005 | 5.45 | Q’2 | 烟气带出的物理热量 | 200.7746 | 9.14 |
| Q3 | 助燃空气的物理热量 | 65.35518 | 2.97 | Q’3 | 化学不完全燃烧损失的热量 | 46.76278 | 2.13 |
| Q4 | 冷风带入的热量 | 189.081 | 8.60 | Q’4 | 煤气机械水的吸热量 | 36.49057 | 1.65 |
| Q’5 | 冷却水的吸热量 | 31.49057 | 1.43 | ||||
| Q’6 | 炉壳及管道散热量差值 | 41.18889 | 1.87 | ||||
| △Q | 138.9003 | 6.32 | |||||
| ∑Q | 合计 | 2197.469 | 100.00 | ∑Q’ | 合计 | 2197.469 | 100.00 |
（4）分析。从生产运行效果和热平衡初测定的情况分析，可以得出：
①大型球式热风炉能满足风温水平高且持续稳定时间长的要求，实际的性能指标达到并超过设计能力，获得圆满成功。②经实际热平衡测定证实，大型球式热风炉热效率78.95%远胜于改进内燃式热风炉～60%的热效率，具有更高的技术优势。③大型球式热风炉的拱顶温度高达1430°C ，风温有巨大的提高潜力。④由于燃烧器具有预热功能，加热同量的鼓风，需要更少量的煤气。按平均风温1100°C ,平均风量2000m3/min进行测算，煤气耗量减少14.65%，具有显著的节能效果。⑤由于燃烧器的特殊结构，热风炉系统的管道布置简单、阀门数量少，仅热风阀和倒流休风阀需要冷却，比小高炉球式热风炉节省冷却水600m3/h。
7 存在问题
高效节能高风温大型球式热风炉从2003年9月10日正式投入运行以来，总体效果好，风温水平高，达到并超过了预期效果，为球式热风炉大型化积累了实践经验，并奠定了坚定的理论基础，但仍存在一些问题：
（1）“一烧”转“二烧”时，助燃空气流量调节反应速度较慢，易发生煤气倒灌助燃空气管现象。经生产摸索，现已基本上解决。
（2）自动控制系统的设计不够先进、完善，不能够实现自动比例调节燃烧。目前，烧炉还采用人工调节煤气及助燃空气。
（3）球式热风炉大型化技术理论基础不够完善，现有的小高炉球式热风炉的技术理论不足以指导大型球式热风炉的升级工作，限制了大型球式热风炉在更大型高炉上应用。
8大型球式热风炉的技术优势与升级
8.1预期寿命
（1）球床寿命：2002年12月，柳钢对2000年5月开始运行的1号高炉3号球式热风炉耐火球进行损坏调查，由于热风阀漏水，部分镁铝球水化破损，加上烧结和结团的高铝球，耐火球损失量仅为4.637%。其他热风炉未作任何处理，运行至今仍能提供1120～ 1160°C的风温，未发现任何异常情况。大型球式热风炉所采用的耐火球性能指标优于小高炉球式热风炉耐火球的指标，而且燃烧空间体积高达260m3，避免了煤气在球床内部燃烧而使耐火球烧结。因此，大型球式热风炉球床卸球清灰周期更长，预计可达一代高炉炉龄。
（2）炉役期：据相关资料报告，具有与大型球式热风炉类似小拱顶结构的顶燃式热风炉使用期可达18～30年，所以，除了卸球时损失部分耐火球外，大型球式热风炉应具有同样的使用炉役期。
8.2技术升级
由于大型球式热风炉在6号高炉获得成功，柳钢在随后的7号高炉（1080m3）、8号高炉（1280m3）对该技术进一步升级。7号高炉于2004年6月28日建成投产，8号高炉大型球式热风炉的设计开发工作已经完成。
8.3投资
6号高炉大型球式热风炉系统总投资3768万元，其中：
设备材料安装1662万元；
耐火材料1531万元；
设备投资575万元；
与改进内燃式热风炉系统比较，可节省投资1500～2000万元。
9 对球式热风炉技术的几点看法
（1）球床结构：合理的球床结构，应以不影响高温烟气的均匀流动，避免过多增大燃烧期阻损为目的，不应局限于二段式或三段式球床。耐火球球径应上大下小，上部的耐火球应具备良好的导热性能和防止发生水化反应的性能，不能用镁铝球。球径以能烧透为准，采用适当球径的耐火球对保持风温的稳定有利。
（2）球床高度：合适的球床高度，应以助燃风机的全压差为依据，预留30%的压头。通过适当提高空腔流速或空隙流速，高速球床的高径比。球床高径比的变化应保证热交换过程的等效性，即球床直径大、空腔流速低、球床高度低；反之，球床直径小、空腔流速高、球床高度高；其变化应为对数关系。
（3）球床阻损：球式热风炉的球床可看作是具有非均匀流场的工业固定床，用描述小高炉球式热风炉球床一维流动的Ergun方程或其修正方程或其他方程，不能反应球床的实际阻损。气体通过固定床流动，当雷诺数Re处在250～5000，为紊流区。在热态流场下，应存在一个范围，当烟气流量达到一定Re值，对指导球式热风炉大型化具有重要意义。
（4）球床的运动：根据固定床速度流场的特点，球床边缘的流速要大于中心的流速。在送风过程中，由于存在较大的边缘流速，耐火球向球床中心运动，球床上表面呈中心凸起形状，这与生产调查的情况吻合。建议新建球式热风炉的球床在初次装球时，表面装成中心凹状。
（5）为球式热风炉大型化开发的无焰环形陶瓷燃烧器，具有很强的技术优势，也适用于其他形式的顶燃式热风炉。
10结语
（1）柳钢6号高炉的生产实践证明，大型球式热风炉在中型高炉的应用已获得成功，各设计参数设置合理，已达到并超过设计能力。
（2）大功率无焰环形陶瓷燃烧器及刚玉质耐火球的研制是成功的，解决了球式热风炉大型化的制约因素。
（3）大型球式热风炉的投产，使柳钢炼铁技术再上了一个新台阶。
（4）大型球式热风炉具有热效率高、风温高、投资省、运行费用低、施工周期短等诸多优势。
（5）柳钢高效节能高风温大型球式热风炉项目的成功，为球式热风炉大型化技术奠定了坚实的基础，是现有球式热风炉技术的深化和提高，使球式热风炉技术迈上了新台阶，同时填补了国内外球式热风炉在中型以上高炉应用的空白。
