高爐熱風爐:簡介,分類,所需燃料,技術特徵,結構組成,結構最佳化,合理配置,加熱過

高爐熱風爐是煉鐵廠高爐主要配套的設備之一，一般一座高爐配3~4座熱風爐，熱風爐的作用是為高爐持續不斷的提供1000度以上的高溫熱風。目前先進的現代熱風爐風溫可以達到1300度。

基本介紹

中文名：高爐熱風爐
類型：煉鐵廠高爐主要配套的設備
熱風爐風溫：1300度
分類：蓄熱式熱風爐和連續換熱式熱風爐

簡介,分類,所需燃料,技術特徵,結構組成,結構最佳化,合理配置,加熱過程,加熱初期,拱頂溫度管理期,廢氣溫度管理期,提高壽命,技術措施,助燃空氣,控制過程,

簡介

熱風爐顧名思義就是為工藝需要提供熱氣流的集燃燒與傳熱過程於一體的熱工設備，一般有兩個大的類型,即間歇式工作的蓄熱式熱風爐和連續換熱式熱風爐。在高溫陶瓷換熱裝置尚不成熟的當今，間歇式工作的蓄熱式熱風爐仍然是熱風爐的主流產品。蓄熱式熱風爐為了持續提供熱風最起碼必須有兩座熱風爐交替進行工作。熱風爐被廣泛套用在工業生產的諸多領域，因工藝要求不同、燃料種類不同、熱風介質不同而派生出不同用途與不同結構的熱風爐。這裡要介紹的是為高爐冶煉提供高溫熱風的熱風爐，且都是蓄熱室熱風爐，因其間歇式的工作方式，必須多台配合以實現向高爐連續提供高風溫。

分類

高爐熱風爐按工作原理可分為蓄熱式和換熱式兩種。

蓄熱式熱風爐，按熱風爐內部的蓄熱體分球式熱風爐（簡稱球爐）和採用格子磚的熱風爐，按燃燒方式可以分為頂燃式，內燃式，外燃式等幾種，提高熱風爐熱風溫度是高爐強化冶煉的關鍵技術。如何提高風溫，是業內人士長期研究的方向。常用的辦法是混燒高熱值煤氣，或增加熱風爐格子磚的換熱面積，或改變格子磚的材質、密度，或改變蓄熱體的形狀（如蓄熱球），以及通過種種方法將煤氣和助燃空氣預熱。

蓄熱式格子磚熱風爐是現代高爐、尤其是大高爐最常用的熱風爐形式。

優點：換熱溫度高、熱利用率高、工作風量大，適合於大高爐生產需要。

缺點：體積大，占地面積大，購置成本高。

換熱式熱風爐，主是使用使用耐高溫換熱器為核心部件，此部件不能使用金屬材質換熱器，只能使用耐高溫陶瓷換熱器，高爐煤氣在燃燒室內充分燃燒，燃燒後的熱空氣，經過換熱器，把熱量換給新鮮的冷空氣，可使新鮮空氣溫度達到1000度以上。

優點：換熱溫度高，熱利用率高，體積小，購置成本低。缺點：換熱溫度沒有蓄熱式高，使用規模較小。

所需燃料

熱風爐一般採用高爐煤氣加焦爐煤氣作燃料。現代熱風爐在僅使用高爐煤氣的條件下，採用預熱助燃空氣和煤氣的方法，也可提高風溫至1200~1300℃以上。

技術特徵

高風溫是現代高爐的重要技術特徵。提高風溫是增加噴煤量、降低焦比、降低生產成本的主要技術措施。近幾年，隨著引進卡盧金頂燃式熱風爐技術，國內鋼鐵企業高爐的熱風溫度逐年升高，特別是新建設的一批大高爐（大於2000立方米）熱風溫度均超過1200℃，達到國際先進水平。如曹妃甸京唐公司5500立方米高爐採用卡盧金頂燃式熱風爐，熱風溫度達到了1300℃的世界水平。

熱風爐基本結構。熱風爐是為高爐加熱鼓風的設備，是現代高爐不可缺少的重要組成部分。現代大高爐最常用的是蓄熱式格子磚熱風爐，蓄熱式熱風爐按燃燒方式可以分為頂燃式，內燃式，外燃式等幾種。其工作原理是先燃燒煤氣，用產生的煙氣加熱蓄熱室的格子磚，再將冷風通過熾熱的格子磚進行加熱，然後將熱風爐輪流交替地進行燃燒和送風，使高爐連續獲得高溫熱風。蓄熱式熱風爐有燒爐、送風兩種主要操作模式：將高爐煤氣燃燒對蓄熱室的格子磚進行加熱，即為“燒爐”操作模式，用蓄熱室格子磚對冷風進行加熱並送風到高爐，即為“送風”操作模式。

先進熱風爐的特徵。高風溫、低投資、長壽命是現代熱風爐的基本特徵。理論研究和生產實踐表明，頂燃式熱風爐是最先進的熱風爐結構形式，採用頂燃式熱風爐結構，可以提高熱風爐熱效率、降低設備投資、延長熱風爐壽命。

結構組成

前已述及，熱風爐是一個為工藝過程提供熱風的完成燃燒過程與傳熱過程的熱工裝置，其結構一定應該包含為燃料在其中燃燒的燃燒裝置，和氣流在其中進行熱量交換的傳熱裝置。對於為高爐提供熱風的蓄熱式熱風爐而言，就必須有實現燃燒過程的燃燒室與燃燒器，以及堆放能完成傳熱過程的蓄熱體的蓄熱室；為了組織氣流和實現氣流過程的切換，實現氣流分配的冷風室和各種進出口與閥門也是必不可少的。此外，由於高爐所需的熱風具有一定的壓力，為此一個能夠承受壓力的金屬外殼也是必不可少的。因此，熱風爐就是一個在金屬外殼內砌築耐火材料的承壓容器。下面將熱風爐的各個重要組成部分一一加以描述如下。

燃燒器與燃燒室

高爐熱風爐的燃燒器基本上都是適於氣體燃料燃燒的裝置。按照氣體燃料燃燒的模式，可分為預混燃燒的無焰燃燒器、半預混燃燒的短焰燃燒器、以及擴散燃燒的長焰燃燒器等。按照其結構的形式可分為圓形燃燒器、矩形燃燒器、環形燃燒器、以及其他形狀的燃燒器等。按照燃燒氣流的組織形態可分為旋流燃燒器、直流燃燒器、對沖燃燒器、回流燃燒器、以及其它組合型流場的燃燒器等。

為了完成燃燒過程和組織氣流的形態在燃燒器後提供一個燃燒空間是必然的，這就是燃燒室。通常不同的燃燒器都配備有不同結構的燃燒室。

蓄熱體與蓄熱室

從燃燒室出來的煙氣流向下進入堆放著蓄熱體的蓄熱室，蓄熱室為豎向放置的筒狀結構。蓄熱體主要以多孔稜柱形的格子磚堆砌而成，或者由球狀耐火球隨機堆放而成。

爐箅子及其支撐與冷風室

蓄熱室中的格子磚或耐火球是放置在蓄熱室底部的爐箅子上，爐箅子本身是由爐箅子橫樑與支柱來支撐的。爐箅子及其支撐通常由耐熱鑄鐵（RQTSi4Mo，RTCr2等）鑄造加工而成。由於熱風爐牆體磚是砌築在熱風爐的爐底的耐熱混凝土基礎上的，這樣爐底到爐箅子之間就有了一個相應的空間，常稱為冷風室。通過此空間，高爐鼓風由此進入熱風爐,再通過格子磚而被加熱為熱風后送入高爐，而從蓄熱體流出的煙氣也通過它而流進熱風爐的煙道。因此,冷風室是高爐冷鼓風進入和爐內熱煙氣流出的一個過渡空間。

熱風爐各管口

熱風爐因其交替地完成爐內蓄熱體的加熱過程（燃料燃燒與蓄熱體吸熱）與送風過程（冷鼓風加熱與蓄熱體放熱），設定不同氣流的進、出口管並設定閥門以調節氣流大小和實現氣流的切換時是熱風爐完成其向高爐輸送熱鼓風所必不可少的裝置。主要管口與閥門為：

煤氣、助燃空氣進口管——是接入熱風爐燃燒器主要管口，對於外置式燃燒器他們是由金屬管制成，期內進行防腐內噴塗；如果是進入諸如預燃室或環形耐材砌築的陶瓷燃燒器，是採用金屬外殼內由耐火磚砌築而成，因其所處溫度不高，可用普通耐火粘土磚砌築，對於溫度變化較大的情況，可採用紅柱石粘土磚砌築；

煙氣出口管——是煙氣排出的通道，開口於冷風室的牆體上，通常是在金屬外殼內用普通的耐火粘土磚砌築，金屬外殼一定要採用防腐內塗層；

冷風進口管——冷風管可以單獨設定，也可以藉助煙氣出口而進熱風爐，其砌築結構與用材與煙氣出口管一樣。

由於這些管口均採用圓管對接熱風爐圓筒體的幾何結構，也就是大、小圓筒體對接的形狀，結構較為複雜，多採用組合磚結構（俗稱花瓣磚），用其作為磚體結構的過度帶，以保證結構的完整性和分散結構應力的作用。

結構最佳化

熱風爐技術發展歷程。20世紀50年代，我國高爐主要採用傳統的內燃式熱風爐。這種熱風爐存在著諸多技術缺陷，風溫較低；20世紀60年代出現的外燃式熱風爐，將燃燒室與蓄熱室分開，顯著地提高了風溫，延長了熱風爐壽命。20世紀70年代，荷蘭霍戈文公司（現達涅利公司）開發了改造型內燃式熱風爐，在歐美等地區得到套用並獲得成功。與此同時，我國煉鐵工作者自行研製的無燃燒室的頂燃式熱風爐，並於上世紀70年代末在首鋼2號高爐（1327立方米）上成功套用。自2002年中國引進的第一座KALUGIN頂燃式熱風爐（無燃燒室的第二代卡式熱風爐）投入運行，結構先進、風溫提高、運行穩定的卡盧金頂燃式熱風爐迅速在中國推廣開來，迄今為止在中國已經有超過100座原創的卡式熱風爐在運行，近5年新建的大高爐和超大高爐（例如曹妃甸京唐公司1#、2# 5500立方米高爐）普遍使用了卡式熱風爐，在中國以外的日本、俄羅斯、烏克蘭等國家也有100多座KALUGIN（卡魯金）頂燃式熱風爐投入使用，其中俄羅斯北方鋼廠的5500立方米高爐、日本JFE公司的5000立方米高爐改造工程，都使用了卡式熱風爐。頂燃式熱風爐是最具發展潛力的熱風爐。截至，卡式頂燃式熱風爐由於具有結構穩定性好、氣流分布均勻、布置緊湊、占地面積小、投資省、熱效率高、壽命長等優勢，已成為世界上最具發展潛力的熱風爐。生產實踐證實，卡式頂燃式熱風爐是一種長壽型的熱風爐，完全可以滿足兩代高爐爐齡壽命的要求。但是，國內對於高風溫熱風爐管系的結構設計方面還存在一些問題，耐材質量不高、施工質量差也日益成為影響熱風爐質量的關鍵；針對國內有的企業高爐煤氣含水量高、煤氣質量差的情況，對熱風爐高溫熱風出口、熱風管道的可靠性設計，還需要進一步加強；高風溫熱風爐出現後，大高爐接受高風溫的結構改進，也正在進一步研究中。

合理配置

根據實踐，現代大型高爐配置3～4座熱風爐比較合理。

大型高爐如果配置4座熱風爐，可以實現交錯並聯送風，實踐證明，在不提高熱風爐拱頂溫度前提下，能提高送風風溫20℃～50℃。在爐役的中後期，還可以在1座熱風爐檢修的情況下，採用另外3座熱風爐工作，使高爐生產不會出現過大的波動。國內外許多大型高爐都配套建設了4座熱風爐。

採用3座熱風爐可以大幅度降低建設投資，減少占地面積，也同樣具有非常大的吸引力。3座熱風爐的操作模式為“兩燒一送”，風溫的調節控制依靠混風實現，也同樣達到了高風溫的效果，這已經是國內外中小型高爐熱風爐配置的趨勢。

現代熱風爐的發展方向是降低投資、延長熱風爐壽命、強化燃燒能力、縮短送風時間、回收廢氣熱量、提高總熱效率。另外，儘量縮短送風時間的操作方式也得到重視，卡盧金公司正在全球推廣的20毫米孔徑格子磚頂燃式熱風爐，是這種新型現代熱風爐發展的典型代表，已經在俄羅斯北方鋼廠5500立方米高爐、中國濟南鋼鐵公司3200立方米高爐等多個實際工程項目上套用。

加熱過程

在加熱期內，在限定燃燒時間和熱風爐拱頂溫度後,應儘量縮短達到規定拱頂溫度的時間,即縮短加熱期,這樣可以使蓄熱期延長,使熱風爐記憶體儲較多的熱量,降低送風時風溫的波動。在蓄熱期內，除了保證拱頂溫度不變外,還需要考慮廢氣的溫度。熱風爐廢氣溫度不能超過規定的界限，否則爐篦子支柱將被損壞,使爐體壽命降低,而且使熱損失增加。欲使廢氣溫度降低，主要採用減少煤氣量的方法來解決這個問題，而煤氣量的減少會導致拱頂溫度下降、熱風爐蓄熱量降低。如何獲得更多的蓄熱量，同時保持廢氣溫度在規定界限內是熱風爐控制急需解決的問題。

熱風爐燃燒用燃料為高爐煤氣，採用過剩空氣法進行燃燒控制，在規定的燃燒時間內，保持最佳燃燒狀態燃燒；在保證熱風爐蓄熱量的同時，儘量提高熱效率並保護熱風爐設備。

熱風爐燃燒分三個階段：加熱初期、拱頂溫度管理期和廢氣溫度管理期。

加熱初期

設定高爐煤氣流量和空燃比，燃燒至拱頂溫度達到拱頂管理溫度後，轉入拱頂溫度管理期。在加熱初期內，高爐煤氣流量和助燃空氣流量均為定值進行燃燒。

在燃燒初期，為了保證空氣先行而不冒黑煙，需給空氣流量調節閥一個初期開度以防止煤氣先行而冒黑煙。同時為避免燃燒一開始，就有大量的煤氣流量產生，所以需給煤氣流量調節閥一個初期開度即煤氣流量模糊調節單元、空氣流量模糊調節單元均選擇右邊煤氣初期開度設定單元及空氣初期開度設定單元，同時將廢氣溫度模糊調節單元、空燃比模糊設定單元設為手動。拱頂溫度開始迅速上升，當檢測拱頂溫度上升到接近要求溫度時，將空燃比模糊設定單元置成自動，檢測到的煤氣流量經煤氣流量模糊調節單元輸出後乘以空燃比模糊設定單元輸出的空燃比，從而獲得空氣流量設定值。在空氣流量模糊調節單元內，空氣流量設定值與檢測到的空氣流量實際值進行比較，從而決定空氣流量調節閥的大小。當進入蓄熱期後，將廢氣溫度模糊調節單元置為自動，通過低選單元獲得煤氣流量給定值，與檢測到的煤氣流量進行比較，從而決定煤氣流量調節閥的大小。設置低選單元的目的是為了安全起見，保證通過廢氣溫度模糊調節單元產生的煤氣流量設定值低於最大煤氣流量設定值。在燃燒期內，控制的主要目標是維持拱頂溫度在設定範圍內，在蓄熱期內，控制的主要目標變為廢氣溫度，通過調節煤氣流量的大小使廢氣溫度控制在350℃內，當廢氣溫度達到350℃時，發出燃燒完悶爐信號，熱風爐轉悶爐狀態。

拱頂溫度管理期

保持高爐煤氣流量不變，以拱頂溫度控制空燃比，增大助燃空氣流量，將拱頂溫度保持在拱頂目標溫度附近，燃燒至廢氣溫度達到廢氣管理溫度後，轉入廢氣溫度管理期。在拱頂溫度管理期內，高爐煤氣流量為定值進行燃燒，助燃空氣流量進行變化以控制拱頂溫度。

註：熱風爐在蓄熱期的模糊控制，當拱頂溫度迅速上升到其上限目標後，進入蓄熱期，又叫做拱頂溫度管理期。進入管理期後，需保持拱頂高溫，保證蓄熱室充分蓄熱。管理期燃燒系統的控制尤其重要，從管理期開始進行模糊控制，使得廢氣溫度按恆定速率上升，蓄熱室能夠充分蓄熱且煤氣利用率最高。當廢氣溫度達到上限時，停止加熱。

廢氣溫度管理期

依據廢氣溫度逐漸減小煤氣流量，同時以拱頂溫度調節控制助燃空氣流量，將拱頂溫度保持在拱頂目標溫度附近，至廢氣溫度達到廢氣目標溫度後，如果熱風爐燃燒制選擇為“廢氣溫度到”，則燃燒過程結束；如果選擇為“燃燒時間到”，則調節煤氣流量減小到僅供熱風爐保持熱狀態的需要，直到燃燒時間到時燃燒過程結束。

提高壽命

現代高爐多採用蓄熱式熱風爐，因此，提高熱風爐傳熱效率對提高風溫有著重要意義。而增加格子磚的加熱面積是提高傳熱能力的重要技術措施之一。卡盧金公司首先發明並正在著力推廣的20毫米孔徑格子磚，與常規的30毫米孔徑格子磚相比，單位體積加熱面積由48平方米/每立方米提高到64平方米/每立方米，並且在熱風爐整個運行期間不會發生渣化現象。

熱風爐耐火材料內襯在高溫、高壓環境下的工作條件十分惡劣。為了使熱風爐滿足高風溫的要求，延長其使用壽命，對熱風爐耐火材料的質量以及砌體的設計都有很嚴格的要求。如何根據熱風爐各部位的工作溫度、結構特點、受力情況及化學侵蝕的特點，選用不同性能的耐火材料，是鋼鐵企業關注的重點。

此外，加強熱風爐熱風管系的受力分析與計算，對熱風管路進行最佳化設計，也是提高風溫的重要措施。對承受高風溫、高壓管道的波紋補償器以及管道支架的設定應進行詳細的受力分析，特別是對承受高溫熱膨脹位移和高壓產生的壓力位移的管道，在設計中要給予充分的重視。

技術措施

燃燒理論和生產實踐已證實，提高煤氣熱值是提高風溫的有效措施。而國內鋼鐵企業高熱值煤氣燃料缺乏是高風溫的主要制約因素之一。為實現高風溫，鋼鐵企業應採取了以下針對性技術措施：

一是採用煤氣、助燃空氣低溫雙預熱技術。該技術利用助燃空氣和煤氣通過熱管換熱器對熱風爐進行預熱，當預熱溫度達到200℃時，可以提高熱風爐的理論燃燒溫度和拱頂溫度。首鋼3號高爐採用煤氣、助燃空氣雙預熱技術以後，風溫提高了50℃～70℃。

二是採用高爐煤氣低溫預熱及助燃空氣高溫預熱技術。利用熱風爐煙氣餘熱，通過分離式熱管換熱器將熱風爐用高爐煤氣預熱到200℃；利用卡式助燃空氣預熱爐將助燃空氣預熱到600℃。京唐公司5500立方米高爐熱風爐採用了此技術。但由於大型高爐煤氣清洗系統處理能力不足，造成煤氣溫度高、飽和水和機械水含量高，使煤氣熱值嚴重降低。他們隨後在煤氣管道上配置了旋流脫水裝置，降低了煤氣含水量。實測表明這項技術的實施，可提高風溫15℃～20℃。

三是採用高爐煤氣乾法除塵技術。採用高爐煤氣乾法除塵，可顯著減少高爐煤氣中的含水量。在同等條件下，高爐煤氣熱值可提高約200千焦/立方米。

我國高爐風溫水平有顯著提高，新型卡式熱風爐利用高爐煤氣即可達到1250℃以上的高風溫，並且正在發展1300℃以上的高風溫熱風爐。我國熱風爐結構形式比較複雜，還有大量的內燃式、外燃式熱風爐處於待改造階段。結合國內鋼鐵企業的實情，推廣引進新型高風溫熱風爐技術，高效利用低熱值高爐煤氣實現高風溫將是煉鐵工作者今後工作的重點。

助燃空氣

一般普通的高爐熱風爐，投資成本高，而且需要切換，溫度不穩定，且體積大，占用面積也大；易堵塞、更換成本高。

然而動輒幾百甚至上千萬的熱風爐讓許多中小型煉鐵廠望塵莫及，因此就讓許多可利用的能源白白地浪費掉了。不過，榮華節能陶瓷換熱器有限公司生產的陶瓷熱風爐已攻克這一難關。陶瓷熱風爐，體積小，熱風溫度高，而且穩定，適合各種煉鐵企業使用。

1．在煉鐵高爐煤氣，用熱風爐也預熱助燃空氣，助燃空氣溫度一般情況下可達到1100——1250度，陶瓷熱風爐可以達到此溫度。

2．使用壽命上，一般情況下陶瓷熱風爐是其他熱風爐幾倍或幾十倍。

3．使用方法簡單，直接快捷，並使用壽命長，投資小，免人工操作，免機械操作，不漏氣，不堵塞，維修快捷。

控制過程

（1）燃燒控制

用微機控制的自動燃燒形式和方法很多，套用較為普遍的是採用廢氣含氧量修正空燃比，熱平衡計算、設定負荷量的並列調節系統。它是根據高爐使用的風量、需要的風溫、煤氣的熱值、冷風溫度，熱風爐廢氣溫度，經熱平衡計算，計算出設定煤氣量和空氣量。燃燒過程中隨煤氣量的變化來調節助燃空氣量，採用最佳空燃比，儘快使爐頂溫度達到設定值，並保持穩定，以逐步地增加蓄熱室的儲熱量，當廢溫度達到規定值時(350℃)熱風爐準備換爐。採用廢氣含氧量分析作為系統的反饋環節，參加閉環控制，隨時校正空燃比。

（2）高爐熱風溫度的控制

當熱風爐採用"兩燒兩送"、"一燒二送（最新）"的"交錯（叉）熱並聯"送風制度時，靠調節兩座送風爐的冷風調節閥的開度，來控制先行(涼)爐、後行(熱)爐的送風流量，保持高爐熱風溫度的穩定。使用該制度時混風大閘可以關閉。當熱風爐採用"兩燒一送"或"三燒一送"的送風制度時，需靠調節混風調節閥的開度，兌入冷風來穩定高爐的熱風溫度。

（3）換爐控制

按時間指令進行換爐的自動控制：當先行熱風爐送風時問達到設定值時，發出換爐指令，將先行燃燒爐按停止燃燒轉送風程式，轉入送風狀態。然後將先行送風爐，按停止送風轉燃燒程式，轉入燃燒狀態。如果是採用“兩燒一送”的送風制度，送風爐送風時間達到設定值時發出換爐指令，按程式換爐。按溫度指令進行換爐的自動控制：當先行送風爐的送風溫度低於設定值時(測點在熱風出口)發出換爐指令，按停止燃燒轉送風的程式，將先行燃燒爐轉送風狀態，然後按停止送風轉燃燒的程式，將先行送風爐轉入燃燒狀態。如果採用“兩燒一送”的送風制度，送風爐的風溫低於設定值後發出換爐指令，進行換爐操作。

（4）休風控制

一般休風控制為半自動操作，分以下兩種：

A、倒流休風；

B、正常休風。

高爐熱風爐