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頂燃式熱風(fēng)爐冷風(fēng)、煙氣匹配技術(shù)
【2016/9/2】
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隨著高爐噴吹和冶煉技術(shù)的不斷進步，對熱風(fēng)溫度的要求不斷提高，目前先進國家高爐的熱風(fēng)溫度已達到了1200t以上且呈不斷提高的趨勢對于那些熱風(fēng)溫度較低的高爐，提高風(fēng)溫，降低能耗和生產(chǎn)成本具有明顯的意義。風(fēng)溫問題是制約進一步提高噴吹量和強化高爐冶煉的主要因素，也是進一步降低生產(chǎn)成本所要解決的關(guān)鍵問題之一。
本文以首鋼總公司（以下簡稱首鋼）頂燃式熱風(fēng)爐為例，通過采用冷風(fēng)及煙風(fēng)匹配技術(shù)，研究冷風(fēng)及煙氣流場的合理匹配問題，為提高熱風(fēng)爐的風(fēng)溫，為進一步提高煤比及降低生產(chǎn)成本打下了基礎(chǔ)。
1冷態(tài)實驗的方法冷態(tài)實驗以首鋼頂燃式熱風(fēng)爐為對象，設(shè)計并制作熱風(fēng)爐模型，以冷態(tài)實驗測試流場，掌握熱風(fēng)爐的冷風(fēng)及煙風(fēng)分布情況，再通過一些氣流擾流裝置改變冷風(fēng)及煙氣氣流的走向，從而實現(xiàn)冷風(fēng)及煙風(fēng)的流場匹配。
1.1熱風(fēng)爐模型設(shè)計根據(jù)幾何相似及動力相似原理，采用1：10的比例制作冷態(tài)模型，格子磚孔按當(dāng)量直徑用約200根有機玻璃管代替。由于熱風(fēng)爐的流動介質(zhì)在送風(fēng)及加熱期間分別為冷風(fēng)和煙氣，在冷態(tài)實驗時全部用冷風(fēng)模擬，因此設(shè)計時根據(jù)不同的實驗情況進行相似計算來確定不同的送風(fēng)量和煙氣量。
以首鋼第4高爐為例，對于單座熱風(fēng)爐而言，冷風(fēng)的流量*=2250m3/min，根據(jù)格子磚的流通面積折算，當(dāng)量直徑*>=4.69m，格子磚孔的平均流速u=2.17m/s，動力格子磚的絕對粗糙度（按混凝土管取下限平均0.037，則進入第二自模化區(qū)的臨界Reynolds數(shù)i2ek為比較e及iek可以看出，熱風(fēng)爐格子磚中的冷風(fēng)流場已進入第二自模化區(qū)。故而，在冷態(tài)模型中，只要其格子孔空氣流場的Reynolds數(shù)JZe’ >J2ek，即為滿足二者之間的動力學(xué)相似條件，冷態(tài)實驗的結(jié)果就基本反映了實際的流體動力狀況* 1.2實驗設(shè)備為冷態(tài)實驗裝置的設(shè)備及儀器安裝示意圖。風(fēng)機供風(fēng)，分別進入燃燒室和支柱空腔，二者通過風(fēng)機后的截止閥進行切換。圖中兩個入口前的U型壓力計分別用于測量進入支柱空腔及燃燒室的冷態(tài)模擬介質(zhì)一一空氣的壓力，而皮托管則用于計量二者的入口速度值以便通過入口前的閥門來調(diào)節(jié)工作狀態(tài)。測試點1，2分別用于測試煙氣及冷風(fēng)分布情況。
采用TSI8388-M-GB型熱線風(fēng)速計測試流速，測量精度為。2m/s，流速范圍為0m/s，測量溫度范圍為-10~60C，速度及溫度響應(yīng)時間分別為200坤和1.3模型及設(shè)備的校核bookmark4實驗測得冷風(fēng)格子孔的流速=3.368m/s，其當(dāng)量可見，本冷態(tài)實驗?zāi)Ｐ鸵嗵幱诘诙阅；瘏^(qū)運行狀態(tài)，滿足動力相似條件，故可認(rèn)為實驗設(shè)備的選型及組成是合理可行的。
2冷態(tài)實驗結(jié)果及分析實驗分析中引入氣體分布指數(shù)*.其值越大，說明氣體分布的均勻程度越高。表達式如下孔速度（m/s），i；average為所有格子孔的平均速度（m/s）；e（o；）為求解平均值。
2.1冷風(fēng)流場分布情％bookmark5為添加匹配擾流裝置前后氣流的分布情況。從圖可以看出，添加冷風(fēng)匹配擾流裝置后（b），氣流的分布指數(shù)有了很大提高，提高幅度達到50%，在添加匹配擾流裝置前（a）的4個明顯峰值得以消除。
2.2熱風(fēng)爐底部空腔立柱上橫梁對冷風(fēng)氣流分布的彩響bookmark6 a為爐箅子底部無橫梁冷風(fēng)氣流分布情況。添加橫梁后（b），冷風(fēng)分布出現(xiàn)了4個較為明顯的峰值區(qū)，相應(yīng)的氣流分布指數(shù)下降，幅度為10%左右。從圖可見，支撐橫梁對氣流分布的影響較大，在重新分配冷風(fēng)流場并使之與煙氣流場匹配時，匹配裝置的結(jié)構(gòu)及布置方式必須注意克服這一影響。
2.3改變?nèi)紵移龃u方式后煙氣流場特征bookmark7 a是未改變砌磚方式熱風(fēng)爐煙氣的流場分布情況。從圖可見，氣流的分布呈鍋底狀，邊緣氣流量大，中心氣流小。這種氣流狀況與實際冷風(fēng)的流場特征不匹配，因此，在實際運行中，往往造成煙氣在燃燒期間加熱格子磚的熱量在送風(fēng)期內(nèi)不能完全被冷風(fēng)內(nèi)帶走，即格子磚換ffl2添加匹配擾流裝置前后的氣流分布圍3有、無立柱上方橫梁時冷風(fēng)氣流分布Fig.3Influenceofcrossbeamoncoldair熱面積未能得到充分的利用。故應(yīng)該同時將二者的流場特征予以改變，使它們能達到匹配，從而充分利用格子磚的加熱面積。
從a，b對比中可看出：在熱風(fēng)爐頂部燃燒室內(nèi)設(shè)置適當(dāng)?shù)臒煔鈿饬鲾_流再分配裝置后，煙氣的鍋底狀分布情況得到較大改善，氣流分布指數(shù)得到提高，同時，其流場特征與同樣安裝匹配裝置后的冷風(fēng)流場特征已經(jīng)變得較為相似。
2.4討論從上述的測試結(jié)果看出，對于首鋼的頂燃式熱風(fēng)爐而言，由于采用單管送風(fēng)，在送風(fēng)時冷風(fēng)氣流沿冷風(fēng)入口中心線在各個格子磚孔中的分布有較大的速度梯度；同時，由于頂部燃燒器的布置方式基本為切向布置，在頂部燃燒室內(nèi)形成渦旋，通過各孔的煙氣氣流流場分布呈現(xiàn)凹陷狀，造成沿圓周徑向上格子磚孔的受熱狀況不同，因此各個格子孔的熱強度不同。正是由于送風(fēng)及煙氣的流場分布不匹配，使每立方米相應(yīng)的加熱面積沒有完全有效地利用起來，因此總的表現(xiàn)為格子磚孔加熱面積利用不夠。
對比―4可以看出，在冷風(fēng)及煙氣的流動空間中同時設(shè)置相應(yīng)的氣流匹配擾流裝置，二者的分布指數(shù)均有較大幅度提高，同時它們的流場分布特征較相似。通過這些措施提高了冷風(fēng)及煙氣的流場特征的匹配性。
田4改變砌磚方式前、后的煙氣流場分布情況冷態(tài)實驗測試結(jié)果證明，本氣流匹配裝置對于冷風(fēng)入口的阻力影響極小，安裝擾流板后，阻力損失僅為50Pa左右。同時排煙阻力損失也極小，約為30Pa.因此，就目前的系統(tǒng)而言，安裝本氣流匹配裝置，將不會對鼓風(fēng)及排煙系統(tǒng)帶來影響，不必?fù)?dān)心額外的動力損失* 3現(xiàn)場應(yīng)用1998年3，5和8月，分別在首鋼煉鐵廠第3，4和1號高爐熱風(fēng)爐上投入使用冷風(fēng)導(dǎo)流及煙氣導(dǎo)流匹配技術(shù)。
熱風(fēng)爐的格子磚在運行過程中，在煙氣及冷風(fēng)這兩種逆流變溫介質(zhì)中被周期性的交替加熱和冷卻，要達到較高的換熱效率，就要求沿爐子徑向格子磚孔中交替通過的氣流分布速度梯度達到匹配，流場特征相似，這樣才能達到好的換熱效果。
從投入運行的情況來看，所有裝置工作狀況良好，沒表1 1998年6―9月與1997年同期第3篼爐平均風(fēng)溫水平的比較有加大冷風(fēng)鼓風(fēng)及煙氣排放阻力損失，煙氣溫度、爐頂溫度、煤氣量及壓力均無明顯變化，熱風(fēng)爐的風(fēng)溫供應(yīng)能力明顯增強。表1即為1998年6―9月第3高爐平均風(fēng)溫水平與1997年同期的比較。從表可以看出，熱風(fēng)爐安裝氣流匹配裝置后，明顯提高了整體風(fēng)溫水平，平均提高了27.25C實踐證明，頂燃式熱風(fēng)爐采用此項氣流匹配技術(shù)在一定程度上提高了熱風(fēng)溫度。
目前，盡管在生產(chǎn)過程中存在各種停爐檢修、爐況、高爐利用系數(shù)等不確定因素，但采用此項氣流匹配技術(shù)亦可提高熱風(fēng)溫度水平20*25t. 4結(jié)論冷態(tài)模擬實驗結(jié)果，反映了熱風(fēng)爐實際的運行情況。
根據(jù)冷態(tài)模擬實驗結(jié)果設(shè)計的煙氣及冷風(fēng)氣流匹配裝置能夠滿足現(xiàn)場使用要求，施工安裝較為方便。
熱風(fēng)爐安裝氣流匹配裝置后，明顯提篼了整體風(fēng)溫水平。考慮在生產(chǎn)過程中的各種停爐檢修等不確定的因素，采用此項氣流匹配技術(shù)后，可綜合提高熱風(fēng)溫度水平工業(yè)實驗所投入的氣流匹配裝置工作狀況良好，沒有加大冷風(fēng)鼓風(fēng)及煙氣排放阻力損失，煙氣溫度、爐頂溫度、煤氣量及壓力沒有變化，熱風(fēng)爐的風(fēng)溫供應(yīng)能力明顯增強。 |
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