某钢厂1080m3高炉顶燃式热风炉的设计与应用

李学华

（中冶华天工程技术有限公司，安徽马鞍山 243005）

某钢厂1080m3高炉顶燃式热风炉的设计与应用

李学华

（中冶华天工程技术有限公司，安徽马鞍山 243005）

某钢厂为满足风温要求，设计了1080m3顶燃式热风炉。介绍了该风炉蓄热室设计参数、燃烧器设计特点和耐材结构设计方法，以及投产后热风炉的风温、风压、主要部位的温度、换热器的预热温度等实际操作参数。热风炉投产后，风温达到1200～1230℃，满足了高炉对风温、热交换及烧炉的要求。

顶燃式热风炉；风温；蓄热室；燃烧器

1 引言

顶燃式热风炉概念的提出带来了热风炉设计的革命。在国内，随着首钢型大拱顶多切向预混燃烧器（2～4个）顶燃式热风炉的淘汰，以卡鲁金热风炉为代表的新型顶燃式热风炉逐渐在各级别高炉中得到推广和运用。由于使用年限较短，相关的研究和实践数据还较少。新型顶燃式热风炉取消了传统内燃式、外燃式热风炉的独立燃烧室，将热风炉的拱顶作为燃料燃烧的空间；在拱顶之上另设一个直径较小的预燃室（燃烧器），内有煤气和空气的集气室和喷口，采用扩散火焰燃烧。燃烧器火焰较短，且燃烧器结构简单、运行中温度较低，使用寿命长。顶燃式热风炉具有减少散热损失、提高风温、节约占地面积、节约投资、耐材结构稳定、寿命长等许多优点。

某钢厂一期新建2座1080m3高炉，计划年产量200万t。高炉配3座新型顶燃式热风炉，在全烧高炉煤气的条件下，要求年平均风温1150～1200℃。采用热管式换热器回收烟气余热，预热煤气和助燃空气。

2 设计方法

2.1 热风炉设计参数

热风炉蓄热室格子砖分3段，材质分别为RG-95、DRL-135、DRN-115。热风炉燃烧和热平衡计算得到：单炉平均煤气量，50500Nm3/h；单炉理论平均空气量，36500Nm3/h；单炉平均烟气量，81300Nm3/h。蓄热室内烟气理论流速：1.78Nm/s。

热风炉原始设计参数见表1。

热风炉性能参数见表2。

2.2 热风炉耐材设计

拱顶和蓄热室上部采用Si砖作为内层耐火层，Si砖具有很好的高温抗蠕变性。采用轻质高铝砖和轻质黏土砖作为隔热层；隔热砖和喷涂层之间设有硅酸铝耐火纤维制品以吸收膨胀和绝热。蓄热室中部和下部分别采用低蠕变高铝砖（DRL-135）和低蠕变黏土砖（DRN-115）作耐火层，使用轻质黏土砖作隔热层，并和炉壳之间设有硅酸铝耐火纤维制品。

表1 热风炉原始设计参数

表2 热风炉性能参数

热风炉的燃烧器内层采用高抗热震性砖RT-B（Al2O3≥55%），因为这部分砖需承受周期性的燃烧和送风交替的较大幅度的温度变化。紧贴RT-B砖的燃烧器环道和喷嘴采用黏土砖HZN-42。

拱顶耐材和预燃室耐材分别通过拱顶底部的砖托和预燃室底部的砖托独立支撑在热风炉炉壳上。蓄热室砌体、拱顶砌体以及预燃室均可独立自由膨胀，并由迷宫缝保证彼此之间的密封。热风炉拱顶锥段采用平砌的方式，即层与层之间的砖缝平行于地面，砖的内表面与水平方向成60°逐渐向内缩；内层砖及第一层隔热砖采用异型砖，内层砖设置子母槽。实践证明，这种砌筑方法虽然简单，但使用可靠，实际生产中没有出现拱顶坍塌的情况。

热风炉炉体各口均采用组合砖，热风出口组合砖采用低蠕变高铝砖DRL-150a，DRL-150a相对于DRL-150增加了抗热震性指标。

2.3 热风炉燃烧器设计

顶燃式热风炉的燃烧器是其设计的核心之一。燃烧器的设计合理和正常使用是保证送风温度的前提。燃烧器的设计要保证一定量的煤气和空气通过燃烧器进入炉内后在蓄热室以上充分燃烧，不能发生燃烧不完全的情况。这里采用扩散火焰，要求煤气在拱顶空间大量、充分燃烧，而在预燃室只是进行预混合少量燃烧，降低预燃室的温度。

煤气和空气进入各自的环道（集气室），分别通过两层沿圆周方向均布的喷口喷入炉内。从上到下第一层、第二层和第四层喷口均与半径方向成一定夹角，使进入炉内的气体形成一定程度的切向旋流；第三层喷口沿半径方向、并向上倾斜一定角度喷入炉内，与其他各层气体形成交叉切割的关系，从而加强混合。通过合理的燃烧器喷口大小和切向角度的选取，以及与热风炉煤气量和拱顶直径相适应的预燃室内径，可以保证燃烧器达到使用要求。燃烧器的喷口流速一般取1 8.0～20.0m/s，切向喷口与半径方向的夹角取25°～27°。

投产后热风炉喉口底部（拱顶顶部）的温度约800℃，而热风炉拱顶（热风炉出口的高度）的温度约1330℃。说明大量燃烧在拱顶内进行。在燃烧期，预燃室顶部的温度最高400℃，煤气环道和空气环道的温度为200～250℃；在送风期，预燃室顶部的温度最高约760℃，煤气环道和空气环道的温度约450℃。说明热风炉燃烧器耐材承受着周期性的热震；由于热风辐射的影响，送风期温度高于燃烧期温度。

2.4 热风炉的余热回收和管道外保温

热风炉烧炉后的废气平均温度有300℃，如果直接排放，则是能源的浪费。采用余热回收装置回收废气余热，用于加热煤气和助燃空气，可以提高煤气的理论燃烧温度，从而提高风温。这里采用热管换热器回收废气余热，预热煤气和助燃空气。

表3为高炉投产后某日（2012年7月）换热器前后的温度检测数据。

实践中证明，采用热管换热器预热煤气和空气，至少可以将风温提高50℃。设计中采用了烟气——煤气——空气一体式换热器，结构紧凑，节约占地面积。

表3 热管换热器预热温度

对冷风管道、煤气管道以及预热器后的空气管道进行厚度为100mm的外保温，以减少在室温环境中气体热量的损失，提高风温。冷风温度实际中测得数据为222℃（冷风压力334kPa）。

热风管道采用低蠕变高铝砖DRL-135和隔热砖LG140-0.8L、NG120-0.6砌筑，管壳内表面喷涂轻质保温喷涂料，上方120°范围内砖衬与喷涂料之间充填16mm厚的硅酸铝棉毯。热风管道内衬总厚度约450mm。热风管道上各三岔口采用组合砖砌筑。热风管道的内衬既要保证管道耐材在1200℃的高温条件下的稳定性和耐用性，又要兼顾保温隔热性能，保护管壳并减少热风的散热损失。设计中采用合理的总图布置、缩短至高炉段热风总管的长度，减少了散热损失，提高了风温。

烟气管道采用管壳内表面喷涂轻质保温喷涂料，厚度115mm。保护管壳的同时减少散热损失，提高换热器的预热温度。

3 应用效果

该钢厂一期2座高炉分别于2011年4月和12月投产，投产后单座高炉年产量110万t。热风炉实际加热风量约为2750Nm3/min；冷风压力334kPa，送风压力325kPa；混风前热风温度1210～1293℃，混风后热风温度维持在1200℃。热风炉稳定的高风温为高炉顺行、达产提供了有利的条件。表4为2012年7月高炉的生产指标。

表4 高炉的生产指标（2012年7月）

4 结论

（1）实践证明，在全烧高炉煤气的条件下，采用热管式换热器预热煤气和助燃空气，新型顶燃式热风炉可以实现送风温度1200～1230℃，全年平均风温可以达到1200℃。

（2）本座热风炉的蓄热室参数：采用19孔Φ30mm的格子砖，单位风量的加热面积36.2m2/Nm3·min，单位炉容的加热面积107.7m2/m3是够用的，满足了热风炉热交换的要求。

（3）本座热风炉燃烧器设计满足了热风炉的烧炉要求，满足生产需要。

[1]刘国军.天铁炼铁工序节能实践[J].天津冶金，2009（6）：43-44.

[2]项钟庸，王筱留.高炉设计-炼铁工艺设计理论与实践[M].北京:冶金工业出版社，2007.

Design and Application of Top Fired Hot Blast Stove of 1080m3 BF of Certain Steel Plant

LI Xue-hua

(Huatian Engineering&Technology Corporation,MCC,Maanshan,Anhui Province 243005,China)

The 1080m3top fired hot blast stove was designed for Certain Steel Plant to meet the requirement on blast temperature.The paper describes the design parameter of its regenerative chamber,combustor design features and the design approach of refractory structure.It also expounds actual operating parameters such as the blast temperature and pressure,temperatures at major positions and exchanger preheating temperature of the stove after start-up.After the stove was put into operation,the blast temperature reached 1 200～1 230℃ and the demand by the blast furnace on blast temperature,heat exchange and combustion was met.

top fired stove;blast temperature;regenerative chamber;combustor

2013-01-05

2013-01-27

李学华（1980—），女，湖北随州人，硕士，工程师，主要从事高炉炼铁热风炉系统设计工作，E-mail：lgsluo@163.com。

（编辑 潘娜）